충격파 터널을 이용한 에틸렌 연료 모델 스크램제트의 연소 특성 연구

Abstract

본 연구는 충격파 터널을 이용하여 연료 분사 특성에 따른 모델 스크램제트에서의 에틸렌 화염유지 특성을 실험적으로 분석하였다. 실험은 약 마하 4의 시험 유동에서 수행되었으며, 유동 총 엔탈피는 약 1.7 MJ/kg이다. 시험 모델은 이중 압축 램프 형상의 흡입구과 공동형 화염안정기가 장착된 본체로 구성되며 모델 상단부에 카울을 부착하여 연소실 내부를 모사한다. 초음속 유동장 가시화를 위하여 쉐도우그래프 기법을, 공동 주위의 화염유지 특성 분성을 위하여 화염 발광 촬영 기법을 사용하였다. 기체 에틸렌을 연료로 사용하였으며 연료-공기 당량비는 0.06~0.25이다. 연료 당량비, 분사 위치, 그리고 분사 각도 변화에 따른 에틸렌 화염유지 특성 변화를 분석하였다. 초음속 유동장 가시화 결과 모든 경우에 대해서 연소기 내부 충격파 구조의 큰 변화는 없는 것이 확인되었다. 흡입구 분사에 대하여 연료 당량비가 증가하면 공동 상부 전단층에서 화염이 유지되었다. 당량비가 증가함에 따라 화염이 강해지고 공동 내부 화염 침투 각도가 커졌지만 공동 상부 화염 확산 각도는 일정하였다. 공동 전단 분사의 경우 흡입구 분사와 달리 모든 당량비에 대하여 공동 내부 및 공동 상단 전단층에서 강한 화염이 관찰되었다. 또한 당량비가 증가함에 따라 공동 상부 화염 확산 각도가 증가하였다. 이와 같은 변화 양상으로부터 흡입구 분사의 경우 "공동 전단층 안정화 화염"이, 공동 전단 분사의 경우 "공동 전단층/재순환 영역 안정화 화염"이 나타나는 것으로 사료된다. 연료 분사 각도에 따른 화염유지 특성 변화 분석 결과, 흡입구 분사에 대하여 수직 분사가 경사 분사에 비해 더 좋은 연료-공기 혼합 효율을 갖는 것으로 판단되었다. 하지만 공동 전단 분사의 경우 수직 분사와 경사 분사 모두 동일한 화염 확산 각도로 화염이 유지되는 것이 확인되었다.