STUDY OF SUPERSONIC, DUAL, COAXIAL, SWIRLING JET

국문 초록 (Abstract)

일반적으로 초음속 제트유동은 고압의 기체를 오리피스나 노즐을 통하여 방출시킬 때 발생하며, 비상체의 추진, 공기블라스트 가공, 금속분말 제조, 램젯엔진 설계, 초음속 연소기 설계 등 다양한 산업분야에 응용되어지고 있다. 지금까지 초음속 단일제트(supersonic single jet)에 관해서는 많은 연구가 수행되어져 중요한 물리적 현상, 즉, 노즐의 압력비가 알려지는 경우, 제트에서 발생하는 충격파 구조, 제트코어, 제트폭 그리고 마하디스크의 위치 및 직경 등, 은 매우 잘 알려져 있다. 그러나 엔진 초음속 연소실 설계, 추진기 성능향상 및 소음 저감설계등에 응용되어지는 초음속 동축 자유제트에 관한 연구보고서는 많지 않으며, 효율적인 동축노즐 설계를 위한 데이타는 많이 알려져 있지 않다. 특히 제트연소실 성능향상 및 화염제어, 램젯엔진 설계, 유동의 혼합성능증진 등에 응용되어지는 초음속 이중 스월 제트에서 환형 이차 유동의 특성이 동축 스월 제트특성에 미치는 영향에 관한 연구보고서는 거의 없는 실정이다. 그것은 동축제트 특성에 영향을 미치는 많은 변수들과 복잡성으로 인해 해석 및 실험에 어려움이 있기 때문으로 생각되어 진다. 그러나 초음속 이중 동축 노즐의 실제적인 응용 및 설계를 위해서는 이에 관한 체계적인 연구가 요구되어 진다. 따라서 본 연구에서는 초음속 이중 동축제트에서 노즐 압력비, 환형 이차 스월 제트, 노즐형상등의 영향을 실험 및 수치계산의 방법으로 조사 규명하였다. 이를 위하여 본 연구는 크게 3분야로 나뉘어져 이루어 졌다. 첫째, 초음속 이중 동축 제트에서 이차환형 유동(Secondary Annular Stream)이 스월을 수반하는 경우, 주제트(Primary Jet)의 충격파 구조, 유동장내 압력분포등에 미치는 영향을 실험 및 수치해석을 통하여 규명하였다. 또한 이중 동축 노즐 형상, 노즐 두께 및 이차제트 두께 등이 제트구조에 미치는 영향을 조사하였다. 둘째, 초음속 이중 동축 제트에서 내부제트(Primary Jet) 및 이차환형제트(Secondary Annular Jet)가 모두 스월을 가지는 경우로, 두제트의 압력비, 스월의 방향, 노즐두께 및 이차제트 두께가 연소기내에서 화염의 안정에 큰 영향을 미치는 순환영역(Recirculation region) 및 압력분포 특성에 미치는 영향을 상세하게 실험적으로 조사하였다. 특히 위 연구과정에서 노즐 내부형상이 스월 제트유동 특성에 큰 영향을 미침을 확인하고 보충 연구를 수행하였다. 이것은 압축성 스월제트 연구분야에서 처음으로 시도된 연구라고 생각되어 진다. 셋째, 일반적으로 초음속 제트 연구에서 초음속 노즐의 내부형상(노즐 목 상류)은 주요한 변수로 고려되지 않았다. 초음속 자유제트특성은 노즐 압력비(노즐 내부 및 노즐 출구 압력비)가 알려지면 주요특성은 결정되어지는 것으로 잘 알려져 있다. 그러나 본 연구를 통하여 초음속 스월 제트의 경우, 노즐 내부형상을 초음속 스월제트구조에 큰 영향을 미친다는 것을 알았으며, 노즐 내부 형상을 이용한 초음속 스월 분류의 제어가능성의 방법을 확인하였다. 이러한 연구는, 연구자의 지식에 의하면, 처음으로 발표되어지는 것이다.

목차 (Table of Contents)

• ACKNOWLEDEGMENT = i
• CONTENTS = ii
• LIST OF FIGURES = v
• LIST OF TABLES = ix
• NOMENCLATURE = x
• CHAPTER 1. INTRODUCTION = 1
• 1.1 Motivation and Background = 1
• 1.2 The Objectives of Research = 6
• CHAPTER 2. PREVIOUS WORKS = 14
• 2.1 Dual, Coaxial Jet = 14
• 2.1.1 Jet structure = 14
• 2.1.2 Jet mixing = 15
• 2.1.3 Jet noise = 16
• 2.2 Dual, Coaxial, Swirling Jet = 18
• 2.2.1 Recirculation region = 18
• 2.2.2 Jet mixing = 19
• CHAPTER 3. EXPERIMENTAL APPARATUS AND PROCEDURE = 21
• 3.1 Experimental Facility = 21
• 3.2 Procedure = 21
• 3.3 Instruments = 22
• 3.4 Data Acquisition = 23
• 3.5 Experimental Uncertainty = 23
• CHAPTER 4. SUPERSONIC JET WITH SECONDARY ANNULAR STREAM = 27
• 4.1 Coaxial Nozzle and Flow Conditions = 27
• 4.2 Computational Analysis = 28
• 4.2.1 Governing equations = 28
• 4.2.2 Numerical scheme = 32
• 4.2.3 Computational domain and boundary conditions = 34
• 4.3 Single Jet = 35
• 4.4 Near Field Structures of Coaxial Jet = 35
• 4.4.1 Effect of secondary stream and NPR = 35
• 4.4.2 Effect of secondary swirling stream = 36
• 4.4.3. Effect of nozzle-lip thickness = 39
• 4.4.4 Effect of secondary stream thickness = 39
• 4.5 Pressure Distributions = 40
• 4.5.1 Effect of secondary stream and NPR = 40
• 4.5.2 Effect of secondary swirling stream = 41
• 4.5.3. Effect of nozzle-lip thickness = 42
• 4.6 Jet Spreading= 42
• 4.7 Conclusions = 43
• CHAPTER 5. SUPERSONIC SWIRLING JET WITH SECONDARY ANNULAR STREAM = 81
• 5.1 Coaxial Swirl Nozzle and Flow Conditions = 81
• 5.2 Single Swirling Jet = 82
• 5.3 Near Field Structures of Coaxial Swirling Jet = 83
• 5.3.1 Effect of secondary stream and NPR = 83
• 5.3.2 Effect of secondary swirling stream= 83
• 5.3.3 Effect of nozzle-lip thickness = 83
• 5.4 Pressure Distributions = 84
• 5.4.1 Effect of secondary stream and NPR = 84
• 5.4.2 Effect of secondary swirling stream = 85
• 5.4.3 Effect of nozzle-lip thickness = 86
• 5.5 Size of Recirculation Region = 86
• 5.5.1 Effect of secondary swirling stream = 86
• 5.5.2 Effect of nozzle-lip thickness = 87
• 5.6 Length of Recirculation Region = 87
• 5.7 Conclusions = 87
• CHAPTER 6. THE INFLUENCE OF NOZZLE INLET CONFIGURATION ON SUPERSONIC SWIRLING JET = 114
• 6.1 Swirl Nozzle and Flow Conditions = 114
• 6.2 Results and Discussion = 115
• 6.2.1 Effect of NPRp = 115
• 6.2.2 Effect of plug configuration = 116
• 6.2.3 Effect of hole = 116
• 6.2.4 Effect of the leading edge shape of needle = 116
• 6.2.5 Effect of the leading edge location of needle = 117
• 6.3 Conclusions = 118
• CHAPTER 7. CONCLUSIONS = 129
• 7.1 Supersonic Jet with Secondary Annular Stream = 129
• 7.2 Supersonic Swirling Jet with Secondary Annular Stream = 130
• 7.3 The Influence of Nozzle Inlet Configuration on Supersonic Swirling Jet = 130
• 7.4 Further Works = 131
• REFERENCES = 132