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막냉각 및 재생냉각 난류유동 원문보기

기계저널 : 大韓機械學會誌, v.56 no.9, 2016년, pp.49 - 53  

박태선 (경북대학교 기계공학부)

초록
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액체로켓엔진은 연소실의 온도가 약 3,600K로서 냉각시스템은 필수적이다. 지금까지 대표적으로 사용되어온 냉각방법은 재생냉각과 막냉각으로 아임계압력에서 다양한 실험연구에 의해서 설계가 진행되어 왔다. 아임계압력에서 얻어진 유동구조 이해 및 설계경험식은 초임계 압력에서는 물성치가 급격히 변하기 때문에 재정립될 필요가 있다. 특히 열전달 성능을 좌우하는 난류유동구조가 크게 바뀌기 때문에 초임계 유체에 대한 난류유동 및 열전달연구가 진행될 필요가 있다. 이 글에서는 초임계 압력조건에서 난류열전달 연구동향을 소개하고자 한다.

AI 본문요약
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제안 방법

  • 그림 4는 아임계조건의 KSR-III 로켓엔진에 대한 분무 연소해석 및 막냉각 해석 연구를 보여준다. 이 연구에서 실제조건 로켓엔진의 분무형태와는 많은 차이가 있지만 분사면에서 액적의 분포를 가정함으로써 충돌형 분사기가 해석에 구현되었고, 벽면으로 연료 액적을 분사시켜는 방법으로 막냉각 효과를 해석하여 냉각유량의 변화에 의한 열전달 효과의 상관성을 조사하였다. KSR-III와 같이 아임계 압력조건에서 작동 하는 연소기의 연소특성은 액체연료의 미립화과정과 연료액적의 증발과정에 의해서 지배된다.

이론/모형

  • 이러한 접근방법은 그 후 막냉각 열전달구조 연구에서 폭넓게 수용되었다. 한편, 저추력, 낮은 압력 로켓노즐에서 열전달계수를 결정하기 위해 Schoenman and Block(1967)은 노즐을 층류와 난류 영역으로 나누어서 1차원적인 난류 Bartz방정식을 사용하였다. 이러한 방식의 연구에 의해서 막냉각효율이 고온가스유량에 대한 냉각유량의 비, 분사위치로부터의 거리, 분사속도 등에 관계함을 간단한 형상에 대해서 보여주었고 경험식을 구축하여 왔다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
우주선 로켓엔진의 재생냉각은 어떻게 이뤄지는가? 재생냉각은 연료를 연소실에 보내기 전에 연소기 벽면을 냉각하는 데 사용하고 온도가 높아진 상태에서 연소가 이루어지는 형태이다. 연소실에 발생되는 열을 연소반응에 참여하는 연료의 내부에너지를 높이고 벽면냉각에 활용하기 때문에 연소효율이 높은 시스템이 구성된다.
막냉각의 단점은 무엇인가? 큰 엔진에 적합한 냉각방법은 연료를 냉각제로 이용하여 연소실을 냉각시키고 내부에너지가 높아진 상태에서 연소에 사용되는 대류열전달의 평형관계에 근거한 재생냉각(regenerative cooling)이다. 연소실 벽에 연료를 직접 분사하는 막냉각(film cooling)의 경우 추력성능을 저하시킬 수 있는 단점이 있다. 이러한 각각의 방법들은 적용성의 한계와 특징이 있기 때문에 일반적으로 열하중이 집중되는 연소실과 노즐벽면의 주된 냉각방법은 전열성능이 큰 재생냉각을 이용하고 보조적으로 막냉각을 이용하는 방법이 일반적이다.
로켓엔진에 재생냉각을 사용할 경우 얻는 이점은 무엇인가? 재생냉각은 연료를 연소실에 보내기 전에 연소기 벽면을 냉각하는 데 사용하고 온도가 높아진 상태에서 연소가 이루어지는 형태이다. 연소실에 발생되는 열을 연소반응에 참여하는 연료의 내부에너지를 높이고 벽면냉각에 활용하기 때문에 연소효율이 높은 시스템이 구성된다. 그렇지만 연소실 벽면을 냉각할 때 연료의 온도는 기체가 되지 않는 조건으로 설계되어야 벽면냉각이 원활하게 이루어질 수 있다.
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