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문제 정의
- 냉각유로에서의 열전달 특성은 연소실의 고온 가스에 의한 열전달에 비하여 잘 알려져 있으며 본 연구에서는 다음의 관계를 이용한다.
- 다루지 않았다. 다만, 냉각시스템의제작을 위해서 구조적인 측면이 고려되어야 하므로 다음의 간단한 해석[1]을 통하여 소재에 가해지는 응력 수준을 제시하고자 한다. 또한 연소실내벽에 가해지는 응력의 상당부분이 열응력이므로 열해석과 응력해석이 분리될 수 없으며 이와관련된 결과들이 제시될 것이다.
- 본 연구의 목적은 냉각성능 예측을 통한 재생냉각 시스템 설계이므로 소재의 구조적인 해석은구체적으로 다루지 않았다. 다만, 냉각시스템의제작을 위해서 구조적인 측면이 고려되어야 하므로 다음의 간단한 해석[1]을 통하여 소재에 가해지는 응력 수준을 제시하고자 한다.
- 본 연구에서는 기계 가공된 사각유로에서 수력반경을 튜브형 냉각유로의 반경과 동일하게 간주하였으며 굽힘 모멘트 역시 앞서의 값을 기준으로 사용하였다. 응력해석과 관련하여 보다 정확한 해석이 필요할 것으로 판단되며 본 연구에서 이에 대한 토의는 생략한다.
- 국내의 경우, 2002년 KSR-Ⅲ[기의 성공적인 발사에도 불구하고 냉각형 로켓엔진에 대한 연구는 축소형 연소기 개발[8, 9]이 주류를 이루고 있어 아직까지기초적인 연구[8-11]에 머물러 있는 상황이다. 이에 본 연구에서는 30 톤급 로켓 엔진의 연소실개발#을 목적으로 재생냉각 설계 프로그램을 개발하고자 한다. 설계 프로그램은 경험적인 관계식을 이용한 1차원 해석을 기반으로 하며 상용유동해석 프로그램인 Fluent v5.
- 또한 온도변화에 따른 연소가스와 냉각유체의 물성 자료가 준비되어 있어야 한다. 이에본 연구에서는 문헌에 공개된 열전달 특성에 관한 관계식과 물성이 알려져 있는 물을 냉각유체로 적용하여 개발된 프로그램의 검증을 수행하고자 한다. 연소가스의 경우, 물성이 잘 알려져 있지 않으므로 일반적인 관계식 [1]을 이용한다.
가설 설정
- 검증계산의 대상은 30 톤급 연소기로서 냉각 유체는 물로 가정한다. 이는 물의 물성이 잘 알려져 있어 이에 의한 결과 차이를 고려하지 않아도 되며 재생냉각 연소기의 개발초기 시험은 물을 냉각 유체로 사용하기 때문이다.
- Fluent는 Navier-Stokes 방정식에 대하여 유한체적법을 적용하여 수치해를 구하며 난류 유동은표준 k-£ 난류모형을 사용한다. 고온가스에서 열전달 현상은 압축성 유동해석으로부터 예측하며이를 위해서 연소실 형상을 축대칭으로 가정한다. 연소가스의 물성은 온도의 함수이며 벽면의열경계조건은 냉각수에 의한 대류열전달과 냉각수의 평균온도로 주어진다.
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