로켓 엔진의 음향 불안정을 제어하기 위해 모형 연소실에 배플형 분사기가 장착된 경우의 음향 감쇠 특성을 수치해석적으로 조사하였다. 기존에 보고된 배플형 분사기의 효용성을 확인하였고 분사기간 간극이 존재할 때 음향 감쇠 효과가 증대되는 메커니즘을 규명하였다. 여러 가지 크기의 간극에 따라 음향학적 감쇠능력을 조사하였고, 본 연소실에서는 0.1 mm 정도의 간극에서 최적의 감쇠능력을 가짐을 알 수 있었다. 음향 감쇠 효과가 증대되는 메커니즘을 규명하기 위해, 분사기 사이의 간극에 따른 에너지 소산율과 와도를 계산하였고, 소산율 변화 추이와 감쇠인자 변화 추이가 유사함을 알았다. 이를 통해, 간극에 의한 에너지 소산의 종대로 음향 감쇠 효과가 증가함을 알았다.
구형 배플을 가진 피스톤 음원에 대한 방사임피던스 특성을 유한요소법과 하이브리드형 무한요소법을 사용하여 수치해석하였다. 강체 구형 배플에 있어서 피스톤 음원의 방사면 크기에 따른 자기방사임피던스 변화와 피스톤 음원간의 상호방사임피던스 변화를 고찰하였다. 방사면의 크기에 따라 자기방사임피던스 변화 및 음원간의 상호방사임피던스 변화를 검토한 결과 알려진 해석해와 일치하였다. 또한, 비강체 구형 배플의 특성 임피던스 변화에 따른 자기방사임피던스 및 음원간의 상호방사임피던스 특성 변화를 고찰하였다.
로켓 엔진의 연소실 내 음향학적 거동과 음향 감쇠 효과를 정량화하기 위한 방법을 연구하였다. DMD(Dynamic mode Decomposition) 방법을 이용한 결과와 기존의 정량화 방법인 damping factor를 이용해 구한 음향 감쇠 효과의 경향성을 배플 분사기가 장착된 연소실내의 음향 감쇠 정도를 비교 분석하여 나타내었다. 비교 결과, 기존의 정량화 방법과 DMD 방법을 이용해 구한 음향 감쇠 정도의 경향성이 일치하는 것을 확인하였다.
향후 고성능 연소기에는 기체-액체 조합의 추진제를 분사하는 분사기가 채택될 수 있는데, 이에 대비하여 기체-액체형 분사기의 음향감쇠 효과를 선형 음향해석을 통해 조사하였다 계산 결과, 분사기는 반파장 공명기의 기능을 수행할 수 있었으며, 감쇠효과가 최대로 나타나는 최적 분사기 길이를 구하였다. 배플이 연소기에 장착되는 경우, 횡방향 음향모드의 공진주파수 값이 감소하는데 실제연소 상황의 조건과 유사한 물성치를 이용하여 배플길이에 따른 최적 분사기 길이의 변화를 계산하였다.
기체-액체형 분사기를 사용하는 고성능 로켓엔진을 위하여 공명기로서의 분사기의 역할을 연구하였다. 단일 분사기가 장착된 연소기에서의 음향 거동을 상온 선형 음향해석을 통해 조사하였다. 음향감쇠 효과는 분사기 길이에 따른 감쇠인자를 통해 정량화되었다. 계산 결과, 분사기는 음향 감쇠에 있어 큰 역할을 하며, 최적의 분사기 길이는 감쇠시키고자 하는 음향 주파수에 대한 반파장 길이에 해당함을 알 수 있었다. 배플이 장착된 연소기에서, 상온 조건과 실제 연소 상황의 조건을 설정하여 각 조건에 대해서 배플길이에 따른 최적 분사기 길이의 변화를 계산하여 제시하였다.
A flow induced mechanical vibration and acoustic resonance should be considered at design stage because they are mainly occurred in the tube bank of boiler. Acoustic resonance is occurred when the vortex shedding frequency of tube bank coincides with the acoustic natural frequency of the cavity. Effective solution to avoid acoustic resonance is installing acoustic baffles in the tube banks parallelly inside of the flow cavity. Thus, location and number of acoustic baffles should be exactly calculated to eliminate the acoustic resonance. This paper presents case study of acoustic resonance due to inappropriate number and location of acoustic baffles. Measured frequency and mode in the study is verified by FEM acoustic modal analysis. The number and location of acoustic baffles to avoid acoustic resonance are calculated by using FEM acoustic modal analysis.
Acoustic behavior in baffled combustion chambers is numerically investigated by adopting linear acoustic analysis. Partial blade baffle, which is a variant of blade baffle, and hub-blade baffle with six blades are employed as baffle models. Through modal analysis, natural frequencies of each acoustic mode in baffled chambers are calculated and the reduction in natural frequencies caused by baffle installation is examined. Through harmonic analysis, acoustic pressure responses of each chamber to acoustic oscillating excitation are shown. The first tangential mode is found to be most sensitive to acoustic oscillation. Acoustic damping effect of baffle is quantified by damping factor. Damping effect of hub-blade baffle is the most appreciable and damping factor of partial blade baffle is much lower than that of blade baffle. Damping effect of six-blade baflle on the second tangential mode is as much as on the first tangential mode and hub-blade baffle can damp out appreciably the first tangential as well as the first radial mode with the aid of hub.
This paper presents phenomena of vibration and noise due to acoustic resonance in tube bank of a HRSG. Acoustic resonance is may arise when the vortex shedding frequency coincides with the acoustic natural frequency. At this tube bank, dominant frequencies of vibration in this system were 43.5, 67.5㎐. The 3$\^$rd/ acoustic natural frequency calculated was 68.5㎐. When the difference of vortex shedding frequency and acoustic natural frequency is within ${\pm}$20%, acoustic resonance could occur. In this system, in order to prevent acoustic resonance, acoustic baffle was installed in the tube bank before operating. But acoustic resonance occurred. So, we evaluate the effect of acoustic mode due to baffle extension length. After investigating, we did revise acoustic baffle to eliminate acoustic resonance effectively.
본 연구에서는 방사임피던스의 계산에 있어서, 음향윈도우의 물질상수 및 두께의 변화에 따른 영향을 고려하였다. 전송 선로형 등가회로를 방사면과 음향 매질 사이에 삽입함으로써 방사면에서 본 자기 방사임피던스의 변화를 평면 및 곡면 배플에 대하여 계산하고 그 결과를 고찰하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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