A CFD Study of the Supersonic Ejector-Pump Flows

초음속 이젝터 펌프 유동에 관한 수치해석

The flow characteristics of supersonic ejectors is often subject to compressibility, unsteadiness and shock wave systems. The numerical works carried out thus far have been of one-dimensional analyses or some Computational Fluid Dynamics(CFD) which has been applied to only a very simplified configuration. For the design of effective ejector-pump systems the effects of secondary mass flow on the supersonic ejector flow should be fully understood. In the present work the supersonic ejector-pump flows with a secondary mass flow were simulated using CFD. A fully implicit finite volume scheme was applied to axisymmetric compressible Navier-Stokes equations. The standard two-equation turbulence model was employed to predict turbulent stresses. The results obtained showed that the flow characteristics of constant area mixing tube types were nearly independent of the secondary flow rate, but the flow fields of ejector system with the second-throat were strongly dependent on the secondary flow rate due to the effect of the back pressure near the primary nozzle exit.

초음속 이젝터 유동특성은 압축성, 비정상성, 충격파 둥으로 인하여 충분히 알려져 있지 않다. 종래의 이론적/실험적 연구결과들은 대부분 1차원 가정 하에서 얻어진 것들이며, 현재까지 수치계산법을 이용하여 이젝터 내부 유동장을 해석한 실례가 많지 않다. 뿐만 아니라 기존의 수치계산 결과들은 2차유동의 질량유량이 매우 작거나 없는 단순한 유동장에 대한 것들이었다. 본 연구에서는 초음속 이젝터-펌프 유동장을 수치적으로 해석하기 위하여 축대칭 수치계산 모델을 이용하였다. 수치계산은 축대칭 압축성 Navier-Stokes 방정식에 유한체적법을 적용하였으며, 표준형 $\kappa$ -$\varepsilon$ 난류모델을 이용하였고, 2차유동의 질량유량을 변화시켜 1차유동과 2차유동의 질량비의 변화에 따른 이젝터 내부 유동장의 변화를 조사하였다. 그 결과, 2차목을 가지지 않는 일정 단면적의 혼합부를 가지는 이젝터의 경우, 이젝터 내부의 유동장 특성은 2차유동의 질량유량의 변화와 거의 무관하게 나타났다. 그러나 2차목을 가지는 경우는 2차유동의 질량유량의 증가에 따른 노즐출구 주위에서 배압으로 인하여 이젝터 내부 유동장이 크게 변화하였다.