초록
로켓엔진에서 발생하는 음향 불안정성의 정성적 경향성을 파악하기 위해 축대칭 연소실에서의 음향파 응답 특성을 수치해석적으로 조사하였다. 주로 작동조건의 변화와 외부교란의 가진 주파수 변화에 따른 응답 특성을 계산하였다. 외부교란으로 연소실 입구부분의 전압이 정현파 형태로 섭동하도록 인위적으로 부여하였다. 음향 응답의 정성적 경향성이 유지되는 범위내에서, 분무 연소과정에 수반되는 여러 가지 물리 화학적인 과정들을 단순화하였다. 먼저, 주어진 작동조건에서 정상상태의 연소장을 구하고, 다음 단계로 압력섭동에 대한 연소장의 거동을 시간의 경과에 따라 구하였다. 작동조건의 변화에 따른 음향파 응답의 계산 결과, 반응 지역에서 약한 강도의 화염이 형성되는 경우 민감한 응답이 나타나 불안정안 압력분포를 나타냈다. 또한, 가진되는 압력 섭동의 주파수에 따라 응답 특성이 변하였고, 특히 높은 가진 주파수의 압력 섭동에 대해서 불안정한 응답이 나타났다. 해석 결과로 나타난 거시적 현상의 이해를 돕기위해, 기존의 화염소 모델을 채택한 음향파 응답 연구 결과와의 상관성을 찾아 본 해석 결과를 분석하였다.
Acoustic responses to pressure oscillations in axisymmetric combustion chamber are numerically investigated to examine the qualitative trend of acoustic instability in liquid rocket engine. Chamber operating condition and excitation frequency of oscillating pressure are selected as exciting parameters of acoustic instability. Artificial perturbation is simulated by total-pressure oscillation with sine wave at chamber inlet. Many approximations and simplifications are introduced without losing the essence of acoustic pressure response. First, steady-state solution for each operating condition is obtained and next, transient analysis is conducted. Depending on operating condition and excitation frequency, the distinct response characteristics are brought. Weak-strength flames and high-frequency excitation tend to cause sensitive acoustic pressure response leading to unstable pressure field. These results are analyzed based on the correlation with acoustic pressure responses from the previous works adopting laminar flamelet model.
