이중모드 스크램제트 엔진의 연소모드 특성

남궁혁준(HyuckJoon Namkoung),심창열(ChangYeul Shim),김선용(SunYong Kim),이민수(MinSoo Lee),박주현(JooHyon Park),김동환(DongHwan Kim) 한국추진공학회 2017 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2017 No.5

초음속에서 극초음속 영역까지 광범위한 비행영역에서 작동 가능한 추진시스템으로 램제트와 스크램제트의 장점을 포함하는 복합사이클을 적용한 이중램제트에 대한 연구가 많은 선진국에 의해 수행되고 있다. 여기서 이중모드 램제트는 하나의 연소기 즉, 동일한 유동 경로상에서 아음속과 초음속 연소가 이루어져 램제트와 스크램제트 모드로 각각 작동되는 엔진이다. 본 연구에서는 이중모드 스크램제트 엔진의 비행마하수 3.5 ~ 6조건으로 설계된 지상시험모델에 대한 연소시험을 수행하였다. 특히 고도 27.6km 및 Mach 6조건에서의 연소시험 결과를 통해 이중모드램제트의 스크램제트 연소 현상을 확인하고 적용된 설계 방안 등에 대한 검증을 수행하였다. Recently many studies have been made for the development of propulsion system with wide range flight from supersonic to hypersonic. Dual Mode scramjet engine as a hybrid cycle with advantage of ramjet and scramjet has one combustor. It works under the ramjet mode (subsonic combustion) and scramjet mode (supersonic combustion) respectively. In this study, Experimental results of hot firing tests of dual scramjet engine designed on the condition of Mach 3.5~6 as a flight Mach number are discussed. The tests were carried out on a ground test bench under free stream condition of Mach 6 at 27.6km altitude. In the tests, the adopted design and technological solutions were verified and efficient operation of the dual mode ramjet engine with Kerosene combustion during 5 seconds was demonstrated.

마이크로 초음속 제트유동 특성에 관한 실험적 연구

김종훈(Jong-Hun Kim),방진영(Jin-Young Bang),이열(Yeol Lee) 한국항공우주학회 2008 韓國航空宇宙學會誌 Vol.36 No.8

마이크로 초음속 제트유동 특성에 관한 실험적 연구가 이루어졌다. 노즐 출구직경이 440 ㎛인 음속노즐과 노즐 출구직경이 800 ㎛이고 노즐출구 마하수가 2.0인 Laval 노즐이 파이렉스 관을 이용 제작되어 실험에 사용되었다. 슐리렌 유동가시화와 유동장의 피토압력 분포가 측정되었다. 제트유동의 대표적인 특성인 유동장의 초음속 길이, 제트코어 길이, 속도장의 상사성 및 제트경계의 확산도가 관찰되었다. 실험결과는 보다 높은 레이놀즈수의 초음속 제트유동에 대한 과거 관찰결과와 비교분석 되었으며, 마이크로 제트유동의 전체적인 유동특성은 제트코어 길이와 제트경계 확산특성을 제외하고는 높은 레이놀즈수의 제트유동 특성과 정성적으로 유사함이 확인되었다. An experimental study on the micro-supersonic jet flow fields has been carried out. A sonic nozzle of 440 ㎛-exit diameter and a Laval nozzle of 800 ㎛ exit diameter with the nozzle exit Mach number 2.0 were fabricated by stretching a micro Pyrex glass tube for the present experiments. Schlieren flow visualization and Pitot pressure distribution of the jet flow field were obtained. Representative characteristics of the jet flow fields such as, supersonic length, jet core length, similarity of the velocity field, and jet spreading rates, have been observed. All the results were compared to previous observations of larger supersonic jets of higher Reynolds numbers, and it was found that overall characteristics of the micro supersonic jet are qualitatively similar as those of the higher Reynolds number jets, except the jet core length and the jet spreading rate.

CFD를 이용한 고압파이프 파단 시 초음속제트의 압축성유동 특성에 관한 수치해석

정종길(Jong-Kil Jung),김광추(Kwang-Chu Kim),윤준규(Jun-Kyu Yoon) 대한기계학회 2017 大韓機械學會論文集B Vol.41 No.10

고압의 파이프 파단 시 파이프 내에 있던 유체가 고속으로 대기로 분출될 때 압축성유동을 동반하는 초음속제트가 발생한다. 이러한 초음속제트는 일반적으로 복잡한 비정상거동을 보여줄 수 있다. 본 연구는 이러한 고압파이프에서 분출되는 초음속제트에 의해 생성되는 압축성유동을 고찰하기 위하여 전산유체역학 해석이 수행되었다. 분출기체의 종류 및 파이프직경 변화에 따른 비정상유동 특성을 해석하기 위해 SST k - ω 난류모델이 채택되었다. 전산해석 시 기본 경계조건은 파이프직경 10 cm, 제트 압력비 5, 기체온도 300 K로 가정하였다. 그 해석결과로 초음속제트로 인해 생성되는 충격파의 거동이 관찰되었고, 간접적인 영향으로 폭풍파도 발생됨을 알 수 있었다. 기체의 분자량이 가장 작은 H₂의 압력파 특성은 안전영역까지의 거리가 가장 짧았으며, 분자량이 비슷한 N₂, 공기 및 O₂는 큰 차이가 없었다. 또한 파이프직경이 커져 제트에 의한 영향범위도 더욱 증대됨을 알 수 있었다. A rupture in a high-pressure pipe causes the fluid in the pipe to be discharged in the atmosphere at a high speed resulting in a supersonic jet that generates the compressible flow. This supersonic jet may display complicated and unsteady behavior in general . In this study, Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis was performed to investigate the compressible flow generated by a supersonic jet ejected from a high-pressure pipe. A Shear Stress Transport (SST) turbulence model was selected to analyze the unsteady nature of the flow, which depends upon the various gases as well as the diameter of the pipe. In the CFD analysis, the basic boundary conditions were assumed to be as follows: pipe of diameter 10 cm, jet pressure ratio of 5, and an inlet gas temperature of 300 K. During the analysis, the behavior of the shockwave generated by a supersonic jet was observed and it was found that the blast wave was generated indirectly. The pressure wave characteristics of hydrogen gas, which possesses the smallest molecular mass, showed the shortest distance to the safety zone. There were no significant difference observed for nitrogen gas, air, and oxygen gas, which have similar molecular mass. In addition, an increase in the diameter of the pipe resulted in the ejected impact caused by the increased flow rate to become larger and the zone of jet influence to extend further.

극초음속 추진기관 내 격리부 (Isolator) 충격파 특성 연구

남궁혁준(Hyuck-Joon Namkoung),이재호(Jae-Ho Lee),김동환(Dong-Hwan Kim) 한국추진공학회 2016 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2016 No.12

초음속에서 극초음속 영역까지 광범위한 비행영역에서 작동 가능한 추진시스템으로 램제트와 스크램제트의 장점을 포함하는 복합사이클을 적용한 이중램제트에 대한 연구가 많은 선진국에 의해 수행되고 있다. 여기서 이중모드 램제트는 하나의 연소기 즉, 동일한 유동 경로상에서 아음속과 초음속 연소가 이루어져 램제트와 스크램제트 모드로 각각 작동되는 엔진이다. 격리부 (Isolator)는 공기흡입구와 연소실사이에 위치하여 연소압 상승에 의한 역압력 구배로 공기 흡입이 억제되지 않도록 완충역할을 한다. 또한 흡입된 공기를 연소환경에 적합하도록 감속시키며 압력을 상승시키는 역할을 한다. 본 연구에서는 격리부 (Isolator) 최적 형상 설계에 활용할 수 있도록 내부 충격파 특성을 분석하였다. Recently many studies have been made for the development of propulsion system with wide range flight from supersonic to hypersonic. Dual ramjet engine as a hybrid cycle with advantage of ramjet and scramjet has one combustor. It works under the ramjet mode (subsonic combustion) and scramjet mode (supersonic combustion) respectively. Isolator is located between the air intake and combustion chamber has a function of buffer in order not to prevent air from enter into air intake when chamber pressure increases. And it is capable to increase the combustion chamber pressure and decrease air velocity for making a good combustion atmosphere. In this study, analysis on characteristics of shock train in isolator was performed to get its optimal configuration.

마하 7 극초음속 충격파 터널에서 항력 감소를 위한 플라즈마 제트 발생 장치 연구

이재청(Jae Cheong Lee),이유석(Yu Seok Lee),이형진(Hyoung Jin Lee),허환일(Hwanil Huh) 대한기계학회 2020 大韓機械學會論文集B Vol.44 No.11

초음속/극초음속 비행체의 선두부에서 발생하는 충격파에 의한 항력을 줄이기 위해 역분사 유동에 대한 연구가 시도되고 있다. 본 연구에서는 플라즈마 제트를 분사하기 위해 DC 플라즈마 발생 장치를 제작하고 기초 실험을 수행했다. 고속 유동은 마하 7 극초음속 충격파 터널에서 모사되며, 해당 유동 조건에서 플라즈마가 방전될 수 있는 요구 조건을 분석했다. 질소, 아르곤, 헬륨 가스를 이용한 방전성능 시험을 거쳐 마하 7 극초음속 충격파 터널에서 질소 플라즈마 제트를 분사하여 실험하였다. 실험결과, 마하수 7 극초음속 유동에서 분사 전압력에 따라 플라즈마 역분사 제트가 분사됨을 확인했다. Counterflow jets have been used in an attempt to reduce the drag caused by the shock wave in front of a supersonic/hypersonic vehicle. In this study, a direct-current plasma generator was designed and fabricated to inject plasma jets and fundamental experiments were performed. To simulate high-speed flow, a Mach 7 hypersonic shock tunnel was used and the requirements for plasma discharge under high-speed flow conditions were analyzed. After discharge performance tests using N₂, Ar, and He gas, the N₂ plasma jets were injected and tested in the Mach 7 hypersonic shock tunnel. The results show that counterflow plasma jets were injected according to injection pressures in Mach 7 hypersonic flow.

노즐내부 이차유동 분출이 초음속제트 유동장에 미치는 영향에 관한 실험적 연구

진원진,이열 한국 항공대학교 항공산업기술연구소 2000 航空宇宙産業技術硏究所 硏究誌 Vol.10 No.-

초음속노즐의 내부에 이차유동을 분출하였을 경우 초음속 유동장의 혼합도에 대한 영향을 실험적으로 연구하였다. 아차유동의 분출에 의하여 노즐내부에서 발생하는 경사 충격파와 노즐내부의 경계층과의 상호간섭은 노즐후방의 제트 유동장에 현저한 영향을 미침을 알 수 있었다. 노즐내부 양쪽의 홀에서 이차유동이 분출될 때 유동장의 혼합도에 대한 영향이 더 강해지고, 노즐에서의 주유동의 팽창조건 역시 제트 혼합도 현상의 변화에 중요한 요인이 될 수 있음도 알 수 있었다. The effect of secondary flows injected to the inner surface of a supersonic nozzle on the characteristics of supersonic mixing enhancements are experimentally investigated. The interaction between oblique shocks generated by secondary flow injection and the boundary layer inside nozzle is found to produce significant effects on the jet flow field downstream of the nozzle. The effects of the secondary flow injection on the supersonic mixing enhancements gets stronger if the secondary flow is injected at the two holes inside the nozzle. The expansion condition of the primary nozzle flow is also found to be one of significant factors in the change of jet mixing phenomena.

이중연소 램제트엔진의 통합 설계 기법과 작동 특성 연구

문규환(Kyoo-Hwan Moon),허엽(Yub Heo),신준수(Jun-Su Shin),성홍계(Hong-Gye Sung),길현용(Hyun-Yong Kil) 한국추진공학회 2015 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2015 No.5

램제트 엔진과 스크램 제트 엔진의 복합체인 이중연소 램제트 엔진의 통합 성능해석을 수행하였다. 이중연소 램제트 엔진은 극초음속 흡입구, 초음속 아이솔레이터, 초음속과 아음속 디퓨저, 초음속과 아음속 연소기, 노즐 등으로 구성되어 있으며, 각 구성품의 모델을 차용 또는 개발하여 통합 모델을 개발하여 검증하고, 통합된 성능해석 모델을 적용하여 고도 10km에서 25km까지의 가속 및 순항 비행시 이중램제트 엔진의 작동 한계와 성능을 조사하였다. Integrated performance analysis of a DCR (Dual Combustion Ramjet) engine, the combination of ramjet and scramjet engines, has been conducted. DCR engine includes a supersonic intake, a supersonic-exit isolator, supersonic and subsonic diffusers, a subsonic combustor with nozzle, a supersonic combustor and a nozzle. The perfomance models of each component and integrated engine have been developed and varified with experimental and numerical results. The engine performance of a DCR engine during acceleration and cruise flights at altitudes of up to 25km from 10km has been investigated in its flight operationable range.

꼭지각이 $60^{\cire}$인 쐐기에 충돌하는 초음속 제트의 공기역학적 특성

박종호,이택상,김윤곤 한국추진공학회 2004 한국추진공학회지 Vol.8 No.1

제트 편향기 설계를 위한 기초 자료로 활용하기 위해 꼭지각 $60^{\cire}$인 쐐기에 충돌하는 초음속 제트에 대해 연구하였다. 초음속 제트가 쐐기에 충돌할 때 발생되는 주요 특징은 충격파 간섭과 유동의 박리현상이다. 초음속 유동장치를 이용하여 유동가시화, 표면압력분포, 등압력분포를 측정하고 실험결과와의 비교 및 검증을 위해 유동해석을 하였다 주요변수로는 과소팽창비, 노즐출구에서 꼭지점까지 거리, 설계마하수를 고려하였다. 쐐기 충격파가 이격 또는 부착되는 조건을 확인하였으며 유동장에 지배적 영향을 끼치는 인자는 자유제트의 강도, 쐐기 충격파와 배럴 충격파의 간섭에 의해 형성되는 충격파 패턴임을 알 수 있었다. Supersonic jets impinging on $60^{\cire}$ wedge were investigated to obtain fundamental design data for jet deflector It was of interest to study flow phenomena such as shock interaction and separation induced by shear layer. Experiments using supersonic cold flow system were conducted for Schlieren flow visualization and measurement of surface pressure. Numerical results were compared with the experimental results. The major parameters are underexpansion ratio, distance from nozzle to apex and design Mach number. Flow conditions were obtained for the wedge shock to attach on or detach from the wedge. The dominant feature of flow-field is shock pattern induced by the Interaction between the wedge shock and the barrel shock.

스파크 제트 발생기의 유동 특성에 대한 수치해석 연구

김형진,채정헌,안상준,정석영,김규홍 한국항공우주학회 2015 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2015 No.11

스파크 제트 발생기의 유동 특성을 파악하기 위하여 수치해석 연구를 진행하였다. 스파크 제트 발생은 크게 에너지 주입, 질량 방출, 재충전 3단계로 나눌 수 있다. 본 연구에서는 스파크에 의한 초기 에너지 주입을 모델링하여 이를 통해 캐비티 내부 초기 유동장의 압력과 온도를 계산했다. 서울대학교 3차원 열화학 비평형 유동해석 프로그램을 사용하였으며, 이는 고온 공기화학반응, 진동에너지, 충돌적분상수를 이용한 화학종의 전달계수를 고려한다. 에너지 주입 이후 캐비티 내부의 높은 압력에 의해 오르피스가 질식 되고 제트가 방출되었다. 방출되는 제트는 팽창을 하여 최대 속도일 때 마하수 4가 되었다. 이후 계속되는 캐비티 내부 질량 방출로 캐비티 내부는 질식 상태를 벗어나고 제트의 속도는 감소하며 캐비티 외부 압력 보다 낮아진다. 캐비티 외부의 압력이 더 커지게 되면 캐비티 내부로 공기가 유입된다. 수치해석 결과 스파크 제트의 속도가 초음속에 이르렀으며, 스파크 제트 발생기의 초음속 유동 제어 가능성을 확인하였다. Numerical analysis on flow characteristics spark jet actuator was done. Development of spark jet is divided into 3 stage; energy deposition, mass injection, recovery. In this research, initial pressure and temperature of the flow inside the cavity was obtained by modeling the energy deposition stage. Three dimensional thermo-chemical non-equilibrium in-house flow analysis program was used for flow analysis. This in-house program covers the air chemical reaction, vibrational energy and transport property obtained from collision integral. After the energy deposition, high pressure inside the cavity makes the orifice chocked and Mach number becomes 4 at maximum jet velocity. As mass injects out from cavity, cavity pressure decreases and becomes unchocked which leads jet velocity to decrease. Long after the mass injection, cavity pressure goes below the external pressure and air recovers in cavity. As a result of computational analysis, velocity of spark jet reached supersonic.

피드백 유로형 초음속 유체진동기 특성에 관한 실험적 연구

박상훈(Sang Hoon Park),강문중(Moon Jung Kang),이열(Yeol Lee) 대한기계학회 2018 大韓機械學會論文集B Vol.42 No.8

본 연구에서는 피드백 유로형 유체진동기의 초음속 진동제트의 특성을 실험적으로 관찰하였다. 고속 슐리렌 유동가시화 기법 및 음압측정, 그리고 내부압력 측정을 통해 진동하는 초음속 제트의 정량적 거동 특성을 파악하였다. 실험 결과, 초음속 진동 제트는 아음속 경우와 유사한 작동 메카니즘이 나타났지만 공급 압력 증가에 따른 진동수의 증가가 나타나지 않았다. 수행된 유동전압 범위에서 진동기 내부에 충격파는 발생하지 않았다. 음압 측정결과를 통한 전고조파 왜곡과 시간별 진동각의 변화를 통해 초음속 출구제트의 삼각파형 동적 거동을 확인하였다. 또한 진동기의 공급압력 증가는 출구제트의 진동각을 감소시키나, 더 큰 퍼짐각을 유도하였다. An experimental study is performed to investigate the characteristics of a supersonic sweeping jet from a feedback fluidic oscillator. Quantitative characteristics of the high-frequency sweeping jet are analyzed using high-speed Schlieren visualizations, sound pressure level measurements, and pressure measurements. The observed operating mechanism of the supersonic sweeping jet is similar to previously studied subsonic cases; however, the frequency does not increase as the nozzle pressure ratio increases. No shock wave is observed inside the oscillator at any of the tested nozzle pressures. A triangle-wave type sweeping behavior of the outflowing jet is confirmed by estimating the total harmonic distortion. A higher supply pressure to the oscillator results in smaller sweeping angles and larger spreading angles in the outflowing jet.