The aim of the thesis is to investigate the flame-holding characteristics of ethylene in a shock tunnel. To begin with, flame-holding in supersonic flows is one of the most fundamental issues related to the development of supersonic combustion ramjet(scramjet) engine. Flame-holding techniques are necessary to sustain hydrocarbon combustion due to its slow chemical rates. From the literature, the experimental data on the hydrocarbon flame-holding in high-enthalpy flows are few and focuses mainly on the parts of the overall engine system. In light of the above, this study used a shock tunnel to examine the ethylene flame characteristics and the validity of sustaining combustion in different models.
Two types of model were investigated in this thesis. First, a contoured wedge model was used in a shock tunnel to replicate the scramjet combustor environment. The model consists of a contoured wedge, wall cavity and a cowl; a transverse fuel injection orifice is also located upstream of the cavity. Different cowl locations were considered to observe the effect of shock impingement on flame-holding. The experiments showed that, depending on the cowl shock location, the flame-holding can be categorized into three different types of interactions. Based on the result from the first part, it was found that the ethylene flame can be maintained at 1860K using a suitable shock impingement method.
The second part of the experiments was conducted using a double-compression inlet model. The model consists of a double-compression ramp with a wall cavity and a cowl. Three different injection modules were located from inlet to cavity to observe the interaction between the fuel injection and the flame-holding. With the experiments conducted by a flow of total temperatures that varied from 1280K to 1880K, shadowgraph and flame luminosity images were taken to capture flow-field and flame characteristics. The experiments show that the flame can be maintained at 1530K using the inlet model. Moreover, depending on the fuel injection location and pressure, a variety of flame-holding patterns can be observed in relation to the supersonic flow-field. Full details of the experimental setup and results are included in the full thesis.
본 논문에서는 충격파 터널을 이용하여 에틸렌 화염유지 특성을 조사하였다. 초음속 유동장 내 화염유지는 스크램제트 엔진의 개발에 있어서 가장 중요한 요소 중 하나다. 탄화수소계열 연료는 초음속 유동장에 비해 상대적으로 느린 반응속도를 가지기 때문에, 이를 연소시키기 위해서 화염유지 기술확보가 필수적이다. 기존 문헌에 따르면, 고엔탈피 유동장 내 탄화수소계열 화염 유지에 관한 연구가 드물며 전체 엔진 시스템보다는 부분에 집중되어 진행되어 왔다. 그리하여 본 연구에서는 충격파 터널을 이용하여 엔진을 모사한 다양한 실험 모델 내 화염유지 여부를 조사하고자 하였다.
본 연구에서는 두 가지 실험 모델을 이용하였다. 첫 번째로 사용된 컨투어 웨지 모델은 스크램제트 엔진 연소기를 모사하였다. 이 모델은 컨투어 웨지, 공동, 그리고 카울로 구성되어 있으며, 공동 상단에서 에틸렌을 수직 분사할 수 있도록 연료 분사구를 설치하였다. 카울 위치를 변화시켜 충격파 입사 위치에 따른 화염유지의 관계를 조사하고자 하였다. 실험결과에 따르면, 카울 위치에 따라 세 가지 화염유지 특성으로 분류할 수 있다. 적절한 충격파 입사를 통해 에틸렌 화염이 유동 전온도 1860 K 에서 유지되는 것을 확인하였다.
두 번째로 사용된 모델은 이중압축램프 흡입구 모델이다. 이 모델은 이중압축램프 형상과 공동 그리고 카울로 이루어져 있다. 흡입구부터 공동까지 연료분사가 가능하도록 총 세 위치에 연료 분사구를 설치하였다. 유동 전온도를 1280 K에서 1880 K까지 변화시키며 실험을 진행하였고, 각 실험마다 shadowgraph 와 화염발광 이미지를 통해 유동 구조와 화염 특성을 파악하였다. 실험결과에 따르면, 흡입구 모델을 통해 유동 전온도 1530 K 에서 화염이 유지된다. 또한 연료분사 위치와 압력에 따른 화염유지 형태가 초음속 유동장 구조와 밀접한 관련이 있는 것을 확인하였다. 실험에 관련된 자세한 사항은 본 논문에 소개되어 있다.
