• Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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• 2017.05a
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• pp.304-309
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• 2017

This paper studies a nonpremixed turbulent flame in a model scramjet combustor using zonal hybrid RANS/LES method. The numerical domain is divided into two region, RANS and LES region. The interface between the two regions is treated with synthetic eddy method. A model scramjet combustor experimented at German aerospace center is selected for the comparative study. The fuel injection of cracked kerosene surrogate which is composed of ethylene and methane is considered. Turbulent combustion of cracked kerosene surrogate is achieved using flamelet approach.

• Proceedings of the KSME Conference
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• 2005.11a
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• pp.98.2-98.2
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• 2005

• Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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• 2003.05a
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• pp.244-245
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• 2003

고체나 액체 추진로켓에 비하여 하이브리드 추진 시스템은 작동조건의 안정성과 안전함등의 많은 장점을 가지고 있다. HTPB와 같은 고체연료는 제작 및 저장, 운송 그리고 장착상의 안정성을 가지고 있으며 하이브리드 로켓의 고체연료로의 산화제의 유입을 제어하면서 추력의 변화와 엔진내부의 연소중단과 재 점화를 용이하게 할 수 있다. 이러한 이유로 인하여 하이브리드 엔진은 좀 더 경제적인 장치로 기대를 모으고 있다. 그러나, 기존의 하이브리드 로켓 엔진은 고체 추진 로켓에 비하여 낮은 연료 regression 율과 연소효율을 가지는 단점이 있다. 이러한 단점을 해결하고 요구되어지는 추력값과 연료유량을 증가시키기 위하여 고체연료의 표면적을 증가시킬 필요가 있다. 기존의 하이브리드 엔진에서는 연료 그레인에 다수의 연소포트를 만들어 표면적을 증가시켰으나 이는 비 활용 공간의 증가와 추진제의 질량 및 체적분율의 상당한 감소를 초래한다. 지난 수십년간에 걸쳐 하이브리드 엔진에서 연료의 regression 특성 및 엔진 성능 향상을 위한 연구가 계속되어 왔으며 최근에 엔진의 체적 규제를 경감시키고 연료의 regression율을 향상시키기 위하여 선회유동을 이용하는 하이브리드 로켓 엔진들이 제안되고 있다. 이러한 선회유동을 가지는 하이브리드 로켓은 고체연료 그레인에 대하여 평행하게 유입되는 기존의 하이브리드 로켓에 비하여 고체연료 벽면에서의 대류열전달이 현저하게 증가하게 되어 아주 높은 고체연료의 regression율을 얻을 수 있는 이점이 있다. 선회유동 하이브리드 로켓의 연소과정은 고체 연료의 열분해과정, 대류 열전달, 난류 혼합, 난류와 화학반응의 상호작용, soot의 생성 및 산화과정, soot 입자 및 연소가스에 의한 복사 열전달, 연소장과 음향장의 상호작용 등의 복잡한 물리적 과정을 포함하고 있다. 이러한 물리적 과정 중 난류연소, 고체연료 벽면 근방에서의 대류 열전달 및 연소과정에서 생성되는 soot 입자로부터의 복사 열전달, 그리고 고체연료 열 분해시 표면반응들은 고체연료의 regression율에 큰 영향을 미친다. 특히 고체연료의 난류화염면의 위치와 폭, 그리고 비 예혼합 난류화염장에서 생성되는 soot의 체적분율의 예측은 난류연소모델, 열전달 모델, 그리고 regression율 모델에 의해 크게 영향을 받기 때문에 수치모델의 예측 능력 향상시키기 위하여 이러한 물리적 과정을 정확히 모델링해야 할 필요가 있다. 특히 vortex hybrid rocket내의 난류연소과정은 아래와 같은 Laminar Flamelet Model에 의해 모델링 하였다. 상세 화학반응 과정을 고려한 혼합분율 공간에서의 화염편의 화학종 및 에너지 보존 방정식은 다음과 같다. 화염편 방정식과 혼합분률과 scalar dissipation rate의 관계식을 이용하여 혼합분률과 scalar dissipation rate에 따른 모든 reactive scalar들을 구하게 된다. 이러한 화염편 방정식들을 mixture fraction space에서 이산화시켜서 얻은 비선형 대수방정식은 TWOPNT(Grcar, 1992)로 계산돼 flamelet Library에 저장되게 된다. 저장된 laminar flamelet library를 이용하여 난류화염장의 열역학 상태량 평균치는 presumed PDF approach에 의해 구해진다. 본 연구에서는 강한 선회유동을 가지는 Hybrid Rocket 연소장내의 난류와 화학반응의 상호작용을 분석하기 위하여 Laminar Flamelet Model, 화학평형모델, 그리고 Eddy Dissipation Model을 이용한 수치해석결과를 체계적으로 비교하였다. 또한 Laminar Flamelet Model과 state-of-art 물리모델들을 이용하여 선회 유동을 갖는 하이브리드 로켓 엔진의 연소 및 Soot 생성 및 산화과정을 살펴보았으며 복사 열전달이 고체 연료 표면의 regression율에 미치는 영향도 살펴보았다. 특히 swirl강도, 산화제의 유입위치 그리고 선회유동의 형성방식이 하이브리드 로켓의 연소특성 및 regression rate에 미치는 영향을 상세히 해석하였다.

• 한국연소학회:학술대회논문집
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• 2003.12a
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• pp.3-9
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• 2003

By utilizing a semi-empirical soot model, the applicability of the laminar flamelet concept for simulating the formation and oxidation of soot in the laminar diffusion flame has been studied. The source terms for two transport equations of the soot formation and oxidation are calculated in the mixture fraction/scalar dissipation rate space for laminar flamelets and stored in a library. In this study, emphasis is given to the interaction associated with radiation and soot formation. The radiative heat loss is obtained by solving the radiative transfer equation using the unstructured grid finite volume method with the WSGGM. The calculated temperatures and soot volume fractions agree relatively well with the experimental data and the previous numerical results of Kaplan et al. using the detailed chemistry.

• Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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• v.17 no.3
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• pp.21-29
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• 2013

Turbulent flow and thermal fields of gaseous hydrogen/liquid oxygen flames at supercritical pressure are investigated by turbulence models. The modified Soave-Redlich-Kwong (SRK) EOS is implemented into the flamelet model to realize real-fluid combustions. For supercritical fluid flows, the modified pressure-velocity-density coupling are introduced. Based on the algorithm, the relative performance of six convection schemes and the predictions of four turbulence models are compared. The selected turbulence models are needed to be modified to consider various characteristics of real-fluid combustions.

• Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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• v.33 no.11
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• pp.57-64
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• 2005

Large Eddy Simulation (LES) of turbulent premixed combustion flow is performed by using the dynamic subgrid scale model based on -equation describing the flame front propagation. After introducing the LES governing equations with dynamic subgrid scale (DSGS) model newly introduced into the -equation, the turbulent premixed combustion flow over backward facing step is analyzed to validate present formulation. The calculated results can predict the velocity and temperature of the combustion flow in good agreement with the experiment data.

• Proceedings of the KSME Conference
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• 2007.05b
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• pp.3300-3305
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• 2007

Ignition delay of second injection of HSDI diesel engine was usually much shorter than that of first injection. It is due to the interaction between radicals generated during the combustion process, and mixed gas of second injection. In this paper, To analyze combustion phenomena of multiple injection mode in HSDI diesel engine effectively, two-dimensional flamelet combustion model was modified. To reduce calculation time, two-dimensional flamelet equations were only applied near stoichiometric region. If this region was ignited, species and temperature of other region were changed to the steady-state solutions of one dimensional flamelet equations. By this method calculation time for solving flamelet equations was reduced to 20 percents, thought the results were almost same. Modified flamelet combustion model was coupled to commercial CFD code interactively using user subroutine.

• Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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• 2010.05a
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• pp.150-155
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• 2010

Liquid rocket injectors play crucial roles on propulsive performance, combustion stability, and heat transfer characteristics. Nevertheless, their developments have mainly relied on empirical methods and expensive hot-firing tests due to lack of fundamental understanding of high pressure combustion phenomena in the near-injector regions. The present study was motivated by recent efforts to develop reliable modeling of liquid rocket combustion. The turbulent combustion model based on the flamelet concept has been extended to take into account real-fluid behaviors occurred at supercritical pressures, and validated against measurements for a cryogenic nitrogen injection, a non-premixed turbulent jet flame at atmospheric pressure, and a LOx/$GH_2$ coaxial shear injector at a supercritical pressure.

• Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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• 2010.11a
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• pp.85-88
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• 2010

This study has been mainly motivated to numerically model the supercritical mixing and combustion processes encountered in the liquid propellant rocket engines. In the present approach, turbulence is represented by the extended $k-{\varepsilon}$ turbulence model. To account for the real fluid effects, the propellant mixture properties are calculated by using SRK (Souve-Redlich-Kwong) equation of state. In order to realistically represent the turbulence-chemistry interaction in the turbulent nonpremixed flames, the flamelet approach based on the real fluid flamelet library has been adopted. Based on numerical results, the detailed discussions are made for the real fluid effects and the precise structure of gaseous methane/liquid oxygen coaxial jet flame.

• Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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• v.34 no.8
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• pp.1084-1093
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• 2010

Large eddy simulation of turbulent premixed flame stabilized by the bluff body is performed by using sub-grid scale combustion model based on the G-equation describing the flame front propagation. The basic idea of LES modeling is to evaluate the filtered-front speed, which should be enhanced in the grid scale by the scale fluctuations. The dynamic subgrid scale models newly introduced into the G-equation are validated by the premixed combustion flow behind the triangle flame holder. The calculated results can predict the velocity and temperature of the combustion flow in good agreement with the experiment data.