[논문]고체 입자와 유동방향 변환에 의한 로켓 모터 내 음향 감쇠에 대한 고찰

김태진; 성홍계; 서성현

doi:10.5139/jksas.2015.43.9.838

고체 입자와 유동방향 변환에 의한 로켓 모터 내 음향 감쇠에 대한 고찰
Study on Acoustic Attenuation due to Particles and Flow Turning in Rocket Motors 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.43 no.9, 2015년, pp.838 - 844

김태진 (Department of Mechanical Engineering, Hanbat National University) , 성홍계 (School of Aerospace and Mechanical Engineering, Korea Aerospace University) , 서성현 (Department of Mechanical Engineering, Hanbat National University)

초록
AI-Helper

본 논문은 고체 로켓 모터 연소실 내의 연소과정 중 발생하는 연소 불안정 현상을 억제하는 여러 요소들 중 입자에 의한 감쇠와 유동방향 변환 감쇠에 대한 선행연구의 연구결과를 정리 분석하였다. 입자에 의한 감쇠는 연소실 내에서 발생하는 고주파 연소불안정을 억제하는데 있어 가장 효과적이며 입자의 직경과 질량 분율에 영향을 받는다. 한편 입자에 의한 감쇠에 비해 적은 감쇠량을 갖는 유동방향 변환 감쇠는 추진제의 구조에 따라 변하며, 추진제 표면에서 생성된 와도를 고려한다면 펌핑에 의한 증폭을 고려해야한다. 그러나 추진제의 형상이 원통형일 경우 유동방향 변환 감쇠와 펌핑에 의한 증폭의 크기는 같아지고 상쇄가 일어나 연소 안정성을 보다 쉽게 평가할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper includes summarization and analysis of previous research results on acoustic attenuation due to particles and flow turning in rocket motors among various damping parameters. Particle damping is the most effective mechanism in suppressing high-frequency combustion instabilities occurring in rocket combustion chambers, which is dependent on the size and the mass fraction of particles. Relatively weak attenuation by flow turning compared to particle damping depends on the geometry of propellant and a combustion chamber. Pumping driving effects need to be taken into account when realizing vorticity generation on the propellant surface. However, its driving effects become cancelled out by flow turning loss when the propellant geometry is cylindrical.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 단일 직경을 갖는 입자에 의한 감쇠와 유동방향 변환 감쇠를 Culick의 1차원 선형 안정성 이론을 바탕으로 작성하였으며, 추후 고체 입자의 종류와 직경, 질량 분율 등의 특성 변화에 따른 감쇠와 유동방향 변환 감쇠를 추진제를 연소시키지 않고 선형 안정성 요소의 효과를 확인할 수 있는 비연소 실험 장치를 제작 및 연소 실험과의 오차를 확인하기에 앞서 선행연구에 대한 내용을 정리하였다.

성능/효과

펌핑에 의한 증폭은 진동하는 압력장과 유동의 회전에 의해 발생하는 증폭으로 Flandro에 의해 제시되었다. Culick의 안정성 이론에서 추진제 표면 근처의 유동은 no-slip 조건이 결여됐기 때문에 보완이 필요하다고 제시하며 실제 로켓 모터 내부에서 추진제 표면의 유동은 no-slip 상태이고 추진제 표면에서의 유동이 회전(rotation)을 하게 됨으로써 와도가 발생하고 증폭 효과가 나타난다는 것을 제시하였다. α_pu는 식 (8)과 같이 표현된다[13].
1958년에는 Zink[5]는 직경이 5~15㎛의 Al₂O₃입자와 공기, 산소, 헬륨, 아르곤 기체에서의 음향 감쇠를 실험연구 하였으며, 입자간의 거리가 100㎛보다 멀어야만 감쇠 이론을 적용 가능함을 강조했다. 더불어 실험 결과와 이론값을 비교함에 있어 점성과 열전도에 관한 효과를 실험값과 이론값이 거의 일치함을 증명하였다. 가스와 고체입자의 질량 농도비에 따른 감쇠를 연구한 Temkin과 Dobbins[6]는 에어로졸(aerosol)을 이용하여 입자감쇠의 최대값을 갖는 입자 직경은 주파수와 반비례하며, 입자의 질량 농도에 비례한다고 밝혔다.
이 때 특정 주파수에서 가장 큰 감쇠량을 갖는 입자의 직경이 존재하며 고주파 영역으로 갈수록 직경이 작은 입자에 의한 감쇠가 효율적인 것을 알 수 있다. 또한, 같은 직경의 입자에서 입자의 질량 분율이 증가할수록 감쇠값도 증가한다는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

본 연구를 바탕으로 추후 입자의 질량분율에 따른 감쇠량과 유동방향 변환 감쇠량을 도출할수 있는 비연소 실험장치를 구현하여 실험을 진행할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연소실 내부에서 발생한 압력교란은 어떠한 문제를 일으키는가?	고체 로켓 모터에서 발생하는 연소 불안정 현상은 연소과정에서 발생하는 급격한 열방출과 압력교란(disturbance)으로 표현된다. 연소실 내부에서 발생한 압력교란은 연소실 고유의 음향모드와 결합하면서 연소실 내의 압력을 상승시켜 시스템의 변형에서 극한 경우에는 파괴에까지 이르게한다. 연소 불안정 현상을 억제하는 요인을 안정성 요소라 하며 대표적인 요소로는 압력결합에 의한 증폭(pressure coupling), 노즐에 의한 감쇠 (nozzle damping), 입자에 의한 감쇠(particle damping), 유동방향 변환 감쇠(flow turning loss), 점성에 의한 감쇠(viscous loss), 구조에 의한 감쇠(structural damping) 등이 있다[1].
	입자에 의한 감쇠 방법은 어떻게 고주파 연소불안정 문제를 해결하는가?	고주파 연소불안정 해결에 탁월한 효과를 갖는 입자에 의한 감쇠는 챔버 내에 부유해 있을 때 음파(sound wave)는 평면파(plane wave)로 축방향 진동을 하며 이동한다. 저주파일 경우에 입자는 음파의 유동에 휩쓸려 함께 이동하는 반면 고주파일 경우에는 가스에 비해 밀도가 큰 분말이 음파의 섭동에 따라가지 못하게 되고 그로인해 음향에너지가 소산된다[15]. Culick의 1차원 선형 안정성 이론에 따르면 입자에 의한 감쇠에 영향을 끼치는 요소는 고체 입자의 종류, 입자의 직경, 연소 가스의 질량에 대한 입자의 질량 분율과 주파수 영역으로 나타난다.
	연소 불안정 현상을 억제하는 안정성 요소는 무엇이 있는가?	연소실 내부에서 발생한 압력교란은 연소실 고유의 음향모드와 결합하면서 연소실 내의 압력을 상승시켜 시스템의 변형에서 극한 경우에는 파괴에까지 이르게한다. 연소 불안정 현상을 억제하는 요인을 안정성 요소라 하며 대표적인 요소로는 압력결합에 의한 증폭(pressure coupling), 노즐에 의한 감쇠 (nozzle damping), 입자에 의한 감쇠(particle damping), 유동방향 변환 감쇠(flow turning loss), 점성에 의한 감쇠(viscous loss), 구조에 의한 감쇠(structural damping) 등이 있다[1]. 각각의 요소에 따른 고체 로켓의 연소 불안정 해결에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다.

참고문헌 (20)

Blomshield, F. S., "Lessons Learned In Solid Rocket Combustion Instability," 43rd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, Jul. 2007, pp.1-19.
Kim, H. C., Kim, J. S., Moon, H. J., Sung, H. G., Lee, H. K., Ohm, W. S., and Lee, D. H., "Linear Stability Analysis for Combustion Instability in Solid Propellant Rocket," Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 17, no. 5, Oct. 2013, pp.27-36.

원문보기 상세보기
Laidler, T. J., and Richardson, E. G., "The Absorption of Supersonics in Smokes," The Journal of the Acoustical Society of America, Vol. 9, no. 3, Jan. 1938, pp.217-223.

상세보기
Epstein, P. S., and Carhart, R. R., "The Absorption of Sound in Suspensions and Emulsions. I. Water Fog in Air." The Journal of the Acoustical Society of America, Vol. 25, no. 3, Sep. 1953, pp.553-565.

상세보기
Zink, J. W., and Delsasso, L., "Attenuation and Dispersion of Sound by Solid Particles Suspended in a Gas," the Journal of the Acoustical Society of America, Vol. 30, no. 8, Agu. 1958, pp.765-771.

상세보기
Dobbins, R. A., and Temkin, S., "Measurements of Particulate Acoustic Attenuation," AIAA Journal, Vol. 2, no. 6, Jun. 1964, pp.1106-1111.

상세보기
Perry, E. H., "Investigations of the T-burner and its Role in Combustion Instability Studies," Ph. D. Thesis, California Institute of Technology, 1970.
Blomshield, F. S., Stalnaker R. A., and Beckstead, M. W., "Combustion Instability Additive Investigation," AIAA Joint Propulsion Meeting, no. 99-2226, Jun. 1999.
Blomshield, F. S., Nguyen, S., Matheke, H., Atwood, A., and Bui, T., "Acoustic Particle Damping of Propellants Containing Ultra-Fine Aluminum," AIAA Paper, 3722, Jul. 2004.
Culick, F. E. C., "Nonlinear Behavior of Acoustic Waves in Combustion Chambers," Acta Astronautica, Vol. 3, no. 9, Apr. 1975, pp.715-734.
Culick, F. E. C., "The Stability of One-Dimensional Motions in a Rocket Motor," Combustion Science and Technology, Vol. 7, no. 4, 1973, pp.165-175.

상세보기
Flandro, G. A., "Effects of Vorticity on Rocket Combustion Stability," Journal of Propulsion and Power, Vol. 11, no. 4, Jul. 1995, pp.607-625.

상세보기
Flandro, G. A., "On Flow Turning," 1995.
Kim, K. M., Kang, K. T., and Yoon, J. K., "Linear Stability Analysis in a Solid Propellant Rocket Motor," Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers, Vol. 19, no. 10, Oct. 1995, pp.2637-2646.
Yoon, M. W. and Kang, K. T., "A Study on the Suppression of the Combustion Instability of the Solid Rocket Motor Using the Acoustic Damping Effect of the Particles," Journal of the Korean Society for Aeronautical and Space Science, Vol. 27, no. 1, Feb. 1999, pp. 106-112.
Culick, F. E. C., and Kuentzmann, P., "Unsteady Motions in Combustion Chambers for Propulsion Systems," No. AC/323 (AVT-039) TP/103. NATO RESEARCH AND TECHNOLOGY ORGANIZATION NEUILLY-SUR-SEINE (FRANCE), Dec. 2006.
Culick, F. E. C., "Nonlinear Behavior of Acoustic Waves in Combustion Chambers-II," Acta Astronautica, Vol. 3, no. 9-10, Oct. 1976, pp.735-757.

상세보기
Kraeutle, K. J., "Particle Size Analysis in Solid Propellant Combustion Research," Experimental Diagnostics in Combustion of Solids, New York, American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc., 1978, pp.76-108.
Ko, T. H., Lee, S. H., Kim, H. M., Yang, H. S., and Yoon, W. S., "Experimental Study on Aluminum Powder Combustion by Ignition of the Propellant," KSPE Fall Conference, Vol. 39, Nov. 2012, pp.555-561.
Culick, F. E. C., and Yang, V., "Prediction of the Stability of Unsteady Motions in Solid-Propellant Rocket Motors," Chapter 18 in Nonsteady Burning and Combustion Stability of Solid Propellants, Progress in Astronautics and Aeronautics, Vol. 143, 1992, pp.719-779.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증