[논문]축소형 고공환경모사 시험에서의 노즐 유동에 관한 연구

최지선; 이성민; 이희준; 고영성; 김선진; 이정민

축소형 고공환경모사 시험에서의 노즐 유동에 관한 연구
A Study on the Nozzle Flow in the Sub-scale High-Altitude Test

최지선 (충남대학교 항공우주공학과) , 이성민 (충남대학교 항공우주공학과) , 이희준 (충남대학교 항공우주공학과) , 고영성 (충남대학교 항공우주공학과) , 김선진 (충남도립대학교 소방안전관리과) , 이정민 (국방과학연구소 4기술연구본부)

본 연구에서는 고공환경을 모사하는 축소형 상온 시험에서의 노즐 유동에 관한 수치적, 실험적 연구를 진행하였다. 이론 계산에서는 노즐 출구의 온도가 액화점보다 낮게 계산이 되어 유체가 상변화 지점에서 존재하게 된다. 또한 수치해석 결과 이론 계산보다 높지만 액화되는 온도보다는 낮았다. 실제 환경에서의 검증을 위하여 상온 시험을 한 결과 이론과 해석보다는 월등히 높은 온도로 확인되었다. 이는 이론 계산 시 단열이라고 가정을 하며 문제를 풀지만 실험은 단열이 아닌 외부와의 열 교환이 일어나게 된다. 결과적으로 상온 시험 할 때에 상변화 지점보다 높은 온도인 것을 확인하였다.

In this study, numerical and experimental studies on the nozzle flow in a sub-scale cold flow test were conducted to simulate high altitude condition. In the theoretical calculation, the temperature of the nozzle outlet is calculated to be lower than the liquefaction point, and the fluid exists at the phase change point. Also, numerical analysis result is higher than theory calculation but lower than liquefaction temperature. As a result of cold flow test, it was confirmed that the temperature was much higher than theory and analysis. This is because it assumed that it is adiabatic in the theoretical calculation, but the experiment in the actual environment is not the adiabatic but the heat exchange with the outside exists.

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문제 정의

본 연구에서는 고공환경 모사 장치의 상온 가스를 이용한 실험을 통해 로켓 엔진, SAH, VAH의 역할을 하는 노즐 유동에 관한 연구를 수치 해석 및 실험을 통해 진행하고자 한다.

제안 방법

유량에 따른 노즐의 목 면적 설계를 위해 초킹 유량식인 Eq. 1을 사용하여 노즐 목 면적(A_t)을 계산하였다. 그 다음 Eq.
노즐 출구의 온도는 Eq. 2과 같은 등엔트로피 관계식을 통하여 계산하였다. 디퓨저의 직경은 목표하는 압력을 통하여 Eq.
노즐의 입구조건은 pressure inlet으로 하였다. 디퓨저 출구조건은 pressure far field와 pressure outlet으로 하고 디퓨저의 시동을 돕기 위하여 이젝터에서 구현된 압력 조건을 외기조건에 부여하였다. Fig.
39K으로 시험을 하게 되면 기체상태로 존재하지 않게 된다. 따라서 해석과 실험을 통해 노즐 유동의 온도 분포를 살펴보았다.
노즐 출구의 온도를 확인하기 위하여 노즐 출구에 두 개의 온도센서를 설치하였다. 또한 진공 압력을 측정하기 위하여 디퓨저 벽면에 압력 센서를 설치하였다. 고공환경 모사 시험을 진행하기 위해서는 실험에 사용될 고압가스 공급설비 구축이 필요하다.
5와 같이 크게 노즐, 디퓨저, 이젝터로 구성되어 있다. 목표하는 압력과 마하 수를 구현하기 위해 설계한 압력을 공급하여 주며 상온 공기를 사용하였다. 노즐 출구의 온도를 확인하기 위하여 노즐 출구에 두 개의 온도센서를 설치하였다.
목표로 하는 고고환경을 모사할 수 있도록 고도 조건의 압력과 온도, 마하수를 모사 할 수 있는 고온/고압 공기시스템을 필요로 한다. 본 연구에서는 상온 가스를 이용한 축소형 장치를 구성하였기 때문에 상온 가스를 사용하여 압력과 마하수를 구현하는 노즐(Nozzle), 초음속 디퓨저를 이론식과 추천치를 이용하여 설계하였다[2].
설계된 노즐 및 디퓨저에 대한 정보는 Table 1에 제시되어 있다. 본 연구에서는 해석 및 실험에 상온 공기를 사용한다. 상온에서의 공기 액화점은 78.
축소형 고공환경 모사 시험에서의 노즐 후류 유동에 대하여 수치적, 실험적 연구를 진행하였다. 이론 계산과 수치해석 결과 각각 59.

이론/모형

상온 가스를 이용한 해석이므로 사용 유체는 공기(ideal gas)로 적용하였으며 난류모델은 k-ε SST 모델을 적용하였다.
해석은 Fluent v13을 이용하였다. 상온 가스를 이용한 해석이므로 사용 유체는 공기(ideal gas)로 적용하였으며 난류모델은 k-ε SST 모델을 적용하였다.

성능/효과

이는 이론 해석에는 단열 등의 여러 가지 가정을 가지며 문제를 풀지만 실제 실험에서는 구조물 및 대기와의 열 교환 등의 이론에서 고려되지 않는 부분에서 생기는 오차이다. 따라서 이론 예측과는 달리 유체의 온도가 상온과 비슷하여 시험 진행 시 유체는 기체의 상태로 문제가 없음을 확인하였다.
이는 벽면에서의 no-slip condition으로 인해 속도가 줄어 온도가 상승하였다. 수치해석의 결과도 상온 시험으로 유체의 상이 기체 상태로 존재하지 않게 되는 것을 확인할 수 있다.
축소형 고공환경 모사 시험에서의 노즐 후류 유동에 대하여 수치적, 실험적 연구를 진행하였다. 이론 계산과 수치해석 결과 각각 59.39K, 70~100K으로 나타나 상온 공기의 액화점인 78.8K 부근으로 나타났다. 하지만 실험을 통한 온도확인 결과 약 300K으로 이론과 수치해석의 결과보다 월등히 높은 온도 값이 계측되었다.
2의 (a)부분에 해당하는 노즐 출구에서의 온도분포이다. 전체적으로 60~70K인 것을 확인할 수 있으며 온도 분포에서 확인하였듯이 벽면으로 갈수록 온도가 상승하는 것을 볼 수 있다. 이는 벽면에서의 no-slip condition으로 인해 속도가 줄어 온도가 상승하였다.
8K 부근으로 나타났다. 하지만 실험을 통한 온도확인 결과 약 300K으로 이론과 수치해석의 결과보다 월등히 높은 온도 값이 계측되었다. 이는 이론 해석에는 단열 등의 여러 가지 가정을 가지며 문제를 풀지만 실제 실험에서는 구조물 및 대기와의 열 교환 등의 이론에서 고려되지 않는 부분에서 생기는 오차이다.

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