Introduction of Numerical Simulation Techniques for High-Frequency Combustion Instabilities

고주파 연소불안정 예측을 위한 해석기술 개발 사례

High-frequency combustion instability results from a feedback coupling between the unsteady heat release rate and the acoustic waves formed resonantly in the combustion chamber. It can be modeled as thermoacoustic problems with various degrees of the assumptions and simplifications. This paper presents numerical analysis of self-excited combustion instabilities in a variable-length lean-premixed combustor and designs of passive control devices such as baffle and acoustic resonators in a framework of 3-D FEM Helmholtz solver. Nonlinear behaviors such as steep-fronted shock waves and a finite amplitude limit cycle are also investigated with a compressible flow simulation technique.

고주파 연소불안정은 비정상 화염의 열방출율 섭동과 연소실 내부에서 공진되는 음향파의 상호 결합으로 발생하는 열음향 문제로, 다양한 해석적 접근방법이 존재한다. 본 논문에서는 주파수 영역에서 선형음향 가정과 시간지연 이론을 이용한 3차원 FEM Helmholtz solver의 개발 사례를 소개하였으며, 가변길이 희박 예혼합 연소기의 자발 연소불안정 예측과 수동제어기구(배플, 음향공진기)의 설계분석 결과를 제시하였다. 또한 시간 영역에서 시간지연 이론을 이용한 압축성 유동 해석코드를 통해, 고진폭 압력섭동에 의해 야기되는 비선형 음향 특성과 한계사이클 현상을 분석하였다.