어지는 횟수가 작게 형성되어 충분한 감속을 이루지 못하며, 디퓨져 끝단의 배압 이 올라감에 따라서 Fig. 2-6에서와 같이 시동압력이 상승하는 현상이 나타난다.
2차목길이/직경비()가 6~10이내의 경우 내부에서 초음속과 아음속의 경계영 역인 수직 충격파영역이 발생되어진다. 10이상의 2차목길이/직경비()를 가지 는 경우 아음속영역이 발생되어지는 디퓨져 내부에서 연소가스의 속도의 감소와 함께 경계층(와류영역)이 발달되어지고 따라서 전압력손실이 초래되어 짧은 디퓨 져의 경우와 같이 시동압력을 상승 시키는 역할을 한다. 작동 압력의 경우도 2차 목길이/직경비()에 따라서 시동 압력과 유사한 유동 특성을 나타낸다. Fig.
2-6의 작동압력과 시동압력을 고려할 경우 2차목의 길이/직경비()는 8~10이 적정 길이로 판단된다. 또한 Fig. 2-4에서 보이는 것과 같이 충격파의 반사되는 횟수와 수직 충격파가 형성되는 위치와 관련되는 변수로 단순 디퓨져와 2차목 디퓨져 그리고 센터바디 디퓨져가 모두 동일한 특성을 가지는 것으로 판단된다.
하다. Fig. 2-9는 노즐 확장비()=25인 경우의 실험 데이터로 본 연구에서 고려하 고 있는 확장비 45노즐과 비교하여 시동압력이 낮은 경우이며 적정한 시동압력 을 고려하기 위해서는 해외 구축사례[1-5]를 고려할 경우 5~7도사이의 디퓨져의 수축각이 적당할 것으로 판단된다. 또한 앞에서 분석한 시동압력의 관계에서 진 공압력에 미치는 영향이 작음을 알 수 있다.
Fig. 2-7 Characteristic curve of STED [9]
Fig. 2-8 Characteristic curve of CAED [9]
Fig. 2-9 Effect of contraction angle of STED (Bell nozzle) [29]
Fig. 2-10 Effect of contraction angle of STED (Conical nozzle) [29]
제 3 절 2차목 디퓨져의 설계
참고문헌[1]에서 언급한 것과 같이 2차목 디퓨져의 형상은 센터바디 디퓨져와 대응되는 형상 요소로 구성되며, 2차목 디퓨져의 설계형상은 수치해석을 통하여 센터바디 디퓨져의 수치해석 결과와 비교하기 위하여 구성하였다.
Fig. 2-11 Design parameters of STED
2차목 디퓨져의 형상 결정을 위하여 2차목의 설계형상요소로는 Fig. 2-11의 개 략도에서 나타나 있는 것과 같이 다음과 같은 구성요소들을 고려하였다.
- 구성요소
: 직선부 길이
: 디퓨져 입구직경
: 디퓨져 2차목 직경
: 디퓨져 출구직경
: 2차목 길이
: 전체 길이
: 디퓨져 입구 수축각
: 디퓨져 확산부 각
설계를 위한 1차원 설계식으로는 참고문헌[45]에서 제시한 다음과 같은 방법의 설계식을 사용하여 구성하였다. 이때 수식의 전개과정에서 수축각 및 확산각은
앞 절에서 분석한 형상을 고려하여 5도와 8도의 실험적 데이터에 의한 변수 값 으로 결정하였다. 또한 디퓨져의 2차목의 설계 방정식은 마하수와 비유량의 관계 식으로 2차목의 직경을 결정하는 요소이다.
1차원 설계식에서 디퓨져의 직경은 앞에서 계산되어진 단순 디퓨져 일 경우 진공압력 및 참고문헌[44, 45]에서 언급하고 있는 KSLV-II의 엔진 노즐 및 연소 압력을 그리고 목표 진공압력을 고려하여 디퓨져의 직경에 대한 분석자료를 근 거로 노즐확장비 45일 때 면적비(디퓨져 입구면적/노즐목면적)를 =76.7로 가정하였다.
직선부인 S의 길이는 참고문헌[28]의 내용을 근거로 디퓨져 2차목 직경으로 길 이를 설정하였다. 디퓨져의 성능을 결정하는 변수는 다음과 같다.
가스동역학함수
m ax
, m ax
(2-1)노즐 출구에서 비속도
·
(2-2)
노즐 출구에서 비유량
(2-3)
수직 충격파 후방에서 비속도
(2-4)
수직 충격파 후방에서 비유량
(2-5)
수직 충격파로 인한 전압력 손실 계수
(2-6)
위의 식에서 산출된 전압력 손실 계수와 목표 진공압력을 기준으로 수축부 각 도와 확산부 각도를 각각 5도와 8도로 가정하여 Table 2-2의 설계 값을 산출하였 다. 산출된 설계 형상은 센터바디 디퓨져의 설계 형상과 수치해석을 통해서 비교 검토한다.
Parameters STED Parameters STED Inlet length (
) 110.5 mm Outlet diameter (
) 250 mmInlet diameter (
) 220.83 mmDivergence length
(
) 306.25 mmConvergence length
(
) 325.16 mm Convergence angle(
) 5 deg.Diameter of second
throat (
) 163.91 mm Divergence angle(
) 8 deg.length of second
throat () 1362.4 mm Total length (
) 2104.58 mm Table 2-2 Design parameters of STED제 4 절 센터바디 디퓨져와 2차목 디퓨져 관계
2차목 디퓨져의 설계형상 중 센터바디 디퓨져의 형상설계 시 고려해야 하는 변수에 대한 내용을 기술하였다. Fig. 2-12과 Table 2-3에 2차목 디퓨져 형상 변 수를 센터바디 디퓨져에 적용하기 위해 대응하는 설계변수를 정의하였다.
Fig. 2-12 Comparison of CBD to equivalent STED
STED
(Second Throat Exhaust Diffuser)
Center-body
Diffuser Remarks
Inlet length (
) H 0.5*
적용Area of second throat (
)
0.5*
이상Length of second throat(
) N 8*
-12*
Convergence angle (
) 콘반각Divergence angle (
) 8도Table 2-3 Design parameters of CBD to equivalent STED