본 연구에서는 전보의 연구를 통해 가장 성능이 우수하다고 평가된 형상의 연소시스템을 선택해서, 연소실의 압력변동과 이온전류변동의 동시측정, 압력변동과 온도변동의 동시측정결과를 신호분석기에 의해 통계처리함으로써 아직까지 이해가 대단히 부족한 재착화 및 연소메카니즘, 그리고 공기유동특성에 관한 물리적 현상을 규명하고자 한다.
내연기관의 연소현상을 연구하는 연구자들에게 엔진 내부의 압력값은 연소과정을 이해 할 수 있는 좋은 데이터가 된다. 본 논문에서는 압력값을 이용하여 스파크 점화기관의 무부하에서의 사이클 연소 변동의 중요한 원인이 무엇인가를 규명한다. 또한 실험기관의 연소실에서 채취한 압력 데이터는 사이클 변동의 연소 해석의 기초 데이터와 연소율 해석 등의 데이터분석을 하는데 사용되었다. 연소변수의 입력변수로써 연료, 공기, 잔류량, 등등이 사이클 변동을 결정하는데 사용되었다.
고체 추진 로켓 내부 연소실의 비정상 유동을 수치적으로 해석하였다. 완전 보존식을 이용하여 2 차원 축-대칭 연소실 안의 연소 불안정을 해석하기 위한 수치 기법을 구성하였는데 비정상 유동을 해석하기 위한 수정된 $\kappa$-$\varepsilon$ 난류 모델이 사용되었다. 이산화한 지배 방정식은 연관된 경계 조건을 포함하여 dual time-stepping 방법으로 시적분 하였다. 정상 상태의 계산을 기반으로 연소실 내의 천이 압력파의 비정상 상태를 수치적으로 모사하기 위하여 압력 펄스 및 압력 변동을 연소실 상단에 부과하였다. 로켓 모터 연소실 내의 다양한 정상 상태 및 비정상 상태의 특성을 계산 및 해석하였다.
Influence of changing combustor pressure on flame stabilization and emission index in the swirl-stabilized flame was investigated. The combustor pressure was controlled by suction fan at combustor exit. Pressure index ($P^{\ast}$=Pabs/Patm), where Pabs and Patm indicated the absolute pressure and atmosphere pressure, respectively, was controlled in the range of 0.7${\sim}$1.3 for each equivalence ratio conditions. The flammable limits of swirl flames were largely influenced by changing combustor pressure and they showed similar tendency with laminar flames. NOx emission index decreased with decreasing pressure index for overall equivalence ratio conditions. R.m.s. of pressure fluctuations is increased with decreasing combustor pressure. This flame fluctuation caused incomplete combustion, hence CO emission index increased. These oscillating flames were measured by simultaneous $CH^{\ast}$ chemiluminescence time-series visualization and pressure fluctuation measurement.
In this study, the influence of changing combustor pressure on nitric oxide emission was investigated. Expansion of reaction region was more clear in the P$^{*}$ <1 conditions compared to the P$^{*}\geq1$ conditions, and it could be observed that flames are distinct in the P$^{*}\geq1$ conditions and that brightness is relative low and wide distribution is shown in the P$^{*}$ <1 conditions. In the respect of temperature distribution, narrow and high-temperature region was shown in the P$^{*}\geq1$ conditions. On the other hands, overall uniform temperature distributions were shown in the P$^{*}$ <1 conditions. Nitric oxide emission decreased with decreasing combustor pressure. This tendency was explained by the mean flame temperature distribution. Low NOx combustion is ascribed to wide-spread reaction region in the low combustor Pressure and oscillation were shown P$^{*}\leq0.97$, and strength and sizes of oscillation were more increased with lower pressure index. These results demonstrate that flame shape and nitric oxide emission can be controlled with changing combustor pressure.
In order to understand the phenomena of combustion instability, an experimental study was conducted at the moderate pressure and ambient temperature conditions. The flame behavior and the pressure fluctuations were measured in a dump combustor. Various types of combustion modes occurred in accordance with the equivalence ratio and the fuel supplying conditions. The fluctuation of pressure, heat release and equivalence ratio were measured by piezoelectric pressure sensor, high speed Intensified Charge Coupled Device (HICCD) camera and gas chromatography respectively. Two representative modes were self-excited pressure oscillations at the resonance of combustion chamber (200Hz) and instabilities related to the modulated fuel flow rate through the fuel holes (10Hz). It is found that, especially in an unchoked fuel flow condition, the modulation of the fuel flow rate affects the characteristics of flame behavior and pressure fluctuations in a lean premixed flame.
액체로켓인 KSR-III는 점화시 및 연소실 압력의 이상 저하시 추진제가 지나치게 많이 공급되는 것을 막기 위하여 케비테이션 벤튜리를 사용한다. 본 연구에서는 Fluent가 제공하는 케비테이션 모형을 사용하여 케비테이션 벤튜리 내부의 공동 발생과 이에 따른 유량제어 현상을 해석하였다. 케비테이션 모형은 공동의 붕괴를 효과적으로 예측하지 못하는 단점이 있지만 벤튜리를 통과하는 유량은 공동이 발생하는 위치에서 유효 유로 감소에 의하여 제한되므로 유량제어 현상을 성공적으로 관찰할 수 있었다. 결과로서 벤튜리 상류의 압력이 일정하게 유지될 때 하류의 압력 변동에 대하여 유량이 변화하지 않음을 확인하였다. 상류의 압력이 24.1bar로 일정하게 유지되고 벤튜리에서 압력차이가 3bar 이하일 때 공동은 발생하지 않았다. 압력차가 6bar 이상일 때 공동이 발생하며 (압력차 6bar인 경우와 비교하여) 9bar, 12bar의 압력차에 대한 유량 증가는 각각 $5\%,\;7\%$에 그쳐 주어진 작동조건에서 벤튜리로 유량제어가 가능하였다.
In present study, the influence of changing combustor pressure on flame stabilization and nitrogen oxide (NOX) emission in the swirl flame with secondary fuel injection was investigated. The combustor pressure was controlled by suction at combustor exit. Pressure index ($P^*=Pabs/Patm$), where Pabs and Patm indicated the absolute pressure and atmosphere pressure, was controlled in the range of 0.7~1.15 for each equivalence ratio conditions. It could be observed that flame stable region became narrower with decreasing equivalence ratio and pressure index. In this combustion system, stable flames were formed until $P^*=\;0.7$. Emission index decreased with decreasing pressure index for overall equivalence ratio conditions and NOx reduction rates were almost identical for $P^*<1$ regardless of equivalence ratio though EINOx values showed different level with change of equivalence ratio for $P^*{\geq}1$. It is also observed that EINOx decreased with increasing secondary fuel injection ratio. Emission index of nitric oxide was controllable by adjusting the changing combustor pressure and injecting secondary fuel and this NOx reduction technology is applicable to industrial furnaces and air conditioning system.
The influence of combustor pressure on the local reaction characteristics of $CH_4$/air flames was investigated by measurements of local chemiluminescence intensity. Induced flow flames are often applied to the industrial boiler systems and incinerator in order to improve heat transfer and prevent exhaust gas leakage. In order to investigate combustion characteristics in the induced flow pattern, the combustor pressure index($P^*$) was controlled in the range of $0.7{\sim}1.3$ for each equivalence ratio in the present combustion system, where $P^*$ is defined as the ratio of absolute pressure to atmospheric one. Relationship between local reaction intensity and pressure index have been investigated by simultaneous $CH^*$, $C^*_2$ and $OH^*$ intensity measurements. It could be observed that flame length became longer with decreasing $P^*$ from $CH^*$ chemiluminescence intensity of axial direction. The mean value of $C^*_2$ and $CH^*$ chemiluminescence intensities, which indicates reaction intensity in the $CH_4$/air flames, decreased with decreasing pressure index for ${\Phi}{\leq}1$, but increased with decreasing pressure index for ${\Phi}$>1. $C^*_2/CH^*$ intensity ratio, which can be a good marker to demonstrate local equivalence ratio, was almost same for ${\Phi}{\leq}1$ regardless of pressure index change, while they showed high level for lower pressure index for ${\Phi}$>1 conditions.
Pressure and temperature variations in a shock tube have been studied numerically by changing the diameter ratio of a driven part to a driver part. There are five cases where the adopted diameter ratios are 40%, 50%, 60%, 80%, and 100% respectively. The diameter of the driver part remains unchanged meanwhile the shock tube driven part diameter increases from 40% to 100% of the driver part. In the 100% ratio case, the driver part and driven parts have the same diameter of 66.9 mm. As the diameter ratio decreases, the pressure in the shock tube and available test time are increased.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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