Experimental and theoretical investigation on annular injection supersonic ejector equipped with a converging-diverging diffuser was carried out. The effects of the primary nozzle area ratio, the contraction angle of the mixing chamber, and the cross sectional area and LID ratio of the second-throat on the ejector performances were measured with particular emphasis on the starting and unstarting pressures and the secondary flow pressure after the ejector starts. To analyze the dependence of the ejector performances on these parameters, we tested three different sizes for each of the geometric parameter with the rests fixed, resulting in 81 combination of the four parameters listed above. At every configuration, various secondary mass flow rate conditions were tested. Furthermore, at a reference cases, the effects of the secondary flow temperature were investigated. Performance measurements at all the test conditions showed that the starting pressure exhibited dependence on the throat area ratio of the diffuser and primary nozzle when the length of the mixing chamber is less than a certain critical value. For a longer mixing chamber, the starting pressure becomes proportional to the length of the mixing chamber. The unstarting pressure, however, showed no dependence on the length of the mixing chamber but on the throat area ratio of the diffuser to primary nozzle only and could be easily calculated by using the normal shock relation with the throat area ratio. Lastly, the secondary flow pressure was not affected by the second-throat geometry and the back pressure. It means that the secondary flow is aerodynamically choked by the interaction with the primary flow, and the secondary flow is determined by the choking phenomena.
Through the experimental understanding, simple theoretical models were developed to predict the secondary flow pressure after the ejector starts, the starting pressure, and the unstarting pressure. For the secondary flow pressure after starting, the assumption that the aerodynamic choking of the secondary flow occurs in the mixing chamber was used. First, for simplicity, a funnel-shaped shock wave generated by the contraction angle at the inlet of the mixing chamber was regarded as a two-dimensional wedge shock wave. In results, the secondary flow pressure predicted by the model agreed reasonably well with measurement for a small contraction angle of the mixing chamber. Using the analysis, the compression ratio, the adiabatic efficiency, Mach number of the secondary flow, and the location of the choking point were calculated and described. Later, a model of the funnel shock wave was developed by using conical and two-dimensional wedge shock wave relations and the secondary flow pressure can be estimated more accurately. For the theoretical analysis of the starting pressure, it was assumed that the ejector starts when a supersonic primary flow reaches the inlet of the second-throat. To determine the distance that the primary supersonic flow travels, the length of the first diamond shock wave pattern of the primary flow was calculated and multiplied by an empirical factor. In result, the complex behavior of the starting pressure according to the mixing chamber length can be explained by the model accurately for a given geometry. Finally, the unstarting pressure obeys the normal shock theory with respect to the throat area ratio of the second-throat to the primary nozzle throat. It means that the unstarting pressure is the minimum pressure to make a normal shock wave maintain at the second-throat.
수축-팽창 디퓨저를 갖는 환형 분사 초음속 이젝터의 실험적 연구와 이론 해석을 수행하였다. 형상변수 연구를 통하여 주유동 노즐 면적비와 혼합챔버의 수축각 그리고 이차목의 단면적과 길이지름비가 이젝터의 작동압력, 작동멈춤압력 그리고 작동후 부유동 압력에 미치는 영향을 알아보았다. 그 결과 작동멈춤압력은 이차목과 주유동 노즐목의 면적비인 목면적비에 선형적으로 비례하는 것을 확인하였다. 더욱이 작동멈춤압력은 목면적비에 대한 수직충격파 이론을 잘 만족하는 것을 확인하였다. 이것은 작동멈춤압력이 수직충격파가 이차목에 존재하게하는 최소의 압력이라는 것을 말해주는 결과이다. 작동압력에 경우에는 임계길이를 기준으로 목면적비에 비례하는 구간과 혼합챔버 길이에 비례하는 구간으로 나뉜다는 것을 확인하였다. 혼합챔버의 길이가 임계길이보다 작을 경우 작동압력은 목면적비에 의한 수직충격파 이론을 잘 만족하였으나, 임계길이보다 긴 경우 작동압력은 혼합챔버 길이에 비례하여 증하였다. 이젝터 작동후 부유동 압력은 이차목의 형상에 영향을 받지 않고 주유동 노즐 면적비와 수축각에 의해 결정되었다. 이것은 부유동이 혼합챔버 내부에서 공기역학적으로 초킹되고 부유동 압력은 이러한 초킹조건과 입구조건에 의하여 결정된다는 것을 말해준다. 형상변수 연구를 통하여 얻은 이해를 바탕으로 작동압력, 작동멈춤압력 그리고 이젝터 작동후 부유동 압력을 예측하는 이론 해석 모델을 개발하였다. 부유동 압력을 예측하기 위하여 부유동이 혼합챔버 내부에서 공기역학적으로 초킹된다는 가정을 사용하였다. 혼합챔버 입구에서 발생하는 깔때기 경사충격파는 이차원 경사충격파와 원뿔 경사충격파 관계식을 이용하여 모델링하였다. 해석 결과 실험값을 잘 예측하는 것을 확인하였다. 작동멈춤압력은 수직충격파 이론을 이용하여 예측하였다. 작동압력을 예측하기 위하여 초음속 주유동이 이차목 입구에 도달하면 이젝터가 작동된다는 가정을 이용하였다. 임의의 주유동 전압력 조건에서 초음속 주유동이 발달하는 예측하여 혼합챔버의 길이와 비교하는 방법으로 작동압력에 혼합챔버 길이에 대한 영향을 고려할 수 있었다. 혼합모델을 이용하여 부유동 압력을 계산하였고, 계산된 압력을 배압조건으로 주유동 노즐 출구에서 과도팽창 유동의 첫번째 다이아몬드 패턴의 길이를 계산하였다. 여기에 경험값을 곱하여 초음속 주유동이 발달하는 길이를 예측하였다. 해석 결과 최소압력요구 다이어그램을 개발하여 작동압력을 잘 예측할 수 있었다.
