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문제 정의
- 축소형 고체로켓모터의 내부유동 조건은 풀스케일 고체로켓모터에 대하여 레이놀즈 수, 마하 수와 같은 무차원 상사인자를 기준으로 기하학적 형상, 동역학적, 운동학적 상사조건을 만족시켜 시험된다. 본 연구에서는 핀/슬롯 및 내삽노즐을 가지며 기하학적 상사를 만족하는 축소형 고체로켓모터 실험모델의 다양하고 복잡한 내부 유동 거동특성을 가시화하는 기법을 연구하는 것이 주된 관심사이므로 실제 고체로켓모터와 기하학적 상사만이 만족된 조건에서 시험이 수행되었다.
제안 방법
- 가시화 기법으로 스모크 와이어가 사용되었으며, 와이어는 노즐 선단부 15 mm전방에 반경 방향으로 설치되었다. 1W Power L.E.D광원 16개를 슬롯 외측을 따라 축방향으로 배열하여 슬롯 내부를 조사하고, 슬롯 측면에서 수평방향으로 고속 CCD카메라를 이용하여 슬롯 내부 및 내삽노즐 선단부의 유동을 초당 100 프레임의 속도로 촬영하였으며, Fig. 5에 촬영된 이미지에서의 각 부 명칭을 나타내었다.
- 8은 시험모델에서 촬영된 이미지가 나타내는 단면 및 그에 해당하는 실제 촬영 이미지를 표시한 것이며, 상단 슬롯 및 우상단 핀베이스를 각 1번으로 지칭하고, 시계방향으로 2, 3, 4번으로 지칭하기로 한다. 가시화 기법으로는 스모크 와이어가 사용되었으며, 2D 실험모델과 같이 노즐선단에서 15 mm전방에 와이어를 수직반경방향으로 장치하였다. 스모크 와이어는 연기가 지나가고 광원이 조사되는 부분의 유동만을 가시화하며, 재순환유동 및 촬영영역에서 멀리 떨어진 부분에서 생성된 연기에 의해 시간이 흐름 따라 가시화되는 유동이 달라진다.
- 2와 같이 그레인 후방부에 4개의 핀/슬롯이 등각도로 위치하고, 내삽노즐이 적용된 형상을 가진 고체로켓의 형상 및 치수를 참고하였다. 그레인의 전방부 끝단에서 축방향으로 유동모사공기가 유입되는 축류-실험모델은 2D 및 3D, 2가지 형태로 제작되었고, 그레인 내부표면에서의 연소유동장을 표면분사(wall injection)로 모사한 반경류-실험모델은 2D로 제작되어 실험되었다.
- 3D 실험모델은 2D와 달리 많은 곡면 및 경사면을 가지고 있기 때문에 가시화용 광원의 난반사와 상 왜곡에 의해 내삽노즐 선단부의 영상촬영이 어렵다. 따라서 Fig. 7과 같이 공기 흡입을 위해 개방되어 있는 그레인 전방에서 축방향으로 내삽노즐 선단부 인접부의 유동을 관찰하고, 노즐 확장부 경계면의 전반사를 이용하여 가시화 영역에 광원을 균일하게 분포시켰다. Fig.
- 고체로켓의 그레인 연소표면에서 방출되는 연소가스유동장을 그에 해당하는 실험모델 내부표면 수직방향으로의 질량분사로 간주할 수 있으며 [1], 유동모사시험은 Reynolds 수, Mach 수, Strouhal 수 등의 상사를 만족시켜 수행되는데, 그레인 표면 모사재로 사용되는 다공성재의 불투명성 때문에 내부를 직접적으로 가시화하는데는 많은 어려움이 따른다. 따라서 본 연구에서는 먼저 2D, 3D 유동가시화 모델에 대해 표면분사가 없고, 그레인 전방에서 축방향으로만 유동을 공급하는 축류 공기유동모사시험을 수행하여, 가시화 모델 설계/제작 및 내부유동장 가시화 기법에 대한 방법론적 논의와, 가시화된 원주방향 유동 형상에 대한 그 발생 메커니즘 분석 및 표면분사 시험에서의 유동장 예측 등이 이루어 졌다. 또한, 다공판을 이용한 2D 표면분사 공기유동모사시험을 통해 다공판의 표면분사 모사 적합성을 검토하였고, 그레잍포트, 슬롯 및 내삽노즐 주위 연소유동장의 대략적인 특성에 대한 실험적 연구가 수행되었다.
- 5 mm 다공판으로 구성하고, 그레인 전방 끝단을 밀폐하였다. 또한 다공판에서의 유동 균일성을 위하여 흡입식 풍동이 만들어낼 수 있는 차압범위에서 임계유동이 일어날 수 있도록 초킹 노즐(inlet choking nozzle)을 설치하였다. Fig.
- 따라서 본 연구에서는 먼저 2D, 3D 유동가시화 모델에 대해 표면분사가 없고, 그레인 전방에서 축방향으로만 유동을 공급하는 축류 공기유동모사시험을 수행하여, 가시화 모델 설계/제작 및 내부유동장 가시화 기법에 대한 방법론적 논의와, 가시화된 원주방향 유동 형상에 대한 그 발생 메커니즘 분석 및 표면분사 시험에서의 유동장 예측 등이 이루어 졌다. 또한, 다공판을 이용한 2D 표면분사 공기유동모사시험을 통해 다공판의 표면분사 모사 적합성을 검토하였고, 그레잍포트, 슬롯 및 내삽노즐 주위 연소유동장의 대략적인 특성에 대한 실험적 연구가 수행되었다.
대상 데이터
- 내부유동을 가시화 하기 위해 스모크 와이어(smoke-wire) 및 스모크 프로브(smoke-probe) 기법을 적용하였다. 가시화 광원으로는 고밀도방전(High Intensity Discharged)램프 및 16W Power L.E.D(Light Emitting Diode)가 사용되었다. 영상기록장치로는 SVSi MemView 고속 CCD 카메라 및 Nikon D700 DSLR이 사용되었다.
- 보다 더 실제조건과 유사한 유동조건을 모사하기 위하여 실험모델의 반경방향 외벽을 Φ 1.5 mm 다공판으로 구성하고, 그레인 전방 끝단을 밀폐하였다.
- D(Light Emitting Diode)가 사용되었다. 영상기록장치로는 SVSi MemView 고속 CCD 카메라 및 Nikon D700 DSLR이 사용되었다. 스모크 와이어 기법은 Fig.
- 유동모사시험에 사용된 고체로켓의 축소형 실험모델은 Fig. 2와 같이 그레인 후방부에 4개의 핀/슬롯이 등각도로 위치하고, 내삽노즐이 적용된 형상을 가진 고체로켓의 형상 및 치수를 참고하였다. 그레인의 전방부 끝단에서 축방향으로 유동모사공기가 유입되는 축류-실험모델은 2D 및 3D, 2가지 형태로 제작되었고, 그레인 내부표면에서의 연소유동장을 표면분사(wall injection)로 모사한 반경류-실험모델은 2D로 제작되어 실험되었다.
이론/모형
- 4는 2D 축류 유동가시화 실험장치의 개략도이며, 시험모델 내부의 폭은 슬롯 내부 폭과 같은 10mm로 설계되었다. 가시화 기법으로 스모크 와이어가 사용되었으며, 와이어는 노즐 선단부 15 mm전방에 반경 방향으로 설치되었다. 1W Power L.
- 내부유동을 가시화 하기 위해 스모크 와이어(smoke-wire) 및 스모크 프로브(smoke-probe) 기법을 적용하였다. 가시화 광원으로는 고밀도방전(High Intensity Discharged)램프 및 16W Power L.
성능/효과
- (1) 2D 축류 유동가시화 시험을 통해, 슬롯에서 후방 그레인포트 중심으로 나오는 반경방향 유동과 전방그레인에서 노즐을 향하는 축방향유동의 운동량 차이에 의해 주기적인 유동 교란이 발생하는 것을 알 수 있었다.
- (2) 다양한 광원 및 촬영장치 방향을 적용한 3D 축류 유동가시화 시험을 통해 노즐 중심에서 선회류가 생성되는 것을 관찰할 수 있었으며, 이는 슬롯 출구유동과 핀베이스 면을 따라 흐르는 축방향 유동의 전단작용에 따른 비대칭 와류튜브의 형성에 의한 것으로 판단되었다.
- (3) φ 1.5 mm 다공판을 이용한 2D 표면분사 유동가시화시험 결과, 표면분사에 의한 유동장은 축류 유동장에 비해 슬롯 출구유동의 운동량이 더 크기 때문에 3D실험모델에서는 비대칭 와류튜브 강도가 더 크게 나타나며 이에 따른 노즐에서의 원주방향 운동량이 더욱 높아질 것으로 예상된다.
- 노즐목 속도가 약 37 m/s일 때 유동가시화가 수행되었으며, 3D 축류 유동가시화 시험모델의 노즐 선단부 주위에서 원주 방향의 복잡한 유동 형태가 관찰되었다. Fig.
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