Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.43
no.8
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pp.677-683
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2015
Hybrid rocket combustion displays low frequency instability(LFI, 10~30Hz) at a certain condition. Vortex shedding in the post-chamber is suspected to cause the occurrence of LFI. This study focused on the visualization of flow image using light emissions from high temperature combustion gas. Results shows that combustion pressure oscillates at a frequency of about 18 Hz, which is in phase with oscillations of light emission. Since LFI is not a property of thermo-acoustic instability, this result suggested there exists a physical coupling of pressure fluctuations with light emissions proportional to chemical reaction. Also POD analysis shows that dominant symmetric spatial modes in the stable combustion shift suddenly into asymmetric spatial pattern with the appearance of LFI. Especially, the appearance of mode 3 is a typical change of flow dynamics in unstable combustion representing a rotational fluid motions associated with vortex shedding.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.49
no.2
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pp.139-146
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2021
In hybrid rocket combustion, the oxidizer swirl injection is frequently used to stabilize the combustion as the rotational velocity component affects the boundary layer flow. However, as the swirl strength increases, a problem arises where the combustion performance changes too much. Thus, this study attempts to control the low frequency instability while minimizing the change in combustion performance by adapting attenuated swirl injection with fuel insert used in reference [7]. To this end, a series of experimental tests were performed by varying swirl intensity and the location of the fuel insert. In the tests, the occurrence of combustion instability and combustion performance were closely monitored. The results confirmed that combustion instability was successfully suppressed at the condition of the swirl angle 6 degree and the location of fuel insert 310 mm. And, the changes in combustion pressure, O/F ratio, and fuel regression rate were found as minimal compared to the baseline case. Also the results reconfirmed that the formation of positive coupling between two high frequency oscillations in 500 Hz band, combustion pressure(p') and heat release oscillation(q'), is the necessary and sufficient condition of the occurrence of low frequency instability.
The excessive wind-induced motion of tall buildings most frequently result from vortex-shedding-induced across-wind oscillations. This form of excitation is most pronounced for relatively flexible, lightweight, and lightly damped high-rise buildings with constant cross-sections. This paper discusses the aerodynamic means ofmitigating the across-wind vortex shedding induced in such situations. Openings are added in both the drag and lift directions in the buildings to provide pressure equalization. Theytend to reduce the effectiveness of across-wind forces by reducing their magnitudes and disrupting their spatial correlation. The effects of buildings with several geometries of openings on aerodynamic excitations and displacement responses have been studied for high-rise buildings with square cross-sections and an aspect ratio of 8:1 in a wind tunnel. High-frequency force balance testshave been carried out at the Kumoh National University of Technology using rigid models with 24 kinds of opening shapes. The measured model's aerodynamic excitations and displacement were compared withthose of a square cylinder with no openings to estimate the effectiveness of openings for wind-induced oscillations. From these results, theopening shape, size, and location of buildings to reduce wind-induced vortex shedding and responses were pointed out.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.41
no.1
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pp.40-47
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2013
The similarity in internal flow of solid and hybrid rocket suggests that hybrid rocket combustion can be susceptible to instability due to vortex sheddings and their interaction. This study focuses on the evolution of interaction of vortex generated in pre-chamber with other types of vortex in the combustor and the change of combustion characteristics. Baseline and other results tested with disks show that there are five different frequency bands appeared in spectral domain. These include a frequency with thermal lag of solid fuel, vortex shedding due to obstacles such as forward, backward facing step and wall vortices near surface. The comparison of frequency behavior in the cases with disk 1 and 3 reveals that vortex shedding generated in pre-chamber can interact with other types of vortex shedding at a certain condition. The frequency of Helmholtz mode is one of candidates resulting to a resonance when it was excited by other types of oscillation even if this mode was not discernable in baseline test. This selective mechanism of resonance may explain the reason why non-linear combustion instability occurs in hybrid rocket combustion.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2011.11a
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pp.649-652
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2011
A series of hybrid rocket combustion experiments were carried out with PMMA/GOx changing diameter and length of the disk installed at pre-chamber. The disk can generate vortex shedding flow and change flow conditions prior to entering the fuel grain which could also alter the combustion characteristics and pressure oscillations. Isolated dimple-like surface roughness patterns distributed all over the fuel surface, which can be thought of as a realization of the inherent flow instability. It is very likely that the formation of cell structures is originated from the modification of boundary layer characteristics of an entering oxidizer flow caused by a blowing effect mainly taking place near the wall. This coincided with our LES results. It would be a meaningful basis to understand combustion instability of hybrid rocket motor.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.48
no.3
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pp.167-174
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2020
A study of flow characteristics of supersonic fluidic oscillators with shared feedback channel inside was carried out. Unsteady CFD analysis were performed and the numerical results were validated by comparison with the experimental ones observed for the same operation conditions. It was found that the mass flow between individual oscillators through the shared feedback channel directly influenced on the oscillating flow mechanism inside the oscillator, and finally on the synchronization of the jet oscillations. It was also observed that the oscillator with shared feedback channel provided higher pressure loss as well as higher oscillation frequency as compared to the single oscillator of the same geometric shape.
The lattice Boltzman method (LBM) and the finite difference-based lattice Boltzmann method (FDLBM) are quite recent approaches for simulating fluid flow, which have been proven as valid and efficient tools in a variety of complex flow problems. They are considered attractive alternatives to conventional finite-difference schemes because they recover the Navier-Stokes equations and are computationally more stable, and easily parallelizable. However, most models of the LBM or FDLBM are for incompressible fluids because of the simplicity of the structure of the model. Although some models for compressible thermal fluids have been introduced, these models are for monatomic gases, and suffer from the instability in calculations. A lattice BGK model based on a finite difference scheme with an internal degree of freedom is employed and it is shown that a diatomic gas such as air is successfully simulated. In this research we present a 2-dimensional edge tone to predict the frequency characteristics of discrete oscillations of a jet-edge feedback cycle by the FDLBM in which any specific heat ratio $\gamma$ can be chosen freely. The jet is chosen long enough in order to guarantee the parabolic velocity profile of a jet at the outlet, and the edge is of an angle of $\alpha$=23$^{o}$. At a stand-off distance w, the edge is inserted along the centerline of the jet, and a sinuous instability wave with real frequency is assumed to be created in the vicinity of the nozzle exit and to propagate towards the downstream. We have succeeded in capturing very small pressure fluctuations resulting from periodic oscillation of the jet around the edge.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.11
no.3
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pp.35-42
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2007
Acoustic damping induced by gap width between baffled injectors is investigated numerically, which are installed to suppress pressure oscillations in a model rocket combustor. The previous work reported that the baffled injectors show larger acoustic damping with the gap width between injectors. It is simulated numerically and its mechanism is examined. Damping factors are calculated as a function of gap width and it is found that the optimum gap is 0.1 mm or so. For understanding of the improved damping induced by the gap, dissipation rate of turbulent kinetic energy and vorticity are calculated as a function of the gap. Both parameters have their maximum values at the specific gap and especially, the dissipation rate has the same profile as that of damping factor. It verifies that the improved damping made by the gap is attributed to the increased acoustic-energy dissipation.
During an earthquake on December 29th 2020, the Krško NPP automatically shutdown due to the trigger of the negative neutron flux rate signal on the power range nuclear instrumentation. From the time course of the detector signal, it can be concluded that the fluctuation in the detector signal may have been caused by the mechanical movement of the ex-core neutron detectors or the pressure vessel components rather than the actual change in reactor power. The objective of the analysis was to evaluate the sensitivity of the neutron flux at the ex-core detector position, if the detector is moved in the radial or axial direction. In addition, the effect of the core barrel movement and core inside the baffle movement in the radial direction were analysed. The analysis is complemented by the calculation of the thermal and total neutron flux gradient in radial, axial and azimuthal directions. The Monte Carlo particle transport code MCNP was used to study the changes in the response of the ex-core detector for the above-mentioned scenarios. Power and intermediate-range detectors were analysed separately, because they are designed differently, positioned at different locations, and have different response characteristics. It was found that the movement of the power range ex-core detector has a negligible effect on the value of the thermal neutron flux in the active part of the detector. However, the radial movement of the intermediate-range detector by 5 cm results in 7%-8% change in the thermal neutron flux in the active part of the intermediate-range detector. The analysis continued with an evaluation of the effects of moving the entire core barrel on the ex-core detector response. It was estimated that the 2 mm core barrel radial oscillation results in ~4% deviation in the power and intermediate-range detector signal. The movement of the reactor core inside baffle can contribute ~6% deviation in the ex-core neutron detector signal. The analysis showed that the mechanical movement of ex-core neutron detectors cannot explain the fluctuations in the ex-core detector signal. However, combined core barrel and reactor core inside baffle oscillations could be a probable reason for the observed fluctuations in the ex-core detector signal during an earthquake.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2003.05a
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pp.91-93
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2003
A comprehensive numerical study is carried out to investigate for the understanding of the flow evolution and flame development in a supersonic combustor with normal injection of ncumally injecting hydrogen in airsupersonic flows. The formulation treats the complete conservation equations of mass, momentum, energy, and species concentration for a multi-component chemically reacting system. For the numerical simulation of supersonic combustion, multi-species Navier-Stokes equations and detailed chemistry of H2-Air is considered. It also accommodates a finite-rate chemical kinetics mechanism of hydrogen-air combustion GRI-Mech. 2.11[1], which consists of nine species and twenty-five reaction steps. Turbulence closure is achieved by means of a k-two-equation model (2). The governing equations are spatially discretized using a finite-volume approach, and temporally integrated by means of a second-order accurate implicit scheme (3-5).The supersonic combustor consists of a flat channel of 10 cm height and a fuel-injection slit of 0.1 cm width located at 10 cm downstream of the inlet. A cavity of 5 cm height and 20 cm width is installed at 15 cm downstream of the injection slit. A total of 936160 grids are used for the main-combustor flow passage, and 159161 grids for the cavity. The grids are clustered in the flow direction near the fuel injector and cavity, as well as in the vertical direction near the bottom wall. The no-slip and adiabatic conditions are assumed throughout the entire wall boundary. As a specific example, the inflow Mach number is assumed to be 3, and the temperature and pressure are 600 K and 0.1 MPa, respectively. Gaseous hydrogen at a temperature of 151.5 K is injected normal to the wall from a choked injector.A series of calculations were carried out by varying the fuel injection pressure from 0.5 to 1.5MPa. This amounts to changing the fuel mass flow rate or the overall equivalence ratio for different operating regimes. Figure 1 shows the instantaneous temperature fields in the supersonic combustor at four different conditions. The dark blue region represents the hot burned gases. At the fuel injection pressure of 0.5 MPa, the flame is stably anchored, but the flow field exhibits a high-amplitude oscillation. At the fuel injection pressure of 1.0 MPa, the Mach reflection occurs ahead of the injector. The interaction between the incoming air and the injection flow becomes much more complex, and the fuel/air mixing is strongly enhanced. The Mach reflection oscillates and results in a strong fluctuation in the combustor wall pressure. At the fuel injection pressure of 1.5MPa, the flow inside the combustor becomes nearly choked and the Mach reflection is displaced forward. The leading shock wave moves slowly toward the inlet, and eventually causes the combustor-upstart due to the thermal choking. The cavity appears to play a secondary role in driving the flow unsteadiness, in spite of its influence on the fuel/air mixing and flame evolution. Further investigation is necessary on this issue. The present study features detailed resolution of the flow and flame dynamics in the combustor, which was not typically available in most of the previous works. In particular, the oscillatory flow characteristics are captured at a scale sufficient to identify the underlying physical mechanisms. Much of the flow unsteadiness is not related to the cavity, but rather to the intrinsic unsteadiness in the flowfield, as also shown experimentally by Ben-Yakar et al. [6], The interactions between the unsteady flow and flame evolution may cause a large excursion of flow oscillation. The work appears to be the first of its kind in the numerical study of combustion oscillations in a supersonic combustor, although a similar phenomenon was previously reported experimentally. A more comprehensive discussion will be given in the final paper presented at the colloquium.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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