Numerical Investigation of a Dual Mode Ramjet Combustor using a Quasi 1-Dimensional Solver

Abstract

학위논문(석사) -- 서울대학교대학원 : 공과대학 항공우주공학과, 2021.8. 여재익.본 연구에서는 스크램제트 제어모델 정립을 위한 근사 1차원 연소기 해석 솔버가 구축되었다. 유체에 대한 지배방정식 및 아레니우스 식 기반의 연소모델, 연료분사모델이 솔버 내에 구현되었으며, 구축된 솔버를 바탕으로 한 해석이 수행되었다. 솔버의 검증을 위하여 0차원 점화지연 문제 및 1차원 스크램제트 연소해석 문제가 도입되었으며, 상용 수치해석 프로그램인 ANSYS Fluent의 2차원 해석 결과가 현 코드의 근사 1차원 해석결과와 비교되었다. 현 솔버가 선행 문헌의 결과들을 성공적으로 재현해 내고 있으며 근사 1차원 해석의 타당성을 확보하였다. 이어서 아음속 조건에서의 해석을 위한 Ram mode 알고리즘이 구축되었으며 열질식 위치를 통해 Ram mode에서 연소기 입구 마하수를 확정하는 해석이 수행되었다. Ram mode에서 PCST (Precombustion shock train) 해석을 위한 모델이 도입되었으며 천이구간 해석을 위한 알고리즘이 도입되었다. 또한 코드 내 Ram mode 해석의 적절성을 판단하기 위해 격리부 내 의사충격파 길이를 통해 불시동 발생 여부가 분석되었고 구축된 코드를 통해 연소기의 당량비에 따른 성능분석 연구가 수행되었다.In this work, a one-dimensional combustor solver was constructed for the scramjet control model. The governing equations for fluid flow, Arrhenius based combustion kinetics, and the injection model were implemented into the solver. In order to validate the solver, the zero-dimensional ignition delay problem and one-dimensional scramjet combustion problem were considered and showed that the solver successfully reproduced the results from the literature. The 2D analysis result of ANSYS Fluent, a commercial numerical analysis program, was compared with the quasi 1D analysis result of the current code. The current solver has successfully reproduced the results of previous literature and secured the validity of quasi one-dimensional analysis. Subsequently, a ramjet analysis algorithm under subsonic speed conditions was constructed, and a study on the inlet Mach number of the combustor was carried out through the thermal choking locations at ram conditions. In such conditions, a model for PCST (precombustion shock train) analysis was implemented, and the algorithm for transition section analysis was introduced. In addition, in order to determine the appropriateness of the ram mode analysis in the code, the occurrence of a unstart was studied through the length of the pseudo-shock in the isolator. A performance analysis study was conducted according to the equivalence ratio of the combustor through the constructed code.제 1 장 서론 1 제 2 장 1차원 해석 프로그램의 작성과 검증 4 제 1 절 이중모드 램제트 연소실 모델링 4 제 2 절 Ram-Scram mode 전환 알고리즘 5 제 2 절 근사 1차원 해석 프로그램의 검증 9 제 3 장 근사 1차원 연소해석 17 제 1 절 Late Scram mode에서의 연소해석 17 제 2 절 Early Scram / Ram mode에서의 연소해석 21 제 4 장 연소기 성능설계 25 제 1 절 노즐 유동특성 및 성능 변수의 계산 26 제 2 절 연료 당량비에 따른 성능설계 결과 26 제 5 장 결론 27 참고문헌 29 Abstract 31석