박진
(Department of Mechanical Engineering, Chungnam National University)
,
이현섭
(Department of Mechanical Engineering, Chungnam National University)
,
김홍집
(Department of Mechanical Engineering, Chungnam National University)
,
안규복
(School of Mechanical Engineering, Chungbuk National University)
냉각채널에서의 압력 손실을 수치적으로 연구하기 위하여 채널의 축 방향에 대한 각도, 채널 내부의 유체의 유속, 채널의 직경을 변화시키며 수치해석을 진행하였다. 채널의 축 방향에 대한 각도 변화에 따라서 압력 손실은 큰 변화가 없었다. 하지만 일반적으로 알려진 대로 채널의 직경이 커지면 압력손실이 감소하고, 유체의 유속이 느려지면 압력손실이 감소하는 경향은 두드러지게 나타났다. 이러한 결과는 무차원화 하여 정량화하였고, 기존 채널내부의 압력손실에 대한 경험식과 비교하여 기존 경험식의 타당성을 확인하였다. 본 연구에서 획득한 정보는 향후 냉각채널을 설계할 때 압력손실을 고려함에 있어 도움이 될 것으로 판단된다.
냉각채널에서의 압력 손실을 수치적으로 연구하기 위하여 채널의 축 방향에 대한 각도, 채널 내부의 유체의 유속, 채널의 직경을 변화시키며 수치해석을 진행하였다. 채널의 축 방향에 대한 각도 변화에 따라서 압력 손실은 큰 변화가 없었다. 하지만 일반적으로 알려진 대로 채널의 직경이 커지면 압력손실이 감소하고, 유체의 유속이 느려지면 압력손실이 감소하는 경향은 두드러지게 나타났다. 이러한 결과는 무차원화 하여 정량화하였고, 기존 채널내부의 압력손실에 대한 경험식과 비교하여 기존 경험식의 타당성을 확인하였다. 본 연구에서 획득한 정보는 향후 냉각채널을 설계할 때 압력손실을 고려함에 있어 도움이 될 것으로 판단된다.
The pressure loss in a cooling channel was investigated by conducting a numerical analysis, which was performed with a different channel angle in the axial direction, velocity of flow, and diameter of channels. The pressure loss did not change much with respect to the different channel angle. Howeve...
The pressure loss in a cooling channel was investigated by conducting a numerical analysis, which was performed with a different channel angle in the axial direction, velocity of flow, and diameter of channels. The pressure loss did not change much with respect to the different channel angle. However, the pressure loss tended to decrease if the diameter of the channel increased and the velocity of the flow decreased. The results were quantified by a nondimensional method and compared to an existing experimental equation to validate them. The data obtained by this study would be helpful in the design process of a cooling channel considering the pressure loss.
The pressure loss in a cooling channel was investigated by conducting a numerical analysis, which was performed with a different channel angle in the axial direction, velocity of flow, and diameter of channels. The pressure loss did not change much with respect to the different channel angle. However, the pressure loss tended to decrease if the diameter of the channel increased and the velocity of the flow decreased. The results were quantified by a nondimensional method and compared to an existing experimental equation to validate them. The data obtained by this study would be helpful in the design process of a cooling channel considering the pressure loss.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 냉각채널 내 압력손실에 대한 냉각채널의 단면 형상 변화의 영향뿐만 아니라 실제 연소기에서 주로 사용되는 나선형 냉각채널의 각도에 대한 영향 또한 수치해석 수행하여 데이터를 얻었다. Fig.
제안 방법
수치해석 결과는 다음 Table 2와 같다. 15개의 다양한 채널에 대해, 다양한 유속 조건에서 압력손실을 정량화 하였다. 일반적으로 재생냉각채널에서의 유속은 RD-107의 경우 최대 20~25 m/s의 값을 가지는 것으로 알려져 있다.
5 mm씩, CH4와 CH5는 채널의 높이를 고정하고 채널의 너비를 1 mm 씩 변화시켜 설정하였다. CH1~CH5는 직선채널로 길이 172 mm이며, 나머지 10개의 채널은 단면에 대한 형상은 CH1~CH5와 동일하게 설정하고, CH6~CH10은 축과의 각도 15도를 갖는 나선형 형태, CH11~CH15는 축과의 각도 30도를 갖는 나선형 형태의 채널로 냉각채널을 모델링 하였다. 15개의 냉각채널의 형상은 Table 1과 같다.
그리고 실제 로켓 연소기의 재생냉각채널에서 생기는 국부적인 손실은 채널의 분기, 합류 및 방향전환 등에 의해서 발생하는 것이지만 본 연구에서 대상으로 하는 직선형 채널과 나선형 채널에서의 국부적인 손실은 아주 작다. 그러므로 마찰손실만을 고려하여 연구를 수행하였다. 벽면 마찰에 의한 마찰계수는 Eq.
냉각채널의 너비 변화에 대한 영향을 보기 위해 기준 채널인 CH2 (너비 2 mm, 높이 2mm)에 서 높이를 고정시키고 너비를 1 mm 로 줄여 CH4를, 너비를 3 mm 로 늘려 CH5를 모델링하 였다. 또한 냉각채널의 높이 변화에 대한 영향을 보기 위해 CH2에서 너비를 고정시키고 높이를 1.
냉각채널의 단면은 제작 상의 편이 및 실제 냉각채널의 형상을 고려하여 사각형 형상의 단면으로 설정하였다. 냉각채널의 단면 형상에 따른 압력손실 변화를 알아보기 위하여 CH2를 기준으로 CH1과 CH3은 채널의 너비를 고정하고 채널의 높이를 0.5 mm씩, CH4와 CH5는 채널의 높이를 고정하고 채널의 너비를 1 mm 씩 변화시켜 설정하였다. CH1~CH5는 직선채널로 길이 172 mm이며, 나머지 10개의 채널은 단면에 대한 형상은 CH1~CH5와 동일하게 설정하고, CH6~CH10은 축과의 각도 15도를 갖는 나선형 형태, CH11~CH15는 축과의 각도 30도를 갖는 나선형 형태의 채널로 냉각채널을 모델링 하였다.
냉각채널의 압력손실에 있어 냉각채널의 단면 형상과 축과의 각도, 내부의 유속 변화에 대한 특성을 수치해석을 통해 파악하였다. 단면의 형상 변화에 있어서는 단면의 너비와 높이가 증가하면 압력손실은 감소하는 경향을 보였다.
하지만 냉각채널을 설계함에 있어서 실질적으로 참고하기 위한 데이터를 얻기 위해서는 얻어진 수치해석 결과 데이터를 정량화할 필요성이 있다고 판단되었다. 따라서 길이와 직경의비, 레이놀즈수, 동압과 차압의 비 세 가지 무차원 인자를 바탕으로 분석하였다.
냉각채널의 너비 변화에 대한 영향을 보기 위해 기준 채널인 CH2 (너비 2 mm, 높이 2mm)에 서 높이를 고정시키고 너비를 1 mm 로 줄여 CH4를, 너비를 3 mm 로 늘려 CH5를 모델링하 였다. 또한 냉각채널의 높이 변화에 대한 영향을 보기 위해 CH2에서 너비를 고정시키고 높이를 1.5 mm 로 줄여 CH1를, 2.5 mm 로 늘려 CH3을 모델링 하였다. Fig.
본 연구에서 얻은 정보는 무차원화를 통해 정량화되었다. 그 후 마찰계수 개념을 도입하고 최소제곱법을 이용한 fitting을 통해 기존의 채널 내 압력손실에 대한 경험식과 비교할 수 있었다.
본 연구에서는 총 15종류의 케이스를 모델링하여 수치해석을 수행하였다. 냉각채널의 단면은 제작 상의 편이 및 실제 냉각채널의 형상을 고려하여 사각형 형상의 단면으로 설정하였다.
일반적으로 재생냉각채널에서의 유속은 RD-107의 경우 최대 20~25 m/s의 값을 가지는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서도 이 값을 바탕으로 20 m/s를 기준으로 10, 20, 30 m/s의 값을 결정하여 적용하였다.
많은 유체역학 서적 및 자료들에서 마찰손실에 따른 유체의 압력손실에 대한 경험식들을 제시하고 있지만, 실제 냉각채널을 모사한 형상에 대해 직접적으로 활용할 수 있는 자료는 국내에서 찾기가 힘든 상황이다. 이에 따라 본 연구에서는 냉각채널의 폭과 너비, 축 방향에 대한 각도, 냉각채널 내 추진제의 유속을 변수로 하여 수치해석을 진행하였다. 수치해석의 결과는 기존의 유체역학적 관내 압력손실에 관한 식과 비교를 수행하였다.
난류모델은 k-ε Standard Wall Function을 적용하였다. 채널 입구의 경계조건은 물의 유속으로 설정하였고 채널 출구의 경계조건은 일정한 압력을 유지하도록 설정하였다. 또한 벽면의 거칠기는 실제로도 매우 작기 때문에 매끄러운 벽면 조건과 실험에서 계측된 값을 이용하였다.
대상 데이터
또한 막 냉각을 위한 오리피스가 존재하는 경우 질량 유출에 유속 감소로 압력손실이 생기기도 한다. 본 연구에서 획득한 정보는 단순히 단면적이 일정한 채널에서의 압력손실만을 다루고 있다. 그렇기 때문에 실제 연소기에서 사용되는 재생냉각채널에 본 연구의 결과를 직접적으로 적용하기는 어렵다.
작동유체는 물을 사용하였고, 상온 실험 조건(298 K)을 고려하여 ρ = 997 kg/m3, μ = 8.93 × 10-4 N ∙ s/m2 이다.
데이터처리
본 연구에서 얻은 정보는 무차원화를 통해 정량화되었다. 그 후 마찰계수 개념을 도입하고 최소제곱법을 이용한 fitting을 통해 기존의 채널 내 압력손실에 대한 경험식과 비교할 수 있었다. 기존의 경험식과 마찬가지로 수치해석 결과 또한 마찰계수가 레이놀즈수의 –0.
레이놀즈수가 증가하면 마찰계수가 감소하는 경향을 보였고 그 경향을 알아보기 위하여 수치해석 결과를 최소제곱법을 사용하여서 3가지 기존의 레이놀즈수 – 마찰계수 식과 비교하였다.
선정한 15개의 채널을 3차원 모델링하여 상용프로그램인 ANSYS FLUENT v14.5를 통해 수치해석을 수행하였다. 작동유체는 물을 사용하였고, 상온 실험 조건(298 K)을 고려하여 ρ = 997 kg/m3, μ = 8.
이에 따라 본 연구에서는 냉각채널의 폭과 너비, 축 방향에 대한 각도, 냉각채널 내 추진제의 유속을 변수로 하여 수치해석을 진행하였다. 수치해석의 결과는 기존의 유체역학적 관내 압력손실에 관한 식과 비교를 수행하였다. 본 연구결과는 재생냉각채널을 설계하는데 있어서 압력손실을 예측하는데 도움이 될 것으로 판단된다.
이론/모형
난류모델은 k-ε Standard Wall Function을 적용하였다.
15개의 냉각채널의 형상은 Table 1과 같다. 냉각채널의 형상은 선행연구의 실험에서 이용한 채널의 형상을 기초로 하여 설정하였다[7].
성능/효과
유동의 동압이 유속의 제곱에 비례하는 관계이기 때문에 위와 같은 경향이 나타나는 것으로 판단된다. 그리고 상대적으로 낮은 유속인 10 m/s 조건에서는 거칠기의 영향이 아주 작아서 매끄러운 벽면 조건과 균일한 거칠기 조건의 결과의 차이가 아주 미미하지만 유속이 빨라질수록 두 조건에서의 압력손실 차이는 증가하였다.
기존의 경험식과 마찬가지로 수치해석 결과 또한 마찰계수가 레이놀즈수의 –0.25제곱에 비례하며, fitting 식이 기존의 경험식에 근사한 것을 확인하였다.
냉각채널의 단면에 대한 변수를 수력학적 직경으로 환산하여 그린 그래프에서도 냉각채널의 너비, 높이의 경우와 같이 수력학적 직경이 증가하면 압력손실이 감소하는 경향이 나타났다. 하지만 보다 의미 있는 데이터를 얻기 위해서 무차원화를 통한 정량화가 필요하다고 판단되었다.
본 연구에서는 벽면의 거칠기를 고려하지 않고 해석한 결과이기 때문에 실제 실험 데이터에서 더 큰 압력강하가 측정되었다고 보인다. 따라서 본 연구에서의 해석방법이 타당함을 확인할 수 있다. Fig.
하지만 보다 의미 있는 데이터를 얻기 위해서 무차원화를 통한 정량화가 필요하다고 판단되었다. 또한 균일한 거칠기 조건에서의 압력손실이 매끄러운 벽면 조건에서보다 모든 케이스에서 약간씩 크게 나타났다. 하지만 그 차이가 매우 작기 때문에 매끄러운 벽면을 가정하여도 무방하다고 판단된다.
24 μm를 사용하였다[9]. 모든 데이터의 결과 또한 유속의 제곱에 근사하게 비례하여 증가하는 경향을 보인다. 매끄러운 벽면을 가정한 경우를 제외한 나머지 세 개의 데이터는 거의 같은 압력손실 결과가 얻어짐을 알 수 있다.
본 연구의 수치해석의 결과에서 유속이 빠를수록, 냉각채널의 너비, 높이가 작을수록 채널 내부에서의 압력손실이 증가하는 것이 확인 되었다. 하지만 냉각채널을 설계함에 있어서 실질적으로 참고하기 위한 데이터를 얻기 위해서는 얻어진 수치해석 결과 데이터를 정량화할 필요성이 있다고 판단되었다.
같은 x축 상 의 데이터에서 아래서부터 차례로 유속조건 10, 20, 30 m/s에서의 데이터이다. 채널의 너비, 높 이 변화에 대한 압력손실은 동일하게 너비, 높이 가 커지면 압력손실은 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 기존의 관 내 압력손실에 대한 식들은 원형단면을 가정하기 때문에 수치해석 결과를 기 존 경험식과 비교하기 위하여 냉각채널 단면의 너비와 높이를 Eq.
후속연구
수치해석의 결과는 기존의 유체역학적 관내 압력손실에 관한 식과 비교를 수행하였다. 본 연구결과는 재생냉각채널을 설계하는데 있어서 압력손실을 예측하는데 도움이 될 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
재생냉각은 무엇인가?
이를 위해 열 차폐 코팅, 막 냉각, 재생냉각 등의 다양한 방법을 적용한다. 이 중 연소실 내벽에 냉각채널을 만들어 연료를 흘려보내어 연소실 벽을 냉각시키고,온도가 올라간 추진제를 연소에 참여시켜 엔탈피 이득을 얻는 재생냉각이 효율적인 냉각 방법으로 평가되어 일반적으로 널리 사용된다[1,2].
로켓엔진에서 냉각 시스템 구축이 필수적인 이유는?
액체로켓엔진의 연소실과 노즐은 3,000 K 이상의 고온, 고압의 환경에서 작동되기 때문에 작동되는 시간동안 안정적인 작동을 위해서는 냉각 시스템 구축이 필수적이다. 이를 위해 열 차폐 코팅, 막 냉각, 재생냉각 등의 다양한 방법을 적용한다.
냉각 시스템 구축에 사용되는 방법의 예는?
액체로켓엔진의 연소실과 노즐은 3,000 K 이상의 고온, 고압의 환경에서 작동되기 때문에 작동되는 시간동안 안정적인 작동을 위해서는 냉각 시스템 구축이 필수적이다. 이를 위해 열 차폐 코팅, 막 냉각, 재생냉각 등의 다양한 방법을 적용한다. 이 중 연소실 내벽에 냉각채널을 만들어 연료를 흘려보내어 연소실 벽을 냉각시키고,온도가 올라간 추진제를 연소에 참여시켜 엔탈피 이득을 얻는 재생냉각이 효율적인 냉각 방법으로 평가되어 일반적으로 널리 사용된다[1,2].
참고문헌 (9)
Kim, H.J. and Choi, H.S., "Investigation of Characteristics for Cooling Parameters of a Combustor in Liquid Rocket Combustors," Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 14, No. 5, pp. 45-50, 2010.
Yang, W. and Sun, B., "Numerical simulation of liquid film and regenerative cooling in a liquid rocket," Applied Thermal Engineering, Vol. 54, No. 2, pp. 460-469, 2013.
Sutton, G.P., Rocket Propulsion Elements, 6th ed., John Wiley & Sons Inc., New York, N.Y., U.S.A., 1992.
Michel, R.W., "Combustion Performance and Heat Transfer Characterization of LOx/Hydrocarbon Type Propellants" Lyndon B. Johnson Space Center Contract NAS-9-15968, 1983.
Hong, S.S., Kim, J.S., Kim, D.J. and Kim, J.H., "Performance Test of Turbopump Assembly for 75 Ton Liquid Rocket Engine Using Model Fluid," Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 15, No. 2, pp. 56-61, 2011.
Ulas, A. and Boysan, E., "Numerical analysis of regenerative cooling in liquid propellant rocket engines," Aerospace Science and Technology, Vol. 24, No. 1, pp. 187-197, 2013.
Ahn, K., Kim, J.G., Lim, B., Kim, M., Kang, D. and Kim, S.K., "Fuel-Side Cold-Flow Test and Pressure Drop Analysis on Technology Demonstration Model of 75 ton-class Regeneratively-Cooled Combustion Chamber," Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 16, No. 6, pp. 56-61, 2012.
Idelchik, I.E., Handbook of Hydraulic Resistance, 3rd ed., Begell House, New York, U.S.A., pp. 75-148, 1996.
Yoon, W.J, Ahn K.B and Kim, H.J "An Experimental Study on Pressure Loss in Straight Cooling Channels" Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 20, No. 4, pp. 94-103, 2016
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.