듀얼 벨 노즐을 평가하기 위한 기초연구로써 전산수치해석을 진행하였다. 추후 진행할 설계 변수 연구를 위해 듀얼 벨 노즐을 설계하고 입구 조건과 난류 모델, 최적 격자수를 선정하였다. 듀얼 벨 노즐은 KSLV-II 1단 노즐을 기반으로 설계하였다. 입구 조건은 설계 값과의 비교를 통해 비반응 8화학종의 동결유동 모델로 결정하였다. 난류 모델은 SST$k-{\omega}$ 모델이 가장 적합하였다. 격자 민감도 해석을 통해 약 15만개의 최적 격자수를 선정하였다. 본 연구에서 결정한 내용들을 바탕으로 향후 한국형발사체에 듀얼 벨 노즐을 적용한 해석을 진행하여 성능 이득을 연구하고자 한다.
듀얼 벨 노즐을 평가하기 위한 기초연구로써 전산수치해석을 진행하였다. 추후 진행할 설계 변수 연구를 위해 듀얼 벨 노즐을 설계하고 입구 조건과 난류 모델, 최적 격자수를 선정하였다. 듀얼 벨 노즐은 KSLV-II 1단 노즐을 기반으로 설계하였다. 입구 조건은 설계 값과의 비교를 통해 비반응 8화학종의 동결유동 모델로 결정하였다. 난류 모델은 SST $k-{\omega}$ 모델이 가장 적합하였다. 격자 민감도 해석을 통해 약 15만개의 최적 격자수를 선정하였다. 본 연구에서 결정한 내용들을 바탕으로 향후 한국형발사체에 듀얼 벨 노즐을 적용한 해석을 진행하여 성능 이득을 연구하고자 한다.
Numerical analysis was conducted as a preliminary study for evaluating the dual bell nozzle. For future parametric studies, a dual bell nozzle was designed, and thereafter inlet condition, turbulence model, and the number of optimum grids were determined. Dual bell nozzle was designed based on the K...
Numerical analysis was conducted as a preliminary study for evaluating the dual bell nozzle. For future parametric studies, a dual bell nozzle was designed, and thereafter inlet condition, turbulence model, and the number of optimum grids were determined. Dual bell nozzle was designed based on the KSLV-II first stage nozzle. Inlet condition was determined to frozen flow model of non-reacting eight species by comparing with the design values. SST $k-{\omega}$ model turned out to be suitable as turbulence model. About 150 thousand of the grids were selected after grid sensitivity tests. Based on the results determined in this study, we plan to investigate performance gain of the KSLV-II by adopting a proposed dual bell nozzle.
Numerical analysis was conducted as a preliminary study for evaluating the dual bell nozzle. For future parametric studies, a dual bell nozzle was designed, and thereafter inlet condition, turbulence model, and the number of optimum grids were determined. Dual bell nozzle was designed based on the KSLV-II first stage nozzle. Inlet condition was determined to frozen flow model of non-reacting eight species by comparing with the design values. SST $k-{\omega}$ model turned out to be suitable as turbulence model. About 150 thousand of the grids were selected after grid sensitivity tests. Based on the results determined in this study, we plan to investigate performance gain of the KSLV-II by adopting a proposed dual bell nozzle.
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문제 정의
따라서 동결유동이 아닌 이동평형 조건으로 계산을 수행하고, 연소실과 노즐 내부에서 연소가스의 불균일 혼합특성을 고려한다면 좀 더 정확한 예측이 가능할 것이라 판단된다. 그러나 본 연구 및 향후 진행할 연구는 연소실의 성능 예측보다 노즐의 효율을 보는 것이 목적이다. 추력계수와 비추력은 비교적 적은 오차를 보이므로 노즐의 효율을 보는 데에는 무리가 없다고 판단하여 동결평형조건을 그대로 사용하기로 결정하였다.
본 논문에서는 향후 진행할 듀얼 벨 노즐의 연구를 위해 기초적인 수치해석을 수행하였다. 특히 기존 벨 노즐과 비교하였을 때 듀얼 벨 노즐의 장점과 효율을 파악하기 위해 KSLV-II를 기반으로 진행하였다.
본 연구는 현재 우리나라에서 개발 중인 한국형발사체(KSLV-II)에 듀얼 벨 노즐을 적용할 경우 발생할 장단점을 연구하기 위한 기초연구로써 상용코드를 활용한 수치해석 내용을 포함한다. 먼저 KSLV-II를 기반으로 한 듀얼 벨 노즐을 설계하고 입구 조건을 결정하였다.
그러나 향후 듀얼 벨 노즐 해석을 위한 기반을 마련한 것에 의의가 있다고 생각된다. 본 연구에서 결정한 내용들을 바탕으로 한국형발사체를 기반으로 한 듀얼 벨 노즐 해석을 진행하여 성능 이득을 연구하고자 한다.
제안 방법
본 연구는 KSLV-II의 1단 노즐에 확장부를 추가했을 때의 성능 이득을 연구하는 것이 목적이므로 베이스 노즐은 1단 노즐과 동일하게 설계하였다. 1단 노즐의 경우 제원[11,12]과 설계방법[13]이 논문으로 공개되어 있기 때문에 이를 참고하여 설계하였다.
이 모델은 단일화학종 모델과 달리 연소가스에 존재하는 화합물을 고려하되 화학반응은 고려하지 않는 모델이다. CEA 코드를 통해 노즐 내부 유동에 포함된 화학성분과 질량분율을 계산하였다. 효율성을 위해 상대적으로 질량분율이 매우 작은 생성물은 무시하였고, 8개의 성분만을 고려하였다.
KSLV-II 1단 노즐에 확장부만 추가하였을 경우 성능 이득이 존재하는지 여부를 판단하기 위해 듀얼 벨 노즐의 베이스 노즐은 KSLV-II 1단 노즐과 동일하게 설계하였다. 확장부는 1단 엔진의 운용 범위를 고려하여 2단 엔진의 팽창비를 적용하였고 길이는 베이스 노즐과 동일하게 설계하였다.
먼저 KSLV-II를 기반으로 한 듀얼 벨 노즐을 설계하고 입구 조건을 결정하였다. 그리고 난류 모델 평가를 통해 적절한 난류 모델을 선정한 뒤, 해석 효율을 위해 격자 민감도 해석을 진행하였다. 이를 통해 향후 듀얼 벨 노즐 해석을 위한 기반을 마련하였다.
경계층을 충분히 고려할 수 있도록 y+의 값은 1이하로 설정하였다. 그리고 유동의 변화가 큰 부분에 격자를 집중하여 약 15만개의 격자를 생성하였다. 입구 경계 조건은 KSLV-II 1단 노즐의 연소실 압력 조건을 대입하기 위해 압력입구 조건(pressure inlet)으로 설정하였다.
난류 모델 평가는 성능적인 측면과 벽 압력값 비교를 통해 수행하였다. Table 8은 성능적인 측면의 비교 결과이다.
난류 모델 평가를 위해 듀얼 벨 노즐을 해석하여 KSLV-II 1단 노즐의 설계 값과 비교하였다. 해수면 조건으로 해석하기 때문에 듀얼 벨 노즐은 변곡점에서 박리가 발생할 것이고 이 때 KSLV-II 1단 노즐과의 차이점 또한 조사하고자 KSLV-II 1단 노즐 해석도 병행하였다.
난류 모델은 Spalart-Allmaras(S-A), Standard k-ε, SST k-ω에 대해 각각 해석을 진행하였다.
현재 KSLV-II는 개발 중이기 때문에 비교할만한 실험 결과가 공개되어있지 않다. 따라서 논문으로 공개되어있는 설계 값을 통해 해석 결과를 검증하였다. 추력, 비추력은 가장 최근 값[11]을, 질량유량은 이전에 발표된[12] 값으로 선정하였다.
본 연구는 현재 우리나라에서 개발 중인 한국형발사체(KSLV-II)에 듀얼 벨 노즐을 적용할 경우 발생할 장단점을 연구하기 위한 기초연구로써 상용코드를 활용한 수치해석 내용을 포함한다. 먼저 KSLV-II를 기반으로 한 듀얼 벨 노즐을 설계하고 입구 조건을 결정하였다. 그리고 난류 모델 평가를 통해 적절한 난류 모델을 선정한 뒤, 해석 효율을 위해 격자 민감도 해석을 진행하였다.
본 연구는 KSLV-II의 1단 노즐에 확장부를 추가했을 때의 성능 이득을 연구하는 것이 목적이므로 베이스 노즐은 1단 노즐과 동일하게 설계하였다. 1단 노즐의 경우 제원[11,12]과 설계방법[13]이 논문으로 공개되어 있기 때문에 이를 참고하여 설계하였다.
본 연구에서는 상용코드를 통해 KSLV-II 1단 노즐을 3가지 동결 유동 조건으로 계산하여 적합한 입구 조건을 결정하였다.
실제 발사체를 완벽하게 모사하기는 어렵지만 근접하게 성능을 예측하기 위해 실제로 사용되는 추진제를 이용하여 계산을 수행하였다. 8화학종 동결유동 해석을 통해 0.
해석은 상용코드인 ANSYS Fluent를 사용하였다. 압축성 유동에 적합한 density based solver를 사용하였고, 2D 축대칭 조건으로 정상상태 계산을 진행하였다. 난류 모델은 초음속 노즐 해석에 많이 사용되며 박리를 가장 잘 예측하는 것으로 알려져 있는 SST(Shear Stress Transport) k-ω[20]를 사용하였으며, Second order upwind scheme을 적용하였다.
난류 모델은 초음속 노즐 해석에 많이 사용되며 박리를 가장 잘 예측하는 것으로 알려져 있는 SST(Shear Stress Transport) k-ω[20]를 사용하였으며, Second order upwind scheme을 적용하였다. 연소실 압력은 실제 엔진의 압력인 60 bara를 적용하였고 연소실 온도는 CEA 코드로 계산한 값을 적용하였다. Table 5는 해석 조건을 정리한 표이다.
연소실과 노즐은 단열, 점착(no-slip)의 벽면(wall) 경계 조건이고, 나머지 부분은 axis, pressure far-field를 적용하였다.
그리고 유동의 변화가 큰 부분에 격자를 집중하여 약 15만개의 격자를 생성하였다. 입구 경계 조건은 KSLV-II 1단 노즐의 연소실 압력 조건을 대입하기 위해 압력입구 조건(pressure inlet)으로 설정하였다. 연소실과 노즐은 단열, 점착(no-slip)의 벽면(wall) 경계 조건이고, 나머지 부분은 axis, pressure far-field를 적용하였다.
그러나 본 연구 및 향후 진행할 연구는 연소실의 성능 예측보다 노즐의 효율을 보는 것이 목적이다. 추력계수와 비추력은 비교적 적은 오차를 보이므로 노즐의 효율을 보는 데에는 무리가 없다고 판단하여 동결평형조건을 그대로 사용하기로 결정하였다.
실제 상황과 근접한 입구 조건을 결정하기 위해 KSLV-II 1단 노즐을 계산하여 실제 설계 값과 비교하였다. 해석 도메인은 노즐 후류 유동이 충분히 발달할 수 있고 후류 유동의 간섭을 최소화할 수 있는 크기로 설정하였다. 경계층을 충분히 고려할 수 있도록 y+의 값은 1이하로 설정하였다.
13은 경계 조건이다. 해석은 노즐 목과 베이스 노즐 출구의 질량유량이 같아질 때까지 그리고 잔차의 변화가 없을 때까지 진행하였다. 또한 질량유량의 변화가 없으면 수렴했다고 판단하였다.
해석의 효율과 정확도 향상을 위해 격자 민감도 해석을 진행하였다. 격자 민감도 해석에 사용된 모델은 앞서 설계한 듀얼 벨 노즐과 같다.
난류 모델 평가를 위해 듀얼 벨 노즐을 해석하여 KSLV-II 1단 노즐의 설계 값과 비교하였다. 해수면 조건으로 해석하기 때문에 듀얼 벨 노즐은 변곡점에서 박리가 발생할 것이고 이 때 KSLV-II 1단 노즐과의 차이점 또한 조사하고자 KSLV-II 1단 노즐 해석도 병행하였다. 난류 모델은 Spalart-Allmaras(S-A), Standard k-ε, SST k-ω에 대해 각각 해석을 진행하였다.
KSLV-II 1단 노즐에 확장부만 추가하였을 경우 성능 이득이 존재하는지 여부를 판단하기 위해 듀얼 벨 노즐의 베이스 노즐은 KSLV-II 1단 노즐과 동일하게 설계하였다. 확장부는 1단 엔진의 운용 범위를 고려하여 2단 엔진의 팽창비를 적용하였고 길이는 베이스 노즐과 동일하게 설계하였다.
CEA 코드를 통해 노즐 내부 유동에 포함된 화학성분과 질량분율을 계산하였다. 효율성을 위해 상대적으로 질량분율이 매우 작은 생성물은 무시하였고, 8개의 성분만을 고려하였다.
대상 데이터
격자 민감도 해석에 사용된 모델은 앞서 설계한 듀얼 벨 노즐과 같다. 격자수는 약 15만개부터 50만개까지 4가지의 격자를 생성하였다. Table 9는 격자수를 나타내며 Fig.
마찬가지로 벽 압력 또한 모든 케이스가 대체적으로 일치하는 경향을 보였다. 따라서 해석의 효율을 위해 적정 격자를 15만개로 선정하였다.
본 연구에서는 상용코드를 통해 KSLV-II 1단 노즐을 3가지 동결 유동 조건으로 계산하여 적합한 입구 조건을 결정하였다. 작동 유체는 실제 KSLV-II 엔진에 사용되는 추진제를 사용하였다. 계산에 사용된 물성치들은 NASA CEA 코드[17]를 통해 얻은 값을 이용하였다.
또한 보다 정확한 박리 및 성능예측을 위해 난류 모델을 평가하였고, SST k-ω 모델이 적합하다는 결과를 얻었다. 효율적인 해석을 위해 격자수에 따른 해석을 진행하여 최적 격자수 15만개를 선정하였다.
데이터처리
실제 상황과 근접한 입구 조건을 결정하기 위해 KSLV-II 1단 노즐을 계산하여 실제 설계 값과 비교하였다. 해석 도메인은 노즐 후류 유동이 충분히 발달할 수 있고 후류 유동의 간섭을 최소화할 수 있는 크기로 설정하였다.
해석 결과의 검증을 위해 inlet condition 3의 결과와 KSLV-II 1단 엔진의 설계값을 자세히 비교하였다. Table 7에 따르면 계산된 추력은 지상과 고고도 조건에서 각각 5.
이론/모형
특히 기존 벨 노즐과 비교하였을 때 듀얼 벨 노즐의 장점과 효율을 파악하기 위해 KSLV-II를 기반으로 진행하였다.
)는 Eq. 1과 같이 계산하며, 본 연구에서는 KSLV-II 2단 노즐의 팽창비를 사용하였다.
작동 유체는 실제 KSLV-II 엔진에 사용되는 추진제를 사용하였다. 계산에 사용된 물성치들은 NASA CEA 코드[17]를 통해 얻은 값을 이용하였다. Table 2에 비반응 단일화학종(non-reacting single-component) 모델의 해석 조건을 나타내었다.
난류 모델은 초음속 노즐 해석에 많이 사용되며 박리를 가장 잘 예측하는 것으로 알려져 있는 SST(Shear Stress Transport) k-ω[20]를 사용하였으며, Second order upwind scheme을 적용하였다.
해석은 상용코드인 ANSYS Fluent를 사용하였다. 압축성 유동에 적합한 density based solver를 사용하였고, 2D 축대칭 조건으로 정상상태 계산을 진행하였다.
성능/효과
실제 발사체를 완벽하게 모사하기는 어렵지만 근접하게 성능을 예측하기 위해 실제로 사용되는 추진제를 이용하여 계산을 수행하였다. 8화학종 동결유동 해석을 통해 0.27% 오차의 비추력과 1.6% 오차의 질량유량을 보이는 입구 조건을 얻었다. 또한 보다 정확한 박리 및 성능예측을 위해 난류 모델을 평가하였고, SST k-ω 모델이 적합하다는 결과를 얻었다.
k-ε과 S-A 모델은 변곡점을 지나 유동이 조금 더 흐른 뒤 대기압으로 회복되었고, S-A 모델보다 k-ε 모델이 더 빠르게 회복되었다.
결과적으로 출구 압력, 유동장 형태, 벽 압력 분포로부터 KSLV-II 1단 노즐은 해수면에서 과소팽창이 발생하지 않을 것이고, 본 연구의 듀얼 벨 노즐은 베이스 노즐이 KSLV-II 1단 노즐과 동일하기 때문에 해수면 조건에서는 변곡점에서 박리가 발생할 것이다.
5%로 점차 줄어들었다. 그리고 KSLV-II 1단 노즐의 계산된 추력 및 비추력은 설계 값보다 5.7%, 0.27% 작았다. KSLV-II 1단 노즐의 해석 오차는 앞에서 언급하였다.
듀얼 벨 노즐의 경우 S-A 모델에서 SST k-ω 모델로 갈수록 추력과 비추력이 증가하였으며, 설계 값과의 오차는 각각 9.9%, 8.7%, 7.5%로 점차 줄어들었다.
따라서 성능적인 측면을 고려하더라도 SST k-ω 모델이 듀얼 벨 노즐의 성능 및 박리 예측에 적합할 것으로 판단된다.
6% 오차의 질량유량을 보이는 입구 조건을 얻었다. 또한 보다 정확한 박리 및 성능예측을 위해 난류 모델을 평가하였고, SST k-ω 모델이 적합하다는 결과를 얻었다. 효율적인 해석을 위해 격자수에 따른 해석을 진행하여 최적 격자수 15만개를 선정하였다.
본 논문에서 설계한 듀얼 벨 노즐의 최적천이고도는 약 10 km로 추정하고 있으며, S-A 모델의 경우 최적천이고도보다 낮은 고도에서 천이가 시작됐으므로 성능 손실 구간에 위치해있기 때문에 변곡점에서 박리가 일어난 SST k-ω 모델보다 추력이 작게 계산된 것으로 판단된다.
두 노즐의 성능은 모두 설계 값보다 작게 계산되었다. 질량유량은 모든 모델에서 서로 일치하였고 설계 값과 비교하였을 때 약 1.6%의 오차를 보였다. 듀얼 벨 노즐의 경우 S-A 모델에서 SST k-ω 모델로 갈수록 추력과 비추력이 증가하였으며, 설계 값과의 오차는 각각 9.
또한 질량유량의 변화가 없으면 수렴했다고 판단하였다. 해석 결과 Fig. 14와 같이 격자수가 증가함에도 추력과 질량유량, 비추력은 일정하였다. Fig.
해석 결과 inlet condition 1, 2보다 비추력과 질량유량 측면에서 inlet condition 3이 실제 설계 값에 더 근접하였다. 따라서 inlet condition 3이 앞으로 진행할 해석에 적합하다고 판단하였다.
후속연구
이러한 불균일 혼합특성은 연소 효율을 감소시키고, 이는 곧 특성 속도의 감소로 이어진다. 따라서 동결유동이 아닌 이동평형 조건으로 계산을 수행하고, 연소실과 노즐 내부에서 연소가스의 불균일 혼합특성을 고려한다면 좀 더 정확한 예측이 가능할 것이라 판단된다. 그러나 본 연구 및 향후 진행할 연구는 연소실의 성능 예측보다 노즐의 효율을 보는 것이 목적이다.
발사체의 발사비용은 수백억 원, 많게는 수천억 원 가량의 고가이기 때문에 효율과 비용 절감 측면을 고려하지 않을 수 없다. 발사체의 성능이 향상된다면 더 많은 탑재물을 궤도에 투입하거나 다양한 임무를 수행할 수 있고, 추가적인 비용이 발생하는 것을 방지할 수도 있다. 발사체의 성능에 영향을 미치는 요소는 발사체 자체의 운용과도 관련이 있지만 엔진 자체의 성능도 무시할 수 없다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
듀얼 벨 노즐의 특징은 무엇인가?
여러 고도 보정 노즐 중에서 듀얼 벨 노즐은 상당히 많은 연구가 진행된 노즐이다[2]. 듀얼 벨 노즐은 통상적으로 사용되는 벨 노즐의 끝단에 팽창비가 더 큰 벨 노즐을 결합하여 단순히 형상과 압축성 유체의 특성만으로 성능 향상을 꾀하는 특징을 갖고 있다[3]. 하지만 노즐이 추가적으로 연장되기 때문에 엔진 무게 증가라는 단점이 있고, 노즐과 노즐을 연결하는 변곡점(inflection point) 부분의 제작과 냉각 문제, 박리에 따른 노즐 내부 유동의 불안정성, 박리의 불균형에 따른 측하중(side load) 등 해결해야할 기술적 과제들이 남아있다.
발사체의 성능의 향상이 가져오는 이점은 무엇인가?
발사체의 발사비용은 수백억 원, 많게는 수천억 원 가량의 고가이기 때문에 효율과 비용 절감 측면을 고려하지 않을 수 없다. 발사체의 성능이 향상된다면 더 많은 탑재물을 궤도에 투입하거나 다양한 임무를 수행할 수 있고, 추가적인 비용이 발생하는 것을 방지할 수도 있다. 발사체의 성능에 영향을 미치는 요소는 발사체 자체의 운용과도 관련이 있지만 엔진 자체의 성능도 무시할 수 없다.
듀얼 벨 노즐의 문제점은 무엇인가?
듀얼 벨 노즐은 통상적으로 사용되는 벨 노즐의 끝단에 팽창비가 더 큰 벨 노즐을 결합하여 단순히 형상과 압축성 유체의 특성만으로 성능 향상을 꾀하는 특징을 갖고 있다[3]. 하지만 노즐이 추가적으로 연장되기 때문에 엔진 무게 증가라는 단점이 있고, 노즐과 노즐을 연결하는 변곡점(inflection point) 부분의 제작과 냉각 문제, 박리에 따른 노즐 내부 유동의 불안정성, 박리의 불균형에 따른 측하중(side load) 등 해결해야할 기술적 과제들이 남아있다.
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