덤프 연소기에서 열음향 불안정에 관한 수치적 연구

Abstract

Rijke 튜브와 관련이 있는 열음향기 형태를 고찰해보았다. 유동과 열이 서로 상호작용으로 인해 로켓이나 가스연소기에서 발생되는 불안정성은 소위 열음향 혹은 연소 불안정이라 부른다. 다양한 실험으로부터 이미 연소로 인한 튜브내의 진동은 ``Rijke tube`` 혹은 ``organ pipe``에서의 진동이다. 이때의 공진 주파수는 Rijke튜브 혹은 organ pipe와 같은 길이에 있다면 이와 동일한 길이와 온도 분포를 가지고 있다면 동일한 주파수를 갖는다. 열에 의해 가진된 음향의 거동을 판단하는 기준인 Rayleigh 안정 영역의 검증을 많은 실험들을 통해 밝혀내었다. Rijke 종류의 기구 안에서 음향의 진동을 현대의 수학적인 해석이 질량, 모멘텀, 에너지 보존 방정식 등 일반적인 방정식을 통해 연구가 진행되고 있다. 거의 모든 해석이 일정한 열원을 가정한다. 이러한 점에서 주파수는 주로 챔버내 가스의 음향속도에 의해 지배되므로 공진 주파수의 예측이 가능해진다. 그러나 시스템이 안정한지를 예측하는 것은 불가능하다. 그 이유는 화염과 히터의 응답 모델이 예상된 증가율에서 벗어나 극적인 효과를 가질 수 있기 때문이다. 따라서 많은 응용적인 면에서 열음향 현상을 사용하여 수치적인 해석이 요구된다. 본 논문은 열음향 불안정이 나타나는 조건을 정향적인 해석을 통해 분석할 것이고 당량비의 변화나 연소기 내부로 주입되는 유량과 같은 변수의 영향을 통해 덤프 연소기에서 발생되는 불안정성을 고찰하고자 한다.