• 대한토목학회논문집
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• 제28권6B호
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• pp.643-651
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• 2008

본 연구에서는 횡방향 언덕-저면의 하상형상을 갖는 개수로 흐름을 수치모의 하였다. 곡선좌표계에 대한 지배방정식을 유도하고, 난류폐합을 위해 Speziale(1987)가 제안한 비선형 $k-{\varepsilon}$ 모형을 이용하였다. 개발된 모형의 개수로 흐름에 대한 적용성 및 모형 상수의 민감도를 분석하기 위해 직사각형 개수로 흐름을 수치모의 하였다. 그 결과 모형상수 $C_D$와 $C_E$는 각각 이차흐름 강도 및 난류의 비등방성에 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 또한 비선형 $k-{\varepsilon}$ 모형이 자유수면에서 발생되는 난류의 비등방성을 정확히 모의할 수 없는 것으로 나타났으나, 전반적인 이차흐름 분포는 비교적 잘 예측하는 것으로 확인되었다. 한편 개발된 모형을 이용하여 횡방향 하상형상을 갖는 개수로 흐름을 수치모의하고 기존의 실험 결과와 비교하였다. 그 결과 비선형 $k-{\varepsilon}$ 모형이 하상형상의 언덕과 저면에서 발생되는 상향류 및 하향류를 비교적 정확히 예측하는 것으로 나타났으며, 계산된 주흐름방향 평균유속 및 난류구조 역시 기존의 실험 결과와 잘 일치하였다. 그러나 비선형 $k-{\varepsilon}$ 모형은 하상형상의 저면을 향하는 하향류를 과소 산정하는 것으로 확인되었다.

• 대한토목학회논문집
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• 제29권3B호
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• pp.247-257
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• 2009

본 연구에서는 흐름방향으로 식생 영역이 교차적으로 식재된 교행식생 수로에서의 3차원 수치모의를 수행하였다. 지배방정식에서의 난류 폐합을 위해 ${\kappa}-{\varepsilon}$ 모형을 적용하였으며, 수치모형은 Olsen(2004)이 개발한 3차원 모형을 이용하였다. 먼저, 3차원 수치모형을 이용하여 하상의 일부가 식재된 부분 식생 수로를 수치모의 하고, 계산된 적분유속 및 레이놀즈응력을 기존의 실험 결과와 비교하였다. 그 결과 본 모형이 식생 수로에서의 평균 유속 분포를 매우 잘 예측하는 것으로 나타났다. 그러나 ${\kappa}-{\varepsilon}$ 모형이 등방성 모형이므로 식생과 비식생 영역의 경계면 부근에서 발생되는 운동량 교환 효과를 정확히 예측할 수 없는 것으로 나타났다. 한편, 주흐름방향으로 식생 영역이 교차적으로 존재하는 교행식생 수로를 수치모의 하고, 계산된 유속 분포를 기존의 실험 결과와 비교한 결과, 계산 유속과 실험 결과가 매우 잘 일치하는 것으로 나타났다. 또한 다양한 밀도에 따른 유속 벡터도를 계산한 결과, 식생밀도가 증가함에 따라 식생이 흐름 방향을 변화 시켜 점차 만곡수로와 유사한 형태의 유속 벡터도를 갖는 것으로 나타났으며, 식생 밀도 ${\alpha}$가 9.97%인 경우에는 식생 반대 측벽 영역에서 재순환 흐름이 형성되는 것으로 나타났다. 한편, 식생 밀도에 따른 단면 유속 분포도 및 편수위 변화를 살펴보았다.

• 한국추진공학회:학술대회논문집
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• 한국추진공학회 2003년도 제20회 춘계학술대회 논문집
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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.