Numerical Simulation of the Experimental Investigation of the Two Dimensional Ram Accelerator Combustion Flow Field

이차원 램 가속기 연소 유동장의 실험적 연구의 수치 모사

Steady and unsteady numerical simulations are conducted for the comparison with the experiments performed to investigate the ram accelerator flow field by using an expansion tube facility in Stanford University. Wavier-Stokes equations for chemically reacting flows are analyzed by fully implicit and time accurate numerical methods with Jachimowski's detailed chemistry model for hydrogen-air combustion involving 9 species and 19 reaction steps. Although the steady state numerical simulation shows a good agreement with the experimental schlieren and OH PLIF images for the case of $2H_2$＋$O_2$＋$17N_2$ fails in reproducing the combustion region behind the shock intersection point shown in the case of $2H_2$＋$O_2$＋$12N_2$ mixture. Therefore, an unsteady numerical simulation is conducted for this case and the result shows all the detailed flow stabilization process. From the result of unsteady numerical simulation, the experimental result seems to be an instantaneous state during the flow stabilization process. The combustion behind the shock intersection point is the result of a normal detonation formed by the intersection of strong oblique shocks that exist at early stage of the stabilization process. At final stage, the combustion region behind the shock intersection point disappears and the steady state result is retained. The time required for stabilization of the reacting flow in the model ram accelerator is found to be very long in comparison with the experimental test time.

스탠포드 대학의 expansion tube 장치를 이용한 램 가속기의 유동장의 실험적 연구와 비교를 위하여 정상 및 비정상 상태의 수치모사를 수행하였다. 수소/공기 연소에 대하여 9 화학종 19 반응 단계를 가지는 Jachimowski의 화학반응 모델을 이용하여 화학 반응 유동에 대한 Navier-Stokes 방정식을 시간 정확도를 가지는 완전 내재적수치 기법을 이용하여 해석하였다. 정상 상태 가정을 이용한 수치해석은 $2H_2$＋$O_2$＋$17N_2$에 대하여 쉴리렌 및 OH PLIF 을 이용하여 실험적으로 얻어진 영상과 부합하는 좋은 결과를 보였으나 $2H_2$＋$O_2$＋$12N_2$ 혼합기에 대해서는 충격파 교차점 후방의 연소 영역을 모사하지 못하였다. 따라서 이 경우에 대하여 비정상 수치 모사를 수행하였으며 자세한 유동 안정화 과정을 보여 주었다. 비정상 수치 모사의 결과로부터 실험적으로 얻어진 영상은 유동 안정화 단계의 일시적 상태의 결과로 보인다. 충격파 교차점 후방의 연소 영역은 유동이 안정화되는 초기 단계에 존재하는 강한 경사 충격파가 교차하여 발생하는 수직 폭굉파의 결과이다. 최종 단계에서 충격파 교차점 이후의 연소 영역은 사라지며 정상 상태의 결과가 얻어진다. 램 가속기 모델 내부의 화학반응 유동이 안정화되는데 필요한 시간은 실험적인 시험 시간과 비교하여 매우 긴 것으로 보인다.