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dc.contributor.advisor박성욱-
dc.contributor.authorJung, Ki Young-
dc.date.accessioned2019-08-23T16:41:01Z-
dc.date.available2019-08-23T16:41:01Z-
dc.date.issued2019. 8-
dc.identifier.urihttp://dcollection.hanyang.ac.kr/common/orgView/000000110398en_US
dc.identifier.urihttps://repository.hanyang.ac.kr/handle/20.500.11754/109754-
dc.description.abstract본 연구는 임계 압력 이상에서 작동하는 초임계 영역에서의 유체를 유동 뿐만 아니라 연소 과정 또한 현실적으로 묘사하기 위해 실제 기체 방정식기반의 포괄적인 연소모델과 초임계 영역에서의 연소 특성을 연구하는데 주된 목적이 있다. 초임계 영역에서는 액체표면에서의 표면 장력은 거의 사라지고 용해도는 기체의 용해도에 접근한다. 또한 줄어든 표면 장력은 결과적으로 기체-액체 계면 확산층을 넓히는 결과를 가져온다. 이러한 실제 유체 특성은 압력에 의존하는 용해도, 기체와 비슷한 경향을 나타내는 확산과 액체와 비슷한 경향을 나타내는 밀도를 가진다. 특히 고압에서 순수한 유체는 표면 장력과 증발 엔탈피는 0 에 가까워 액체와 고밀도 가스 사이의 에너지 변환은 증발로 인한 비 연속적인 상변화 과정을 겪지 않고, 모든 물성치는 연속적으로 변한다. 하지만 고밀도 유체와 가스화 유체의 특성들이 그대로 남아 있으면서, 연속적이지만 구배가 매우 큰 변화들이 유사비등점근처에서 나타나게 된다. 때문에 기존의 아임계 영역에서 와 같이 액체가 분사되어 노즐 근방에서 액적화가 되고 이 액적이 해체되는 과정으로 유동과 연소 과정이 제어 되지 않고, 단상 유체처럼 난류 확산으로 제어 된다는 연구들이 진행되어 왔다. 증발 현상이 사라지면서 대체되는 유사 비등은 아임계 영역에서의 비등점과 비슷한 역할을 하게 된다. 유사 비등점 영역에서는 열용량 급격하게 증가하여 유체가 가열 또는 열전달로 인하여 얻는 에너지가 온도를 높이는데 사용되지 않고 부피가 급속하게 팽창하여 밀도를 급격하게 낮추게 된다. 초임계 영역에서 작동하는 내연기관들은 주입되는 연료 또는 산화제는 고밀도의 빽빽한 유체 상태 이지만, 주변 온도가 충분히 높아 주변에서 열을 흡수하여 빽빽한 유체가 유사비등영역을 지나 가스화 유체로 변환하는 초월임계 과정을 겪게 된다. 하지만 초임계 영역에서 유사 비등 영역과 빽빽한 유체와 가스화 유체의 전혀 다른 물성치들은 수치해석의 정확도를 크게 낮추게 된다. 특히 난류 상황에서 난류에 의한 물질확산과 열확산을 일정한 비율로 가정하여 난류물질확산 계수와 열확산 계수를 결정하지만, 빽빽한 유체 영역에서 동점성계수는 급격하게 증가하고 질량확산 과 열확산 계수는 급격하게 떨어지는 특징을 보인다. 이러한 특징들은 Schmidt 수와 Prantdl 수를 빽빽한 유체 영역에서 크게 증가시고 난류 모델의 예측도를 크게 감소 시킨다. 특히 이러한 정확하지 못한 예측은 RANS 기반의 모델에서 크게 나타나며 LES 기반의 모델에서는 큰 맴돌이의 난류를 직접 계산하고 작은 맴돌이의 난류만 모델링을 하기 때문에, RANS 기반의 모델보다 그 예측도가 크게 증가하는 결과를 보였다. 계산된 모든 결과들은 극저온 질소 분사 실험을 제외한 이종화학종의 동축 분사 실험인 GH2/LN2, 다종화학종의 단일 분사 실험인 Spray-A 뿐만 아니라 대부분의 영역에서 초임계 가스화 유체 상태인 RCM#3 순산소/수소 화염 에서도 유동 패턴과 연소 패턴이 상이하게 다르게 나타났다. 이를 토대로 초월임계 과정을 겪는 모든 내연기관들은 LES 기반의 난류모델들이 강제되거나 이러한 초월임계 과정에 맞게 수정된 RANS 기반의 모델을 강제 시킨다고 결론 지을 수 있다.-
dc.description.abstractNowadays, several fluid flow devices operate at high pressures, which makes the working fluid’s properties in the supercritical region vary from the ideal. Imaging of the supercritical region has shown that a discrete two-phase flow process is less observed at the high-pressure conditions. As an example, liquid injection process applies dense-fluid jets without the break-up of liquid droplets instead of classical sprays. At low pressures, primary and secondary atomization occurs, which leads to the formation of continuously evaporating droplets. At high pressures, however, the fluid’s surface tension decreases as the intermolecular interaction becomes symmetrical at the liquid-gas interface. The resultant force on the liquid becomes stronger than the one applied on the gas, resulting in an atomization inhibition. The boiling point of the mixture, on the other hand, increases, thereby making the boundary between the phases disappear. Owing to these properties’ modifications, the discontinuous phases are located in the subcritical region. For dense or gaseous fluids, however, their characteristics are maintained, and pseudo-boiling points, similar to subcritical region’s boiling points, with a continuous but considerably large gradient can be observed. In this pseudo-boiling range, the specific heat ratio increases sharply, and energy obtained by heat is used in volume expansion (while density drops sharply), instead of temperature rise. The pseudo-boiling phenomena of between dense fluids and gaseous fluids and the completely different properties of the two type of fluids near the pseudo-boiling region greatly reduce the accuracy of numerical analysis. Particularly, in dense-fluid regions similar to the behavior of liquids, kinetic viscosity increases sharply as temperature decreases, but mass diffusion and heat diffusion decrease sharply. These features greatly enhance the Schmidt and Prantdl numbers, thereby reducing the predictability of the turbulence model (especially if it is a RANS-based model). In LES models, the large eddy current turbulence is directly calculated, whereas the small eddy current turbulence is modeled. A real fluid multi-environmental probability density function (MEPDF) approach has been developed to numerically investigate physical processes such as normal or cryogenic turbulent mixing and combustion under supercritical pressures. The present work employed the open source code OpenFOAM and compared the RANS and LES models. The MEPDF approach, combined with the conserved scalar formulations and real fluid libraries, is applied to illustrate the effect of scalar variations on real fluids’ turbulent mixing process at transcritical and supercritical spray conditions. Consequently, thermodynamic properties indicating non-ideal behavior in the quasi-boiling region and the stability of the computational numerical analysis are greatly reduced. Therefore, to solve the instability problem and improve calculation speed, FGM(flame generated manifolds)-based tabulation is applied. To accurately predict high nonlinear thermodynamic properties over a wide range of pressures and temperatures, this approach employs an advanced RK-PR model with PR or SRK equations of both standards and high-density fluids correction models. Additionally, flame structures, obtained using the extended flamelet equation by adding the real gas model, are redefined in FGM-based libraries, and a transient model is added to fill the middle branch region. Numerical results show that the current fluid model has the ability to simulate essential features of a supercritical region called 'pseudo boiling effect'. All results are compared with those of GH2/LN2, a coaxial injection experiment of heterogeneous species, except for the cryogenic nitrogen injection experiment. Spray-A, which is a single injection experiment of multiple species, and RCM #3 (pure oxygen/hydrogen flame) also showed different flow pattern and combustion behaviors. The difference between these RANS / LES-based models emphasizes that all internal combustion engines undergoing transcritical processes must either use a LES-based turbulence model or use a modified RANS-based model to be used in transcritical processes.-
dc.publisher한양대학교-
dc.titleNumerical Modeling for Spray and Real-Fluid Combustion Processes in Supercritical Pressure-
dc.title.alternative초임계 압력에서 분무 및 실제유체 연소과정에 대한 수치 모델링-
dc.typeTheses-
dc.contributor.googleauthor정기영-
dc.contributor.alternativeauthor정기영-
dc.sector.campusS-
dc.sector.daehak대학원-
dc.sector.department기계공학과-
dc.description.degreeDoctor-
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