In this thesis, the ethylene flameholding characteristics in model scramjet depending on fuel injection characteristics were experimentally investigated using a shock tunnel. The experiments were carried out in the test flow of about Mach 4, with total enthalpy of about 1.7 MJ/kg. The test model consisted of a double compression ramp inlet and a wall cavity mounted main body. The cowl was mounted on the upper of the main body to simulate the inside of the combustor. Shadowgraph was used for visualization of the supersonic flow field and flame luminescence was used to investigate flameholding characteristics around the cavity. Ethylene, similar in chemical composition to kerosene, was used as fuel and the fuel-air equivalence ratio was 0.06 sim0.25. The changes of ethylene flameholding characteristics depending on fuel equivalence ratio, injection location, and injection angle were investigated.
As a result of supersonic flow field visualization, it was confirmed that there was no significant change in the shock structure of the combustor in all cases. For the inlet injection, the flame was maintained at the shear layer above the cavity when the fuel equivalence ratio was exceed some threshold value. As the equivalence ratio increased, the flame became stronger with a near-constant flame spreading angle downstream of the cavity and the flame penetration angle inside the cavity was increased. For the cavity upstream injection, strong flame was observed in the cavity inside and the shear layer above the cavity for all equivalence ratios, unlike the inlet injection. As the equivalence ratio increased, the flame spreading angle downstream of the cavity increased. Flame stabilization mode for the inlet injection was categorized as ``cavity shear layer-stabilized flame", whereas the cavity upstream injection was ``cavity shear layer/recirculation zone-stabilized flame". The effect of injection angle on flameholding indicated that the transverse injection has a better fuel-air mixing than that of the angled injection for the inlet case. With the cavity upstream injection, the flame was well-maintained for both the transverse as well as the angled injections having about the same flame spreading angle downstream of the cavity.
본 연구는 충격파 터널을 이용하여 연료 분사 특성에 따른 모델 스크램제트에서의 에틸렌 화염유지 특성을 실험적으로 분석하였다.
실험은 약 마하 4의 시험 유동에서 수행되었으며, 유동 총 엔탈피는 약 1.7 MJ/kg이다. 시험 모델은 이중 압축 램프 형상의 흡입구과 공동형 화염안정기가 장착된 본체로 구성되며 모델 상단부에 카울을 부착하여 연소실 내부를 모사한다. 초음속 유동장 가시화를 위하여 쉐도우그래프 기법을, 공동 주위의 화염유지 특성 분성을 위하여 화염 발광 촬영 기법을 사용하였다. 기체 에틸렌을 연료로 사용하였으며 연료-공기 당량비는 0.06~0.25이다. 연료 당량비, 분사 위치, 그리고 분사 각도 변화에 따른 에틸렌 화염유지 특성 변화를 분석하였다. 초음속 유동장 가시화 결과 모든 경우에 대해서 연소기 내부 충격파 구조의 큰 변화는 없는 것이 확인되었다. 흡입구 분사에 대하여 연료 당량비가 증가하면 공동 상부 전단층에서 화염이 유지되었다. 당량비가 증가함에 따라 화염이 강해지고 공동 내부 화염 침투 각도가 커졌지만 공동 상부 화염 확산 각도는 일정하였다. 공동 전단 분사의 경우 흡입구 분사와 달리 모든 당량비에 대하여 공동 내부 및 공동 상단 전단층에서 강한 화염이 관찰되었다. 또한 당량비가 증가함에 따라 공동 상부 화염 확산 각도가 증가하였다. 이와 같은 변화 양상으로부터 흡입구 분사의 경우 "공동 전단층 안정화 화염"이, 공동 전단 분사의 경우 "공동 전단층/재순환 영역 안정화 화염"이 나타나는 것으로 사료된다. 연료 분사 각도에 따른 화염유지 특성 변화 분석 결과, 흡입구 분사에 대하여 수직 분사가 경사 분사에 비해 더 좋은 연료-공기 혼합 효율을 갖는 것으로 판단되었다. 하지만 공동 전단 분사의 경우 수직 분사와 경사 분사 모두 동일한 화염 확산 각도로 화염이 유지되는 것이 확인되었다.
