[논문]팽창비가 고정된 듀얼 벨 노즐의 천이특성에 대한 수치해석 연구

최준섭; 허환일

doi:10.6108/kspe.2017.21.3.068

팽창비가 고정된 듀얼 벨 노즐의 천이특성에 대한 수치해석 연구
Numerical Study on Transition Characteristics of Dual Bell Nozzle with Expansion Ratio Fixed 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.21 no.3, 2017년, pp.68 - 75

최준섭 (Department of Aerospace Engineering, Graduate School at Chungnam National University) , 허환일 (Department of Aerospace Engineering, Chungnam National University)

초록
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듀얼 벨 노즐은 고도 보정 노즐의 일종으로 일반적인 벨 노즐의 탈설계점에서의 비추력 손실을 최소화할 수 있는 노즐이다. 본 논문에서는 팽창비가 고정된 듀얼 벨 노즐의 천이특성을 파악하기 위하여 전산수치해석을 수행하였다. 주요 설계변수로는 확장부 길이와 변곡각 크기를 선정하였다. 확장부 길이가 증가할수록 천이고도 및 천이지속시간은 증가하였고, 추력계수 감소폭은 감소하였다. 변곡각 크기가 증가할수록 천이고도 및 천이지속시간은 감소하였고, 추력계수 감소폭은 증가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Dual bell nozzle is a type of altitude compensation nozzle, which is a nozzle that minimize the losses of the specific impulse at the off-design point of a typical bell nozzle. In this paper, numerical computations are performed to understand the transition characteristics of dual bell nozzles with fixed expansion ratios. The major design variables are the length of extension and the angle of inflection. As the length of the extension increased, the transition altitude and transition duration increased and the reduction of the thrust coefficient decreased. As the angle of inflection increased, the transition altitude and transition duration decreased and the reduction of the thrust coefficient increased.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

특히 베이스 노즐은 한국형발사체 1단 노즐과 동일하게 설계하였고, 확장부는 2단 노즐의 팽창비를 차용하였다. 또한 다양한 설계변수 중에서 확장부 길이 변화와 변곡각의 크기 변화가 천이에 미치는 영향에 대해 파악하고자 하였다. 설계변수별로 천이고도가 다르기 때문에 각각의 천이 고도에 맞게 수치해석을 진행하였다.
본 논문에서는 듀얼 벨 노즐에 대한 기초연구로서 여러 설계 변수 중 노즐 팽창비를 고정한 상태에서 변곡각의 변화와 확장부의 길이가 천이에 미치는 영향에 대해 전산수치해석을 이용하여 분석하였다.
본 논문에서는 팽창비가 고정된 듀얼 벨 노즐의 천이특성을 다음과 같이 도출하였다.

가설 설정

3. Actual 천이는 설계변수와 관계없이 짧은 구간에서 빠르게 진행된다.

제안 방법

듀얼 벨 노즐의 천이특성을 살펴보기 위해 작동유체는 한국형발사체에 사용되는 추진제인 Jet A-1과 LOx로 선정하였다. CEA 코드를 사용하여 동결유동 조건으로 8가지 화학종 선정하여 입구 조건으로 결정하였다. 본 논문은 노즐에서의 유동 변화를 관찰하는 것이 중요한데, 선행연구 [10]를 통하여 동결유동으로 입구조건을 선정하는 것에 대한 타당성을 확인하여 동일한 조건으로 수치해석을 진행하였다.
듀얼 벨 노즐의 천이특성을 파악하기 위해 팽 창비를 고정한 상태에서 확장부 길이와 변곡각의 크기를 변경하여 노즐을 설계하였고, 상용코드를 활용하여 전산수치해석을 수행하였다. 특히 베이스 노즐은 한국형발사체 1단 노즐과 동일하게 설계하였고, 확장부는 2단 노즐의 팽창비를 차용하였다.
선행연구[10]에서는 한국형발사체 2단 노즐의 길이가 1단 노즐에 비해 상당히 길기 때문에 무게 증가 및 천이 고도가 감소하는 문제점을 지적하였다. 따라서 확장부 길이를 베이스 노즐 길이와 동일하게 설계한 후 확장부의 길이를 조절하였다. Fig.
변곡각 크기에 따른 천이특성을 파악하기 위해 베이스 노즐과 확장부의 팽창비를 고정하고, 확장부 길이가 동일한 상태에서 변곡각 크기에 따라 수치해석을 고도별 수치해석을 진행하였다. DB0824 모델의 유동은 Fig.
CEA 코드를 사용하여 동결유동 조건으로 8가지 화학종 선정하여 입구 조건으로 결정하였다. 본 논문은 노즐에서의 유동 변화를 관찰하는 것이 중요한데, 선행연구 [10]를 통하여 동결유동으로 입구조건을 선정하는 것에 대한 타당성을 확인하여 동일한 조건으로 수치해석을 진행하였다.
본 연구에서는 한국형발사체의 1단 노즐을 기반으로 하여 듀얼 벨 노즐을 설계하였다. Fig.
또한 다양한 설계변수 중에서 확장부 길이 변화와 변곡각의 크기 변화가 천이에 미치는 영향에 대해 파악하고자 하였다. 설계변수별로 천이고도가 다르기 때문에 각각의 천이 고도에 맞게 수치해석을 진행하였다.
듀얼 벨 노즐의 천이특성을 파악하기 위해 팽 창비를 고정한 상태에서 확장부 길이와 변곡각의 크기를 변경하여 노즐을 설계하였고, 상용코드를 활용하여 전산수치해석을 수행하였다. 특히 베이스 노즐은 한국형발사체 1단 노즐과 동일하게 설계하였고, 확장부는 2단 노즐의 팽창비를 차용하였다. 또한 다양한 설계변수 중에서 확장부 길이 변화와 변곡각의 크기 변화가 천이에 미치는 영향에 대해 파악하고자 하였다.
팽창비가 고정된 듀얼 벨 노즐에 대해 확장부 길이와 변곡각 크기가 천이에 미치는 영향에 대한 분석하였고, Fig. 12~13에 추력계수와 비추력을 종합적으로 비교하였다.
해석 도메인은 노즐 후류 유동이 충분히 발달 할 수 있도록 하기 위해 가로는 노즐 출구 반경의 150배, 세로는 노즐 출구 반경의 50배의 크기로 설정하였다. 경계층을 충분히 고려할 수 있도록 노즐 벽면에서의 y⁺ 값은 1이하로 설정하였다.
확장부 길이에 따른 천이특성을 파악하기 위해 베이스 노즐과 확장부의 팽창비를 고정하고 고도에 따라 수치해석을 진행하였다.
한국형 발사체 1단 노즐의 제원[11, 12]과 설계 방법[13]은 공개된 자료를 참조하였다. 확장부는 한국형 발사체 2단 노즐의 팽창비만을 차용하여 설계하였다. 선행연구[10]에서는 한국형발사체 2단 노즐의 길이가 1단 노즐에 비해 상당히 길기 때문에 무게 증가 및 천이 고도가 감소하는 문제점을 지적하였다.

대상 데이터

난류모델은 선행연구[10]의 난류모델 평가 결과를 참조하여 SST k-ω 모델을 선정하였고, second order upwind scheme을 적용하였다. 격자의 개수 또한 선행연구[10]의 격자 민감도 해석 결과를 바탕으로 약 15만개로 구성하였다. 연소실 압력은 한국형발사체와 동일하게 60 bar를 적용하였다.
듀얼 벨 노즐의 천이특성을 살펴보기 위해 작동유체는 한국형발사체에 사용되는 추진제인 Jet A-1과 LOx로 선정하였다. CEA 코드를 사용하여 동결유동 조건으로 8가지 화학종 선정하여 입구 조건으로 결정하였다.

이론/모형

난류모델은 선행연구[10]의 난류모델 평가 결과를 참조하여 SST k-ω 모델을 선정하였고, second order upwind scheme을 적용하였다.
수치해석은 상용코드인 Ansys Fluent를 사용하여 2차원 축대칭 조건으로 정상상태 계산을 수행하였다. 난류모델은 선행연구[10]의 난류모델 평가 결과를 참조하여 SST k-ω 모델을 선정하였고, second order upwind scheme을 적용하였다.

성능/효과

1. 확장부 길이가 감소하면 천이고도가 증가하고, 넓은 구간에 걸쳐 sneak 천이가 진행된다. Actual 천이 시 추력계수의 감소폭이 줄어든다.
2. 팽창비가 고정된 상태에서 변곡각의 크기만 증가시키면 천이고도는 감소하게 된다. 저고도에서 베이스 노즐만 작동할 때 추력계수는 유사한 경향을 보인다.
본 논문에서는 팽창비를 고정한 상태에서 변곡 각의 크기를 증가하였는데, 천이 NPR이 오히려 감소하는 결과를 보이고 있다. 따라서 천이 NPR 증가를 목적으로 변곡각의 크기를 변경한다면, 팽창비도 증가시켜야 한다는 결론을 도출할 수 있다.
2 km까지 진행되면서 천이지속시간은 증가하는 것을 볼 수 있다. 또한 sneak 천이 시작지점에서의 박리점 위치가 변곡점에서 떨어져 후류 방향으로 이동한 상태에서 진행됨을 알 수 있다. 앞에서 천이지속시간이 길어지면 노즐 벽면의 측하중이 감소한다는 결과를 언급한바 있다.
10 과 같다. 우선 sneak 천이가 시작된 고도가 변곡각 크기를 줄일 모델이 상승하는 것을 확인할 수 있다. 하지만 sneak 천이가 4 km에서 시작되어 5.
6 km에서 천이가 완료되었다. 확장부 길이가 길어진 DB0824 모델의 경우 DB0724 모델에 비해 천이가 시작된 고도가 1.5 km 낮아진 결과를 보였다. 이것은 DLR의 확장부 길이가 길어질수록 천이 NPR이 낮아진다는 결과[8]와 동일한 경향성을 보이고 있다.

후속연구

향후 베이스 노즐 및 팽창비를 변경한 연구를 통해 설계변수별 천이특성을 파악하고, 어떤 설계 변수가 천이고도 변화에 지배적인지에 대해 확인할 계획이다. 또한 비정상상태 수치해석을 통해 천이지속시간과 노즐 벽면에 작용하는 측하중에 대한 연구도 필요할 것으로 판단된다.
앞에서 천이지속시간이 길어지면 노즐 벽면의 측하중이 감소한다는 결과를 언급한바 있다. 변곡각의 크기가 줄어들 경우 천이지속시간은 증가하지만 박리점이 후류 방향으로 이동해 있는 것이 측하중에 어떤 영향을 미치는지에 대 해서 실험 등에 대한 연구가 추가로 필요할 것으로 판단된다. DLR에서는 듀얼 벨 노즐의 천이에 대한 실험 연구[8]를 통해 변곡각과 팽창비가 증가하면 천이 NPR이 증가한다고 밝히고 있다.
그런데 DLR에서는 확장부 길이가 짧아져 천이지속시간이 증가하면 노즐 벽면에 작용하는 측하중이 감소한다고 밝혔다. 이 부분은 비정상상태 수치해석 및 실험을 통해 추후 확인이 필요할 것으로 판단된다.
반면에 팽창비를 고정한 상태에서 확장부 길이를 감소시키면 천이 NPR 증가 및 actual 천이 시 추력계수 감소폭도 작아진다. 추력계수 측면에서 볼 때 확장부 길이 감소는 긍정적인 요인으로 작용하지만, 천이지속시간 증가가 노즐에 미치는 영향에 대해 추가적인 연구가 필요하므로 확장부 길이 감소가 반드시 장점이라고 할 수 없다고 판단된다.
9의 노즐 벽면 압력 분포에서도 이를 확인할 수 있다. 특히 sneak 천이가 진행되는 동안에 유동 박리점이 변곡점 부근에 머무르다가 actual 천이시 상당한 거리를 이동하게 되는데, 이 현상이 노즐 벽면 측하중 증가에 영향을 미치는 원인이 되는지에 대해서도 추가적인 연구가 필요하다고 판단된다.
향후 베이스 노즐 및 팽창비를 변경한 연구를 통해 설계변수별 천이특성을 파악하고, 어떤 설계 변수가 천이고도 변화에 지배적인지에 대해 확인할 계획이다. 또한 비정상상태 수치해석을 통해 천이지속시간과 노즐 벽면에 작용하는 측하중에 대한 연구도 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	듀얼 벨 노즐에 사용되는 두 개의 벨노즐을 설명하라.	1과 같다[4]. 변곡점을 기준으로 노즐 목과 가까운 팽창비가 작은 부분을 베이스 노즐(base nozzle)이라 하고, 변곡점 이후 노즐 출구까지 팽창비가 큰 부분을 확장부(extension)라 한다. 변곡각(inflection angle, α)은 베이스 노즐 끝의 팽창각과 확장부 시작점의 확산각의 차로 정의한다.
	고도 보정 노즐의 효율을 증가시키는 방법은 무엇인가?	고도 보정 노즐은 통상적으로 사용되는 벨 노즐과 달리 고도에 따라 추력계수를 향상시켜 성능 효율을 증가시킬 수 있다. 일반적인 벨 노즐은 운용 중에 형태가 변하지 않으므로 과소팽창이나 과대팽창과 같이 탈설계점에서의 성능 손실이 존재한다.
	일반적인 벨 노즐의 단점은 무엇인가?	고도 보정 노즐은 통상적으로 사용되는 벨 노즐과 달리 고도에 따라 추력계수를 향상시켜 성능 효율을 증가시킬 수 있다. 일반적인 벨 노즐은 운용 중에 형태가 변하지 않으므로 과소팽창이나 과대팽창과 같이 탈설계점에서의 성능 손실이 존재한다. 하지만 고도 보정 노즐의 경우 노즐 형상의 변경 또는 구조물을 추가함으로써 성능 손실을 줄일 수 있다.

참고문헌 (14)

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상세보기
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원문보기 상세보기
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원문보기 상세보기
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Frey, M. and Hagemann, G., "Critical Assessment of Dual-Bell Nozzles," Journal of Propulsion and Power, Vol. 15, No. 1, pp. 137-143, 1999.

상세보기
Genin, C. and Stark, R., "Experimental Study on Flow Transition in Dual Bell Nozzles," Journal of Propulsion and Power, Vol. 26, No. 3, pp. 497-502, 2010.

상세보기
Genin, C., Stark, R., Karl, S. and Schneider, D., "Numerical Investigation of Dual Bell Nozzle Flow Field," 48th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, G.A., U.S.A., AIAA 2012-4164, Sep. 2012.
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Choi, H., Han, Y., Ryu, C. and Kim, S., "Analytic Considerations of Liquid Rocket Engine Thrust Chamber Design for the KSLV-II," Journal of The Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 14, No. 4, pp. 71-80, 2010.
Kim, S., Moon, Y. and Park, T., "Development of Chemical Equilibrium CFD Code for Performance Prediction and Optimum Design of LRE Thrust Chamber," Journal of The Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 9, No. 1, pp. 1-8, 2005.
Genin, C. and Stark, R., "Side Loads in Dual Bell Nozzles, Part 2 Design Parameters," 46th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, Nashville, T.N., U.S.A., AIAA 2010-6730, Jul. 2010.

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