The present study is mainly motivated to investigate the vaporization, auto-ignition, and combustion of liquid fuel spray injected into high pressure environment. The unsteady, multi-dimensional models were used for realistic simulation of spray as well as prediction of accurate ignition delay time. The Separated Flow (SF) model which considers the finite rate of transport between liquid and gas phases was employed to represent the interactions between spray and gas field. Among the SF models, the Discrete Droplet Model (DDM) which simulates the spray using finite number of representative samples of discrete droplets was adopted. The Eulerian-Lagrangian formulation was used to analyze the two-phase interactions. In order to predict an evaporation rate of droplet in high pressure environment, the high pressure vaporization model was applied using thermodynamic equilibrium and phase equilibrium at droplet surface. The high pressure effect as well as high temperature effect was considered in the calculation of liquid and gas properties. In case of spray vaporization, an interaction between droplets was studied through the comparison with single droplet vaporization. Also, the characteristics of spray behavior in high pressure environment were investigated through the comparison with normal ambient pressure case.
대부분의 실용적 분무 연소 시스템이 고압의 환경 하에서 작동하고 있음에도 불구하고 종래의 분무 연소에 대한 수치적 연구의 대부분은 상압 (normal pressure) 또는 저압의 환경 하에서 수행되어 왔다. 이는, 낮은 압력 환경 하에서는 해석을 단순화할 수 있는 적절한 가정들이 가능하여 상대적으로 다른 실제적 측면에 관심과 노력을 집중시킬 수 있기 때문이다. 현재까지의 고압 환경 하에서의 분무 거동에 대한 연구는 여러 단순화 모델을 사용할 뿐더러 수많은 가정들을 포함하고 있기 때문에 실제 현상의 사실적 예측이라는 측면에 있어서 아직은 초기 단계라 할 수 있겠다.
실제 분무는 비균일 (non-homogeneous) 상태로 복잡한 물리적, 화학적 과정을 겪기 때문에 일차원 (one-dimensional) 모델로는 연소기 내부에서 일어나는 다양한 현상들을 정확하게 모사할 수 없다. 또한, 분무의 점화는 비정상 (transient) 현상이기 때문에 정상 상태 (steady state) 모델로는 점화 지연 시간 (ignition delay time) 등의 측정에 있어 오차를 포함하게 된다. 따라서 본 연구에서는 분무 거동의 사실적 모사와 점화 지연 시간의 정확한 예측을 위하여 비정상 다차원 (multi-dimensional) 모델을 사용하였다. 분무와 주변 기체장과의 상호 작용에 있어서는 이상 간에 교환되는 질량, 운동량 (momentum) 및 에너지의 전달 현상을 유한한 속도로 모사하는 Separated Flow (SF) 모델을 도입하였다. 특히, 본 연구에서는 이러한 SF 모델 중에서도 분무가 수많은 대표 액적들에 의해 나타내어지며, 각 대표 액적들은 라그랑지안 접근 방법 (Lagrangian approach)에 의해 풀이되는 Discrete Droplet Model (DDM) (또는 Particle-Source-In-Cell (PSIC) 모델)을 사용하였다. 고압 환경에서의 분무 거동을 나타내기 위해 Redlich-Kwong 상태 방정식을 이용하여 실 기체 효과 (real gas effect)를 고려하였으며, 분무 액적 표면에서의 열역학적 평형 (thermodynamic equilibrium) 조건 및 상 평형 (phase equilibrium) 조건을 이용하여 고압 환경에서 적용 가능한 고압 증발 모델을 도입하였다. 또한, 기상 (gas phase) 및 액상 (liquid phase)의 물성치를 계산함에 있어서는 온도, 압력 및 조성에 따른 변화를 고려하였다.
본 연구에서 액체 연료 분무는 축 대칭 (axisymmetric), 정적 (closed-volume) 연소기 내 정지된 고온의 공기 중으로 분사되는 것으로 모사 된다. 분사된 분무 액적들은 시간이 경과함에 따라 증발, 혼합, 점화, 연소 등의 현상을 겪게 되는데, 이에 대한 해석을 통해 분무 거동 시에 나타나는 액적들 간 상호 작용을 이해하였고, 특히 상압 환경과의 비교를 통해 고압 환경이 분무의 거동에 미치는 영향에 대해 중점적으로 살펴보았다.
