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냉각제의 분사조건 및 상변화가 혼합가스 사출시스템의 성능에 미치는 영향
Effect of Heat Transfer and Phase Change of Coolant on the Performance of Mixed-gas Ejection System 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.22 no.6, 2018년, pp.84 - 93  

김현묵 (Department of Mechanical Engineering, Pukyong National University) ,  김정수 (Department of Mechanical Engineering, Pukyong National University)

초록
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냉각제 분사조건이 변화할 때 혼합가스 사출시스템 (또는 가스-스팀 발사체계) 냉각효율 및 발사체 사출성능의 변화를 확인하기 위해 3차원 수치모사를 수행하였다. 선행연구를 참조하여 구축한 1차원 모델을 통해 3차원 단상(single-phase) 계산모델을 검증한 후, Discrete Phase Model을 활용하여 고온의 기체에 냉각제 분사를 모사한 이상(two-phase) 유동 계산을 수행하였다. 냉각제 유량과 분사구 개수를 각각 변화시키면서 계산을 수행한 결과, 분사구 개수를 증가시켰을 경우 냉각효율이 보다 개선되었다. 또한 분사조건에 따라 냉각제 액적 서로간의 coalescence 발생 빈도 및 공간분포 변화가 발생하여 액적의 직경이 달라졌고, 이는 냉각제 증발률에 영향을 미쳤다. 냉각제의 증발은 breech 내부의 온도를 감소시키는 반면에 압력감소를 억제하여 사출시스템 최적화 설계에 있어 중요한 요소임을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Three-dimensional (3D) numerical simulations have been carried out to study how coolant injection conditions influence the cooling efficiency and projectile ejection performance in a mixture-gas ejection system (or gas-steam launch system). The 3D single-phase computational model was verified using ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 액체 냉각제의 분사조건에 따라 혼합가스 사출시스템의 냉각효율 및 발사체의 사출성능 변화를 파악하기 위해 3차원 전산 모사 실험을 수행하였다. 먼저 혼합가스 사출발사 방식에 대한 선행연구들[1,2]을 참조하여 1차원 계산모델을 구축한 뒤 동적격자계를 적용한 3차원 계산모델과 해석결과를 비교하여 계산의 정확성을 검증하였다.

가설 설정

  • 이를 설명하기에 앞서 사출시스템의 breech 내부 압력에 영향을 미치는 기구(mechanism)들에 대해 언급하자면, 먼저 breech에 주입되는 혼합가스의 질량으로 압력증가에 기여하는 혼합가스 질량전달 기구와 냉각제에 의한 온도감소를 통해 압력저하에 기여하는 열전달 기구, 그리고 발사체의 이동을 모사하는 경계면(breech 상부면)의 움직임에 기인하는 breech의 체적증가로 압력저하에 기여하는 경계이동 기구가 존재한다. 사출성능의 지표가 되는 시간에 따른 압력은 전술한 기구들의 경쟁적인 복합작용으로 결정된다. Fig.
  • 액적의 분열을 표현하기 위해 Reitz[8]의 wave breakup 모델을 사용하였다. 이 모델은 액체상과 기체상의 상대속도로부터 액적의 분열을 예측하고 분열시점 및 생성된 액적의 크기가 제트 안정성 분석으로부터 유도된 fastest-growing Kelvin-Helmholtz 불안정성과 관련이 있다고 가정한다. 이 불안정성의 파장과 성장률은 분열 및 충돌 이후 새로 형성된 액적의 세부사항을 예측하는 데 사용된다.
  • 액적의 충돌은 O’Rourke[9]의 알고리즘을 사용하여 계산한다. 이는 컴퓨팅 자원 소모를 효율적으로 줄이기 위해 액적의 충돌발생을 기하학적이 아닌 확률적으로 분석하고, 액적이 동일한 격자 내에서만 충돌할 수 있다고 가정한다. 충돌이 발생한 후 액적이 유착(coalescence)되는지 또는 bouncing outcome을 생성하는지는 Eq.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
고체추진제를 이용하는 가스발생기가 콜드런치에 사용되는 이유는 무엇인가? Cold launch를 위한 별도의 동력원으로써 압축기체를 사용할 수도 있으나 이는 탄도미사일과 같은 큰 중량의 발사체를 사출하기에 추진 효율이 낮다. 따라서 이러한 발사체에는 고체추진제를 이용하는 가스발생기가 주로 사용된다.
혼합가스 사출시스템(또는 가스-스팀 사출체계)은 열손상을 방지하기 위해 어떤 방법을 사용하는가? 이 경우, 비록 발사체 로켓모터가 내뿜는 지속적이고 강력한 연소화염에 대한 노출은 없지만 가스발생기 또한 연소반응을 이용하기에 고온가스에 의한 발사관 열손상이 발생할 수 있다. 혼합가스 사출시스템(또는 가스-스팀 사출체계)은 그와 같은 열손상을 방지하기 위해 냉각제를 분사하여 연소가스와 혼합시키고, 냉각제의 증발에 의해 혼합가스가 생성된다(Fig. 1).
Cold launch의 특징은 무엇인가? 발사체를 발사관 밖으로 사출시키기 위한 방법은 발사체 자체의 추진력을 사출에 사용하는 hot launch와 별도의 동력원을 이용하는 cold launch로 크게 구분된다. Cold launch가 가진 가장 큰 특징은 발사관이 발사체의 로켓모터 화염에 직접 노출되지 않는다는 점과 그로 인해 발사관의 열손상이 없다는 점이다. 이러한 특징들로 인해 cold launch는 연소가스의 노출이 안전에 심각한 영향을 미칠 수 있는 밀폐공간인 잠수함이나 발사 플랫폼의 재활용이 필요한 이동식발사대 또는 전투함선의 VLS (Vertical Launch System) 등에서 자주 사용된다.
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참고문헌 (10)

  1. 10.2514/6.1980-1186 

  2. 10.2514/6.1988-3290 

  3. Liu, Yongquan, Xi, Anmin. An Interior Trajectory Simulation of the Gas-steam Missile Ejection. Journal of computers, vol.8, no.5,

  4. Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers Byun 5 3 52 2001 "Analytical Study on the Launching System with gas Generator" 

  5. Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers Baek 9 2 1 2005 "Coolant Effect on Gas Generator Propellant" 

  6. 김현묵, 배성훈, 박철현, 전혁수, 김정수. 수치 모사를 통한 사출관 내부의 열유동 해석. 한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, vol.21, no.1, 72-83.

  7. 김현묵, 배성훈, 박철현, 전혁수, 김정수. 다상 유동모델과 동적 격자계를 활용한 가스-스팀 발사체계의 열유동과 탄의 운동성능 해석. 한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, vol.21, no.2, 48-59.

  8. Atomization and Spray Technology Reitz 3 4 309 1987 "Modeling Atomization Processes in High-pressure Vaporizing Sprays" 

  9. O’Rourke 1981 "Collective Drop Effects on Vaporizing Liquid Sprays" 

  10. ANSYS Fluent Theory Guide ANSYS, Inc 2012 

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