International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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제16권2호
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pp.254-263
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2015
In this study, numerical simulations are carried out to investigate the dynamic SGS model effects in a Kerosene-LOx coaxial swirl injector under high pressure conditions. The turbulent model is based on large-eddy simulation (LES) with real-fluid transport and thermodynamics. To assess the effect of the dynamic subgrid-scale (SGS) model, the dynamic SGS model is compared with that of the algebraic SGS model. In a swirl injector under supercritical pressure, the characteristics of temporal pressure fluctuation and power spectral density (PSD) present comparable discrepancies dependant on the SGS models, which affect the mixing characteristics. Mixing efficiency and the probability density (PDF) function are conducted for a statistical description of the turbulent flow fields according to the SGS models. The back-scattering of turbulent kinetic energy is estimated in terms of the film thickness of the swirl injector.
본 논문에서는 기체/액체 스월 동축형 인젝터에서 발생하는 self-pulsation 현상을 분사 조건을 변화 시켜주며 분무 특성 및 음향학적 특성을 살펴보았다. 액체 및 기체 압력의 변화시키며 분사 조건을 결정하였고, 인젝터의 기하학적 변수로 리세스와 갭 크기를 선정하여 이에 따른 self-pulsation 특성을 조사하였다.
Both numerical analysis and experiment of cold and hot tests were performed to obtain basic design data for the swirl coaxial type Injector and to predict the combustion performance. Mass distribution, mixing distribution, mixing efficiency, characteristic velocity efficiency were measured by the cold tests and numerical analysis using the commercial thermo-hydraulic program. Test and analysis variables were recess, pressure drop, velocity ratio, mixing spray, mixture ratio. Hot tests were performed for the Uni-element injector to compare the performance with the cold test results, and, hot tests for Multi-element injector were performed to compare the performance with Uni-element injector. Designed thrust of the Uni-element injector liquid rocket was 35kgf at sea level and combustion chamber pressure, 20bar. Kerosene and Lox were used as a propellant.
In this paper, the atomization characteristics of bi-swirl coaxial injectors for a 420 N-class bipropellant thruster were investigated. Three types of injectors, namely closed-type, open-type, and screw-type, were manufactured and designed to have the same spray angle and injection pressure drop. Water was used as a simulant, and cold-flow tests were conducted under ambient temperature and pressure conditions. Since the inner and outer injectors were designed to be the same type, only the inner fuel injectors that were easy to measure were used. Using a phase doppler particle analyzer, the velocity and diameter of atomized droplets were measured. Closed-type swirl injector exhibited droplet distributions with relatively high velocities and small SMD compared to the other two injectors. Open-type swirl injector formed droplets with reverse velocities in the center region and had a large recirculation zone. Screw-type swirl injector showed a sharp decrease in droplet velocity and size with radial distance from the liquid film breakup point. For the same design requirements, the closed-type swirl injector has superior atomization performance.
동축 스월 인젝터 중에서 연료 인젝터의 스월 챔버 유무에 따른 인젝터 페이스의 냉각 특성을 알아보기 위해서 연료의 스월 챔버의 유무 조건만 다르고 모든 설계 조건이 같은 두 개의 인젝터를 만들었으며, 장시간 연소가 가능하도록 물을 이용한 재생 냉각 채널을 인젝터 페이스에 설치하였다. 두 개의 인젝터를 이용하여 연소 실험을 수행한 후 인젝터 페이스의 냉각 특성을 비교하였고, O/F ratio 2.0일 때와 O/F ratio 1.7일 때의 연소 특성 및 인젝터 페이스의 냉각 특성을 살펴보았다.
본 연구는 하이브리드 로켓 연소에서 원통형 멀티 포트 그레인과 스월 인젝터 적용 시 각각 후퇴율 증가의 장점을 취합하고자 수행하였으며, 연료 포트 수와 스월 인젝터의 배치에 따른 후퇴율 변화에 대한 실험을 수행 하였다. 실험 결과 멀티 포트 그레인에 샤워 헤드 형태의 인젝터를 적용한 것보다 스월 인젝터를 적용한 경우의 후퇴율이 증가되는 것을 확인 할 수 있었다.
The breakup characteristics of liquid sheets formed by the impinging and swirl type injectors were studied as increasing the Weber number (or injection condition) and the ambient gas pressure to 4.0.MPa. In the case of impinging type injector. we compared the changes of breakup lengths between laminar and turbulent sheets. which are formed by the impingement of laminar and turbulent jets. respectively. The results showed that both sheets expand as increasing the injection velocity irrespective of the ambient gas density when the gas based Weber number is low. When the Weber number is high, however, the breakup of turbulent sheet depends on the hydraulic force of jets as well as the aerodynamic force of ambient gas which determines the breakup of laminar sheet. Using the experimental results. we could suggest empirical models on the breakup lengths of laminar and turbulent sheets. In the case of swirl type injector. as $We_l$, and ambient gas density increased, the disturbances on the annular liquid sheet surface were amplified by the increase of the aerodynamic forces. and thus the liquid sheet disintegrated near from the injector exit. Finally, the measured breakup length of swirl type injector according to the ambient gas density and $We_l$, was compared with the result by the linear instability theory. We found that the corrected breakup length relation derived from linear instability theory considering the attenuation of sheet thickness agrees well with our experimental results.
The spray and acoustic characteristics by the self-oscillation of a swirl coaxial injector were experimentally studied. The self-oscillation of a swirl coaxial injector is defined as pressure and flowrate oscillations by a time-delayed feedback between liquid and gas phase and has strong influences on atomization and mixing processes. Hence the occurrence and effect of the self-oscillation are measured using shadow photography technique, acoustic test and PDPA. The occurrence of self-oscillation largely depends on the injection conditions, such as pressure drop of liquid phase and relative momentum ratio. From the experimental results, self-oscillation occurs when the momentum of gas phase is enough large and the smaller the pressure drop of liquid phase is, the better self-oscillation occurs at the same momentum ratio. The self-oscillation is also affected by injector geometries, increasing the recess length results in the expansion of self-oscillation region and the increase of sound pressure level. The self-oscillation of a swirl coaxial injector accompanies a high intensity scream and this scream may provide harmful disturbances to combustion processes. Self-oscillation leads to strong changes in the drop size distribution and smoothly varies the slope of radial SMD distribution.
Numerical analysis of the spray angles of Dual swirl injector were investigated to obtain basic design data and to predict the combustion performance. Using the commercial thermal hydraulic program, discharge coefficients and spray angles were numerically analyzed with recess length, pressure drop, velocity ratio, mixture ratio and back hole length. Water was used as simulants for oxidizer and fuel, respectively to compare the experimental results. Swirl injectors were designed to inject oxidizer of 70.5g/s and fuel of 29.5g/s at the pressure drop of 1MPa and two recess lengths were considered. In addition, the effect of injector geometry coefficient and velocity ratio on the discharge coefficient was studied.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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