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문제 정의
- 따라서 모드의 시간 변화에 따른 거동을 보다 정밀하게 관찰할 수 있다. 그러나 본 논문의 목적은 난류구조의 위치, 크기, 형태 등을 관찰하여 유동특성 변화를 분석하고 주 유동에 의한 큰 에너지 크기의 유동과 벽면 및 다이어프램에 의한 작은 에너지의 유동 변화를 관찰하는 것이기 때문에, 연소실 내부 속도분포를 대표하는 10개의 스냅사진만을 통해서도 작은 크기의 구조가 연소실 내부에 미치는 영향을 난류관점에서 충분히 분석해낼 수 있다. 또한 모드를 너무 세분화시키면 미미한 에너지 차이를 갖는 모드로 나뉘기 때문에, 계산량 증가에 비해 얻는 효과가 매우 미미하다.
제안 방법
- POD 분석을 위한 연소실 내부유동장을 얻기 위하여 화학반응을 포함하지 않은 비반응 유동에 대한 수치계산을 수행하였다[13]. 또한 난류유동에 대한 해석을 위하여 LES기법을 사용하였다.
- 고체연료의 기화로 인한 분출유동이 연소실 유동특성에 미치는 영향을 분석하기 위해, 분출유동을 포함하지 않은 유동장에 대해 추가적인 POD 분석을 수행하였다. 분출유동이 없는 유동장의 POD 결과는 Fig.
- 다이어프램을 설치하지 않은 연소실 기본형상의 유동장을 POD로 분석하였다. 기본 형상의 경우, 크게 모드 1과 나머지 모드로 나누어 분석할 수 있다.
- 다이어프램이 설치된 유동장에 POD를 수행하여 기본형상과의 유동특성 차이를 분석하였다. Fig.
- POD를 수행하는 과정에는 수치계산 결과를 사용하여 각 모드를 찾는 절차가 포함되는데, 이 때 많은 시간이 소요된다. 따라서 3D 형상에 대한 계산결과를 유동 진행방향으로 잘라내어 2D 결과로 변환 후 POD 분석하였으며, 계산 양과 시간을 줄였다.
- 6에 정리되어 있다. 또한 분출유동이 있는 경우의 POD 결과인 Fig. 3과 비교하여, 각 모드별 에너지 특성에 분출유동이 미치는 영향을 분석하였다.
- 특히, 다이어프램을 설치한 경우 작은 크기의 난류구조가 관찰되는 유동모드가 어떤 변화를 하는지 분석하여, 이러한 인자들이 연소특성에 미치는 영향을 난류관점에서 해석하였다. 또한, 다이어프램이 설치된 형상에서 고체연료의 분출유동 모사 여부에 따른 수치계산 결과에 대해서도 POD기법을 적용하여, 분출유동이 연소실 내부 유동특성에 미치는 영향도 분석하였다.
- 본 논문에서는 에너지의 성분을 잘 표현하는 속도 계산결과를 사용하여 POD를 수행하였다[10]. POD를 수행하는 과정에는 수치계산 결과를 사용하여 각 모드를 찾는 절차가 포함되는데, 이 때 많은 시간이 소요된다.
- 따라서 경험적으로 적당한 개수의 스냅사진을 사용하여 최적의 POD 결과를 얻을 수 있어야 한다. 본 연구에서는 10개의 스냅사진을 활용한 POD 분석을 통하여 연소실 내부의 유동특성 분석을 시도하였다.
- 수치계산을 통해 연소실 내부 유동장을 구하였다. POD 분석은 유동 계산결과 중 시간 흐름에 따른 10개 스냅사진을 사용하였다.
- LES는 특정 크기 이상의 유동특성에 영향을 미치는 와류를 관찰할 수 있도록 하여, 하이브리드 연소실 내부 유동의 작은 크기의 난류구조를 볼 수 있도록 하기 때문에 유용하다. 원통모양의 연소실 내부를 다이어프램 없이 계산한 것을 기본형상으로 선정했으며, 다이어프램을 설치한 형상, 다이어프램을 설치하였으나 고체연료 표면에서의 분출유동을 모사하지 않은 것에 대해 추가적으로 계산하였다. 이 때, 분출유동은 연소실 벽면에 수직방향으로 속도가 발생하도록 모사하였으며, 그 크기는 다이어프램이 설치된 지점(x/D=0)부터 연소실 끝단(x/D=15)에 이르기까지 주 유동속도의 0%에서 3%로 증가하도록 선형적으로 모사하였다.
- 원통모양의 연소실 내부를 다이어프램 없이 계산한 것을 기본형상으로 선정했으며, 다이어프램을 설치한 형상, 다이어프램을 설치하였으나 고체연료 표면에서의 분출유동을 모사하지 않은 것에 대해 추가적으로 계산하였다. 이 때, 분출유동은 연소실 벽면에 수직방향으로 속도가 발생하도록 모사하였으며, 그 크기는 다이어프램이 설치된 지점(x/D=0)부터 연소실 끝단(x/D=15)에 이르기까지 주 유동속도의 0%에서 3%로 증가하도록 선형적으로 모사하였다. 수치계산에서 레이놀즈수는 15,300이며, 삽입된 격자수는 기본형상의 경우 약 210만개, 다이어프램을 설치한 형상의 경우 약 290만개이다.
- 본 논문에서는 하이브리드 로켓 연소실의 내부 유동장에 대한 수치계산 결과에 POD기법을 적용하였다. 특히, 다이어프램을 설치한 경우 작은 크기의 난류구조가 관찰되는 유동모드가 어떤 변화를 하는지 분석하여, 이러한 인자들이 연소특성에 미치는 영향을 난류관점에서 해석하였다. 또한, 다이어프램이 설치된 형상에서 고체연료의 분출유동 모사 여부에 따른 수치계산 결과에 대해서도 POD기법을 적용하여, 분출유동이 연소실 내부 유동특성에 미치는 영향도 분석하였다.
- 하이브리드 로켓 연소실 내부 유동특성을 해석하기 위해 LES 수치계산 결과에 대한 POD 후처리 기법을 적용하였다. 특히, 다이어프램의 설치 및 벽면으로부터 분출되는 유동특성 변화를 분석하기 위해 기본형상, 다이어프램이 설치된 경우, 다이어프램이 설치되고 분출유동이 없는 경우를 각각 비교분석하였다.
- 하이브리드 로켓 연소실 내부 유동특성을 해석하기 위해 LES 수치계산 결과에 대한 POD 후처리 기법을 적용하였다. 특히, 다이어프램의 설치 및 벽면으로부터 분출되는 유동특성 변화를 분석하기 위해 기본형상, 다이어프램이 설치된 경우, 다이어프램이 설치되고 분출유동이 없는 경우를 각각 비교분석하였다.
- 한편, 고체연료의 기화로 인한 벽면 분출유동의 모사 여부에 따른 POD 결과를 비교, 분석하였다. 그 결과, 다이어프램 주위 영역의 유동특성을 보여주는 모드 2-5의 에너지 분포는 표면 분출유동의 유무에 의한 차이가 없음을 확인하였다.
- 한편, 연소실 내부 속도장에 대한 POD 분석이 적절하게 이루어졌는지 검증하기 위하여 유동장 계산결과와 분리된 POD 모드의 재조합 결과를 비교하였다. Fig.
대상 데이터
- 수치계산을 통해 연소실 내부 유동장을 구하였다. POD 분석은 유동 계산결과 중 시간 흐름에 따른 10개 스냅사진을 사용하였다. 더 많은 스냅사진을 사용한다면 더 많은 모드를 획득할 수 있으며, 각각의 난류구조가 가지는 순환주기를 많이 포함할 수 있다.
이론/모형
- POD 분석을 위한 연소실 내부유동장을 얻기 위하여 화학반응을 포함하지 않은 비반응 유동에 대한 수치계산을 수행하였다[13]. 또한 난류유동에 대한 해석을 위하여 LES기법을 사용하였다. LES는 특정 크기 이상의 유동특성에 영향을 미치는 와류를 관찰할 수 있도록 하여, 하이브리드 연소실 내부 유동의 작은 크기의 난류구조를 볼 수 있도록 하기 때문에 유용하다.
- 본 논문에서는 하이브리드 로켓 연소실의 내부 유동장에 대한 수치계산 결과에 POD기법을 적용하였다. 특히, 다이어프램을 설치한 경우 작은 크기의 난류구조가 관찰되는 유동모드가 어떤 변화를 하는지 분석하여, 이러한 인자들이 연소특성에 미치는 영향을 난류관점에서 해석하였다.
성능/효과
- 한편, 고체연료의 기화로 인한 벽면 분출유동의 모사 여부에 따른 POD 결과를 비교, 분석하였다. 그 결과, 다이어프램 주위 영역의 유동특성을 보여주는 모드 2-5의 에너지 분포는 표면 분출유동의 유무에 의한 차이가 없음을 확인하였다. 또한 후류 벽면에서 나타나는 유동 모드 6-9를 살펴보면, 난류구조의 양적으로 차이를 보이지만 모드의 총 에너지의 크기는 다이어프램 근처의 모드(2-5 모드)에 비해 매우 낮다는 것을 알 수 있었다.
- 기본형상에 대한 POD 분석 결과, 주 유동을 의미하는 모드 1과는 별개로 벽면에서 작은 크기의 난류구조가 발생되는 나머지 모드(모드 2-9)의 특성을 확인하였다. 한편, 다이어프램을 설치한 형상의 POD 결과는 기본형상의 POD 결과와 대체적으로 유사하나, 모드 2-5에서 다이어프램 주변에 와류 및 순환영역으로 인한 난류구조가 발생되는 차이를 보였다.
- 또한 후류 벽면에서 나타나는 유동 모드 6-9를 살펴보면, 난류구조의 양적으로 차이를 보이지만 모드의 총 에너지의 크기는 다이어프램 근처의 모드(2-5 모드)에 비해 매우 낮다는 것을 알 수 있었다. 따라서 분출유동의 모사 여부가 다이어프램 근처와 연소실 후류 벽면근처의 유동특성에 미치는 영향이 거의 없음을 확인하였다.
- 그 결과, 다이어프램 주위 영역의 유동특성을 보여주는 모드 2-5의 에너지 분포는 표면 분출유동의 유무에 의한 차이가 없음을 확인하였다. 또한 후류 벽면에서 나타나는 유동 모드 6-9를 살펴보면, 난류구조의 양적으로 차이를 보이지만 모드의 총 에너지의 크기는 다이어프램 근처의 모드(2-5 모드)에 비해 매우 낮다는 것을 알 수 있었다. 따라서 분출유동의 모사 여부가 다이어프램 근처와 연소실 후류 벽면근처의 유동특성에 미치는 영향이 거의 없음을 확인하였다.
- 한편, 다이어프램을 설치한 형상의 POD 결과는 기본형상의 POD 결과와 대체적으로 유사하나, 모드 2-5에서 다이어프램 주변에 와류 및 순환영역으로 인한 난류구조가 발생되는 차이를 보였다. 이를 통해 다이어프램 근처에 한해 국부적으로 강한 유동특성이 나타나는 것을 확인하였다. 따라서 연료의 연소율이 다이어프램 근처에만 국부적으로 증가하여 불균일한 분포를 나타내는 요인은 다이어프램 근처에서 형성되는 모드 2-5까지의 유동에너지 상승 때문인 것으로 분석된다.
- 2을 살펴보면, 모드 2부터 5까지 발생되는 난류구조가 비슷한 크기를 지닌다. 이를 통해 다이어프램을 설치하지 않은 경우 난류구조가 복잡하지 않으며, 각 모드가 비슷한 에너지 크기를 가진다는 것을 확인할 수 있다. 한편, 연소실 후류로 갈수록 벽면의 분출유동과 축 방향 유동과의 간섭으로 인한 난류구조가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
- 기본형상에 대한 POD 분석 결과, 주 유동을 의미하는 모드 1과는 별개로 벽면에서 작은 크기의 난류구조가 발생되는 나머지 모드(모드 2-9)의 특성을 확인하였다. 한편, 다이어프램을 설치한 형상의 POD 결과는 기본형상의 POD 결과와 대체적으로 유사하나, 모드 2-5에서 다이어프램 주변에 와류 및 순환영역으로 인한 난류구조가 발생되는 차이를 보였다. 이를 통해 다이어프램 근처에 한해 국부적으로 강한 유동특성이 나타나는 것을 확인하였다.
- 이를 통해 다이어프램을 설치하지 않은 경우 난류구조가 복잡하지 않으며, 각 모드가 비슷한 에너지 크기를 가진다는 것을 확인할 수 있다. 한편, 연소실 후류로 갈수록 벽면의 분출유동과 축 방향 유동과의 간섭으로 인한 난류구조가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
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