[논문]복합무기체계 실험을 위한 열유동 수치해석 기법 개발

김성대; 유성열; 백상화; 이정용; 박소진; 김철주; 고한서

복합무기체계 실험을 위한 열유동 수치해석 기법 개발
Development of Numerical Analysis Technique of Thermal Flows for Experiment of Combined Weapon Systems 원문보기

김성대 (성균관대학교 대학원 기계공학과) , 유성열 (성균관대학교 대학원 기계공학과) , 백상화 (국방과학연구소 종합시험단 2부) , 이정용 (국방과학연구소 종합시험단 2부) , 박소진 (충남대학교 화학공학과) , 김철주 (성균관대학교 기계공학부) , 고한서 (성균관대학교 기계공학부)

A numerical analysis has been performed in this study to predict thermal behaviors of combined weapon systems in a large environmental tester. Also, temperature distributions of the materials of the system have been measured for the experimental conditions. The calculated thermal flow characteristics and the measured temperature distributions of the materials for the weapon systems have been analyzed to prepare for field tests in the environmental tester. The boundary conditions of the analysis are composed of inlet and outlet conditions of the environmental tester with various pressures and the limit of low temperature of -25$^{\circ}$C. The soaking time of the system in the environmental tester has been obtained by developed programs in this study to carry out the experiment in the predicted conditions.

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문제 정의

이 다수 연구되었으나 고온 환경 및 저온 환경에 대한 복합 재료의 해석과 열유동에 관한 군사 분야 관련 연구 사례는 기밀로 인해 파악하기 힘든 실정이다. 따라서 본 연구는 이들 무기 체계 복합재료의 실험 환경 조건에 대한 열적 특성을 파악하고 각 무기 복합재료의 침투 시간에 대한 자료를 확보하기 위한 일환으로 전산수치해석 기법 적용 가능성을 검토하기 위해 수행되 었다. 해석관련 무기체계는 장갑차를 사용하였으며 장갑차 형상은 복잡한 구조로 되어있기 때문에 겉면을 타겟으로 하여 단순화 모델링 하였다.
단순 모델링의 장갑차 재료와 대형 환경시험조 내의 초기온도는 각각 25℃이다. 본 연구에서는 저온의 공기가 내부로 유입될 때 과도 상태 유동해석을 수행함으로써 내부의 유동 상태를 파악하고 시간에 따른 재료의 온도 변화도 관찰할 수 있다.

가설 설정

[1] 대형 환경시험조 내의 공기 온도는 -25℃까지 도달하는데 5시간정도 소요된다.

제안 방법

대형 환경시험조 내의 무기체계 열유동해석을 수행하였으며 그 결론은 다음과 같다.
본 연구에서 해석에 사용된 상용 프로그램은 SolidWorks COSMOS Floworks이며 3차원 유동장에 대하여 에너지 방정식을 추가하여 유동장 및 대형 환경시험조 내의 온도를 계산하였다. 또한 방정식 내 대류항의 계산을 위하여 상류차분도식(Upwind Difference Scheme)을 사용하였다^(1-4).
따라서 본 연구는 이들 무기 체계 복합재료의 실험 환경 조건에 대한 열적 특성을 파악하고 각 무기 복합재료의 침투 시간에 대한 자료를 확보하기 위한 일환으로 전산수치해석 기법 적용 가능성을 검토하기 위해 수행되 었다. 해석관련 무기체계는 장갑차를 사용하였으며 장갑차 형상은 복잡한 구조로 되어있기 때문에 겉면을 타겟으로 하여 단순화 모델링 하였다. 장갑차의 재료는 티타늄 합금(Alloy Titanium)을 사용하였다.

대상 데이터

이형식(2) 등은 대기 중에서 고온으로 유지되는 발열체 및 이에 인접한 대상체를 포함하는 모델에 대하여 열복사를 고려한 열유동해석을 SolidWorks COSMOS FloWorks를 이용하여 수행하였다. 발열체 온도 변화에 따른 대상체의 온도 변화를 관찰하였으며 발열체와 대상체의 재료는 각각 스테인리스 스틸과 강철을 사용하였다.
해석관련 무기체계는 장갑차를 사용하였으며 장갑차 형상은 복잡한 구조로 되어있기 때문에 겉면을 타겟으로 하여 단순화 모델링 하였다. 장갑차의 재료는 티타늄 합금(Alloy Titanium)을 사용하였다.

이론/모형

본 연구에서 해석에 사용된 상용 프로그램은 SolidWorks COSMOS Floworks이며 3차원 유동장에 대하여 에너지 방정식을 추가하여 유동장 및 대형 환경시험조 내의 온도를 계산하였다. 또한 방정식 내 대류항의 계산을 위하여 상류차분도식(Upwind Difference Scheme)을 사용하였다^(1-4). Fig.

성능/효과

[2] 대형 환경시험조 내의 장갑차 겉표면 온도는 -25℃까지 도달하는데 25시간에서 30시간 정도 소요된다.
[3] 재료의 온도 분포 결과에서 실험과 수치해석의 불일치 구간이 존재하였는데 그 이유는 실제 대형 환경시험조의 초기 유속 및 유동 속도 분포가 수치해석 조건과 다소 상이하며 재료 형상의 크기와 두께가 차이가 있으며 재료의 물성치가 다른 것 등이 될 수 있다. 그러나, 최종 목표 온도에 도달하는 시간은 실험과 수치해석이 잘 일치하였다.
5는 대형 환경시험조 내의 장갑차 겉표면 재료 온도 분포에 대한 결과이며 시간에 따라서 재료의 온도가 감소하는 결과를 보여주고 있다. 입구부(Inlet)에서의 공기는 대략 5시간 만에 원하는 온도대에 도달하였고 직접 실험으로 측정한 장갑차 겉표면과 수치해석의 결과는 25시간에서 30시간 사이에 도달하였음을 알 수 있었다. 그러나, 실험결과와 수치해석의 결과가 5시간 대부터 11시간대 사이 구간에서 불일치하였다.

후속연구

[4] 향후 대형 환경시험조 내 공기 온도 변화 및 열전달계수 변화 등과 같은 유동 경계 조건을 잘 적용하면 보다 개선된 결과를 얻을 수 있으며, 그 연구가 현재 수행 중에 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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