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문제 정의
- 다만 Fig. 11(b)의 확대된 디퓨저 입구부에서 다소 압력 차이를 보이는 것은 디퓨저 입구부에서 노즐에서 팽창된 유동이 반경 방향 성분을 갖게 되는데 디퓨저 입구부에 설치된 압력 센서 포트에 동압 성분이 부득이하게 포함되었기 때문에 나타난 현상으로 판단되며, 이러한 실험적 오차를 확인하기 위하여 동일한 압력비(P0/Pa)에서의 내부유동 특성을 확인해보았다. Fig.
- 본 연구는 디퓨저와 이젝터를 사용하는 고고도모사설비에 대한 연구의 일환으로서, 디퓨저의 배압(Pa)에 따른 시동 및 내부 유동특성을 수치해석과 실험으로 확인해보았다. 그 결과 디퓨저의 배압(Pa)과 노즐전단압력(P0), 압력비(P0/Pa)에 대한 진공챔버압력(Pc)과 내부유동특성을 다음과 같이 정리하였다.
제안 방법
- Fig. 3에 나타낸 바와 같이 상용격자 생성프로그램인 Gambit을 이용하여 약 9만개의 격자를 생성하고, Ansys Fluent V13을 이용하여 수치해석을 수행하였다. 디퓨저 형상은 축대칭이므로 2차원 axisymmetric 조건을 주었다.
- )에 따른 시동 및 내부 유동특성을 수치해석과 실험으로 확인해보았다. 그 결과 디퓨저의 배압(Pa)과 노즐전단압력(P0), 압력비(P0/Pa)에 대한 진공챔버압력(Pc)과 내부유동특성을 다음과 같이 정리하였다.
- 11은 동일한 압력비(P0/Pa)에서 계측된 디퓨저 벽면압력(Pwall)을 배압(Pa)으로 나누어 무차원화(Pwall/Pa) 하여 디퓨저 축방향에 따른 경향을 나타낸 것이다. 디퓨저에서 배압비는 성능에 영향을 주는 인자로 시동 전, 시동 점, 시동 후의 내부 압력 변화를 비교하기 위하여, 각 배압비는 약 30, 43, 60으로 설정하고, P0 10, 20, 30, 40 수준의 노즐 전단 압력 조건에서 배압 변화를 통해 일정한 수준으로 시험하고 결과를 비교하였다. 실험 결과를 통해서 Fig.
- 디퓨저의 노즐전단압력(P0)에 대하여 시동압력비((P0/Pa)st)를 찾기 위하여, 노즐전단압력(P0)을 10, 20, 30, 40 bar로 설정한 상태에서 이젝터를 이용해 디퓨저의 출구배압(Pa)을 낮추는 방식으로 실험을 수행하였다.
- 따라서 본 연구에서는 상온질소가스를 작동유체로 하는 디퓨저-이젝터 고공모사 설비를 이용하여, 디퓨저 출구배압(Pa)에 따른 디퓨저의 시동 특성을 실험적으로 분석하였다. 또한 실험결과분석만으로는 디퓨저 내부에서 발생하는 shock train, Mach disk, 정체현상 등을 확인하는데 한계가 있으므로, 수치해석적 연구를 통해 디퓨저 내부유동특성에 대해 고찰하였다.
- 3333px;">a)에 따른 디퓨저의 시동 특성을 실험적으로 분석하였다. 또한 실험결과분석만으로는 디퓨저 내부에서 발생하는 shock train, Mach disk, 정체현상 등을 확인하는데 한계가 있으므로, 수치해석적 연구를 통해 디퓨저 내부유동특성에 대해 고찰하였다.
- )조건을 낮추어가면서 수치해석을 수행하였다. 수치해석을 진행하면서 시동이 되는 배압(Pa)조건의 부근에서는 배압(Pa)을 좀 더 세밀하게 변경하면서 해석을 수행하였다.
- 실험과 함께 추가적으로 유동해석프로그램을 이용하여 배압(Pa)의 변화에 따른 디퓨저 내부의 shock train이나 복잡한 유동현상에 대하여 살펴보았으며, 노즐전단압력(P0)에 대하여 디퓨저가 시동되는 배압(Pa)을 찾기 위해서 노즐전단압력(P0)을 10, 20, 30 bar로 고정한 상태에서 배압(Pa)조건을 낮추어가면서 수치해석을 수행하였다. 수치해석을 진행하면서 시동이 되는 배압(Pa)조건의 부근에서는 배압(Pa)을 좀 더 세밀하게 변경하면서 해석을 수행하였다.
- 축소형 상온 시험장치에서 사용된 디퓨저 노즐 전단 압력은 액체 로켓 연소기 고공 환경 모사시험의 데이터로 활용 할 수 있도록 수행 하였기에 연소기의 연소압력인 30 bar를 기준으로 분석하였으며, 디퓨저 노즐전단압력(P0)이 10.3, 20.6, 30.8 bar일 때 배압(Pa)의 변화에 따른 디퓨저 벽면압력분포를 Fig. 4에 나타내었다. 디퓨저 노즐 전단압력(P0)이 30.
- 정상상태에서 초음속 유동을 살펴보기 위해 Density-based algorithm을 사용하였다. 해석 결과의 신뢰성 확보를 위해 격자계 해상도를 최대 20만개 이상에서 부터 줄여가며 유동해석 결과를 비교하여 수렴성 판단 작업을 수행하고, 해석 시간의 단축을 위하여 최소한의 격자계로 구성하였다. 디퓨저의 전반적인 성능특성을 파악하고, 실험값과 비교를 위하여 작동유체는 질소로 하였다.
대상 데이터
- 해석 결과의 신뢰성 확보를 위해 격자계 해상도를 최대 20만개 이상에서 부터 줄여가며 유동해석 결과를 비교하여 수렴성 판단 작업을 수행하고, 해석 시간의 단축을 위하여 최소한의 격자계로 구성하였다. 디퓨저의 전반적인 성능특성을 파악하고, 실험값과 비교를 위하여 작동유체는 질소로 하였다.
이론/모형
- 경계조건으로는 노즐 입구부분에서는 Pressure-inlet, 디퓨저 외기 부분에서는 Pressure-far-field 조건을 주었고 나머지는 wall로 지정하였다. 정상상태에서 초음속 유동을 살펴보기 위해 Density-based algorithm을 사용하였다. 해석 결과의 신뢰성 확보를 위해 격자계 해상도를 최대 20만개 이상에서 부터 줄여가며 유동해석 결과를 비교하여 수렴성 판단 작업을 수행하고, 해석 시간의 단축을 위하여 최소한의 격자계로 구성하였다.
- 해석에 사용된 난류모델은 디퓨저 내부의 초음속 유동장과 벽면에서의 점성효과를 잘 해석할 수 있다고 판단되는 k-ω SST 모델을 사용하였다.
성능/효과
- (1) 디퓨저 배압(Pa)이 낮아질수록 노즐을 통과한 유동은 더욱 팽창하여 흐르게 되며 shock train 영역이 디퓨저 후단까지 유지 된다.
- (3) 노즐압력(P0)에 관계없이 동일 형상을 가지는 디퓨저는 시동압력비((P0/Pa)st)가 일정하고, 수치해석과 실험결과는 약 5% 차이를 보인다.
- (5) 수치해석결과, 시동조건의 압력비(P0/Pa) 부근에서는 디퓨저 내부에 수직 충격파가 발생하는 것을 확인하였다.
- k-ω SST 모델은 항공우주산업과 터보기계분야에서 가장 널리 채택되는 모델로서, 역압력구배에서 믿을만한 결과를 보여주기 때문에 노즐 및 디퓨저 내부 벽면에서의 유동의 박리 등을 정확하게 예측할 수 있을 것으로 판단하였다.
- 7일 때 Mach number, Pressure contour를 축 방향에 따라 나타내었다. 디퓨저 노즐전단압력(P0)이 다르더라도 압력비(P0/Pa)가 동일하다면 수직충격파의 발생여부와 위치, 그리고 내부유동이 거의 일치하는 것을 확인할 수가 있다. Fig.
- 디퓨저가 시동되기 전 진공챔버압력(Pc)은 배압(Pa)에 비례하고, 노즐 전단압력(P0)이 증가함에 따라 일정한 기울기를 가지고 감소하지만, 시동이 걸린 후에는 배압(Pa)에 관계없이 노즐전단압력(P0)에 비례하여 미미하게 상승함을 확인할 수 있다.
- 배압(Pa)이 낮아질수록 노즐을 통과한 유동이 점점 팽창을 하게 되고 디퓨저 벽면까지 유동이 팽창하고 완전하게 발달되어 시동이 걸리는 것을 알 수 있다. 배압(Pa)이 낮아질수록 노즐을 통과한 유체의 운동에너지가 디퓨저 후단까지 유지가 되다가 압력회복이 되고, shock train이 디퓨저 후단으로 지연되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 양상은 디퓨저 노즐 전단압력(P0)에 관계없이 동일하게 나타남을 확인 할 수 있다.
- 8에 나타내었다. 시동이 걸린 후에는 노즐전단압력(P0)이 높을수록 진공챔버압력(Pc)이 약간 증가하는 경향을 확인할 수가 있었다. 수치해석 결과와 실험값의 결과 모두 동일한 경향성을 보이지만, 실험 장치가 작기 때문에 실험 결과에서는 경계층이나 마찰에 의한 손실 효과가 비교적 크게 나타나지만 수치해석에서는 이러한 부분을 고려할 수 없기 때문에 다소 차이를 보이는 것으로 판단된다.
- 디퓨저에서 배압비는 성능에 영향을 주는 인자로 시동 전, 시동 점, 시동 후의 내부 압력 변화를 비교하기 위하여, 각 배압비는 약 30, 43, 60으로 설정하고, P0 10, 20, 30, 40 수준의 노즐 전단 압력 조건에서 배압 변화를 통해 일정한 수준으로 시험하고 결과를 비교하였다. 실험 결과를 통해서 Fig. 11(a)에서와 같이 디퓨저가 시동되기 전에는 노즐 전단 압력(P0) 의 크기와는 상관없이 배압비(P0/Pa)가 증가할수록 진공챔버압력(Pc)가 감소함을 확인할 수 있다. 수축부 이후에서는 압력비(P0/Pa)가 동일하다면 Pwall /Pa가 비슷한 경향을 가짐을 확인하였다.
- 노즐 전단압력(P0)이 일정할 때 배압(Pa)이 낮아지게 되면 이에 비례하여 진공챔버압력(Pc)이 일정하게 감소하다가 시동이 걸리면 배압(Pa)에 관계없이 진공챔버압력(Pc)이 일정하게 유지된다. 실험결과와 수치해석결과 모두 비슷한 경향을 나타내는 것을 확인하였다.
후속연구
- 13에는 시동조건 부근에서 디퓨저 내부에 수직 충격파가 뚜렷하게 발생하는 모습을 나타내었다. 전체적인 실험결과와 수치해석 양상을 보면 압력비(P0/Pa)가 동일하다면 대기압에서의 디퓨저 단독실험만으로도 배압(Pa)이 다른 경우의 디퓨저 내부 압력분포 및 내부유동특성을 예측할 수 있을 것으로 판단된다.
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