흡입구 연료분사 방식 스크램제트 엔진의 연료-공기 혼합 및 성능 특성에 대한 수치적 연구

Abstract

본 연구에서는 흡입구 연료분사 방식 스크램제트 엔진의 연료-공기 혼합 및 연소 특성을 관찰하기 위해 비평형 유동 해석을 수행하였다. 연료-공기의 혼합 및 연소 유동과 고엔탈피 유동에서 나타나는 열적 비평형 현상을 모사하기 위해 비정렬 격자계 기반의 삼차원 열화학적 비평형 유동해석 코드를 개발하였고, 타 연구자들의 실험 결과 등과의 비교 검증을 통해 신뢰성을 확보하였다. 본 연구에서 고려한 흡입구 연료분사 방식 스크램제트 엔진은 흡입구 유동이 4개의 충격파를 통해 압축되며, 고도 22 km에서 마하수 6으로 비행하도록 설계되었다. 연료분사 방법에 따른 매개변수 연구를 통해 혼합 성능, 조기 점화 및 내부 항력에 미치는 영향을 고려하여 효율적인 연료분사 방법을 도출하였다. 또한, 열적 비평형 현상이 연료-공기 혼합 및 연소 특성에 미치는 영향을 관찰하였다. 병진 모드와 진동 모드간의 에너지 분포가 크게 달라지는 것을 관찰하였으며, 열적 비평형 현상이 연소 특성에 상당히 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다. 불완전 연소 현상을 모사할 수 있는 모델을 개발하고, 이를 적용하여 일차원 성능 해석 코드를 개발하였다. 불완전 연소 현상을 모사하기 위해 스크램제트 엔진의 전체 유동 경로에 대해 해석을 수행하였으며, 불완전 연소로 인해 연소실 및 노즐에서 전반적으로 유동 온도가 감소하는 것을 확인하고, 추력 성능에 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다. 본 연구에서 개발된 분열 화학 모델이 불완전 연소 현상을 적절히 모사하는 것을 확인하였으며, 스크램제트 비행체의 예비 설계 및 분석 도구로써 유용하게 활용 가능할 것으로 판단된다.