고체추진기관 내에 점화기와 추진제 그레인 간격에 따라 화염에 의해 발현되는 내부 유동 형태에 대해 전산유체해석(CFD)를 이용하여 살펴보았다. 실린더형과 슬롯형 추진제 그레인에 대해 실린더형은 간격 1 mm, 3 mm, 5 mm, 슬롯형은 점화기의 화염 분출구가 넓은 간격에 위치한 경우와 좁은 간격에 위치한 경우에 대해 수치 해석을 수행하였다. 실린더형은 간격이 좁을수록 점화기와 추진제 사이에 고압력이 형성되며, 점화기 말단 부근에서 압력 강하 또한 상대적으로 크게 나타났다. 실린더형은 간격에 영향을 받았으나, 슬롯형은 화염 분출구 위치에 관계없이 압력 형태가 유사하게 나타났으며, 실린더형 간격 5 mm와 유사한 결과를 보였다.
고체추진기관 내에 점화기와 추진제 그레인 간격에 따라 화염에 의해 발현되는 내부 유동 형태에 대해 전산유체해석(CFD)를 이용하여 살펴보았다. 실린더형과 슬롯형 추진제 그레인에 대해 실린더형은 간격 1 mm, 3 mm, 5 mm, 슬롯형은 점화기의 화염 분출구가 넓은 간격에 위치한 경우와 좁은 간격에 위치한 경우에 대해 수치 해석을 수행하였다. 실린더형은 간격이 좁을수록 점화기와 추진제 사이에 고압력이 형성되며, 점화기 말단 부근에서 압력 강하 또한 상대적으로 크게 나타났다. 실린더형은 간격에 영향을 받았으나, 슬롯형은 화염 분출구 위치에 관계없이 압력 형태가 유사하게 나타났으며, 실린더형 간격 5 mm와 유사한 결과를 보였다.
Flow analysis using computational fluid dynamics was conducted to investigate the effect of the igniter flame caused by the gap between the igniter and the propellant grain in a solid rocket motor. Two propellant grain types were assumed; namely cylinder type (1 mm, 3 mm, and 5 mm gap) and the slot ...
Flow analysis using computational fluid dynamics was conducted to investigate the effect of the igniter flame caused by the gap between the igniter and the propellant grain in a solid rocket motor. Two propellant grain types were assumed; namely cylinder type (1 mm, 3 mm, and 5 mm gap) and the slot type. The slot type had two igniter hole locations. One was located at the small gap of the propellant grain, and the other one was located at the large gap. In the case of the cylinder type, the pressure in the igniter zone was higher with a thinner gap. Additionally, in the case of the cylinder type, the pressure difference between the igniter installed zone and the free volume was also higher as the gap became lower. The cylinder types were affected by the gap distance, but the slot types were not. Moreover, the results of the slot types were similar to the 5-mm gap case of the cylinder type.
Flow analysis using computational fluid dynamics was conducted to investigate the effect of the igniter flame caused by the gap between the igniter and the propellant grain in a solid rocket motor. Two propellant grain types were assumed; namely cylinder type (1 mm, 3 mm, and 5 mm gap) and the slot type. The slot type had two igniter hole locations. One was located at the small gap of the propellant grain, and the other one was located at the large gap. In the case of the cylinder type, the pressure in the igniter zone was higher with a thinner gap. Additionally, in the case of the cylinder type, the pressure difference between the igniter installed zone and the free volume was also higher as the gap became lower. The cylinder types were affected by the gap distance, but the slot types were not. Moreover, the results of the slot types were similar to the 5-mm gap case of the cylinder type.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 점화기와 추진제 그레인 사이 간격에 따라, 점화기에서 발생한 화염이 자유 체적 내에서 유동을 형성하는 과정을 전산해석을 통해 살펴보고 추진제 표면에 미치는 영향을 예측하고자 하였다. 실린더형과 슬롯형에 대해 3차원 해석을 통해 유동형성 과정의 차이점을 비교분석하였다.
추진제 그레인과 점화기 사이의 간격을 변화시키기 위해 추진제 그레인의 내부 코어의 직경은 일정하게 유지하고 적용되는 점화기의 외경을 변경하였다. 점화기에서 발생한 동일 유량에 대해 추진기관 내 형성되는 최대 압력 조건을 동일하게 유지하여 유동의 형성과정을 비교하고자 한다. 점화기 길이를 변경하여 각 해석 조건마다 점화기가 차지하는 부피를 일정하게 유지하였다.
가설 설정
화염 분출구의 온도는 점화제로 흔히 사용되는 BKNO3의 화염 온도와 유사한 2500 K를 가정하였다. 이 연구는 점화기의 화염 거동을 관찰하기 위한 초기 연구로써 해석 시간을 절약하기 위해 화염을 일반 공기로 가정하였다. 그 외 추진기관 내 자유 체적에 대한 압력과 온도는 대기조건으로 14.
7에 나타내었다. 이와 같이 설정한 압력은 점화기 구조체의 화염 분출구에 동일하게 작용하는 것으로 가정하였다. 화염 분출구의 온도는 점화제로 흔히 사용되는 BKNO3의 화염 온도와 유사한 2500 K를 가정하였다.
점화 후 점화기 내 화약의 연소에 의해 생성되는 압력 및 시간은 참고 문헌 14를 바탕으로 단순화하여 최대 압력과 시점은 140 psi와 3.5 ms, 점화 화약의 연소 지속시간은 31.5 ms로 가정하였다. 설정한 압력 조건은 무차원화하여 Fig.
해석 단순화를 위해 점화기 내부는 해석 영역에서 제외하였으며, 점화기의 화염 분출구에서 점화기의 화염이 자유체적 내로 유입된다고 가정하였다. 수치해석을 위한 도메인은 Fig.
이와 같이 설정한 압력은 점화기 구조체의 화염 분출구에 동일하게 작용하는 것으로 가정하였다. 화염 분출구의 온도는 점화제로 흔히 사용되는 BKNO3의 화염 온도와 유사한 2500 K를 가정하였다. 이 연구는 점화기의 화염 거동을 관찰하기 위한 초기 연구로써 해석 시간을 절약하기 위해 화염을 일반 공기로 가정하였다.
제안 방법
기본적으로 유동 해석 영역 중 점화기 주위 유로가 매우 협소한 영역에 대해서는 해석이 정상적으로 수행될 수 있도록 보다 조밀한 격자를 구성하였다. 벽면 근처 경계층을 제외한 점화기 주위 유동 영역에 대해 125~250 µm 크기의 격자를 점화기와 추진제 그레인 사이의 간격(gap)에 따라 구분하여 적용하였다. 그 외, 점화기 부분을 제외한 유동 영역에 대해서는 점진적으로 격자의 크기를 1 mm까지 증가시켜 적용하였다.
점화기와 추진제 그레인 간격에 따라 점화기에서 발생된 화염의 거동을 CFD를 통해 해석하였다. 실린더형 추진제 그레인에 대해 간격이 1 mm, 3 mm, 5 mm, 슬롯형에 대해 점화기의 화염 분출구 위치가 넓은 곳에 위치할 경우와 좁은 곳에 위치할 경우에 대해 각각 수치 해석을 진행하여 점화 초기 유동의 형성과정에 대해 해석하였다.
본 연구에서는 점화 초기 화염에 의한 영향만을 살펴보고자 하였으므로, 점화 화염으로 인해 추진제에서 발생하는 연소는 고려하지 않았다. 이를 통해 점화기와 추진제 그레인의 형상에 따라 달라지는 점화 초기 화염의 유동 발달 과정을 관찰하고 점화에 미치는 영향을 분석하였다.
화염분출구에는 압력 입구 조건을 사용하였고, 노즐 출구는 압력 출구 경계 조건을 사용하였다. 점화기 표면 및 추진제의 표면, 노즐 표면은 벽면 조건으로 no-slip 조건을 적용하였으며 짧은 해석 시간을 고려하여 단열 조건을 적용하였다.
점화기와 추진제 그레인 간격에 따라 점화기에서 발생된 화염의 거동을 CFD를 통해 해석하였다. 실린더형 추진제 그레인에 대해 간격이 1 mm, 3 mm, 5 mm, 슬롯형에 대해 점화기의 화염 분출구 위치가 넓은 곳에 위치할 경우와 좁은 곳에 위치할 경우에 대해 각각 수치 해석을 진행하여 점화 초기 유동의 형성과정에 대해 해석하였다.
추진제 그레인과 점화기 사이의 간격을 변화시키기 위해 추진제 그레인의 내부 코어의 직경은 일정하게 유지하고 적용되는 점화기의 외경을 변경하였다. 점화기에서 발생한 동일 유량에 대해 추진기관 내 형성되는 최대 압력 조건을 동일하게 유지하여 유동의 형성과정을 비교하고자 한다.
대상 데이터
일반적으로 고체 추진기관에 적용되는 점화기는 Fig. 1과 같이 추진제 발화를 위한 장약과 화염 온도와 압력에 견디는 점화기 구조체 등으로 구성된다. 추진기관 내부에 이러한 구성품을 제외한 나머지 부분, 화염 유동이 생성되는 공간을 자유 체적이라 한다.
그 외, 점화기 부분을 제외한 유동 영역에 대해서는 점진적으로 격자의 크기를 1 mm까지 증가시켜 적용하였다. 본 연구에서 각 해석 Case에 적용된 총 격자수는 실린더형은 200만개, 슬롯형은 350 만개 수준이다.
3과 같이 자유체적에 대해 형상 모델링을 하였다. 해석 도메인의 총 길이는 약 1 m, 추진제 그레인의 내부 직경은 25.3 mm, 노즐 목의 직경은 26.5 mm로 설정하였다.
데이터처리
본 연구에서는 점화기와 추진제 그레인 사이 간격에 따라, 점화기에서 발생한 화염이 자유 체적 내에서 유동을 형성하는 과정을 전산해석을 통해 살펴보고 추진제 표면에 미치는 영향을 예측하고자 하였다. 실린더형과 슬롯형에 대해 3차원 해석을 통해 유동형성 과정의 차이점을 비교분석하였다. 해석 에 적용된 점화기 모델은 Fig.
이론/모형
해당 프로그램은 유한 체적법(FVM) 기반의 3차원 압축성 Navier Stokes 방정식을 이산화하여 해석하며, 다면체 형상의 격자계를 제공하여 3차원 형상의 격자생성과 유동 계산의 효율적인 수행이 가능하도록 한다. 본 연구에서는 Density based coupled solver 기반의 해석을 수행하였으며 공간차분 기법으로는 Roe‘s FDS scheme을 사용하고 난류모델은 Durbin Scale Limiter 기법의 k-w SST 모델을 적용하였다. 시간에 따른 유동 변화를 모사하기 위해 비정상상태 해석을 수행하였으며, 5×10-7 s time step을 적용하였다.
유동 해석에는 다양한 수치 해석 소프트웨어가 사용되고 있으며, 본 연구에서는 범용 유체해석 프로그램인 STAR-CCM+를 이용하였다. 해당 프로그램은 유한 체적법(FVM) 기반의 3차원 압축성 Navier Stokes 방정식을 이산화하여 해석하며, 다면체 형상의 격자계를 제공하여 3차원 형상의 격자생성과 유동 계산의 효율적인 수행이 가능하도록 한다.
유동 해석에는 다양한 수치 해석 소프트웨어가 사용되고 있으며, 본 연구에서는 범용 유체해석 프로그램인 STAR-CCM+를 이용하였다. 해당 프로그램은 유한 체적법(FVM) 기반의 3차원 압축성 Navier Stokes 방정식을 이산화하여 해석하며, 다면체 형상의 격자계를 제공하여 3차원 형상의 격자생성과 유동 계산의 효율적인 수행이 가능하도록 한다. 본 연구에서는 Density based coupled solver 기반의 해석을 수행하였으며 공간차분 기법으로는 Roe‘s FDS scheme을 사용하고 난류모델은 Durbin Scale Limiter 기법의 k-w SST 모델을 적용하였다.
해석 영역에 대해 Trimmed Cell Mesh를 적용하였다. Trimmed Cell Mesh는 Cartesian계 비정렬격자의 일종으로 복잡한 형상에도 쉽게 격자를 구성할 수 있고, Tetra 격자기법에 비해 비교적 빠른 해석시간과 높은 정확도를 갖는 것으로 알려져 있다[10].
성능/효과
실제 고체 추진기관에서는 열량을 많이 받는 점화기 부분에서 추진제 점화가 먼저 일어나고, 화염이 자유 체적 내로 전파되면서 점화가 일어난다[1]. 그러므로 실제 점화 지연 시간과는 차이가 있을 것이라 예상되지만, 추진제 그레인과 점화기 사이의 간격의 의한 영향을 상대 비교를 통해 성능 비교를 할 수 있었다.
실린더형 추진제 그레인은 점화기와 추진제 사이 간격이 일정 이상이 되어야 화염에 의한 온도 전파가 원활히 일어났다. 슬롯형의 경우 점화기와 추진제 사이 간격이 좁더라도 그에 대한 영향이 실린더형 보다 적으며, 점화기의 화염 분출구 위치에 의한 영향도 적기 때문에, 점화기 화염 전파 측면에서 유리한 것으로 나타났다. 소형 추진기관에 적용되는 추진제 그레인 및 점화기 설계에 참고할 수 있을 것이라 기대한다.
실린더형 추진제 그레인은 점화기와 추진제 사이 간격이 일정 이상이 되어야 화염에 의한 온도 전파가 원활히 일어났다. 슬롯형의 경우 점화기와 추진제 사이 간격이 좁더라도 그에 대한 영향이 실린더형 보다 적으며, 점화기의 화염 분출구 위치에 의한 영향도 적기 때문에, 점화기 화염 전파 측면에서 유리한 것으로 나타났다.
실린더형일 경우 점화기와 추진제 그레인 간격에 영향을 받으며, 간격이 넓어질수록 화염 전파가 원활이 일어났다. 점화기 부분과 자유체적 간 압력 차이 또한 적음을 확인하였다.
전체적으로 추진제 그레인과 점화기 사이의 간격이 커짐에 따라 점화기에서 분출되는 고온 가스가 추진제 전체에 빠르게 확산되는 경향이 관찰된다. 이에 따라 Fig.
슬롯형은 실린더형 중 점화기와 추진제 그레인 사이 간격이 5 mm인 경우와 유사한 형태를 보였다. 추진제 전체의 표면온도가 650 K에 도달하는 시간은 점화기와 추진제 사이의 간격이 커짐에 따라 작아졌으나, 일정 간격 이상에서는 큰 차이가 발생하지 않는 것으로 확인되었다. 실제 고체 추진기관에서는 열량을 많이 받는 점화기 부분에서 추진제 점화가 먼저 일어나고, 화염이 자유 체적 내로 전파되면서 점화가 일어난다[1].
후속연구
슬롯형의 경우 점화기와 추진제 사이 간격이 좁더라도 그에 대한 영향이 실린더형 보다 적으며, 점화기의 화염 분출구 위치에 의한 영향도 적기 때문에, 점화기 화염 전파 측면에서 유리한 것으로 나타났다. 소형 추진기관에 적용되는 추진제 그레인 및 점화기 설계에 참고할 수 있을 것이라 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고체 추진 기관에서 점화 과정은 어떻게 진행되는가?
고체 추진 기관에서 점화 과정은 점화기 내 점화 화약의 착화를 통해 유발된 화염이 추진제 그레인 내부 공간으로 분출되어 추진제 그레인 표면에 열량이 공급되고, 이로 인해 추진제의 화학반응이 유도되면서 진행된다[1,2]. 따라서 적절한 점화기의 적용 유무에 따라 필요 시간에 점화가 일어나기도, 혹은 점화 지연이나 점화 실패가 발생하기도 한다[2].
자유 체적이란 무엇인가?
1과 같이 추진제 발화를 위한 장약과 화염 온도와 압력에 견디는 점화기 구조체 등으로 구성된다. 추진기관 내부에 이러한 구성품을 제외한 나머지 부분, 화염 유동이 생성되는 공간을 자유 체적이라 한다.
점화기는 장약량에 따라 특정 크기 이상의 형상을 갖게 되는데, 추진제 그레인이 소형이면 어떤 문제점이 있는가?
일반적인 고체 추진기관에 적용되는 점화기는 장약량에 따라 특정 크기 이상의 형상을 갖게 된다. 추진제 그레인이 소형일수록 점화기와 추진제 그레인이 인접하게 되고, 화염에 대해 유동 공간이 협소하여 점화 초기 화염의 원활한 흐름이 방해될 수 있다. 하지만 점화기와 추진제 그레인 사이 간격이 화염 유동에 미치는 영향을 연구한 사례가 아직 존재하지 않으며, 또한 그러한 간격이 점화 과정에 미치는 영향이 보고된바 없다.
참고문헌 (11)
Cho, I.H., Baek, S.W., Chang, S.T. and Cha, H.S., "A Numerical Simulation of Ignition Transient on the Solid rocket Motor," The Korean Society For Aeronautical And Space Sciences Fall Conference, Jeju, Korea, pp. 212-216, Nov. 1995.
Serraglia, F., "Modeling and Numerical Simulation of Ignition Transient of Large Solid Rocket Motors," Dottorato di Ingengneria Aerospaspaziale XV Ciclo, La Sapienza University of Rome, 2002/2003.
Cho, I.H., Baek, S.W., Chang, S.T. and Cha, H.S., "A Numerical Simulation of Axisymmetric Solid Rocket Motor Ignition Transient with Radiation Effect," The Korean Society For Aeronautical And Space Sciences, Vol. 25, No. 2, pp. 81-88, 1997.
Cho, I.H., and Baek, S.W., "Numerical Simulation of Axisymmetric Solid Rocket Motor Ignition Transient with Radiation Effect," Journal of Propulsion and Power, Vol. 16, No. 4, pp. 725-728, 2000.
Sanal, K.V.R. and Kim, H.D., "Studies on Starting Transient in Solid Rockets," The Korean Society of Propulsion Engineers Conference, pp.6-10, Oct. 2003.
Lee, C.S., Han, S.H., Kim, C.G., Oh, J.Y. and Oh, S.J., "Fluid-Structure-Combustion Intera ction Simulation for Solid Propellant Rocket Interior Coupling Phenomena," The Korea Institude of Military Science and Technology, Jeju, Korea, Jul. 2013.
Lee, C.S., Han, S.H., Kim, C.G., Oh, J.Y. and Oh, S.J., "FSbI simulation for solid propellant rocket interior with flame propagation delay and secondary burning," The Korea Institude of Military Science and Technology, Jeju, Korea, Jun. 2014.
Chang, S.T., Han, S.M. and Chai, J.C., "Ignition Transient Investigation of Rocket Motor," Journal of Propulsion and Power, Vol. 4, No. 3, pp. 45-54, 2000.
Jang, S.G., Kim, Z.I. and Ryu, B.T., "Ignition Delay Time of A Solid Rocket Motor," The Korean Society For Aeronautical And Space Sciences Fall Conference, Jeju, Korea, pp. 1038-1041, Nov. 2012.
Konstantin, K., "Unstructured Hexa hedral Non-conformal Mesh Generation," the degree of Doctor in Engineering Sciences, Department of Mechanical Engineering, Vrije Universiteit Brussel, Belgium, 2005.
Choi, J.S., Kim, I.S., Lee, H.J. and Cho, J.H., "Ignition Characteristic of the Amount of Ignition Compound Used for the Solid Rocket," The Korean Society For Aeronautical And Space Sciences Spring Conference, Goseong, Korea, pp. 206-208, Apr. 2014.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.