A Study on Dynamic Characteristics of Gas-centered Swirl Coaxial Injectors Using Structured Laser Illumination Planar Imaging Technique

Abstract

In liquid rocket engine systems such as the staged combustion cycle with high efficiency, the propellant is introduced into the combustion chamber in the form of gas-liquid. Since a nozzle for accelerating the combustion products is connected behind the cylindrical chamber in the case of a general axisymmetric combustor, the gas which is not completed the combustion reaction may be exhausted. Therefore, it is necessary to use a swirl injector that can increase the travel distance and residence time with the same axial displacement comparing to the jet injectors. In the case of a gas-centered coaxial gas-liquid swirl injector, gas and liquid could interact inside the injector, if a recessed region is applied. Also, the liquid spray characteristics influenced by the wall of the central injector. As the wall thickness of the inner injector (lip thickness) increased, liquid film region in the swirl chamber and nozzle was invaded, and consequently, the liquid spray angle decreased. Therefore, when the gas injection angle is constant, the gas and liquid flow may collide with each other outside the injector if the liquid spray angle decreased. In this study, the spray pattern and spray angle were measured by the backlight method using a stroboscope for the internal and external mixing type sprays. However, it was difficult to figure out the mechanism of liquid breakup because the liquid film decomposed into a large number of small droplets near the outlet of the injector due to the central gas vortex. Therefore, real-time instantaneous information on the distribution of liquid ligaments and droplets in the spray section was obtained by using a planar laser and a 2-phase structured laser illumination planar imaging (2p-SLIPI) technique that eliminated multiple scattering. Also, a dynamic pressure sensor was used to measure the pressure vibration of gas injection. Since the gas vortex discharged through the swirl type injector moved in the axial direction while rotating, it pushed the inner surface of the liquid film outwardly, and at the same time, it was accompanied a entrainment effect by pressure drop in interspace of liquid and gas flow. In the internal mixing spray, a fine droplet zone was created around the injector axis as the gas stream scraped the liquid film from the mixing chamber (recessed region). In the external mixing spray, the liquid film is ruptured by gas impingement on the film. Thus, the fine droplets are distributed in a hollow cone shape. The droplets in liquid spray of a single swirl injector are created by the wave – ligament model caused by the gas-liquid interaction. However, in the case of the external mixed-type binary injector, the effect of gas was more dominant to the liquid film breakup process than the inherent liquid flow characteristics. In addition, the pressure oscillation of the gas causes the liquid film to vibrate, and as a result, the liquid film is periodically disrupted generating droplets. In this process, the fracture frequency was transited from gas acoustic frequency and the liquid film wave frequency. However, there was also some spraying condition where the fracture frequency was not appeared. In general, it was found that the fracture frequency was proportional to the gas impinging velocity and the liquid velocity, and the aerodynamic resistance of the liquid film could have different effects on the frequency and amplitude.

높은 효율을 가지는 다단연소 사이클과 같은 액체로켓엔진 시스템에서는 연소실로 기체-액체의 형태로 추진제가 유입된다. 일반적인 축대칭 연소기의 경우, 원통부 뒤에 유체를 가속시키기 위한 노즐이 연결되므로 연소반응이 완료되지 않은 추진제가 배출될 수 있다. 그러므로 동일 축 방향 변위에서 이동거리 및 체류시간을 늘릴 수 있는 와류형 분사기를 사용할 필요가 있다. 기체 중심 동축 와류형 기체-액체 분사기의 경우, 혼합실(recessed region)을 적용한다면 기체와 액체는 분사기 내부에서 만나게 된다. 또한 액체의 분무특성은 중심 분사기의 벽에 의해 영향을 받는다. 액체 분사기의 경우, 벽이 분사기 내 액막을 침범하는 정도가 커짐에 따라 저항이 증가하여 분무각이 감소한다. 그러므로 기체 분사각이 일정할 시, 액체 분무각이 감소한다면 분사기 외부에서 기체와 액체유동은 서로 충돌할 수 있다. 내부 혼합식과 외부 혼합식 분무 형상은 stroboscope를 사용한 backlight 방법으로 분무 패턴과 분무각을 측정하였다. 그러나 중심 기체 와류에 의해 액막은 분사기의 출구 근처에서 다수의 작은 액적으로 분열되므로 계측이 어렵다. 그러므로 평면 레이저를 사용하며, 다중산란을 제거하는 2-phase structured laser illumination planar imaging (2p-SLIPI) 기법을 사용하여 분무 단면에서 액막과 액적의 분포에 대한 실시간 정보를 획득하였다. 또한 동압센서를 사용하여 기체 분사의 압력진동을 계측하였다. 와류형 분사기를 빠져나온 기체는 회전하면서 축 방향으로 이동하기 때문에 액막 안쪽 표면을 바깥쪽으로 밀어내는 작용을 함과 동시에 속도증가로 인한 압력감소를 동반한다. 내부 혼합식 분무에서는 혼합실 내에서부터 기체 흐름이 액막을 긁어내기 때문에 분사기 축 주위에서 미세 액적 구역이 생성된다. 외부 혼합식 분무에서는 충돌에 의해 액막을 파열시키기 때문에 미세액적은 속이 빈 원추형으로 분포하게 된다. 단일 와류형 분사기에 의한 액체 분무의 분열은 기체-액체 간 상호작용에 의한 파동으로 분열된다. 그러나 영상의 분석 결과에서 외부 혼합식 이원 분사기의 경우 액막 분열과정에 기체의 영향은 액체 흐름 자체의 특성에 비해 더욱 지배적이었다. 또한 기체의 압력진동은 액막을 진동시키며, 결과적으로 주기적으로 액막을 분열시키면서 액적을 생성하게 된다. 이러한 과정에서 분열주파수는 기체주파수의 약 1/10, 액막 파동주파수의 약 1/2 정도로 전이된 수치를 나타내었다. 그러나 분무 조건에 따라 분열주파수가 나타나지 않는 구간도 존재하였다. 대체로 분열주파수는 기체의 충돌속도와 액체의 속도에 비례하였으며, 액막의 공기역학적 저항은 유량 진동의 진동수와 진폭에 서로 다른 영향을 줄 수 있다는 것을 파악하였다.