[논문]가변 추력용 핀틀 노즐의 동적 특성에 관한 수치적 연구

박형주; 김리나; 허준영; 성홍계; 양준서

가변 추력용 핀틀 노즐의 동적 특성에 관한 수치적 연구
Numerical Study on Dynamic Characteristics of Pintle Nozzle for Variant Thrust 원문보기

박형주 (STX 엔진) , 김리나 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학과) , 허준영 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학과) , 성홍계 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학과) , 양준서 (국방과학연구소 1기술본부 6부)

고체 로켓 모터의 추력 제어를 위한 핀틀 노즐에 대한 비정상 수치해석을 수행하였다. 비정상 수치해석 기법을 이용하여 핀틀의 위치 변화를 고려하였으며, 다양한 핀틀 형상의 동적 특성에 대한 연구를 수행하였다. 시간에 따른 핀틀의 위치 변화를 고려하기 위해 이동격자기법을 적용하였다. 다양한 형상의 핀틀에 대하여 핀틀의 이동에 따른 노즐 목의 위치 및 크기를 예측하였고, 수치해석 결과와 비교하였다. 그리고 엔진성능의 동특성을 관찰하기 위하여 비정상 수치해석을 통해 연소실 압력, 추력 등을 분석하였다.

Unsteady numerical simulations of pintle nozzles were implemented for solid rocket thrust vector control. The variation of pintle location was considered using unsteady numerical techniques, and dynamic characteristics of various pintle models were investigated. In order to consider the variation of the pintle location, a moving mesh method was applied. The effects of shape and location of the pintle nozzle have been analytically investigated. And the results were compared with numerical results. The chamber pressure, mass flow and thrust are analyzed to take account dynamic characteristics of pintle performance.

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문제 정의

고체 로켓의 추력 제어를 위한 핀틀 노즐에 대한 수치해석적 연구를 수행하였다. 핀틀 노즐의 성능 예측을 위해 핀틀의 형상과 위치에 따른 노즐 목의 크기 및 위치를 예측하였고, 핀틀의 이동에 따른 연소실 내부의 급격한 유동장 변화를 해석하기 위하여 비정상상태 유동해석을 수행하였으며, 핀틀의 이동을 고려하기 위하여 이동격자기법을 적용하였다.
핀틀 이동에 따른 연소실 내부 급격한 유동장 변화를 해석하기 위하여 비정상상태 유동해석이 수행되어야 한다. 본 연구에서는 핀틀 추진기관의 성능해석을 위한 기초자료로서의 활용을 위하여 비정상상태 유동해석을 통한 성능해석에 중점을 두고 연구를 수행하였다.

가설 설정

5. 핀틀의 삽입과 추출시의 압력 및 추력 변화율이 서로 다르다. 핀틀의 삽입시 형상에 관계없이 압력 및 질량유량 등이 유사한 경향을 보이지만, 추출시 노즐 목의 크기 및 위치가 급격히 변하는 경우 압력 및 추력 등의 성능 곡선 또한 급격한 변화를 보인다.

제안 방법

핀틀의 형상과 이동 거리에 따라서 노즐 목의 위치 및 면적 크기가 변화하게 되며, 이는 노즐 성능해석에 필요한 주요 변수 중에 하나다. 노즐목의 위치를 예측하기 위해서 핀틀 이동에 따른 최소 면적과 그 위치를 해석적인 방법을 통해 계산하였다.
본 연구에서는 핀틀의 이동으로 발생하는 연소실 내부 압력변화를 계산하기 위하여 입구조건으로 일정 질량유량 조건을 적용하였으며, 수치해석에는 ANSYS FLUENT v12.1을 사용하였다. 핀틀 노즐의 형상으로 인하여 복잡한 충격파 구조가 존재하며 충격파/충격파, 충격파/경계층 간의 강한 간섭이 발생한다.
벽면에서의 y+는 약 10이 되도록 격자를 구성하였으며, 약 5만개의 격자를 적용하였다. 핀틀 끝단 벽면에서 노즐 출구까지의 영역을 이동영역으로 설정하고 노즐 출구를 stationary로 설정하여 격자가 분할/병합되도록 하였다.
고체 로켓의 추력 제어를 위한 핀틀 노즐에 대한 수치해석적 연구를 수행하였다. 핀틀 노즐의 성능 예측을 위해 핀틀의 형상과 위치에 따른 노즐 목의 크기 및 위치를 예측하였고, 핀틀의 이동에 따른 연소실 내부의 급격한 유동장 변화를 해석하기 위하여 비정상상태 유동해석을 수행하였으며, 핀틀의 이동을 고려하기 위하여 이동격자기법을 적용하였다. 본 연구를 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.
핀틀 속도에 따른 추력제어 성능 변화를 알아보기 위하여 모델 3의 핀틀의 운동속도를 0.1m/s와 1.0m/s로 달리 하여 해석을 수행하였다. Figure 9는 핀틀의 이동 속도에 따른 연소실 압력 변화를 나타낸 그래프이다.
시간에 따른 핀틀의 위치 변화를 고려하기 위해 이동 격자 기법을 적용하였다. 핀틀 전방의 노즐 내부 유체 영역을 핀틀 이동과 동일하게 이동하여 노즐 출구면에서 격자가 분할/병합되도록 함으로써 핀틀이 이동하여도 동일한 격자밀도를 유지하도록 하였다. 핀틀의 움직임에 따른 격자변형을 적용하기 위하여 Sliding mesh(미끄럼 격자) 기법과 Dynamic mesh(동적 격자) 기법을 사용하였다.
Figure 9는 핀틀의 이동 속도에 따른 연소실 압력 변화를 나타낸 그래프이다. 핀틀의 위치에 따른 시간을 속도에 대하여 정규화하여 제시하였다. 핀틀의 운동속도가 빠른 경우에 압력 상승률도 증가하며, 0.
4와 같이 3가지 형상이 고려되었으며, 해석모델 및 작동조건은 공압실험[3-5]과 동일하게 적용되었다. 핀틀이 초기위치에 있을 때의 연소실 내부압력에 따른 질량유량을 계산하여 일정질량유량 조건을 적용하였다.

대상 데이터

모델 1은 오목한 경사면으로 인하여 핀틀이 노즐 목 방향으로 이동하여도 노즐 목은 경사면 위에 형성되지 않고, 21mm 이동 후 경사면이 시작되는 지점에서 새로운 노즐 목이 위치하게 된다. 모델 2는 경사면이 완전한 직선이다. 핀틀이 이동하면서 노즐 목이 경사면에 위에 위치하게 되어 모델 1에 비하여 짧은 이동거리에서 노즐 목 면적이 감소하게 된다.

이론/모형

시간에 따른 핀틀의 위치 변화를 고려하기 위해 이동 격자 기법을 적용하였다. 핀틀 전방의 노즐 내부 유체 영역을 핀틀 이동과 동일하게 이동하여 노즐 출구면에서 격자가 분할/병합되도록 함으로써 핀틀이 이동하여도 동일한 격자밀도를 유지하도록 하였다.
핀틀 노즐의 형상으로 인하여 복잡한 충격파 구조가 존재하며 충격파/충격파, 충격파/경계층 간의 강한 간섭이 발생한다. 이러한 간섭현상에 의해 발생되는 난류 유동의 특성을 고려하기 위하여 표준 k-e 모델을 사용하였다.
핀틀 전방의 노즐 내부 유체 영역을 핀틀 이동과 동일하게 이동하여 노즐 출구면에서 격자가 분할/병합되도록 함으로써 핀틀이 이동하여도 동일한 격자밀도를 유지하도록 하였다. 핀틀의 움직임에 따른 격자변형을 적용하기 위하여 Sliding mesh(미끄럼 격자) 기법과 Dynamic mesh(동적 격자) 기법을 사용하였다. Fig.

성능/효과

1. 기하학적 단순성을 갖도록 설계한 핀틀의 형상에 대해 기하학적 노즐 목의 위치 및 크기는 수치모사를 통해 얻은 노즐 목의 위치 및 크기와 일치한다. 이는 내탄도 해석에 필요한 노즐목의 크기를 기하학적으로 계산된 최소면적을 적용 할 수 있음을 의미한다.
2. 핀틀 경사면의 형상에 따라 핀틀의 끝단 충격파의 발생 위치와 강도 및 노즐 벽면과의 재충돌 위치와 강도가 서로 다르게 나타난다. 이로 인하여 핀틀의 형상에 따라 유동박리가 발생하는 위치와 크기에도 매우 차이가 나므로, 핀틀의 형상 설계시 핀틀 형상에 따른 추력 변화량을 예측하여 내탄도 설계의 설계 인자로 보정해야 함을 의미한다.
3. 왕복운동을 하는 핀틀의 작동주기 내에서의 압력은 초기 압력의 최대 2.5배까지 상승하며, 추력은 초기추력 대비 50% ~ 200%의 변동을 가지므로 추력조절을 50% ~ 200% 범위에서 제어 가능하다.
4. 핀틀 구동에 따라 유량과 추력 변화는 동일 위상을 유지하지만 압력은 위상 지연이 나타난다. 이는 노즐 목에서 반사되는 압력이 연소실 쪽으로 전파되는 시간이 소요되지만, 노즐 목에서 노즐 출구까지 초음속영역이므로 전파시간이 매우 작기 때문에 추력은 동일 위상을 나타낸다.
6은 핀틀이 20mm 이동했을 때의 기하학적 노즐 목의 위치와 마하 1인 선을 비교하여 나타내었다. 모델 1의 경우 초기 노즐 목 위치에 여전히 노즐 목이 존재하지만, 모델 2와 모델 3은 핀틀 경사면 경사면에 노즐 목이 위치하며, 기학학적으로 계산한 노즐 목의 위치가 마하 1의 위치와 근접함을 확인하였다.
핀틀의 위치에 따른 시간을 속도에 대하여 정규화하여 제시하였다. 핀틀의 운동속도가 빠른 경우에 압력 상승률도 증가하며, 0.1m/s의 이동 속도를 갖는 핀틀에 비하여 1.0m/s의 속도로 이동하는 핀틀의 압력상승률은 최소 면적을 유지하는 0.44에서 0.6의 구간동안 약 1.5배정도 증가하였다.

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