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문제 정의
- 본 연구에서는 이와 동일한 방법으로 가스발생기의 연료 및 산화제 매니폴드에서의 유동해석을 통해 분사기 출구에서의 유량을 예측하여 균일성을 파악하고, 대략적으로 분사기 출구에서의 혼합비를 도출하였다. 이러한 결과들을 바탕으로 최적의 유량균일성을 보이는 매니폴드 및 분사기 헤드의 형상을 선정하는데 그 목적을 두었다.
- 이번에는 분사기열에 따른 질량유량을 살펴보았다. Fig.
제안 방법
- 다음으로 산화제 매니폴드 균일성을 헤드 형상에 따라 살펴보았다. 유입구와 연결된 매니폴드의 윗부분 근처에서 재순환영역이 존재하는 것을 파악할 수 있었다.
- 대상 가스발생기에서 연료는 재생냉각 방식을 통해 매니폴드로 공급되는데, 3가지의 연료링과 3가지의 분사기 헤드 형상에 대하여 유동해석을 수행함으로써, 유량균일성을 검토하였다. 먼저 연료링과 재생냉각채널을 포함하는 유동해석을 먼저 수행하여, 연료링의 형상에 대한 효과를 살펴보았다.
- 로켓엔진에서 터보펌프를 작동하는 가스발생기의 매니폴드를 대상으로, 연료 및 산화제의 유량 균일성을 파악하기 위하여 유동해석을 수행하였다. 매니폴드와 연결된 분사기는 동일한 차압이 걸리는 다공성 매질로 이뤄진 층으로 모사하였다.
- 이번에는 앞서 획득된 연료링 및 냉각채널을 통한 연료가 매니폴드에 공급될 때의 유동 특성과 분사기당 질량 유량을 살펴보았다. 매니폴드에서 연료가 냉각채널로 부터 유입되는 부분을 냉각채널 개수만큼 나눠서, 앞에서 획득한 질량 유량 분포(Fig. 6)를 입력조건으로 사용하여 해석을 수행하였다.
- 로켓엔진에서 터보펌프를 작동하는 가스발생기의 매니폴드를 대상으로, 연료 및 산화제의 유량 균일성을 파악하기 위하여 유동해석을 수행하였다. 매니폴드와 연결된 분사기는 동일한 차압이 걸리는 다공성 매질로 이뤄진 층으로 모사하였다.
- 대상 가스발생기에서 연료는 재생냉각 방식을 통해 매니폴드로 공급되는데, 3가지의 연료링과 3가지의 분사기 헤드 형상에 대하여 유동해석을 수행함으로써, 유량균일성을 검토하였다. 먼저 연료링과 재생냉각채널을 포함하는 유동해석을 먼저 수행하여, 연료링의 형상에 대한 효과를 살펴보았다. 이 해석 결과를 입구조건으로 사용하여 연료 매니폴드의 유동해석을 수행하였다.
- 만약 공급시스템을 통해 공급되는 유량 변화에 대하여 응답지연이 없이 반응한다고 가정한다면, 민감도(sensitivity) 해석을 통하여 어느 분사기에서의 변화량이 가장 큰지를 파악할 수 있다. 민감도 파악을 위하여 균일한 설계 유량을 공급하였을 때의 각 분사기에서의 질량유량(#)을 먼저 파악한 다음에, 설계 유량의 95%만을 공급한 뒤에 분사기에서의 질량유량(#)의 변화량을 파악하여 다음과 같이 민감도를 결정하였다.
- 한국항공우주연구원에서는 실물형 연소기의 설계 단계에서 유동해석을 통하여 유량균일성을 파악하고, 설계 개선을 통해 최적의 설계안을 도출하여 최종적으로 연소시험을 통해 이를 검증한 바 있다[7]. 본 연구에서는 이와 동일한 방법으로 가스발생기의 연료 및 산화제 매니폴드에서의 유동해석을 통해 분사기 출구에서의 유량을 예측하여 균일성을 파악하고, 대략적으로 분사기 출구에서의 혼합비를 도출하였다. 이러한 결과들을 바탕으로 최적의 유량균일성을 보이는 매니폴드 및 분사기 헤드의 형상을 선정하는데 그 목적을 두었다.
- 분사기 출구에서의 혼합비 분포를 유동해석 결과로부터 도출하였다. 모든 결과들을 종합적으로 판단해 볼 때, 연료와 산화제 모두 원형으로 배치한 분사기 헤드에서 유량균일성이 가장 우수한 것으로 파악되었다.
- 유동해석은 상용 프로그램인 Fluent v6을 사용하였으며, 표준 k - ε 난류 모델을 적용하였다[9]. 분사기는 각각의 hole들을 자세히 모델링하기에는 무리가 있으므로 다공성 매질(porous media) 조건을 이용하여 차압을 모사함으로써 해석하였다[7,9]. 따라서 각각의 분사기에서 다공성에 의한 차압 조건은 다음과 같은 식으로 계산되었다.
- 우선 연료링의 형상에 따른 냉각채널에서의 차압과 채널간의 유량 편차를 파악하였다. 따라서 여기에서는 분사기 헤드의 형상 변화에 따른 효과는 고려되지 않는다.
- 이번에는 각 분사기의 유량 변화에 따른 민감 도를 파악하였다. 만약 공급시스템을 통해 공급되는 유량 변화에 대하여 응답지연이 없이 반응한다고 가정한다면, 민감도(sensitivity) 해석을 통하여 어느 분사기에서의 변화량이 가장 큰지를 파악할 수 있다.
- 이번에는 앞서 획득된 연료링 및 냉각채널을 통한 연료가 매니폴드에 공급될 때의 유동 특성과 분사기당 질량 유량을 살펴보았다. 매니폴드에서 연료가 냉각채널로 부터 유입되는 부분을 냉각채널 개수만큼 나눠서, 앞에서 획득한 질량 유량 분포(Fig.
대상 데이터
- 이에 비해, 비교적 간단한 개방형 사이클은 10~100톤 정도의 추력을 가지며, 가스발생기를 이용하여 터보펌프를 구동한다. 본 연구의 대상은 국내에서 개발 중인 개방형 사이클에서 채용되는 가스발생기이다.
- 해석에서 사용된 LOx의 물성치(ρ,μ)는 NIST의 자료를 토대로[10], 분사기 차압을 고려하여 68 bar에서의 값인 ρO =1154.7 kg/m3, μO =2.08e-4 kg/m·s, kerosene에 대해서는 ρF =780 kg/m3, μF =2.4e-3 kg/m·s를 사용하였다.
데이터처리
- 먼저 연료링과 재생냉각채널을 포함하는 유동해석을 먼저 수행하여, 연료링의 형상에 대한 효과를 살펴보았다. 이 해석 결과를 입구조건으로 사용하여 연료 매니폴드의 유동해석을 수행하였다. 매니폴드의 바깥부분을 통해 연료가 공급됨으로 인하여, 가장 바깥쪽에 위치한 분사기들을 통해 가장 큰 질량유량이 공급되었다.
이론/모형
- 유동해석은 상용 프로그램인 Fluent v6을 사용하였으며, 표준 k - ε 난류 모델을 적용하였다[9].
성능/효과
- 또한 가운데에 위치한 유입구로 인하여, 가운데에 위치한 열에서 질량 유량이 가장 크게 예측되었으나, 분사기 개수가 작은 관계로 전체적인 균일성에는 큰 영향이 없는 것으로 파악되었다. 결론적으로, 최적의 유량균일성을 가지는 헤드의 형상을 결정할 수 있었다.
- 5에서 살펴보았다. 고려된 3가지의 연료링 형상에 대하여 연료가 공급되는 입구 포트와 연료링이 만나는 영역의 양쪽 끝에 재순환 영역이 존재하는 것을 알 수 있었다. 압력장을 살펴보았을 때, case 1과 2는 거의 유사한 경향을 보였으며, case 3은 유동이 향하는 벽면에서의 압력이 상승함으로 인하여 차압이 상대적으로 크게 예측되고 있음을 그림 5(c)에서 알 수 있다.
- 유입구와 연결된 매니폴드의 윗부분 근처에서 재순환영역이 존재하는 것을 파악할 수 있었다. 또한 가운데에 위치한 유입구로 인하여, 가운데에 위치한 열에서 질량 유량이 가장 크게 예측되었으나, 분사기 개수가 작은 관계로 전체적인 균일성에는 큰 영향이 없는 것으로 파악되었다. 결론적으로, 최적의 유량균일성을 가지는 헤드의 형상을 결정할 수 있었다.
- 분사기 출구에서의 혼합비 분포를 유동해석 결과로부터 도출하였다. 모든 결과들을 종합적으로 판단해 볼 때, 연료와 산화제 모두 원형으로 배치한 분사기 헤드에서 유량균일성이 가장 우수한 것으로 파악되었다.
- 다음으로 산화제 매니폴드 균일성을 헤드 형상에 따라 살펴보았다. 유입구와 연결된 매니폴드의 윗부분 근처에서 재순환영역이 존재하는 것을 파악할 수 있었다. 또한 가운데에 위치한 유입구로 인하여, 가운데에 위치한 열에서 질량 유량이 가장 크게 예측되었으나, 분사기 개수가 작은 관계로 전체적인 균일성에는 큰 영향이 없는 것으로 파악되었다.
- 매니폴드의 바깥부분을 통해 연료가 공급됨으로 인하여, 가장 바깥쪽에 위치한 분사기들을 통해 가장 큰 질량유량이 공급되었다. 이러한 결과들을 바탕으로, 최적의 유량균일성을 가지는 연료링과 분사기 헤드의 형상을 결정할 수 있었다.
- 이러한 경향은 입구포트가 중앙에 위치하는 산화제 매니폴드에서의 특성과는 상반되는 현상이다. 이런 특성을 종합하여 보면, 가운데 분사기(center)에는 산화제는 많고 연료는 적게 공급되므로 혼합비는 설계값보다 높아지며, 연소실 벽면으로 갈수록 혼합비는 낮아지는 경향을 보일 것으로 예상된다. 자세한 내용은 다음 절에서 언급하였다.
후속연구
- 10에서 알 수 있다. 이러한 현상은 결과적으로 외곽열로 향하는 유동의 유효면적을 줄이게 되므로 균일성의 측면에서 좋지 않은 결과를 야기할 것으로 생각된다.
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