Experimental Analysis of Local Flame Describing Function in a Model Rocket Combustor

Abstract

액체 로켓 엔진 개발에 있어 다단 연소 사이클 방식으로의 전환이 이루어지고 있으며, 그 중에서도 전 유량 다단 연소 사이클은 긴 엔진 수명과 보다 높은 신뢰성을 가지고 있기에 차세대 로켓 엔진에 적합하다고 할 수 있다. 이러한 엔진 개발에 있어 연소불안정 현상은 연소 효율 저감과 연소실의 파괴로 이어질 수 있기 때문에 이를 예방하기 위한 연구가 필수적이다. 본 연구의 목적은 로켓 연소와 같이 화염이 길이 방향으로 길 경우에는 공간적인 분석이 중요하다는 것을 인지하고, 기존의 화염전달함수와 화염묘사함수에 대하여 화염의 자발광 이미지를 이용하여 국부적으로 구하여 보는 것이다. 또한 이렇게 구해진 국부 화염전달함수와 화염묘사함수에 대하여 실험적인 접근 방법으로 해석해보려는 시도를 하였다. 그 결과, 화염의 열 방출량 섭동은 화염의 끝 부분으로 갈수록 증가하였고, 이는 국부 화염전달함수와 화염묘사함수의 gain에 영향을 미쳤다. 이는 유동과 화염의 상호작용에 의하여 발생한 현상이라고 밝힐 수 있었다. 또한, 국부 화염묘사함수 계측을 통하여 화염의 끝 부분으로 갈수록 화염의 비선형적 응답특성이 강해지는 것을 알 수 있었고, 국부 화염묘사함수의 gain 특성은 화염의 특성 길이와 연관이 있다는 것을 확인하였다. 이러한 결과들을 바탕으로 로켓 화염과 같이 길이 방향으로 긴 화염의 경우에는 연소불안정을 예측하기 위해 사용되는 화염전달함수 및 화염묘사함수를 국부적으로 구하여 이를 이용하는 것이 화염의 반응을 더 잘 반영할 수 있다고 할 수 있다.

In the development of liquid rocket engines, the transition to staged combustion cycle is being made. Among them, full-flow staged combustion cycle (FFSCC) is suitable for next generation of the rocket engines because it has longer engine life and higher reliability. Combustion instability phenomenon, which is considered a main obstacle in development of rocket engines, can lead to reduction of combustion efficiency and destruction of the combustion chamber in severe cases. Therefore, research to prevent such consequence is essential. The purpose of this research is to recognize that spatial analysis is important when the length of the flame is long, such as rocket combustion. So instead of formerly used global flame transfer function (FTF) and flame describing function (FDF), in this study, locally distributed FTF and FDF were measured using OH* chemiluminescence images and attempted to interpret the obtained functions in an experimental approach. As a result, the perturbation of the heat release rate increased towards the flame tip, which affected the gain of local FTF and FDF. This could be explained by the interaction between flow and flame. Moreover, it was found that the nonlinear response of the flame became stronger towards the flame tip through the measurement of local FDF. It was confirmed that the gain tendency of the local FDF was related to the characteristic length of the flame. Based on these results, it can be said that spatially obtained FTF and FDF may better reflect the flame response while used to predict combustion instability, when the flame is long as rocket flame.