[논문]터보펌프용 인듀서에 대한 캐비테이션 유동해석

최창호; 노준구; 김진한

doi:10.5293/kfma.2010.13.3.049

터보펌프용 인듀서에 대한 캐비테이션 유동해석
Numerical Simulation of Cavitating Flow Around Turbopump Inducer 원문보기

유체기계저널 = Journal of fluid machinery, v.13 no.3 = no.60, 2010년, pp.49 - 53

최창호 (한국항공우주연구원 터보펌프팀) , 노준구 (한국항공우주연구원 터보펌프팀) , 김진한 (한국항공우주연구원 터보펌프팀)

Abstract ▼ AI-Helper

The computational studies on the cavitating flow around a turbopump inducer were performed to see the effect of the cavitation on the performance of the inducer. The development of cavities around the inducer blades and the head drop of the inducer are observed as the inlet pressure reduces. The change of the backflow at the inducer inlet is also observed with the development of the cavities. The size of the backflow reduces as the inlet pressure is reduced due to the development of the cavities around the blades. The predicted suction performances of the inducer were compared with the experimental results. The results show that the computations overestimate the suction performances of the inducer than the experiments.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 인듀서에 대한 흡입성능계산을 수행하였고, 이를 실험결과와 비교하여 수치해석기법의 흡입성능예측 유용성을 알아보았다. 또한 입구압력의 변화에 따라 인듀서 블레이드 주위의 기포 발생, 이에 따른 유동장 및 성능의 변화에 대해서도 고찰하였다.
본 연구에서는 인듀서에 대한 흡입성능계산을 수행하였고, 이를 실험결과와 비교하여 수치해석기법의 흡입성능예측 유용성을 알아보았다. 또한 입구압력의 변화에 따라 인듀서 블레이드 주위의 기포 발생, 이에 따른 유동장 및 성능의 변화에 대해서도 고찰하였다.
본 연구에서는 터보펌프용 인듀서에 대한 캐비테이션 유동해석이 수행되었다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.

가설 설정

(12∼13) 즉, Fig. 2와 같이 실선으로 표시된 실제 압력과 밀도의 상관관계를 점선으로 모사하여 압력에 따라서 순수 기체, 기체와 액체 혼합물, 순수 액체로 각각 가정하고, 이러한 압력과 밀도의 상관관계를 이용하여 계산된 압력으로 유체의 밀도를 결정하는 기법을 사용한다.

제안 방법

본 연구에서는 이전의 유동해석(4∼6)에서 실험결과와 비교를 통하여 충분히 검증된 Fine/Turbo(16)를 이용하 여 해석을 수행하였다.
입구경계조건으로 축방향으로의 균일유동을 주었으며, 출구에서는 정압을 주었다. 정상유동해석을 수행하였기 때문에, 인듀서의 날개는 3개지만, 주기경계조건를 사용하여 날개의 1개 유로에 대해서만 유동해석을 수행하였다.

이론/모형

를 이용하 여 해석을 수행하였다. Fine/Turbo는 공간차분법으로 가점성을 포함하는 중심차분법, 시간차분법으로 Runge -Kutta 시간전진법을 사용한다. 또한 비압축성 유동을 해석하기 위하여 예조건화기법을 채택하였다.
난류모델은 계산시간을 줄이기 위해 확장된 표준 k-ε모델을 채택하였다.
Fine/Turbo는 공간차분법으로 가점성을 포함하는 중심차분법, 시간차분법으로 Runge -Kutta 시간전진법을 사용한다. 또한 비압축성 유동을 해석하기 위하여 예조건화기법을 채택하였다. 수렴가속을 위해 다중격자법, 잔류항평균법 등을 사용한다.
또한 비압축성 유동을 해석하기 위하여 예조건화기법을 채택하였다. 수렴가속을 위해 다중격자법, 잔류항평균법 등을 사용한다.
2와 같이 실선으로 표시된 실제 압력과 밀도의 상관관계를 점선으로 모사하여 압력에 따라서 순수 기체, 기체와 액체 혼합물, 순수 액체로 각각 가정하고, 이러한 압력과 밀도의 상관관계를 이용하여 계산된 압력으로 유체의 밀도를 결정하는 기법을 사용한다. 압력-밀도 관계식은 순수 기체 상태에서는 이상기체방정식을 사용하고 순수 액체 상태에서는 Tait 식⁽¹⁷⁾을 사용하며, 기체와 액체 혼합물에서는 최소 음속(#)을 이용하여 압력-밀도 곡선의 최대 기울기(#)를 결정하는 방법⁽¹³⁾을 사용한다. 따라서 Ugajin 등⁽¹⁴⁾ 및 Hosangadi 등⁽¹⁵⁾과 같은 특별한 이송방정식은 사용하지 않는다.
캐비테이션 계산은 기본적으로 액체와 기체가 혼합되어있는 단일 유체(single fluid) 모델을 사용하여 상온의 물에 대하여 수행하였다.^(12∼13) 즉, Fig.

성능/효과

(1) 캐비테이션 수가 감소함에 따라서, 기화 영역이 커지고, 양정이 떨어지며, 입구역류의 강도가 작아지는 것을 확인하였다.
(2) 계산값을 실험값과 비교한 결과 계산이 실험보다 좋은 흡입성능을 예측하는 것을 알 수 있었다. 이는 계산에서 실험의 입구조건 및 매질의 물성치를 정확하게 반영하지 못하였기 때문으로 판단된다.
이는 계산에서 실험의 입구조건 및 매질의 물성치를 정확하게 반영하지 못하였기 때문으로 판단된다. 그러나 계산결과와 실험결과의 전반적인 경향은 잘 일치함을 알 수 있었다.
이러한 불순물들은 액체의 기화를 촉진시키므로 실제 시험에서 인듀서 주위에 기포가 발생하는 낮은 압력에서 인듀서의 흡입성능 악화로 이어진다. 실제 실험에서 인듀서 입구부에서 입구 압력이 떨어지면 용존 기체가 기포로 발전하여 인듀서 입구부로 흘러 들어오는 것을 관찰할 수 있었다. 따라서 계산이 실험보다 좋은 흡입성능을 예측하는 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가압식의 단점은?	즉, 고압의 연료를 탱크에 직접 저장하는 가압식과 저압으로 탱크 내에 저장된 연료를 터보펌프로 가압시키는 터보펌프 방식이 있다. 가압식은 구조가 간단한 장점이 있지만, 고압을 유지하기 위하여 탱크의 무게가 증가하게 되고 결국 발사체가 무거워지는 단점이 있다. 반면, 터보펌프 방식은 고속으로 회전하는 터보펌프와 관련한 진동 및 캐비테이션 (cavitation) 제어 등의 고도의 기술을 필요로 하지만 공급탱크의 경량화가 가능하여 발사체를 가볍게 할 수 있는 장점이 있다.
	액체로켓은 어떻게 추진력을 얻는가?	액체로켓은 액체연료와 산화제를 연소시켜 분사시킴으로써 추진력을 얻는다. 이 때 액체연료와 산화제가 가압상태로 연소실에 공급되어야 하는데, 가압방식에는 크게 두 가지가 있다.
	액체연료의 가압방식은 어떤 것들이 있는가?	이 때 액체연료와 산화제가 가압상태로 연소실에 공급되어야 하는데, 가압방식에는 크게 두 가지가 있다. 즉, 고압의 연료를 탱크에 직접 저장하는 가압식과 저압으로 탱크 내에 저장된 연료를 터보펌프로 가압시키는 터보펌프 방식이 있다. 가압식은 구조가 간단한 장점이 있지만, 고압을 유지하기 위하여 탱크의 무게가 증가하게 되고 결국 발사체가 무거워지는 단점이 있다.

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