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문제 정의
- 본 연구는 고속 추진체계의 연료·유공압시스템 가압용으로 사용할 수 있는 압력용기의 기체 배출특성에 대하여 시험계측과 시뮬레이션을 수행한 결과이다.
- 이에 따라 고속 추진체계에 사용할 수 있는 압력용기에 대하여 통합설계 시 활용할 수 있는 기체배출특성 예측에 대한 연구를 수행하였다.
가설 설정
- Winters 등, Haque 등과 김경운 등이 제안한 열전달 모델과 같이 압력용기 내부 온도 분포에 의해서 자연대류가 발생하여 열전달이 이루어지는 가정에 따라 시뮬레이션을 수행하였다. 이에 사용한 모델은 Eq.
- 오리피스 또는 압력용기 출구에 연결된 배관의 직경에 비해 압력용기의 직경이 크기 때문에 압력용기 내부의 유속은 대부분 구간에서 상대적으로 작으나 출구 부근은 비교적 유속이 빠르게 된다. 따라서 이 위치에서는 강제대류에 의한 효과가 포함된 열전달을 가정할 수 있다. 이는 Winters 등[6]이 비정상 3차원 해석을 통해 압력용기 출구 부근의 Nu 분포와 초기 시간의 Nu 보완을 보인 결과와 유사한 조건으로 볼 수 있다.
- 밸브를 개방하여 시험을 수행하며 기체가 오리피스를 통해 대기 중으로 배출되는 동안 압력용기 출구에 설치한 압력계와 온도계를 통해 압력용기로부터 배출되는 압력과 온도를 계측 및 기록하게 된다. 압력 용기 내부의 압력이 균일하다는 가정으로, 계측된 압력은 압력용기 내부 기체의 압력에 해당되며, 기체가 배출되는 시험 중 압력용기 내부의 온도는 불균일하므로 계측된 온도는 배출되는 기체의 온도를 대표하는 값으로 사용하였다.
- 압력용기 내의 열전달이 시간에 관계없이 일정한 열전달 계수 값을 유지하며 이루어지는 가정에 대한 시뮬레이션을 수행하였다. Figure 5와 6은 각각 압력과 온도 결과에 해당한다.
- 압력용기에서 기체배출이 진행되는 동안 팽창에 의해 내부 기체의 온도가 낮아지는 과정에서 외부로부터의 열전달이 없는 단열조건(h=0 )이거나 외부로부터의 열전달이 매우 활발하여(h=∞) 외부의 온도와 내부 기체의 온도가 같아지는 등온조건(T=constant) 가정을 적용하였다.
- 열전달계수가 상수인 경우의 시뮬레이션결과로부터 초기 구간의 열전달량과 이후 구간의 열전달량이 상이한 것을 알 수 있었다. 이에 따라 기존 연구들에서 수행된 방법과 같이 자연대류 형태의 열전달이 이루어지는 것으로 가정한 모델을 통해 예측 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과 온도 회복 구간의 결과는 비교적 계측 결과와 경향이 유사하였으나 초기 밸브 동작 직후의 온도 경향 예측에 한계가 있었다.
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