램제트 연소실의 내열기술은 고온 연소가스로부터 연소실 벽면으로 유입되는 열을 효과적으로 차단하여 구조물의 온도를 일정수준 이하로 제한시키는 핵심기술로서 막냉각(film cooling)에 의해 벽면을 냉각시키는 기술을 들 수 있다. 본 연구단에서는 램제트 연소실의 내열 시스템 설계 연구의 수행을 통해 최적 열설계 이르는 설계 기법을 제시하였다.
난류분무 연소해석을 위한 수치해석 코드가 개발되었다. 복잡한 형상을 다루기 위하여 일반좌표계에서 이산화되었고 낮은 마하수 유동에 대한 수렴성을 증가시키기 위하여 예조건화기법과 고유치 재규격화기법이 도입되었다. 코트의 정확성은 캐비티 유동과 평면노즐에서 검증되었다. 액체로켓 엔진의 막냉각효과가 분무연소해석에 의하여 분석되었다. 막냉각은 연소효율에 부정적인 영향을 보였다. 연소실 벽면에서 막냉각효과는 연료가 많은 지역형성에 증진됨을 보여주었다.
The effects of injection angles between $0^{\circ}$ and $9^{\circ}$, mainstream turbulent intensities between 0.36 percent and 9.3 percent and embedded longitudinal vortices on jets issuing from a single film cooling hole and from a row of inclined holes are investigated. The heat transfer coefficients around film cooling holes are affected greatly by the compound injection angles. The injected jets affected weakly by the freestream turbulence at low level. However, the heat transfer coefficients near the film cooling holes have higher values at a high turbulence intensity. The vortices generated from a delta winglet change the injected jet direction and the kidney-type vortex pattern.
액체로켓 엔진 연소기에 대한 연소/냉각 성능 통합 해석 및 연소 시험 결과와의 비교를 통하여 내열 세라믹 열차폐 코팅 조건에 따른 냉각 성능 변화 경향을 고찰하였다. 연소기 헤드부 근처에서의 막냉각 적용 여부 및 막냉각 유량에 따른 냉각수 온도 및 열차폐 코팅 표면 온도 변화 경향 또한 확인하였다. 본 연구를 통하여 재생냉각 방식 로켓 엔진 연소기의 냉각 기구 설계 시 고려 사항이 검토되었으며, 향후 지속적인 해석 도구 검증이 수행될 예정이다.
The film boiling heat transfer was experimentally investigated for the water sprays impacting on an inclined hot surface. Full cone spray nozzles were employed for the spray cooling experiment, and experiments were made for different inclination angles of $\theta=0^{\circ}$, $15^{\circ}$, $30^{\circ}$ and $45^{\circ}$. The experimental results show that, in the downstream region of the inclined hot surface, increasing the inclination angle increases the local heat flux slowly because of increasing the number of rebound droplets. However, the inclination angle of heat transfer surface had no remarkable effect on the local heat flux of spray cooling under the present test conditions.
An experiment has been conducted on the flow and heat transfer characteristics of film coolant injected from a row of five holes with compound angle orientations of 35$^{\circ}$ inclination angle and 45$^{\circ}$ orientation angle. The Reynolds number based on the mainstream velocity and injection hole diameter 3.58${\times}$10$^4$. Three-dimensional velocity, film cooling effectiveness and heat transfer coefficient data are presented at three different mass flux ratios of 0.5, 1.0 and 2.0. Flow entrainment has been found between the vortices generated by adjacent injectants. The injectant with compound angle orientation entrains not only the mainstream boundary layer flow but also the adjacent injectant. Because of the flow entrainment, the injectant. With compound angle orientation is characterized by a single vortex while two bound vortices are usually observed in the case of simple angle injection. The strength of the secondary flow depends strongly on the mass flux ratio, which shows significant influence on the film cooling effectiveness and heat transfer coefficient.
연소실 내부에서 주유동의 난류강도가 엇갈린 배열의 사각홀의 막냉각 성능에 미치는 영향에 대하여 실험을 수행하였으며, 주유동의 $10\%$ 난류강도 하에서 온도장 및 단열 막냉각 효율이 측정되어졌다. 온도장의 결과는 주유동의 높은 난류강도에 의해 전체적인 값들이 감소하고, 두터운 냉각유체 막이 형성됨을 보였으며, 흘 인접영역에서 주유동의 높은 난류강도에 의해 낮은 막냉각 효율 값을 보이지만, 하류로 진행함에 따라 냉각성능의 차이가 줄어듦을 보였다.
본 연구에서는 평행 벽 제트-노즐 형상의 막냉각 수치해석에 적합한 난류모델을 선정하고자 하였다. 현재 실험을 하기 위한 전 단계이므로, 먼저 유사한 참고 형상에 대해 Standard $k-{\epsilon}$ 모델과 RNG $k-{\epsilon}$ 모델, SST $k-{\omega}$ 모델, 그리고 RSM 모델 등 다양한 난류모델을 적용하였고, Near-wall 처리 방법으로서 SST $k-{\omega}$ 모델을 제외하고는 Standard wall functions와 Enhanced wall functions 등 2종류를 각각의 모델에서 사용하였으며, 실험값과 비교하여 보다 적합한 난류모델을 선정하고자 하였다. 나아가 2차원 축대칭으로 평행 벽 제트-노즐 단일 슬롯 형상에 대해 기선정한 난류모델을 적용하여 막냉각 특성을 살펴보았다. 유사 참고 형상에 대한 해석 결과 Standard $k-{\epsilon}$ 모델 및 RSM 모델이 거의 비슷한 성능을 보여주었으나 수렴성이 우수한 Standard $k-{\epsilon}$ 모델이 선정되었다. 또한 Standard wall functions를 사용하는 것보다 Enhanced wall functions를 사용하는 것이 더 좋은 결과를 보여주었다. 나아가 평행 벽 제트-노즐 단일 슬롯 형상에 적용한 결과 물리적으로 타당한 막냉각 특성을 보여주었다. 선정된 모델 및 해석방법론을 이용하여 평행 벽 제트-노즐 다단 슬롯 형상에 대한 막냉각 해석을 수행할 예정이며, 관련 결과는 추후 실험 예비해석 방법론으로 활용할 예정이다.
Film cooling characteristics has been examined numerically for the height variation of a stepped slot exit. In this study, the upstream wall height of the stepped slot exit varies from -2d (d = slot width) to 3d, blowing ratio ranges from 0.5 to 3, and injection angles are $15^{\circ},\;30^{\circ},\;and\;45^{\circ}$. The results showed that film cooling performance was mainly subjected to the magnitude of recirculation region near the downstream-side slot exit as well as the magnitude and the distribution region of turbulent kinetic energy due to the local velocity and momentum differences between the coolant and the main flow near the slot exit. The up-1d type slot at higher blowing ratios over 2 and the flat type slot at lower blowing ratios below 1 have the best film cooling performances, in case of the injection angles of $30^{\circ},\;and\;45^{\circ}$, respectively. Compared with the other injection angles, in case of the injection angles of $15^{\circ}$, the best film cooling performances was shown in even a higher upstream wall (up-3d) at higher blowing ratio like 3 by the gradual reduction of the coolant velocity which minimizes the local velocity differences between the coolant and the main flow near the slot exit.
This paper presents numerical analysis and design optimization of various turbine blade cooling techniques with three-dimensional Reynolds-averaged Navier-Stokes(RANS) analysis. The fluid flow and heat transfer have been performed using ANSYS-CFX 11.0. A fan-shaped hole for film-cooling has been carried out to improve film-cooling effectiveness with the radial basis neural network method. The injection angle of hole, lateral expansion angle of hole and ratio of length-to-diameter of the hole are chosen as design variables and spatially averaged film-cooling effectiveness is considered as an objective function which is to be maximized. The impingement jet cooling has been performed to investigate heat transfer characteristic with geometry variables. Distance between jet nozzle exit and impingement plate, inclination of nozzle and aspect ratio of nozzle hole are considered as geometry variables. The area averaged Nusselt number is evaluated each geometry variables. A rotating rectangular channel with staggered array pin-fins has been investigated to increase heat transfer performance ad to decrease friction loss using KRG modeling. Two non-dimensional variables, the ratio of the eight diameter of the pin-fins and ratio of the spacing between the pin-fins to diameter of the pin-fins selected as design variables. A rotating rectangular channel with staggered dimples on opposite walls are formulated numerically to enhance heat transfer performance. The ratio of the dimple depth and dimple diameter are selected as geometry variables.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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