Combustion instability, also known as “humming”, “screeching”, “buzzing”, and by various other names, has been a serious problem in rocket engines since the 1930’s in solid, liquid, and gaseous propellant engines. Generally, it refers to sustained pressure fluctuations of an acoustic nature in a chamber where unsteady combustion takes place. It is essentially a self-excited oscillation, involving a complex interplay between unsteady heat release, the acoustic fluctuation, and the vorticity field, according to experimental observations. In modern propulsion energy systems, combustion instabilities are often established as large amplitude pressure fluctuations, which can result in serious problems. These high pressure fluctuations are often associated with heat release as well as oscillations of the flow in the combustor. The various oscillatory phenomena when coupled often have been analyzed as an acoustic resonance of a system.
This study concerns thermo-acoustic characterization in Rijke tube and cavity afterburners. The objective is to develop a prediction method for thermo-acoustic instability coupled with acoustics and incompressible flow. Rijke tube oscillation is a classic example of thermo-acoustic oscillations. The proposed method is verified with a simple entropy induced acoustic in a Rijke tube and is extended to flow and entropy induced acoustic resonant cases. First, a prediction method was achieved using an acoustic analogy in terms of vorticity and entropy as sources of sound. A well-validated numerical tool has been used for the numerical simulations. Second, a numerical method using Eigen modes has been employed to study the flow and associated sound generation in the Rijke tube. This study is an initial survey of many aeroacoustic problems. The validation of the method was consistent with the computational results. With respect to the compressible method used in the studies, the present numerical method performed well in capturing the essence of the flow visualization and the characteristics. With the numerical method, the two main sources of sound, which are the lamb vector and entropy, can be observed and it is possible to perceive how both sources interplay with each other. In addition, the present numerical method was faster compared to the conventional compressible solver.
Finally, this study was extended to two areas: 1) checking the flow characteristics when a known plate in a wind-tunnel problem has been replaced with a heater. The flow characteristics were compared with that of a Rijke tube with similar conditions in a wind-tunnel problem. Interesting observations have been made regarding the flow characteristics. 2) The noise characteristics of the cavity afterburner, a trapped vortex combustor (TVC), were also studied. Here, the pressure history and the frequency signals at different inlet velocities show that single cavity TVC has high pressures and a high frequency range. The results show that the proposed thermo-acoustic prediction method can predict the instabilities in cavities and ducts. The significance of this research it that it shows the coupled phenomena of acoustics and entropy can be captured through the present numerical method.
“Humming”, “Screeching”, “Buzzing” 등으로 알려져 있는 연소 불안정성은 1930년부터 시작하여 고체, 액체, 및 가스를 추진제로 사용하는 로켓 엔진에서 심각한 문제를 발생시켜왔다. 일반적으로 연소 불안정성이라고 하면 비정상 연소가 발생하는 챔버에서의 음향 압력 진동 현상을 가리킨다. 이는 self-excited 진동 현상으로 실험적 관찰에 따르면 비정상 열 방출, 음향 변동 및 와도장 사이의 복잡한 상호작용을 수반하는 것으로 알려져 있다. 현대의 추진 기관 시스템에서는 연소불안정성이 종종 큰 압력변동을 가져와 심각한 문제를 초래할 수 있게 되며, 이러한 압력 변동 현상은 연소기의 열 방출 뿐만 아니라 연소기 내의 유동과도 연관이 있다.
본 연구에서는 Rijke tube 및 공동형의 후연소기를 다루었으며 그 내부에서 발생하는 음향 및 비압축 유동과 결합된 열-음향 불안정성을 예측하는 새로운 방법을 개발하고자 한다. Rijke tube에서 발생하는 진동은 열-음향 진동의 대표적인 예다. 제안된 기법을 먼저 간단한 엔트로피에 대하여 적용 및 검증하였고, 나아가 음향 공명에 의한 유동 및 엔트로피 경우에 대하여 확장 적용하였다. 본 연구에서는 와도와 엔트로피를 음원으로 한 음향상사법의 개념을 통해 새로운 식을 유도하였고, 공력음향 문제의 초기 검증문제로 알려져 있는 Rijke tube에서 발생하는 유동 및 음향장을 해석하기 위해 고유 모드를 사용한 수치 기법이 활용되었다. 현재는 비압축성 solver를 사용하였음에도 불구하고 압축성 solver를 통해 나타나는 유동의 특성을 잘 모사하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 Lamb 벡터와 엔트로피와 같은 주요 음원 및 두 음원의 상호작용을 확인할 수 있었다. 한편, 본 연구에서 개발한 기법을 비압축성 solver를 바탕으로 하기 때문에 압축성 solver와 비교하여 계산시간을 훨씬 단축시킬 수 있다.
본 연구에서 개발한 기법의 응용적인 연구로 다음과 같은 상황을 고려하였다: 1) 풍동 내에 위치한 평판 대신 열을 발생하는 heater를 고려하였고 이때 발생하는 유동 특성을 분석하였다. 그리고 계산한 유동 특성을 비슷한 조건 하에서의 Rijke tube의 경우와 비교하였다. 2)두번쨰로 공동 형태의 후연소기, 즉 덫와류 연소기(TVC)에서 나타나는 소음 특성에 관한 연구를 수행하였다. 서로 다른 유동 속도에서 나타나는 압력 및 주파수 신호를 확인한 결과 단일 공동 TVC에서는 높은 압력과 높은 주파수가 관찰되었다. 결론적으로 제안된 열-음향 예측 기법을 통해 공동 및 덕트 내에서 발생하는 불안정성을 예측할 수 있었으며 특히 음향과 엔트로피의 연결된 현상을 해석할 수 있다는 점이 제안한 기법의 중요한 특성이라고 할 수 있다.
