초음속 교차 흐름에서 다중 연료 제트의 연료 혼합 및 질량 확산에 대한 압출 분사 노즐의 영향: 전산 연구

Jul 17, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 12095(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

효율적인 분사 시스템은 초음속 흐름에서 공기 호흡 추진 시스템의 전반적인 구현에 큰 역할을 합니다. 본 연구에서는 연소기를 통한 연료 분배 및 혼합에 압출형 멀티 인젝터의 사용이 완전히 조사되었습니다. 압출 노즐의 사용은 인젝터 근처의 와류 형성을 상당히 강화하며 이 연구는 스크램제트의 연소기를 통한 연료 제트의 확산에 대한 이러한 와류의 역할을 시각화하려고 노력했습니다. 생성된 순환의 강도에 대한 제트 공간의 영향이 충분히 논의되었습니다. 압출 노즐을 사용하여 연소실을 이동시키는 고속 공기 흐름의 시뮬레이션은 전산 유체 역학을 통해 수행됩니다. 우리의 계산 데이터를 기반으로 압출된 다중 제트를 사용하면 초음속 기류에서 수소 크로스 제트의 침투 및 확산이 향상됩니다. 인젝터 사이의 간격을 늘리면 주로 연료 제트의 측면 침투가 향상되어 제트 하류의 연료 혼합 성능이 최대 27% 향상됩니다.

우주 접근을 위한 추진 기술의 가장 중요한 발전은 스크램제트 엔진1,2,3,4,5의 발명입니다. 스크램제트 엔진이 장착된 발사체는 탑재량 또는 재사용성을 높이기 위해 질량을 방출함으로써 유사한 로켓보다 더 정교한 효율성으로 발사대의 대기권 내 비행의 일부를 작동할 수 있습니다5,6,7. 실제 응용 분야에서 이 장치의 높은 영향을 보여주기 위해 스크램제트는 최대 마하 12의 초고속 속도로 작동할 수 있습니다. 스크램제트 엔진의 이러한 장점으로 인해 이 기술은 최근 수십 년 동안 상당히 연구되었습니다. 실제로 이것은 우주 공간에 접근하는 유일한 알려진 기술입니다. 게다가, 이 추진 시스템은 고속 비행에 필요한 동력과 추력을 생성했습니다8,9,10.

Scramjet 엔진에는 흡입구(압축), 디퓨저의 4가지 주요 단계가 포함됩니다. 버너 및 배기 노즐. 첫 번째 단계에서는 초음속 공기의 압력이 증폭된 후 디퓨저에서 연료 혼합이 일어나고 버너에서 자동 점화 과정이 일어나며 출구 노즐에서 고엔탈피 가스가 높은 운동량으로 배출됩니다11,12,13 . 이 엔진과 램제트 엔진의 주요 차이점은 연료 분사와 자동 점화 과정이 일어나는 연소실 내부로 들어오는 공기의 속도입니다14,15,16. 램제트 엔진에서는 초기 속도가 마하=2까지 될 수 있지만 공기 흐름의 속도는 아음속 속도로 감소합니다. 실제로 혼합 및 점화는 아음속 영역에서 발생합니다17. 그러나 초음속 흐름은 스크램제트 엔진의 연소기에서 속도를 유지하며 이 섹션의 연료 분사 및 혼합 진행은 초음속에서 발생합니다. 이러한 다른 조건은 들어오는 공기의 더 높은 속도로 인해 이러한 프로세스를 더욱 복잡하고 복잡하게 만듭니다. 실제로 공기의 빠른 속도는 연료 혼합 시간을 제한하는 반면, 공기 제트와 제트 기둥의 상호 작용으로 인해 여러 번의 충격이 발생했습니다. 이러한 어려움을 해결하기 위해 더 높은 속도에서도 이러한 유형의 엔진의 효율성을 보존하기 위한 실용적인 시스템이 거의 확립되지 않았습니다.

언급한 바와 같이, 연료의 분배 및 연소는 연소실에서 이루어지며, 연료 분사 및 혼합 메커니즘은 분사 방법론(능동 또는 수동)을 통해 발생합니다24,25. 능동 개념에서는 진동 분배기, 펄스 제트 및 물결 모양 벽이 연료의 효율적인 분사를 위한 기존 절차입니다. 이러한 방법에서는 대규모 메커니즘의 강제 여기가 사용됩니다. 반면, 연소실 내부의 연료 분사에는 램프, 로브 믹서, 탭, 캐비티 및 베인이 사용됩니다. 게다가, 가로 및 역류 제트는 이 범주에서 가장 인기 있는 두 가지 기술입니다29,30,31.