Chung, Yun-Jae;Khil, Tae-Ock;Yoon, Jung-Soo;Yoon, Young-Bin;Bazarov, V.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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제12권1호
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pp.57-62
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2011
The effects of swirl chamber's diameter and length on injector's dynamic characteristics were investigated through an experimental study. A mechanical pulsator was installed in front of the manifold of a swirl injector which produces pressure oscillations in the feed line. Pressure in the manifold, liquid film thickness in the orifice and the pressure in the orifice were measured in order to understand the dynamic characteristic of the simplex swirl injector with varying geometry. A direct pressure measuring method (DPMM) was used to calculate the axial velocity of the propellant in the orifice and the mass flow rate through the orifice. These measured and calculated values were analyzed to observe the amplitude and phase differences between the input value in the manifold and the output values in the orifice. As a result, a phase-amplitude diagram was obtained which exhibits the injector's response to certain pressure fluctuation inputs. The mass flow rate was calculated by the DPMM and measured directly through the actual injection. The effect of mean manifold pressure change was insignificant with the frequency range of manifold pressure oscillation used in this experiment. Mass flow rate was measured with the variation of injector's geometries and amplitude of the mass flow rate was observed with geometry and pulsation frequency variation. It was confirmed that the swirl chamber diameter and length affect an injector's dynamic characteristics. Furthermore, the direction of geometry change for achieving dynamic stability in the injector was suggested.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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제16권2호
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pp.254-263
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2015
In this study, numerical simulations are carried out to investigate the dynamic SGS model effects in a Kerosene-LOx coaxial swirl injector under high pressure conditions. The turbulent model is based on large-eddy simulation (LES) with real-fluid transport and thermodynamics. To assess the effect of the dynamic subgrid-scale (SGS) model, the dynamic SGS model is compared with that of the algebraic SGS model. In a swirl injector under supercritical pressure, the characteristics of temporal pressure fluctuation and power spectral density (PSD) present comparable discrepancies dependant on the SGS models, which affect the mixing characteristics. Mixing efficiency and the probability density (PDF) function are conducted for a statistical description of the turbulent flow fields according to the SGS models. The back-scattering of turbulent kinetic energy is estimated in terms of the film thickness of the swirl injector.
This paper describes the results of cold flow test and hot firing tests of an uni-element coaxial swirl injector and hot firing tests of a subscale combustor, as to the development effort of coaxial swirl injector for high performance liquid rocket engine combustor. A major design parameter for coaxial swirl injector is the recess number of a bi-swirl injector. The results of hot firing tests of the uni-element injector combustor and the sub-scale combustor are analyzed to investigate the effect of the recess number influencing on the combustion performance and pressure fluctuation. The test results of a cold flow test of the unielement combustor shows that it was shown that the change in recess number has significant effect on mixing characteristics and efficiency, while the effect of recess number on atomization characteristic is not The results of a series of firing tests using unielement and subscale combustor show that the recess length significantly affects the hydraulic characteristics, the combustion efficiency, and the dynamics of the liquid oxygen/kerosene bi-swirl injector. As a point of combustion performance, combustion efficiencies are 90% for unielement combustor and 95% for subscale combustor. The difference in the characteristic velocities between the unielement combustor and the subscale combustor may be caused by the difference in thermal loss to the combustor wall and the relative lengths of the combustion chamber. For a mixed type coaxial swirl combustor, the pressure drop across the injector increases as recess number becomes larger. The low frequency pressure fluctuation observed in unielement combustor can be related to the propellant mixing characteristics of the coaxial bi-swirl injector. The effect of the recess number on the pressure fluctuation inside the combustion chamber is more significant in un i-element combustor than the subscale combustor, of which the phenomena are also observed in time domain and frequency domain.
The spray and acoustic characteristics by the self-oscillation of a swirl coaxial injector were experimentally studied. The self-oscillation of a swirl coaxial injector is defined as pressure and flowrate oscillations by a time-delayed feedback between liquid and gas phase and has strong influences on atomization and mixing processes. Hence the occurrence and effect of the self-oscillation are measured using shadow photography technique, acoustic test and PDPA. The occurrence of self-oscillation largely depends on the injection conditions, such as pressure drop of liquid phase and relative momentum ratio. From the experimental results, self-oscillation occurs when the momentum of gas phase is enough large and the smaller the pressure drop of liquid phase is, the better self-oscillation occurs at the same momentum ratio. The self-oscillation is also affected by injector geometries, increasing the recess length results in the expansion of self-oscillation region and the increase of sound pressure level. The self-oscillation of a swirl coaxial injector accompanies a high intensity scream and this scream may provide harmful disturbances to combustion processes. Self-oscillation leads to strong changes in the drop size distribution and smoothly varies the slope of radial SMD distribution.
Both numerical analysis and experiment of cold and hot tests were performed to obtain basic design data for the swirl coaxial type Injector and to predict the combustion performance. Mass distribution, mixing distribution, mixing efficiency, characteristic velocity efficiency were measured by the cold tests and numerical analysis using the commercial thermo-hydraulic program. Test and analysis variables were recess, pressure drop, velocity ratio, mixing spray, mixture ratio. Hot tests were performed for the Uni-element injector to compare the performance with the cold test results, and, hot tests for Multi-element injector were performed to compare the performance with Uni-element injector. Designed thrust of the Uni-element injector liquid rocket was 35kgf at sea level and combustion chamber pressure, 20bar. Kerosene and Lox were used as a propellant.
This study was aimed to assess combustion stability for coaxial swirl injector and FOOF impinging injector which would be candidates in liquid rocket engine combustors. Simulating combustion tests under atmospheric condition have been conducted by gaseous oxygen and the mixture of methane and propane, using two actual injectors. By analyzing the measured dynamic pressure signals, we have evaluated the combustion stability margin of both injectors by drawing a stability map.
Im, Ji-Hyuk;Kim, Dong-Jun;Yoon, Young-Bin;Bazarov, V.
한국분무공학회지
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제10권3호
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pp.29-37
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2005
The spray and acoustic characteristics of a gas/liquid swirl coaxial injector are studied experimentally. The self-pulsation is defined as a pressure and flow rate oscillations by a time-delayed feedback between liquid and gas phase. Self-pulsation has strong influences on atomization and mixing processes and accompanies painful screams. So. the spray and acoustic characteristics are investigated. Spray patterns are observed by shadow photography technique in order to determine the onset of self-pulsation. And self-pulsation boundary with Injection conditions and recess length is get. To measure the frequency of the spray oscillation. oscillation of the laser intensity which passes through spray is analyzed by Fast Fourier Transform. For acoustic tests, a PULSE System was used. Acoustic characteristics of a swirl coaxial injector are investigated according to the injection conditions. such as the pressure drop or the liquid and gas phase. and injector geometries. such as recess length and gap size between the inner and outer injector. Front the experimental results. the increase of recess length leads to the rapid increase of the sound pressure level. And as the pressure drop of the liquid phase increases. the frequency of the self?pulsation shifts to the higher frequency. The frequency of spray oscillations is the same as that of the acoustic fields by self-pulsation.
In this study, a cold-flow test was conducted under ambient conditions to investigate the impact of key geometrical parameters on the spray characteristics of coaxial injectors. Two types of injectors were examined: shear coaxial and swirl coaxial. The primary geometrical variables considered were the recess length and taper angle. The effects of each geometric parameter on the pressure drop, discharge coefficient, breakup length, and spray angle were analyzed. In the swirl coaxial injector, the recess length and the presence of taper affected the discharge coefficient more than in the shear coaxial injector. In terms of breakup length and spray angle, the shear coaxial injector and the swirl coaxial injector showed different results, due to the combination of the jet or swirl injection of the oxidizer and the geometrical variables of the injector. The breakup length and spray angle of the swirl coaxial injector were superior to those of the shear coaxial injector. It is expected that the swirl coaxial injector will have better combustion performance in hot-firing tests.
Numerical analysis of the spray angles of Dual swirl injector were investigated to obtain basic design data and to predict the combustion performance. Using the commercial thermal hydraulic program, discharge coefficients and spray angles were numerically analyzed with recess length, pressure drop, velocity ratio, mixture ratio and back hole length. Water was used as simulants for oxidizer and fuel, respectively to compare the experimental results. Swirl injectors were designed to inject oxidizer of 70.5g/s and fuel of 29.5g/s at the pressure drop of 1MPa and two recess lengths were considered. In addition, the effect of injector geometry coefficient and velocity ratio on the discharge coefficient was studied.
In this paper, the atomization characteristics of bi-swirl coaxial injectors for a 420 N-class bipropellant thruster were investigated. Three types of injectors, namely closed-type, open-type, and screw-type, were manufactured and designed to have the same spray angle and injection pressure drop. Water was used as a simulant, and cold-flow tests were conducted under ambient temperature and pressure conditions. Since the inner and outer injectors were designed to be the same type, only the inner fuel injectors that were easy to measure were used. Using a phase doppler particle analyzer, the velocity and diameter of atomized droplets were measured. Closed-type swirl injector exhibited droplet distributions with relatively high velocities and small SMD compared to the other two injectors. Open-type swirl injector formed droplets with reverse velocities in the center region and had a large recirculation zone. Screw-type swirl injector showed a sharp decrease in droplet velocity and size with radial distance from the liquid film breakup point. For the same design requirements, the closed-type swirl injector has superior atomization performance.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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