선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구에서는 상기와 같이 충격파가 발생하는 저감속 회수장비 압력관내에서의 시험탄 이동을 수치해 석적으로 모사하기 위한 이론적 모델을 제시하고, 시험 조건 변수에 따른 시험탄의 감속특성을 분석하였다. 저감속 회수장비는 압력관 직경대비 길이가 길기 때문에 1차원적으로 해석이 가능하며 1차원 오일러 방정식을 기반으로 시험탄의 초기속도, 가스압력 및 물 충진량을 해석조건으로 고려하였다[6].
- 본 논문에서는 저감속 회수장비의 시험탄 감속 특성을 확인하기 위해 수치해석 모델을 구성하여 시험 조건별 감속특성을 확인하였다.
가설 설정
- 2와 같이 HPT(High Pressurized Tube) 구역의 압력 경계를 구성하는 격막이나 피스톤이 파열되기 전에는 해석 영역에 포함시키지 않도록 구성하였다. 시험탄 후방영역에서의 유동은 시험탄 감속에 영향을 미치지 않는 것으로 가정하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 상기와 같이 충격파가 발생하는 저감속 회수장비 압력관내에서의 시험탄 이동을 수치해 석적으로 모사하기 위한 이론적 모델을 제시하고, 시험 조건 변수에 따른 시험탄의 감속특성을 분석하였다. 저감속 회수장비는 압력관 직경대비 길이가 길기 때문에 1차원적으로 해석이 가능하며 1차원 오일러 방정식을 기반으로 시험탄의 초기속도, 가스압력 및 물 충진량을 해석조건으로 고려하였다[6].
- 상기와 같이 164 m의 저감속 회수장비를 수치해석적으로 모사하기 위해 유한개의 격자를 구성하였으며, Fig. 2와 같이 HPT(High Pressurized Tube) 구역의 압력 경계를 구성하는 격막이나 피스톤이 파열되기 전에는 해석 영역에 포함시키지 않도록 구성하였다. 시험탄 후방영역에서의 유동은 시험탄 감속에 영향을 미치지 않는 것으로 가정하였다.
- 상기의 수치해석 모델을 이용하여 시험조건에 따른 시험탄의 감속특성을 분석하기 위해 Table 2와 같이 시험탄 초기속도, 가스압, 및 물 충진량 조건을 이용 하였다.
- 수치해석을 위해서 Fig. 2와 같이 유한개의 격자를 구성하여 시험탄의 이동을 모사하기 때문에 격자 개수에 대한 민감도 분석을 수행하였다.
- 시험탄 중량과 초기속도는 155 mm 양산탄 기준으로 설정하였으며, 가스압과 물 충진량은 초기 해석을 근거로 하여 유의미한 비교가 될 수 있는 값을 선택하였다.
- 저감속 회수장비 압력관의 내경은 156 mm, HPT(High Pressurized Tube)의 전방과 후방에 설치되는 격막 및 피스톤의 파열압은 120 psi, 피스톤의 중량은 4 kg으로 적용하였으며, 공기와 물의 밀도는 상온에서의 값을 적용하였다. 시험탄 중량은 155 mm 양산탄과 유사하도록 45 kg을 적용하였다.
- 본 수치해석에서는 시험탄이 이동하는 저감속 회수 장비 164 m의 압력관을 유한개의 격자로 모사한다. 따라서, 격자의 개수에 따른 시험탄의 감속 특성 수렴성을 확인하기 위해 6가지 격자 개수 조건(1,000개, 5,000개, 10,000개, 30,000개, 50,000개, 100,000개)에 대해 시험탄의 속도 및 감속도 결과를 비교하였다.
- 수치해석 결과, 시험탄의 속도 및 감속도 결과가 Fig. 7과 같이 도출되었으며 50,000개 격자에서 충분한 수렴성을 나타내어 수치해석에 적용하였다.
- 저감속 회수장비 HPT(High Pressurized Tube) 구간에 충진되는 가스압에 따른 시험탄의 감속특성에 대한 수치해석을 수행하였다.
- (2) 상기 수치해석 모델을 이용하여 저감속 회수장비 시험조건인 가스압과 물 충진량에 따른 시험탄의 감속특성(시험탄의 출구속도, 최대 감속도)을 확인 하였다. 저감속 회수장비에서 가스압의 증가는 시험탄의 출구속도 및 최대 감속도를 감소시키며, 물 충진량의 증가는 출구속도를 감소시키나, 최대 감속도를 증가시키는 경향을 나타내었다.
대상 데이터
- 저감속 회수장비 압력관의 내경은 156 mm, HPT(High Pressurized Tube)의 전방과 후방에 설치되는 격막 및 피스톤의 파열압은 120 psi, 피스톤의 중량은 4 kg으로 적용하였으며, 공기와 물의 밀도는 상온에서의 값을 적용하였다. 시험탄 중량은 155 mm 양산탄과 유사하도록 45 kg을 적용하였다.
- 본 수치해석에서는 시험탄이 이동하는 저감속 회수 장비 164 m의 압력관을 유한개의 격자로 모사한다. 따라서, 격자의 개수에 따른 시험탄의 감속 특성 수렴성을 확인하기 위해 6가지 격자 개수 조건(1,000개, 5,000개, 10,000개, 30,000개, 50,000개, 100,000개)에 대해 시험탄의 속도 및 감속도 결과를 비교하였다.
이론/모형
- 저감속 회수장비내의 유동은 1차원 비점성 압축성으로 가정하여 식 (1)과 같이 오일러 방정식을 지배방정식으로 사용하였다.
- 식 (1)을 수치적으로 해석하기 위해 Godunov HLL(Harten, Lax and van Leer) Riemann solver를 해석기법으로 적용하였다[7-9]. 충격파와 같이 유동에 불연속성이 포함되는 경우 초기치 불연속 문제인 Riemann solver를 적용할 수 있기 때문이다.
- 보존변수 U는 유량벡터를 piecewise constant로 가정하는 Godunov방법을 적용할 수 있다. 유한 체적의 경계면에서 근사 리만 해법인 HLL Riemann solver를 이용하여 유량 벡터 F를 계산하였다.
- 보존변수 U는 유량벡터를 piecewise constant로 가정하는 Godunov방법을 적용할 수 있다. 유한 체적의 경계면에서 근사 리만 해법인 HLL Riemann solver를 이용하여 유량 벡터 F를 계산하였다. Godunov scheme은 구간별로 constant한 값을 가진 유한 체적 시스템의 경계면에서 불연속 초기치 문제를 수치적으로 계산하게 된다.
- (1) 저감속 회수장비에서 발생하는 충격파를 묘사하기 위해 1차원 오일러 방정식과 Godunov HLL Riemann solver를 이용하여 수치해석 모델을 생성하였다.
성능/효과
- 수치해석 결과 Fig. 8 및 Table 3과 같이 모든 시험탄의 초기 속도 조건에서 가스압이 증가할수록 시험탄의 출구속도가 감소하여, 초기속도 대비 출구속도는 26 %에서 47 %임을 확인할 수 있다.
- 10 및 Table 5에 물 충진량에 따른 출구속도를 나타내었다. 물 충진량 5 kg 조건에서는 초기속도의 약 50 % 출구속도를 나타내며, 물 충진량 30 kg 조건 에서는 초기속도 대비 약 20 % 내외의 출구속도를 나타내었다.
- 최대 감속도의 경우 Fig. 11 및 Table 6과 같이 물 충진량의 증가에 따라 최대 감속도의 크기 역시 증가하는 경향을 보이며, 이는 가스압의 증가에 따라 최대 감속도의 크기가 감소하는 결과와는 반대 경향을 나타내었다.
- 05초 부근에서 충진된 가스압력에 따라 감속도의 차이가 발생하여 시험탄의 속도 변화 기울기에서도 차이가 발생한다. 0.2초 후의 최대 감속도는 유사하나 0.25초 이후에서 최대 감속도는 가스압 20 psi 조건에서 발생하는 것을 알 수 있다. 이는 Fig.
- 즉, 보다 높은 가스압 조건에서 발생한 충격파 압력은 파열된 피스톤의 속도를 증가시키게 되고, 증가된 피스톤의 속도는 시험탄과 피스톤 사이의 거리를 증가시키고 피스톤에 의한 반사충격파 생성을 억제하여 시험탄의 최대 감속도가 감소하게 된다.
- 15는 물 충진량 조건에 따라 시험탄과 피스톤의 거리 및 피스톤에 작용하는 압력을 나타내고 있다. 물 충진량이 증가할수록 시험탄과 피스톤의 거리가 감소하고, 이에 따라 피스톤에 작용하는 압력의 크기도 함께 증가함을 확인할 수 있다. 즉, 시험탄과 피스톤 사이의 거리 감소는 그 체적내의 유동 압력을 증가시키며 반사 충격파의 크기 역시 증가하여 시험탄에 큰 감속도를 생성하게 된다.
- 따라서, 가스압과 물 충진량이 증가할수록 시험탄의 출구속도는 감소하나 시험탄의 감속도는 가스압이 작을수록, 물 충진량이 클수록 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 피스톤의 이동속도에 의해 발생하는 것으로 시험탄과 피스톤 사이의 거리가 가까울수록 체적 내의 유동압력이 커지고, 이로 인해 반사충격파의 크기 역시 커져서 시험탄에 영향을 미치는 것으로 나타났다.
- (2) 상기 수치해석 모델을 이용하여 저감속 회수장비 시험조건인 가스압과 물 충진량에 따른 시험탄의 감속특성(시험탄의 출구속도, 최대 감속도)을 확인 하였다. 저감속 회수장비에서 가스압의 증가는 시험탄의 출구속도 및 최대 감속도를 감소시키며, 물 충진량의 증가는 출구속도를 감소시키나, 최대 감속도를 증가시키는 경향을 나타내었다. 감속도 변화량의 경우 시험탄의 초기속도가 증가할수록 변화량도 함께 증가하는 것으로 확인되었다.
- 저감속 회수장비에서 가스압의 증가는 시험탄의 출구속도 및 최대 감속도를 감소시키며, 물 충진량의 증가는 출구속도를 감소시키나, 최대 감속도를 증가시키는 경향을 나타내었다. 감속도 변화량의 경우 시험탄의 초기속도가 증가할수록 변화량도 함께 증가하는 것으로 확인되었다.
- (3) 따라서, 저감속 회수장비에서 낮은 출구속도와 감속도를 얻기 위해서는 높은 가스압과 낮은 물 충진량 조건을 최적화하여 적용하는 것이 적절할 것으로 판단하였다.
후속연구
- 저감속 회수장비에서 시험탄 발사시 가해지는 충격 하중 외에 회수과정 중에 발생하는 추가적인 하중을 최소화해야 하며 이를 위해 시험조건별 시험탄의 최대 감속도 및 출구속도에 대한 분석이 필요하다. Fig.
- 상기와 같은 수치해석 결과 및 감속 특성에 대해 향후 시험을 통해 검증 및 비교를 수행할 예정이다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.