Numerical Analysis of Nonlinear Longitudinal Combustion Instability in LRE Using Pressure-Sensitive Time-Lag Hypothesis

시간지연 모델을 이용한 액체로켓엔진의 축방향 비선형 연소불안정 해석

Nonlinear behaviors such as steep-fronted wave motions and a finite amplitude limit cycle often accompanying combustion instabilities have been numerically investigated using a characteristic-based approximate Riemann solver and the well-known ${\eta}-{\tau}$ model. A resonant pipe initially subjected to a harmonic pressure disturbance described the natural steepening process that leads to a shocked N-wave. For a linearly unstable regime, pressure oscillations reach a limit cycle which is independent of the characteristics of the initial disturbances and depends only on combustion parameters and operating conditions. For the 1.5 MW gas generator under development in KARI, the numerical results show good agreement with experimental data from hot-firing tests.

연소불안정에서 흔히 수반되는 충격파와 한계사이클 같은 비선형적 거동을 수치해석을 통해 고찰하였다. 공진관에 가해진 초기 압력교란이 충격파로 천이되는 과정을 해석함으로서 비선형 음향특성에 대한 이해를 돕는 동시에 수치해석기법의 정확성을 검증하였다. ${\eta}-{\tau}$ 연소응답모델을 이용한 SSME의 해석결과는 선형불안정 영역에서 한계사이클의 특성은 연소파라미터와 작동조건에 의존할 뿐 초기 교란의 특성과는 무관함을 밝혔다. 또한 1.5 MW급 가스발생기의 개발 과정에서 겪은 연소불안정 문제에 적용하여 예측된 안정성 경향을 연소시험 결과와 비교함으로서, 향후 수치해석을 통한 연소불안정 예측기법에 대해 가능성을 확인하는 동시에 향후 연구방향을 모색하였다.