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제안 방법
- 3D 반경류 표면분사 시험모델에서 롤토크를 발생시키는 원주방향 유동의 생성여부를 관찰하기 위하여, 노즐목 유속이 약 30 m/sec일 때 노즐목 인접부 단면에서의 유동분포를 가시화하였다.
- 노즐목에서의 유동가시화를 통해 표면분사 시험모델에서 반시계방향의 선회류가 생성되는 것을 확인하였으며, 그 메커니즘의 명확한 분석을 위해 노즐선단부 상류 인접부에서의 유동형태를 가시화하였다. 슬롯 출구유동 및 핀 베이스 유동의 가시화를 위해 노즐선단부 전방 15 mm지점에 Fig.
- 노즐선단부에서 슬롯 출구유동이 노즐 선단부에서의 와류튜브 형성에 미치는 영향을 판단하기 위해, 2D 반경류 표면분사 시험모델을 이용하여 Fig. 14와 같이 축-반경방향 평면 유동의 가시화가 수행되었다. 슬롯에서의 반경방향 유동은 노즐선단부 끝단에서부터 가속되어 운동량이 증가되면서 노즐목을 통해 빠져나간다.
- 표면분사 시험모델의 내부에서 스모크 와이어에 의해 발생된 연기의 가시화를 위해 광원을 조사해야 하는데, 3D 반경류 표면분사 시험모델은 불투명한 다공판으로 구성되어 외부에서 내부로의 원활한 광원조사가 어렵다. 따라서 기존의 아크릴재질 노즐의 전반사를 이용한 광원조사와 함께[3], Fig. 7과 같이 다공성재의 핀 베이스면 5개 부분으로 200,000 lx 이상의 10 W급 L. E. D 광원 5개를 조사하여, 1000 fps 이상의 고속으로 노즐선단부 내, 외측 표면에서의 유동장 가시화이미지를 수집할 수 있게 하였다.
- 동시에 이 유동은 핀 베이스 면을 따라 흐르는 축방향유동과 상호작용하고, 롤토크를 발생시키는 원주방향유동이 생성된다. 따라서 핀 베이스 축방향유동을 제외한 상태에서의 유동형태를 관찰할 필요가 있으므로 Fig. 6과 같이 2D 반경류 표면분사 시험모델을 설계/제작하였다. 유동은 3D 시험모델과 마찬가지로 그레인 연 소면에 해당하는 부분의 다공판을 통해 유입되어 노즐을 통해 빠져나간다.
- 롤토크 발생유동 메커니즘의 이해를 위해, 핀/슬롯 그레인 및 내삽노즐을 장비한 고체로켓모터 내부와 동일한 기하학적 형상을 가진 반경류 표면분사(wall-injection) 시험모델을 제작하고, 그레인 전방부에서 그레인 중심 포트를 통해 내삽노즐 선단 인접부의 반경방향 평면에서의 유동을 가시화하여, 롤토크를 야기하는 것으로 생각되는 내부유동들 간의 상호작용에 대한 현상학적 분석을 수행하였다.
- 이때, 반경방향 및 원주방향 유동이 가시화되며, 축방향으로의 유동은 시간에 따른 초점영역 통과여부를 통해 유추할 수 있다. 본 논문에서 3D 반경류 표면분사 시험모델의 가시화된 이미지에는 핀/슬롯 구조물이 나타나지 않으며, 각 부분의 슬롯 및 핀 베이스를 지칭할 때는 Fig. 5에 표시된 바와 같이 1에서 5번까지의 숫자로 구분하였다.
- 슬롯 유동이 와류튜브 형성에 미치는 영향을 알아보기 위하여, 3D 반경류 표면분사 시험모델의 외측 케이스에 설치된 흡입노즐의 위치 변경을 통해 시험모델로 유입되는 흡입유동 분포를 변화시켰다. 흡입유동은 스모크 프로브를 이용해 가시화하여 다공판을 통과하는 유량의 차이를 확인하였으며, 각 흡입노즐 위치에 따른 다공성 재로 유입되는 유동의 대략적인 형상을 Fig.
- 슬롯 후방부에서의 유동은 주기적인 축방향 섭동을 보이는데, 이는 상류 원통형 그레인에서 노즐 방향으로 흐르는 유동이 슬롯에서의 반경방향유동과 만나면서 발생하는 것으로 생각된다. 슬롯출구 유동의 운동량, 섭동주기 등은 노즐선단부에서 생성되는 와류튜브의 특성에 큰 영향을 미치는 인자로 생각되며, 시험모델의 흡입유동 분포의 변화를 통해 슬롯 출구유동과 핀 베이스면 유동의 운동량 비율에 따른 와류튜브구조의 변화에 대한 고찰이 수행되었다.
- 특히, 핀/슬롯 그레인 및 공동영역을 가진 고체로켓모터의 연소 초기에 내부 연소유동장의 와류생성 및 상호작용에 의해 큰 크기의 롤토크가 발생하는 것으로 나타났다[4, 5]. 시험모델은 Fig. 1과 같이 전방은 원통형, 후방은 5개의 핀/슬롯을 가진 형태의 그레인과 내삽 노즐을 가진 고체로켓모터와 동일한 기하학적 형상을 가지도록 설계되었다.
- 고체로켓모터의 연소유동장은 추진제그레인 표면에서 수직방향으로의 질량분사로 간주할 수 있다. 시험모델은 Fig. 2와 같이 다공판 및 금속망을 사용하여 표면분사를 모사하였으며, 노즐 하류에 설치된 흡입식 풍동을 이용하여 유동이 발생된다.
- 표면분사 시험모델을 이용한 고체로켓모터의 공기유동 모사시험에서 그레인전방 투영창을 통한 유동가시화를 통해, 노즐목에서 원주방향 유동이 관찰되었고, 그 발생원인 및 메커니즘에 대한 분석 결과는 다음과 같다.
- 후방 핀/슬롯 그레인 및 내삽노즐을 가지는 시험모델형상에서, 유동은 Fig. 3과 같이 크게 슬롯출구 반경방향유동, 핀 베이스 축방향유동, 상류그레인포트 축방향유동으로 나눌 수 있으며 (그림의 이해를 돕기 위해 Fig. 3은 슬롯이 90˚로 배치된 4핀 그레인에 대략적인 유동형태를 표시하였다), 각 유동들 간의 상호작용이 롤토크 발생에 미치는 영향을 파악하기 위하여 시험모델은 2D 및 3D로 제작되었다.
- 0 mm 흡입노즐이 반경방향으로 설치되었다. 흡입 노즐의 배치에 따라 시험모델의 유입공기 유량분포가 변화하며, 이에 따른 내부유동장 형태의 변화를 관찰할 수 있도록 하였다.
대상 데이터
- 3D 반경류 표면분사 시험모델은 Fig. 3과 같이 STS304재질의 Φ2 mm, 3P 다공판을 절곡/용접하여 제작하였으며, 상/하류에서 흡입되는 공기 유량의 균일도를 위해 아크릴 재질의 외측 케이스에 155개의 직경 1.5 ~ 3.0 mm 흡입노즐이 반경방향으로 설치되었다.
- 스모크 와이어는 Φ 0.1 mm 니켈-크롬 와이어를 사용하였으며, 액체파라핀/윤활유 혼합물이 연막제로 사용되었다.
- 스모크 프로브는 가압식 연막제 이송챔버, 2 kW급 Φ 20 mm 원통형 히터 및 상분리장치가 적용되었다.
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