선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구에서는 대기압 및 진공 부근 상태에서 작동하는 초소형 노즐 유동장에 관한 CFD 계산을 수행하였다. 2-20 bar 사이의 정체실 압력을 부여한 다음, 추력, 질유랴 비추력에관한 계산을 수행하였다.
가설 설정
- 난류모델로는 k-epsilon 모델을이용하였다. 작동기체는 질소와 아르곤으로 가정하였으며, 이상기체 상태 방정식, 일정 상수인 비열비, 점성계수, 열전달계수를 이용하였다.
- 25 mm, 팽창비 4, 작동기체 아르곤(Ar) 가스인 경우를 고려하였다. 정체실 압력은 10 bar이며, 진공 상태의 외부환경으로팽창한다고 가정하였다. Fig.
제안 방법
- 노즐 유동장에 관한 CFD 계산을 수행하였다. 2-20 bar 사이의 정체실 압력을 부여한 다음, 추력, 질유랴 비추력에관한 계산을 수행하였다. 예측값의 정확성을 검증하기 위해 Cold 가스 초소형 추력기에 관한 실험 결과값과 비교하였다.
- 저 레이놀즈수 유동에서의 점성효과를 계산하기 위해벽면 부근 및 기하학적 형상이 급격히 변하는 부근에 격자를집중시켰다. 경계조건으로는 벽면 정체실 입구의 Pressure-Inlet, 노줄 출구단면의 Pressure-Outlet을 적용하였다.
- 25 mtn, 팽창비 4, 작동기체 질소 정체실 압력 8 bar이며, 대기압 외부 상태로 팽창하는 노즐 유동을 나타낸다. 계산 시 Residual이 lOe1 ~10-5가 될 때까지 반복 계산하여 해의 수렴성을 확인하였다. 해석결과로부터 노즐 목 이후 팽창부 부근 유동은 초음속 유동이 되지만, 출구 부근에서는 유동이 노즐 중심과 벽면 경계층에서 속도 압력 및 온도의 차이가 크게 나타남을 알 수 있다.
- 기본 작동조건은 목 직경 0.25 mm, 팽창비 2인 경우이며, 정체실 압력을 변화시키면서 비교하였다.
- GRIDGEN[11] 상용 격자생성 프로그램을 사용하여 축대칭 노즐 유동의 격자를 구성하였으며, 육면체를 기준으로 약 70, 000개의 격자를 사용하였다. 기하학적 형상수치는 실험을위해 방전가공 방식으로 제작된 실제 노즐 자료를 기초로 하였다. 저 레이놀즈수 유동에서의 점성효과를 계산하기 위해벽면 부근 및 기하학적 형상이 급격히 변하는 부근에 격자를집중시켰다.
- 유도된다. 노즐 목의 직경이 밀리미터 단위인 초소형 노즐내부의 유동을 고려하였다 (D=0.25, 0.5, 1.0 mm). 정체실에서 4-20 bar의 압력을 갖는 질소 및 아르곤 기체가 대기압으로분출되는 형태이며, 정체실 온도는 295.
- 1, 2와 같이 정체실과 노즐 내부를 점성효과 분석에 효율적인 정렬격자로 구성하였다. 노즐 유동에 의한 성능 예측이 주된 관심사여서 계산이 용이한 노즐 출구 단면을유동 분출 경계면으로 정의하는 방식을 채택하였다. GRIDGEN[11] 상용 격자생성 프로그램을 사용하여 축대칭 노즐 유동의 격자를 구성하였으며, 육면체를 기준으로 약 70, 000개의 격자를 사용하였다.
- 출구속도 및 출구 압력은노즐 출구 단면에서의 평균값을 사용하였다. 대기압 상태로팽창하는 노즐 유동의 이론, CFD, 실험값들을 비교하였다. Fig.
- 노즐 목 크기, 작동기체와 팽창비를 변화시키며 추력, 질유량, 비추력 등을 계산하였고, 최근 실험결과[8,9]를 이용하여 계산 결과를 검증하였다. 또한 벽면 경계층의 점성에의한 손실이 전체 노즐 성능에 미치는 효과를 분석하였다.
- 이는 노즐이 작아짐에 따라 대형 노즐에서는 크게 문제되지 않았던 점성 경계층 효과가 중요하게 되기 때문이다. 또한 진공 상태로 팽창하는 노즐 출구 부근의 유동장을 CFD 코드로 계산하여 Barrel 충격파 및 Jet Boundary의 존재를 확인하였다.
- 기하학적 형상수치는 실험을위해 방전가공 방식으로 제작된 실제 노즐 자료를 기초로 하였다. 저 레이놀즈수 유동에서의 점성효과를 계산하기 위해벽면 부근 및 기하학적 형상이 급격히 변하는 부근에 격자를집중시켰다. 경계조건으로는 벽면 정체실 입구의 Pressure-Inlet, 노줄 출구단면의 Pressure-Outlet을 적용하였다.
- 외부 유동장에 관한 계산을 수행하였다. 정확도를 높이기 위해 노즐 출구 부근에 격자를 집중시켰다. 노즐 목 지름 0.
- 진공 환경에서 작동되는 초소형 노즐의 성능을 평가하기위해 진공에 가까운 압력상태로 팽창하는 노즐의 추력계수, 비추력 값을 계산하였다. Fig.
- 초소형 노즐 출구 부근의 유동장 특성을 확인하기 위하여출구 외부 유동장에 관한 계산을 수행하였다. 정확도를 높이기 위해 노즐 출구 부근에 격자를 집중시켰다.
대상 데이터
- 노즐 유동에 의한 성능 예측이 주된 관심사여서 계산이 용이한 노즐 출구 단면을유동 분출 경계면으로 정의하는 방식을 채택하였다. GRIDGEN[11] 상용 격자생성 프로그램을 사용하여 축대칭 노즐 유동의 격자를 구성하였으며, 육면체를 기준으로 약 70, 000개의 격자를 사용하였다. 기하학적 형상수치는 실험을위해 방전가공 방식으로 제작된 실제 노즐 자료를 기초로 하였다.
- 정확도를 높이기 위해 노즐 출구 부근에 격자를 집중시켰다. 노즐 목 지름 0.25 mm, 팽창비 4, 작동기체 아르곤(Ar) 가스인 경우를 고려하였다. 정체실 압력은 10 bar이며, 진공 상태의 외부환경으로팽창한다고 가정하였다.
데이터처리
- CFD 계산의 정확성을 검증하기 위해 추력, 비추력, 질유량에 관한 이론적 예측값 및 최신 실험값[8, 9]과 비교하였다. 기본 작동조건은 목 직경 0.
- 노즐 목 크기, 작동기체와 팽창비를 변화시키며 추력, 질유량, 비추력 등을 계산하였고, 최근 실험결과[8,9]를 이용하여 계산 결과를 검증하였다. 또한 벽면 경계층의 점성에의한 손실이 전체 노즐 성능에 미치는 효과를 분석하였다.
- 2-20 bar 사이의 정체실 압력을 부여한 다음, 추력, 질유랴 비추력에관한 계산을 수행하였다. 예측값의 정확성을 검증하기 위해 Cold 가스 초소형 추력기에 관한 실험 결과값과 비교하였다. 질유량은 이론값, CFD 예측값, 실험값에서 상당히 일치함을알 수 있었다.
이론/모형
- 수치기법으로는 Cell 기반 유한 체적법, 내재 시간 전진법, FDS 플럭스 계산 기법이 적용되었고, 기본 수치기법으로 2차 풍상차분법을 이용하였다. 난류모델로는 k-epsilon 모델을이용하였다. 작동기체는 질소와 아르곤으로 가정하였으며, 이상기체 상태 방정식, 일정 상수인 비열비, 점성계수, 열전달계수를 이용하였다.
- 본 연구에서는 특성길이가 밀리미터 및 서브 밀리미터급초소형 노즐 유동장 해석에 Navier-Stokes CFD 해석기법을 적용하였다. 노즐 목 크기, 작동기체와 팽창비를 변화시키며 추력, 질유량, 비추력 등을 계산하였고, 최근 실험결과[8,9]를 이용하여 계산 결과를 검증하였다.
- 수치기법으로는 Cell 기반 유한 체적법, 내재 시간 전진법, FDS 플럭스 계산 기법이 적용되었고, 기본 수치기법으로 2차 풍상차분법을 이용하였다. 난류모델로는 k-epsilon 모델을이용하였다.
- 수치해석을 위해 상용 CFD 코드인 FLUENT[10]를 사용하였다. 수치기법으로는 Cell 기반 유한 체적법, 내재 시간 전진법, FDS 플럭스 계산 기법이 적용되었고, 기본 수치기법으로 2차 풍상차분법을 이용하였다.
성능/효과
- 결론적으로 Navier-Stokes 모델에 기초한 CFD 예측 기법이진공 팽창 및 저 레이놀즈수 효과가 중요시되는 밀리미터 사이즈의 초소형 노즐 유동장 해석에 적용이 가능함을 실험값과의 비교를 통해 확인하였다.
- 또한 전체적으로 질소에서의 비추력 값이 큰 것을 알수 있는데, 이는 질소가 추진제로 더 적합하다는 것을 의미한다. 결론적으로 대기압 환경에서 초소형 노즐은 경계층 효과와 배압의 영향으로 성능이 매우 떨어지는 것으로 판단된다. 진공환경에서 나타나지 않은 저압부 특성이 대기압 환경에서는 매우 두드러지게 나타났으며, 이는 초소형 노즐의 설계에서 매우 중요한 요소로 작용할 것이다.
- 노즐의 크기가 밀리미터 이하로 작아지게 되면 대형 노즐과는 다른 경향이 나타날 수 있음을 CFD 계산을 통해 확인할 수 있었다. 노즐 목이 1 mm 부근인 경우 추력은 압력에따라 선형적으로 증가하지만, 그 이하 크기의 노즐에서는 비선형적으로 변화하였다.
- 7에서 보듯이 대기압 환경에서나타났던 저압부(저 레이놀즈수)에서의 특이한 노즐 특성을확인할 수 있다. 또한 비추력은 진공 환경에서의 결과가 대기압 환경의 결과보다 크게 나타났으며, 질소의 비추력값이 큰것으로 나타났다. 대기압 환경에서의 결과는 저압부에서 매우낮은 값을 보이며 증가를 하지 않는 구간이 존재흐}는데 이는추력의 증가가 질유량의 증가량에 못 미치는 결과에서 나온것이다.
- 대기압 환경에서의 결과는 저압부에서 매우낮은 값을 보이며 증가를 하지 않는 구간이 존재흐}는데 이는추력의 증가가 질유량의 증가량에 못 미치는 결과에서 나온것이다. 또한 전체적으로 질소에서의 비추력 값이 큰 것을 알수 있는데, 이는 질소가 추진제로 더 적합하다는 것을 의미한다. 결론적으로 대기압 환경에서 초소형 노즐은 경계층 효과와 배압의 영향으로 성능이 매우 떨어지는 것으로 판단된다.
- 5, 6으로부터 노즐의 목 크기, 팽창비 효과를 확인할 수 있는데, 목의 크기 효과가 가장 크게 나타났다. 또한 질유량의 경우는 정체실 압력 변화에 따른 결과가정성적으로 각 경우 모두 비슷하게 나타났으나, 추력이나 비추력의 경우 낮은 정체압력 (저 레이놀즈수) 부근에서 목의크기에 따라 현저하게 다른 경향이 나타남을 알 수 있다. 즉 노즐 목 직경이 0.
- 9는 유동장의 차이에 의해 야기되는 원형 단면과 정사각형 단면을 갖는 노즐의 비추력에 관한경향을 나타낸다. 전체적으로 원형 노즐이 높은 성능을 보여주며, 특히 정체압력이 낮은 저 레이놀즈수 유동의 경우 더큰 차이가 발생하는 것을 알 수 있다. 점성손실에 의한 성능저하가 정사각형 단면이 경우 두드러지는 것을 의미한다.
- 해석결과로부터 노즐 목 이후 팽창부 부근 유동은 초음속 유동이 되지만, 출구 부근에서는 유동이 노즐 중심과 벽면 경계층에서 속도 압력 및 온도의 차이가 크게 나타남을 알 수 있다. 즉 마하수, 질유량 등 일반적인 유동특성은 이론값에 근사하게 나타났지만, 추력에 큰 영향을 미치는 노즐 출구 단면에서의 마하수는 중심에서 높고벽면 경계층 부근에서 낮게 나타나는 것을 알 수 있었다.
- 예측값의 정확성을 검증하기 위해 Cold 가스 초소형 추력기에 관한 실험 결과값과 비교하였다. 질유량은 이론값, CFD 예측값, 실험값에서 상당히 일치함을알 수 있었다.
- 노즐 유동장은 먼저 Barrel 충격파를 통해 일차적으로 감속되고 다음 단계로 Jet Boundary를 통해 외부 정지 유동 상태로 감속된다. 충격파 내부의 노즐 출구 중심 부근에서의 최대 마하수는 이론적 예측값과 일치하는 약 2.16로나타나 본 연구의 계산이 정확하게 수행되었음을 확인해 준다고 할 수 있다.
- 계산 시 Residual이 lOe1 ~10-5가 될 때까지 반복 계산하여 해의 수렴성을 확인하였다. 해석결과로부터 노즐 목 이후 팽창부 부근 유동은 초음속 유동이 되지만, 출구 부근에서는 유동이 노즐 중심과 벽면 경계층에서 속도 압력 및 온도의 차이가 크게 나타남을 알 수 있다. 즉 마하수, 질유량 등 일반적인 유동특성은 이론값에 근사하게 나타났지만, 추력에 큰 영향을 미치는 노즐 출구 단면에서의 마하수는 중심에서 높고벽면 경계층 부근에서 낮게 나타나는 것을 알 수 있었다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.