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학위논문
저자정보

Luong Hung Truyen (세종대학교, 세종대학교 대학원)

지도교수
손채훈
발행연도
2020
저작권
세종대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

초록· 키워드

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연소 역학은 복잡한 실제 문제를 야기하고 많은 연구자들이 우려하는 일반적인 주제이다. 연소기의 공진은 진동, 오작동 및 로켓 엔진의 폭발과 같은 심각한 문제를 일으킬 수 있으며 동적 시스템의 불안정성은 불연속 열 방출 속도와 음향 섭동의 공진으로 인한 연소 불안정성을 초래한다. 공진을 억제하여 연소 화염을 안정화하기 위해서는 연소기의 동적 시스템 분석을 수행하고 연소 불안정성 특성을 이해해야하며 분석결과는 연소 안정성 제어를 위한 데이터베이스를 구축하기 위해 축적되어야 한다.
본 논문에서는 층류 화염과 난류 화염의 연소 불안정성에 대해 연구하였다. 층류 화염의 경우 화염의 불안정성을 유발하는 연료 흐름에서 와류 형성 메커니즘에 영향을 미치는 요소를 조사했다. 이 연구는 연소되지 않은 연료의 흐름이 재순환하는 원인으로 연료 밀도와 산화제 밀도의 차이가 주요 요인임을 보여준다. 증가 된 분사 속도는 운동력을 증가시켜 음의 부력을 우세하게 하여 재순환 구역을 제거한다. 화염 온도는 또한 부력을 약화시켜 재순환 구역의 형성을 방지한다. 노즐 지름을 변경하여 지오메트리를 검사 한 다음 직경이 증가함에 따라 재순환 영역이 커짐 와류 모양의 중요도를 파악하기 위해 리차드슨 수는 위의 4 개로 구성되므로 와류 형성을 나타내도록 제안되었다. 재순환 영역 형성에 영향을 미치는 매개변수의 조사 결과는 층류 화염을 안정화하기 위한 조건을 나타낸 척도를 만드는 데 유용한 정보를 제공하였다
난류 화염 연구에서, 연소기에서의 동적 시스템의 특성을 조사하기 위해 동적 모드 분해 (DMD)가 적용되었다. DMD 결과는 화염의 섭동장과 공진 주파수에 해당하는 흐름을 나타낸다. 동적 시스템의 안정은 시간과 공간에서 화염의 진화를 보여주는 성장 / 감쇠 율로 평가할 수 있으며 추출 된 DMD 결과는 다른 분석 기술에 유용한 정보를 제공한다. DMD 결과를 개선하려는 시도에서, 대안적인 DMD 방법으로 High accuracy DMD (HDMD)가 제안되었다. 현재 DMD 방법은 가장 낮은 에너지 모드를 제거하기 위해 데이터 잘림을 수행하는 단일 값 분해 (SVD) 알고리즘을 채택하였다. 이러한 데이터 잘림은 동적 모드 및 주파수의 결과에 영향을 줄 수 있어 데이터 잘림없이 고유 성분을 찾는 DMD 결과의 정확도를 높이기 위하여 현재 DMD 방법으로 결정된 초기 고유 값과 모드에서 비선형 동적 시스템에 맞는 새로운 알고리즘을 채택하는 HDMD을 제안했다. HDMD는 현재 DMD 방법의 오류인 계산 과정 중 데이터 잘림을 해결하기 위한 효율적인 알고리즘을 채택했다. 현재의 DMD 및 HDMD 방법은 극저온 스월 인젝터에서 동적 시스템의 관련 특성을 조사하기 위해 실제 분석에 적용되었다. HDMD의 결과는 DMD의 결과보다 정확하고 완벽하며 HDMD는 현재 DMD 방법보다 성능이 우수하므로 동적 시스템 분석의 경우 많은 경우에 적용 가능하며 신뢰할 수 있는 DMD 방법으로 제안된다.
현재, 연소 불안정성의 동적 특성은 고속 푸리에 변환 (FFT), 화염 전달 함수 (FTF), 음향 전달 함수 (ATF), DMD와 같은 많은 기존 기술 및 방법을 사용하여 분석되었다. 그러나 위 방법들은 연소기에서 공진 모드를 추출 할 수 있지만 연소 불안정성이 실시간으로 언제 발생하는지 예측할 수 없다. 이 문제를 해결하기 위해 단시간 푸리에 변환 (STFT), DMD 기법 및 Recurrence plot (RP) 분석으로 알려진 반복 이론을 포함한 후 처리 도구를 개발하여 연소 불안정이 발생하는 시점을 결정했다. 후 처리 도구를 실제 연소기 분석 사례에 적용하였으며 DMD 방법을 통해 공진 주파수를 알아냈고 STFT를 통해 공진 주파수의 진화를 나타냈으며 RP 분석을 통해 공진 주파수가 발생한 순간 시간을 제시하였다. 본 결과를 종합하여 연소 불안정성 발생 시점을 결정하였다. 후 처리 도구 접근 방식은 연소실, 인젝터 및 기타 연구 분야의 연구를 위한 동적 시스템 분석에 적용된다.

목차

Abstract i
Table of contents iv
List of tables ⅵii
List of figures ix
Nomenclature xv
Chapter 1 Introduction 1
1.1. Objects and Goals 1
1.2. The combustion instability evaluation 2
1.3. The stabilization of the laminar diffusion flame 3
1.4. Application of dynamic mode decomposition (DMD) in dynamical system analysis 4
1.5. Determine the triggering time of combustion instability 5
1.6. Organization of the thesis 5
Chapter 2 Numerical and experimental study of vortex formation near the nozzle of laminar jet diffusion flame 8
2.1. Background 8
2.2. Introduction 9
2.3. Experiment and numerical simulation 12
2.4. Results and discussions 17
2.4.1 Effect of fuel density 17
2.4.2 Effect of jet velocity 20
2.4.3 Effect of coflow air velocity 21
2.4.4 Effect of fuel inlet temperature 24
2.4.5 Effect of flame temperature 26
2.4.6 Effect of nozzle diameter 27
2.5. Validation of the hypothesized physical mechanism 29
2.6. Conclusions 31
Chapter 3 Improvement on the accuracy of dynamic mode decomposition method for combustion instability analysis 33
3.1. Background 33
3.2. Introduction 34
3.3. Methodology 36
3.3.1. The methodology of the CDMD method 36
3.3.1.1 Algorithm 36
3.3.1.2 Model reconstruction 40
3.3.2 The methodology of the HDMD method 43
3.3.2.1 Initialization 43
3.3.2.2 The HDMD algorithm 44
3.4. Application and results 46
3.4.1 CFD model for DMD analysis 46
3.4.2 DMD accuracy evaluation 48
3.4.3 Comparison of DMD results between CDMD and HDMD 52
3.4.4 Comparison of mode shapes between CDMD and HDMD method 52
3.5. Conclusions 59
Chapter 4 Combination of post-processing tools for analysis of combustion instability in a combustor 61
4.1. Introduction 61
4.2. Methodology 64
4.2.1. DMD method 64
4.2.2. Short Time Fourier Transform (STFT) method 65
4.2.2.1. Introduction of STFT method 65
4.2.2.2. Application of window in STFT method 68
4.2.2.3. Effect of window functions on the STFT result 71
4.2.2.4. Function of overlapping data in STFT method 77
4.2.2.5. Function of window length in STFT method 78
4.2.2.6. Optimization of window length in STFT method 79
4.2.3. Recurrence theory for synchronization analysis of coupled oscillators 80
4.3. Application and results 82
4.3.1. Computational model of model chamber 82
4.3.2. DMD, STFT and RP analysis for model chamber 83
4.4. Conclusions 92
Chapter 5 Conclusions 94
Chapter 6 References 97
Chapter 7 Abstract (in Korean) 107
Chapter 8 Acknowledgement 110

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