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큰 지름비를 가지는 동축제트 확산화염 연소기내의 등온 및 연소 유동장의 예측
Prediction of Isothermal and Reacting Flows in Widely-Spaced Coaxial Jet, Diffusion-Flame Combustor

오군섭    (한국기계연구원  ); 안국영   김용모   이창식  
  • 초록

    본 연구에서 수행한 큰 지름비를 가지는 동축제트 확산화염 연소기내의 등온 및 연소 유동장에 대한 수치해석 결고를 요약하면 다음과 같다. 1) 큰 지름비를 가지는 동축제트 확산화염 연소기내의 등온 유동을 수치해석한 경우 k-.epsilon. 난유모델은 큰지름비를 갖는 기하학적 특성 때문에 C $O_{2}$ 와 공기의 유량비에 따라 나타나는 세가지 유동구조를 정성적으로 잘 예측하였다. 2) 공기의 유량이 고정되고 C $O_{2}$ 의 유량이 증가하는 등은 유동의 경우, 후방정체점은 실험치보다 훨씬 과도하게 예측되고 있으나, C $O_{2}$ 의 유량증가와는 거의 무관하게 나타나는 실험결과를 그대로 반영하였다. 그리고 C $O_{2}$ 으 유량증가에 거의 선형적으로 비례하는 전방정체점의 위치와 급격히 감소하는 재순환유동영역으로 갈수록 정량적인 불일치가 커지게 됨을 볼 수 있으며 이는 연료제트의 속도척도가 상대적으로 커지면서 연료제트가 공기의 재순환유동을 간헐적으로 뚫고 나가며 나타나는 용접유동구조에 의한 비정상성 때문으로 사료된다. 3) C $O_{2}$ 의 유량이 고정되고 공기의 유량이 증가하는 등온유동의 경우, 전방정체점의 변화에 대한 실험과 수치해석 결과와 정량적인 일치를 보이고 있으나 후방정체점은 실험치에 비해 과대예측되었다. 공기의 평균유입속도가 증가함에 따라 전방정체점의 위치가 입구쪽으로 옮겨가는 경향을 나타내고 있으며 공기의 유량이 증가함에 따라 공기에 이한 재순환영역의 강도와 공기의 최대역류속도가 커지므로 상대적으로 C $O_{2}$ 제트가 재순환 유동장을 관통할 수 있는 거리가 즐어드는 현상을 잘 예측하였다. 4) k-.epsilon. 난류모델과 수정된 eddy-breakup 연소모델을 사용하여 bulff-body 연소기내의 연소유동을 수소에 의한 열팽창효과를 포함시킨 경우 유동장과 온도장이 약간 더 하류족으로 팽창되는 영향이 나타났으며 본 연구의 수치결과만을 놓고 볼 때 열팽창효과와 Arrhenius 화학반응률을 고려한 경우가 실험치에 다소 근접한 결과를 나타내었다. 5) 수치결과와 실험의 불일치는 등방성 가정에 근거를 두는 k-.epsilon.난류모델이 갖는 한계, 중간생성물을 무시한 일단계 비가역반응모델을 사용한 난류 연소모델의 한계, 밀도변화를 가지는 유동장에서 일정한 Schmisr 수 가정의 적용한계, 그리고 불확실한 입구경계조건에 기인한다. bluff-body 연소기내의 난류연소유동장에 대한 예측능력을 향상시키기 위해서 추후 연구에서는 더욱 발전된 물리모델인 ASM 난류모델과 RSM 난류모델 그리고 joint PDF 연소모델과 coherent flamelet 모델등을 이용한 수치모델의 개발을 체계적으로 수행할 예정이다.


    A numerical simulation has been performed for isothermal and reacting flows in an exisymmetric, bluff-body research combustor. The present formulation is based on the density-weighted averaged Navier-Stokes equations together with a k-epsilon. turbulence model and a modified eddy-breakup combustion model. The PISO algorithm is employed for solution of thel Navier-Stokes system. Comparison between measurements and predictions are made for a centerline axial velocities, location of stagnation points, strength of recirculation zone, and temperature profile. Even though the numerical simulation gives acceptable agreement with experimental data in many respects, the present model is defictient in predicting the recoveryt rate of a central near-wake region, the non-isotropic turbulence effects, and variation of turbulent Schmidt number. Several possible explanations for these discrepancies have been discussed.


  • 주제어

    동축제트 .   밀도변화를 갖는 유동 .   난류 .   확산화염 .   수치모델.  

 저자의 다른 논문

  • 오군섭 (12)

    1. 1995 "증기 터빈 노즐에서의 익단 간극에 의한 3차원 유동장의 수치 해석적 연구" 硏究論文集 : 한국기계연구원 = Transactions of the KIMM 25 (): 55~65    
    2. 1996 "RNG k-$\varepsilon$ 난류모델을 이용한 유동박리 및 선회를 가지는 난류유동의 예측" 한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers 4 (5): 119~129    
    3. 1996 "다공 스로틀 밸브에서의 액체 연료의 2차 미립화 특성에 관한 연구" 한국액체미립화학회지 = Journal of ILASS-Korea 1 (1): 55~62    
    4. 1996 "74 KW급 터보축 싸이클 산업용 가스터빈 엔진의 성능 예측" 硏究論文集 : 한국기계연구원 = Transactions of the KIMM 26 (): 43~50    
    5. 2000 "선박용 터보차져 원심압축기의 성능향상 개발" 유체기계저널 = Journal of fluid machinery 3 (1): 43~50    
    6. 2000 "축류형 터빈 익형의 역설계 및 형상설계를 위한 설계변수에 관한 연구" 유체기계저널 = Journal of fluid machinery 3 (2): 7~14    
    7. 2000 "축류터빈 블레이드 공력설계 기술 현황" 유체기계저널 = Journal of fluid machinery 3 (3): 60~65    
    8. 2000 "터빈블레이드 냉각설계 기술 현황" 유체기계저널 = Journal of fluid machinery 3 (3): 66~68    
    9. 2000 "축류형 터빈 익형의 역설계에 의한 최소 형상변수에 관한 연구" 유체기계저널 = Journal of fluid machinery 3 (4): 30~37    
    10. 2000 "센서 냉각용 소형 스터링 냉동기 개발 동향" 초전도와 저온공학 = Superconductivity and cryogenics 2 (2): 11~18    

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