Hybrid rocket combustion has a manifestation of stable response to the perturbations compared to solid propellant combustion. Recently, it has revealed that the low frequency combustion instability about 10 Hz was occurred mainly due to thermal inertia of solid fuel. In this paper, the combustion response function was theoretically derived by use of ZN (Zeldovich-Novozhilov) method. The result with HTPB/LOX combination showed a quite good agreement in response function with previous works and could predict the low frequency oscillations with a peak around 10 Hz which was observed experimentally. Also, it was found that the amplification region in the frequency domain is independent of the regression rate exponent n but showed the dependence of activation energy. Moreover, the response function has shown that the hybrid combustion system was stable due to negative heat release of solid fuel for vaporization, even though the addition of energetic ingredients such as AP and Al could lead to increase heat release at the fuel surface.
The combustion instability of a rocket motor can be predicted by the linear stability analysis. The most important input data in this analysis is the combustion response function of the solid propellant. In many cases, it is very difficult to measure the function. But, in that case, the combustion response function can be theoretically evaluated by properties of the propellant. In this study, the theoretical values were compared with measured values by T-burner. Data are relatively so well agreed that theoretical values are enough to be used in linear stability analysis of the rocket motor using a newly developed propellant.
This study has been mainly motivated to numerically investigate the transient flame response to pressure oscillations in the gaseous hydrogen - liquid oxygen flames at supercritical pressures. The present analysis is based on the real-fluid transient flamlet model and the flame field is acoustically perturbed only by the sinewave oscillations in the frequency range from 1,000 Hz to 5,000 Hz. Based on numerical results, the detailed discussions are made for the flame response characteristics and the transient flamelet response associated with the high-frequency combustion instability in the liquid propellant rocket engines.
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.9
no.2
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pp.221-228
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1997
A strong combustion-driven sound from a surface burner made of a perforated metal fiber plate for premixed gas was investigated to clarify the physical mechanism of its generation. A simple model was developed for the acoustic power generation in terms of the heat transfer response function and the acoustic impedance of the burner. The acoustic impedance of the perforated metal fiber placed on the open exit was measured and the heat release response of the burner to the oscillating flow associated with the acoustic disturbance was expressed in terms of a response function. It was found that the power is generated by the heat release in response to the downstream particle velocity, in contrast to the upstream velocity in the case of the Rijke oscillation driven by a heater placed in the lower half of a columm with upstream flow. The measured frequencies of the oscillation were in agreement with the estimated resonance frequencies and their excitation was varied with the combustion conditions. For the same fuel rate, the excited frequency increases with the air ratio if it is low but decreases with the ratio if not so low. Such frequency characteristics were explained by assuming a heat release response function with a time constant and it was shown that the excited frequency decreases as the time constant increases.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.7
no.2
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pp.33-41
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2006
Theoretical-numerical approach of combustion instability in a specific rocket engine is conducted with parametric response functions. Fluctuating instantaneous burning rate is assumed to be functionally coupled with acoustic pressures and have a finite or time-varying amplitudes and phase lags. Only when the amplitudes and phases of combustion response function are sufficiently large and small respectively, the triggered unstable waves are amplified.
Lee Gil-Yong;Im Ji-Hwan;Yoon Woong-Sup;Yoo Ji-Chang
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2006.05a
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pp.268-271
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2006
Combustion response function of a solid propellant is measured and calculated to study and model the feedback process between acoustic waves and combustion field. Standard Pulsed DB/AB method and related one-dimensional approximate analysis of T-burner are used to obtain the response function at a driving natural frequency. The problems related with simultaneous ignition of propellant samples are also mentioned and treated.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2004.10a
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pp.267-273
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2004
This paper targets to define controlling factors of pressure-coupled combustion response and estimate their effects on droplet evaporation process. Dynamic characteristics of hydrocarbon propellant vaporization perturbed by acoustic pressure are numerically simulated and analyzed. 1-D droplet model including phase equilibrium between two phases is applied and acoustic wave is expressed by harmonic function. Effects of various design factors and acoustic pressure on combustion response are investigated with parametric studies. Results show that driving frequency of acoustic perturbation and ambient pressure have important roles in determining magnitude and phase of combustion response. On the other hand, other parameters such as gas temperature, initial droplet size and temperature, and amplitude of acoustic wave cause only minor changes to magnitude of combustion response. Resultant changes in phase of heat of vaporization and thermal wave in droplet highly influence magnitude and phase of combustion response.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2011.11a
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pp.415-418
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2011
It is critical to assess the characteristics of flame response to pressure perturbations for the understanding of nonlinear combustion instabilities. Previous studies can be grouped into flame response upon perturbed, fresh air and fuel mixture, and flame response directly perturbed from longitudinal waves. The present study presents experimental methodology for the understanding of the flame response exposed to transverse acoustic waves generated by loud speakers.
A fast response NO analyzer was applied to investigate the relation between cycle-by-cycle NO emissions and combustion chamber pressure. NO emissions were sampled at an isolated exhaust manifold of 4-stroke spark ignition engine to avoid the interference of exhaust gas from other cylinders. The linear correlation analysis was performed with collected data of NO emissions and combustion chamber pressure with respect to the various air-fuel mixture ratios and engine loads. The sampled data sets were obtained during 200 cycles at each operating condition. The results showed that there was a typical pattern in NO emissions from an exhaust port through a cycle. It was possible to set a block of crank angle in which the linear correlation coefficient between NO emissions and combustion chamber pressure was high. As the engine load increased, NO emissions were more dependent on combustion chamber pressure after TDC. It was also analyzed that the correlation between two parameters with respect to air-fuel mixture ratio tended to increase as mixture went leaner. Furthermore, this correlation coefficient for the mixture near the lean limit seemed to be kept high even though combustion was unstable.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2003.05a
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pp.253-257
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2003
Theoretical-numerical analysis of wave instability is conducted with parametric response function model. Fluctuating instantaneous mass evaporation rate functionally coupled with pressure perturbations with phase lag is assumed to examine the validity of the method. With sufficiently large amplitude and less phase lag to perturbation, combustion response is resonant to pressure waves, unstable waves are amplified, and the system is driven to instability. Magnitude of response is a crucial instability parameter in the determination of a stability margins and makes a critical change of balancing conditions between the amplifying and damping acoustic energies. In the phase regime the unstable waves are amplified, whereas, the acoustic waves are attenuated in the out-of-phase regime. In the intermediate regime, no distinct tendency of unstable waves was determined.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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