[논문]작동 고도에 따른 관통형 핀틀 노즐의 추력 특성 연구

정기연; 홍지석; 허준영; 성홍계; 양준서; 하동성

doi:10.6108/kspe.2016.20.4.059

작동 고도에 따른 관통형 핀틀 노즐의 추력 특성 연구
Thrust Characteristics of Through-type Pintle Nozzle at Operating Altitudes Conditions 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.20 no.4, 2016년, pp.59 - 67

정기연 (Currently Core Tech R&D Lab, LIG Nex1 Co., Ltd.) , 홍지석 (Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Korea Aerospace University) , 허준영 (The 4th R&D Institute - 1st Directorate, Agency for Defense Development) , 성홍계 (School of Mechanical and Aerospace Engineering, Korea Aerospace University) , 양준서 (The 4th R&D Institute - 1st Directorate, Agency for Defense Development) , 하동성 (The 4th R&D Institute - 1st Directorate, Agency for Defense Development)

초록
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작동 고도에 따라 노즐 내부에서 박리유동이 발생 또는 미발생 하는 관통형 핀틀노즐의 추력의 특성을 파악하기 위해 수치적 연구를 수행하였다. 난류모델은 저 레이놀즈 수 $k-{\varepsilon}$ 모델과 압축성 보정 모델인 Sarkar 모델을 적용하여, 핀틀 노즐의 내부 유동장을 관찰하고 노즐 벽면에서의 압력을 실험데이터와 비교하였다. 작동고도가 높아질수록 외기의 압력은 낮아지므로 낮은 고도에서의 유동 박리는 사라지고 제트의 팽창은 커진다. 추력특성을 분석하기 위해 추력을 추력의 모멘텀항과 압력항으로 나누어 분석하였다. 고도가 높아질수록 저고도에서의 박리로 인해 감소된 압력회복이 증가하고, 추력의 압력항이 증가하여 추력과 추력계수는 증가한다. 고도 20 km 조건에서는 지상에 비해 추력과 추력계수가 약 9% 증가한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Numerical simulations have been performed to investigate thrust characteristics of a through-type pintle nozzle with or without flow separation at various operating altitudes. The low Reynolds number $k-{\varepsilon}$ with compressibility correction proposed by Sarkar are applied. The detail flow structures are observed and static pressures along nozzle wall are compared with experimental results. The flow separation in the pintle nozzle disappears and jet plume strongly expands as its operating altitude increases. To evaluate the thrust characteristics, the momentum term and pressure term of thrust are analyzed. Thrust and thrust coefficient at altitude 20 km are about 10% more than them at the ground 0km.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 관통형 핀틀 노즐의 작동고도에 따른 추력 특성을 분석하였다. 작동고도는 0, 20, 40, 80 km의 4가지를 고려하였으며 해수면 조건의 노즐 압력분포는 실험과 비교, 검증하였다.
핀틀 노즐은 일반 노즐 보다 노즐 내부에서 박리유동이 더 쉽게 발생할 수 있다. 본 연구에서는 작동고도별 추력의 특성을 분석하였다. 추력은 모멘텀항과 압력항으로 구분하여 외기의 압력변화에 따른 지배적인 인자를 확인하고 박리를 포함한 추력계수의 변화경향을 도출하였다.
이러한 충격파와 박리유동의 간섭으로 인해 경계층 내에서 난류유동이 발생하고, 유동이 불안정해진다. 핀틀 움직임에 의해 발생되는 박리유동에 적합한 2-방정식 난류모델을 선택하기 위해 압축성계수 보정모델에 따른 박리특성을 연구하였다[11].

제안 방법

5는 노즐 출구에서의 속도 분포를 나타낸 것이다. 속도의 크기차이를 비교하기 위해 고도 20 km 조건에서의 최대 출구속도로 나누어 표시하였다. 고도 20 km에서 해수면보다 전 노즐 출구 영역에서 속도가 크다.
연소실 입구조건은 실험에서 오리피스를 통해 공급되는 전압력을 적용하였다. 중심축에서는 질 유량이 중심축으로 통과하지 않토록 하였으며, 출수에서는 외기압력을 사용하였다.
위의 지배방정식을 3차원 격자로 생성하되 접선방향은 3개의 격자로 생성하고 좌우의 경계면은 대칭 경계 조건을 적용하였다. 시간적분을 위하여 LU-SGS (Lower-Upper Symmetric-Gauss-Seidel) 기법을 적용하였다.
그리고 중국의 Northwestern Polytechnical University에서는 ALE (Arbitray Lagrangian-Eulerian) 기법을 적용한 핀틀 로켓모터의 비정상 수치해석을 수행하였다. 이동격자를 사용하여 핀틀의 이동속도 및 노즐 내부의 체적변화를 고려하여 핀틀 로켓모터의 추력 제어 과정의 동특성 연구를 수행하였다[5]. 국내에서는 핀틀 형상과 핀틀이동에 따른 실험적 연구와 핀틀 형상이 노즐 성능에 미치는 영향을 수치해석적으로 평가하였다[6].
본 논문에서는 관통형 핀틀 노즐의 작동고도에 따른 추력 특성을 분석하였다. 작동고도는 0, 20, 40, 80 km의 4가지를 고려하였으며 해수면 조건의 노즐 압력분포는 실험과 비교, 검증하였다. 해수면에서는 노즐에서 박리 유동이 발생하며 그로 인해 외기유동이 노즐에 유입된다.
본 연구에서는 작동고도별 추력의 특성을 분석하였다. 추력은 모멘텀항과 압력항으로 구분하여 외기의 압력변화에 따른 지배적인 인자를 확인하고 박리를 포함한 추력계수의 변화경향을 도출하였다.
작동고도가 증가하면 외기의 압력이 감소하여 노즐에서의 박리특성이 사라진다. 추력은 모멘텀항과 압력항으로 구분하여 작동 고도에 따른 특성을 분석하였다. 박리가 발생하는 해수면의 경우 외기의 유입으로 인해 추력의 압력항이 음수를 나타내며 작동고도가 증가하면 박리가 사라지면서 추력의 압력항이 양수를 나타낸다.
작동 고도가 높아질수록 추력의 크기는 증가하다가 일정해지는 것을 알 수 있다. 추력의 증가 원인을 분석하기 위해 작동 고도별 추력의 모멘텀항과 압력항을 나누어 표시하였다.
x축은 노즐 목에서 출구까지의 거리를 무차원화 한 것이고 y축은 노즐 벽면에서의 압력을 나타낸 것이다. 해수면 조건에서는 공압실험을 수행한 결과와 수치해석 결과를 비교하였다. Fig.

대상 데이터

노즐 목의 크기가 가장 작을 때 핀틀이 위치하며 격자구성 측면에서는 난류의 생성과 소멸, 그리고 박리영역의 유동특성을 정확하게 모사하기 위하여 벽면에서 격자는 y⁺=1로 생성하였다. 계산영역은 총 6개의 블록이며 격자수는 약 33,000개로 구성하였다. 핀틀 형상은 선행연구를 통해 연구를 수행한 관통형 핀틀 노즐 중에서 핀틀 위치에 대해 연속적인 추력변화 경향을 나타내는 형상을 선택하였다[10].
계산영역은 총 6개의 블록이며 격자수는 약 33,000개로 구성하였다. 핀틀 형상은 선행연구를 통해 연구를 수행한 관통형 핀틀 노즐 중에서 핀틀 위치에 대해 연속적인 추력변화 경향을 나타내는 형상을 선택하였다[10].

이론/모형

셀 경계에서 플럭스 계산을 위해 AUSMPW+기법을 이용하였고, 유동변수에 대한 MUSCL 외삽 기법을 이용하여 고차의 공간 정확도를 갖게 하였다. 그리고 광범위한 마하수와 세장비가 다양한 격자크기에 안정적 수치해를 얻기 위하여 예조건(preconditioning) 기법을 사용하였다[16]. 예조건 기법은 비정상 Navier-Stokes 방정식에서 유동변수 벡터의 시간 미분항에 인공적인 예조건 행렬을 곱하여 시간전진기법을 이용하여 해를 구하는 방법이다.
낮은 마하수에서 나타나는 압력항의 특이성을 피하기 위해 압력항을 기준압력과 섭동압력으로 분리하였고, 핀틀 노즐 내부에서 발생되는 박리와 충격파구조는 수렴성에 악영향으로 장시간의 계산이 요구되므로 고속 고효율의 계산기법이 요구된다. 따라서 본 연구에서는 분할된 영역마다 전체의 프로세서에 할당하여 전체 계산 속도를 빠르게 하는 다중블록/다중영역 분할 기법을 적용하였다.
시간적분을 위하여 LU-SGS (Lower-Upper Symmetric-Gauss-Seidel) 기법을 적용하였다. 셀 경계에서 플럭스 계산을 위해 AUSMPW+기법을 이용하였고, 유동변수에 대한 MUSCL 외삽 기법을 이용하여 고차의 공간 정확도를 갖게 하였다. 그리고 광범위한 마하수와 세장비가 다양한 격자크기에 안정적 수치해를 얻기 위하여 예조건(preconditioning) 기법을 사용하였다[16].
위의 지배방정식을 3차원 격자로 생성하되 접선방향은 3개의 격자로 생성하고 좌우의 경계면은 대칭 경계 조건을 적용하였다. 시간적분을 위하여 LU-SGS (Lower-Upper Symmetric-Gauss-Seidel) 기법을 적용하였다. 셀 경계에서 플럭스 계산을 위해 AUSMPW+기법을 이용하였고, 유동변수에 대한 MUSCL 외삽 기법을 이용하여 고차의 공간 정확도를 갖게 하였다.
핀틀에 의해 발생되는 복잡한 충격파구조로 인한 난류특성의 정확한 수치모사를 위해서 박리유동에 대한 적용성이 우수한 Yang and Shih에 의해 제안된 저 레이놀즈수 k-ε 난류 모델을 사용하였고[12,13] 난류 모델에 대하여 Sarkar에 의해 제안된 압축성효과 보정을 적용하였다[14,15].

성능/효과

9는 해수면조건에서 핀틀의 초기 위치(0 mm)에서의 추력을 기준으로 각 고도, 핀틀 위치에서의 상대적인 추력 크기와 각각의 추력 계수를 나타낸 결과이다. 해수면보다 고도 20 km 위치의 추력이 전체적으로 15% 정도 높게 나타났으며, 두 조건 모두 30 mm 위치에서 추력이 감소하는 모습을 보인다. 이는 핀틀 위치 30 mm에서 노즐 내부에서는 박리유동이 발생하며, 추력의 유효면적(effective area)이 감소하면서 추력이 감소하기 때문이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	핀틀 형상과 핀틀이동에 따른 실험적 연구 결과와 노즐 성능에 미치는 영향은 어떠한가?	국내에서는 핀틀 형상과 핀틀이동에 따른 실험적 연구와 핀틀 형상이 노즐 성능에 미치는 영향을 수치해석적으로 평가하였다[6]. 연소실 내부의 핀틀을 갑작스럽게 이동시키면 유동장이 급격히 변하여 압력진동유발 및 연소현상 변화를 가져오며, 연소실 내부의 핀틀 위치에 따라 핀틀과 노즐에 복잡한 충격파와 박리유동이 형성된다[7-10]. 이러한 충격파와 박리유동의 간섭으로 인해 경계층 내에서 난류유동이 발생하고, 유동이 불안정해진다.
	핀틀노즐은 무엇인가?	고체추진기관 추력 크기를 조절하는 방법 중에서 연속적인 추력조절을 위하여 핀틀노즐을 사용할 수 있다. 핀틀노즐은 노즐 목 부근에 핀틀을 설치하여 핀틀의 형상이나 위치에 따라 노즐 목 면적을 조절하는 시스템이다. 변화된 노즐 목 면적은 추력의 크기를 변화시켜 추력제어에 용이하다.
	예조건 기법은 무엇인가?	그리고 광범위한 마하수와 세장비가 다양한 격자크기에 안정적 수치해를 얻기 위하여 예조건(precondi-tioning) 기법을 사용하였다[16]. 예조건 기법은 비정상 Navier-Stokes 방정식에서 유동변수 벡터의 시간 미분항에 인공적인 예조건 행렬을 곱하여 시간전진기법을 이용하여 해를 구하는 방법이다. 이중시간전진기법은 낮은 마하수 영역에서 내부 반복계산으로 수렴성을 높인 방법이다.

참고문헌 (16)

Kim, J.K. and Lee, Y.W., "The Study on Determination Method of Initial Optimal Nozzle Expansion Ratio in Pintle Solid Rocket Motor," Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Science, Vol. 39, No. 8, pp. 744-749, 2011.

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Lafond, A., "Numerical Simulation of the Flowfield inside a Hot Gas Valve," 37th Aerospace Sciences Meeting & Exhibit, AIAA 99-1087, 1999.
Juan, L., Zhanli, W. and Kai, Z., "Numerical analysis on dynamic response characteristics of pintle-controlled solid rocket motor," Journal of Solid Rocket Technology, Vol. 32, No. 1, pp. 48-52, 2009.
Kim, J.G., "Study on the Effects of Pintle Shapes and Position in Nozzle Flowfield, and Thrust in a Solid Rocket Motor with Pintle Nozzle," Ph.D. Dissertation, Dep. of Mechanical Design Engineering, Chungnam National Univ., Daejeon, Korea, 2011.
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Heo, J.Y., Jeong, K.Y. and Sung, H.G., "Numerical Study on Dynamic Characteristics of Pintle Nozzle for Variant Thrust: Part 3," 40th The Korean Society of Propulsion Engineers Spring Conference, Busan, Korea, May. 2013.
Heo, J. Y., Jeong, K. Y. and Sung. H. G., "Numerical Study fo the Dynamic Characteristics of Pintle Nozzles for Variable Thrust," Journal of Propulsion and Power, Vol. 31, No. 1, pp. 230-237, 2015.

상세보기
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Menter, F.R., "Two-Equation Eddy-Viscosity Turbulence Models for Engineering Application," AIAA Journal, Vol. 32, No. 8, pp 1598-1605, 1994.

상세보기
Yang, Z. and Shih, T.H., "New Time Scale Based k- ${\varepsilon}$ Model for Near-Wall Turbulence," AIAA Journal, Vol. 31, No. 7, pp. 1191-1197, 1993.

상세보기
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상세보기
Wilcox, D.C. and Traci, R.M., "A Complete Model of Turbulence," AIAA Paper 76-351, San Diego, C.A., U.S.A., pp. 30, 1976.
Venkateswaran, S., Li, D. and Merkle, C.L., "Influence of Stagnation Ragions on Preconditioned Solutions at Low Speeds," Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, AIAA 2003-435, 2003.

저자의 다른 논문 :

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].

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