[논문 리뷰] Modelling Rotating Detonative Combustion Fueled by Partially Pre-vaporized n-Heptane Sprays

Majie Zhao, Huangwei Zhang|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 18.

Combustion and Detonation Processes참고 문헌 3인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 부분적으로 예비기화된 헥세인 분무를 이용한 회전 폭발성 연소(RDC)를 유체역학-라그랑주 시뮬레이션으로 모델링하여, 방울 크기와 계량비가 폭발 속도, 연료 소비 및 연소 방식에 결정적인 영향을 미친다는 것을 밝혀냈다. 최적의 비행 특성은 5–20 µm 방울에서 관찰되며, 기체 상태의 경우에 비해 폭발 속도가 2–18% 감소한다. 이는 20 µm 방울 지름에서 최대치에 도달한다.

ABSTRACT

Eulerian-Lagrangian simulations are conducted for two-dimensional Rotating Detonative Combustion (RDC) fueled by partially prevaporized n-heptane sprays. The influences of droplet diameter and total equivalence ratio on detonation combustion and droplet dynamics are studied. It is found that small n-heptane droplets (e.g. 5 um) are completely vaporized around the detonation wave, while intermediate n-heptane droplets (e.g. 20 um) are consumed in or behind the detonation wave, with the escaped ones be continuously evaporated and deflagrated. The droplet distributions in the RDE combustor are significantly affected by the droplet evaporation behaviors. Mixed premixed and non-premixed combustion modes are seen in two-phase RDC. The detonated fuel fraction is high when the droplet diameters are small or large, reaching its minimal value with diameter being 20 um. The detonation propagation speed decreases with increased droplet diameter and is almost constant when the diameter is larger (> 30 um). The velocity deficits are 2-18% compared to the respective gaseous cases. Moreover, the propagation speed increases as the total equivalence ratio increases for the same droplet diameter. It is also found that the detonation propagation speed and detonated fuel fraction are considerably affected by the pre-vaporized gas equivalence ratio. The specific impulse first decreases for cases with initial diameter less than 5 μm, then increases with droplet diameter between 5 μm and 20 μm, and finally decreases with droplet diameter larger than 20 μm.

연구 동기 및 목표

• 부분적으로 예비기화된 헥세인으로 연료 공급되는 회전 폭발성 엔진(RDE)에서 방울 지름과 총 계량비의 영향을 폭발 전파에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 방울 기화 및 연소 거동이 RDC의 이상태유동 역학과 연소 모드 전이에 어떻게 영향을 미치는지 분석하기 위해.
• 예비기화된 기체 계량비가 폭발 성능과 비행 특성에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• 안정적인 폭발 전파를 유지하면서 비행 특성을 최대화하는 최적의 방울 크기를 규명하기 위해.

제안 방법

• 이중 차원의 회전 폭발성 연소를 모의하기 위해, n-헥세인 분무를 사용한 라그랑주-유체역학 기반의 유체역학-라그랑주 CFD 시뮬레이션을 적용하였다.
• 방울 역학은 라그랑주 입자 추적 기법으로 추적하였으며, 기화는 질량 이동 상관관계를 통해 모델링하였다.
• 연소 모델은 국부적인 연료-공기 혼합비 조건에 따라 혼합 예비혼합 및 비예비혼합(확산)flame 제어 방식을 통합하였다.
• 폭발파 전파를 유체역학적 프레임워크를 사용해 시뮬레이션하였으며, 폭발 전면 전파를 위한 빠른 반응 모델을 적용하였다.
• 성능 지표에 미치는 영향을 평가하기 위해 총 계량비와 예비기화된 기체 계량비를 체계적으로 변화시켰다.
• 다양한 방울 지름과 계량비에서의 시뮬레이션된 추력과 연료 소비율 기반으로 비행 특성을 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 부분적으로 예비기화된 헥세인을 사용한 이상태 RDC에서 방울 지름은 폭발 전파 속도와 연료 분율에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 방울 기화 및 연소 거동은 RDE에서 방울 분포와 연소 모드 형성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 예비기화된 기체 계량비는 이중상 RDC에서 폭발 속도와 비행 특성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 부분적으로 예비기화된 헥세인 RDC에서 비행 특성이 최대가 되는 방울 지름은 얼마인가?
• RQ5 총 계량비의 변화는 폭발 안정성과 폭발 속도, 연료 분율과 같은 성능 지표에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 작은 헥세인 방울(5 µm)은 폭발파 주변에서 완전히 기화되며, 중간 크기의 방울(20 µm)은 폭발파 안쪽 또는 뒤에서 소모되며, 불완전 연소된 방울은 계속 기화되고 빠른 연소가 발생한다.
• 폭발 전파 속도는 방울 지름이 증가함에 따라 감소하며, 30 µm 이상에서는 거의 일정해지며, 기체 상태의 경우에 비해 속도 손실이 2–18% 발생한다.
• 폭발된 연료 분율은 20 µm 방울 지름에서 최소값을 보이며, 이 크기에서 연소 효율성이 최적화되지 않음을 시사한다.
• 비행 특성은 5 µm 이하의 방울에서는 감소하고, 5에서 20 µm 사이에서는 증가하며, 20 µm 초과의 방울에서는 再 감소하는 경향을 보이며, 이는 5–20 µm 범위에서 성능 최적점이 있음을 나타낸다.
• 같은 방울 지름에서 총 계량비가 높을수록 폭발 속도가 증가하며, 예비기화된 기체 계량비에 의해 상당히 영향을 받는다.
• 이중상 RDC에서는 혼합 예비혼합 및 비예비혼합 연소 모드가 관찰되며, 연소 거동은 방울 기화 역학에 의해 강하게 좌우된다.