LES for Turbulent Duct Flow with Mass injection

덕트내부에서 질량분사가 있는 난류유동의 LES 해석

Recent experimental data shows that the noticeable feature of irregular roughened spots on the fuel surface occurs during the combustion test. The generation of these unexpected patterns is likely to be resulted from the disturbed boundary layer due caused by wall blowing which is intended to simulate the process of fuel vaporization. LES without chemical reaction was conducted to investigate the flow characteristics at the near-fuel surface and the behavior of turbulent structures which is evolved by the wall blowing at the Reynolds number of 23,000. Cylindrical geometry was considered to get the most reality of the calculation results because real hybrid rocket motor is circular grain configuration. It was shown that the wall blowing pushed turbulent structures upwards making them tilted and this skewed displacement, in effect, left the foot prints of the structures on the surface. This change of kinematics may explain the formation of irregular isolated spots on the fuel surface observed in the experiment.

최근의 실험 결과를 통해 하이브리드 로켓 연료의 표면에 연소가 진행되지 않은 채 남아있는 고립된 부분들이 존재함을 확인하였다. 이러한 불규칙적인 spot은 연료의 기화로 인한 분출유동(wall blowing)과 산화제의 유동 사이에서 발생하는 경계층 교란에 의한 현상인 것으로 여겨진다. 본 연구에서는 23,000의 높은 Reynolds수와 벽면분출 현상을 효과적으로 처리할 수 있도록 LES 기법을 이용하여, 연료 표면 근처의 난류 유동 특성을 해석하였다. 원형 단면을 갖는 하이브리드 로켓 모터의 그레인 형상을 사실적으로 모사하기 위하여 곡률효과를 포함한 3차원 실린더 형태의 지오메트리를 고려하였다. 연료 표면에서 발생하는 불규칙한 spot의 발생은 경계층과 분출되는 유동이 상호 간섭함으로써 난류구조들의 기구학적 특성을 변경시키기 때문인 것으로 추측되는 결과들을 얻을 수 있었다.