Breakup Process and Wave Development Characteristics of Gel Propellant Simulants at Various Gelling Agent Contents

황태진

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Breakup Process and Wave Development Characteristics of Gel Propellant Simulants at Various Gelling Agent Contents

Tae-jin Hwang, In-chul Lee, Jung-hun Kim, Do-hun Kim and Ja-ye Koo

Key Words: Gelled propellant simulants( 젤 모사 추진제 ), Gelling agent( 젤화제 ), non-Newtonian fluids( 비뉴튼 유체 ), Storability( ^저장성 ), Impinging injector( ^{충돌형 인젝터} ), Spray angle( ^분무각 )

Abstract

Gelled propellants are non-Newtonian fluids in which the viscosity is a function of the shear rate, and they have a high dynamic shear viscosity which depends on the amount of gelling agent contents. The present study has focused on the breakup process, wave development of ligament and liquid sheets formed by impinging jets with various gelling agent con- tents. The breakup process of like-on-like doublet impinging jets are experimentally characterized using non-Newtonian liq- uids. The spray shape with elliptical pattern is distributed in a perpendicular direction to the momentum vectors of the jets.

Gelled propellant simulants with high viscosity jets are more stable and produce less pronounced surface waves than low vis- cosity jets. Gelled propellant simulants from like-on-like doublet impinging jets have the spray shape of closed rim patterns at low pressure. As the injection pressure increased, rimless patterns which were composed of ligament sheets and small droplets emerged due to the effect of the aerodynamic action.

1. 서 론

젤 (Gel) 추진제는 안정성과 취급성이 용이하며 , 특히

고점도의 젤 추진제는 높은 에너지 밀도와 비추력 , 추력 제어 , ^비독성 , ^{추진제 탱크 소형화} , ^비누설성 (non-leak)

과 같은 특성으로 차세대 고성능 추진시스템에 활용될 수 있으며 , 특히 , 램제트 엔진 , 지능형 전략 미사일 , 차 세대 발사체 부스터 , ^{수직 이착륙기} , 1 ^{단궤도 진입 비행}

체 (SSTO) 등 여러 추진시스템에 적용하여 사용할 수 있

는 장점이 있다 . 젤 추진제는 비뉴튼 (non-Newtonian)

유체로서 유변학적 (rheological) 물성이 시간에 따라 변

화하며 , ^{기존의 액체 연료에 점성 효과가 추가된 젤 추}

진제는 분무시 탄성으로 인한 분지 (branch) 형상을 갖게

된다 . 또한 , 젤 추진제는 비뉴튼 (non-Newtonian) 유체로 서 비선형적인 점탄성 성질을 지녀 유체 흐름의 거동을

Navier-Stokes 방정식에 기초하여 묘사할 수 없다 . 젤 추

진제는 긴 삼차원 중합 고리의 결합적 특성을 갖는 젤 화 작용제 (gelling agent) ^{와 분산제} (solvent) ^{를 첨가해 금}

속 고체의 상을 액체로부터 분리시키고 집합과 응고를

방지하며 , 추력 증대 및 축 (longitudinal) 방향 연소불안

정 해결을 위해 Al ^{과 같은 금속 입자 성분을 첨가함으}

로써 추진제의 성능을 증가시킨다 . 고체 추진제의 그레 인 균열 발생으로 인해 폭발이 발생하는 것과는 달리 ,

젤 추진제는 액체 추진제와 같은 방식으로 분사 추진제 변형에 대한 문제가 발생하지 않으며 , ^{성능 측면에 있어}

서 금속 입자 첨가에 따라 높은 에너지 밀도와 비추력 (2011

9

8

~ 2011

9

21

, 2011

9

29

)

*한국항공대학교대학원

†한국항공대학교항공우주및기계공학부

E-mail : [email protected]

TEL : (02)300-0116 FAX : (02)3158-0117

(specific impulse) ^{특성을 지니며} , ^{밀도 추력} (density

impulse) 은 금속 첨가제와 그 하중에 따라 액체와 비교

하여 현저하게 증가하여 높은 발열양을 얻을 수 있다

.

일반적으로 젤 추진제는 첨가된 젤화제 (gelling agent)

의 함유량 , 시간 , 온도 , 주위 압력 등의 다양한 조건에 따라 점도와 탄성이 변한다 . 대부분의 젤 추진제에서는 일시적 점도 손실 (temporary viscosity loss) 의 특징을 나 타내며 , ^{나노 및 마이크로 입자를 첨가함므로써 젤 추진}

제의 유변학적 특성이 변화된다 . 젤 추진제는 Fig. 1 과

같이 전단률에 따른 항복응력 그리고 전단률에 따른 점 성의 변화로서 면찰 담화 (shear thinning) ^{와 요변} (thixo- tropic) 특성을 나타낸다 . 젤 추진제는 뉴튼 (Newtonian)

유체와는 달리 탄성의 특징 때문에 수직응력이 나타나 며 , ^{젤 추진제의 유동은 고분자 물질의 전형적인 거동으}

로서 간주된다 . 젤 추진제는 Fig. 2 와 같이 전단률 증가

에 따라 점도가 하강하는 유체이며 , JP-8, Hydrazine,

IRFNA, MMH ^{와 같은 다양한 추진제에 젤화제를 첨가}

하여 사용할 수 있다

.

젤 추진제는 피스톤 또는 가압 탱크에 연결된 배관을 통해 인젝터로 공급되며 , 젤 추진제는 배관 표면에서

1 차적인 전단력에 의해 점도가 하강하는 특성을 나타고

2 차적으로 인젝터 출구에서 고압 분무 또는 유체 상호

간의 충돌력에 의해 미립화되는 특성을 나타낸다 . ^{젤 추}

진제를 미립화시키기 위한 인젝터는 램제트 엔진의 경 우 기체 충돌 방식을 이용한 공기보조식 분사기를 사용 하며 , 발사체의 부스터 , 전략형 미사일의 경우 충돌형

분사기를 이용한다 . ^{젤 추진제의 연료로는} Hydrazine,

UDMH, MMH, N

H

RP-1, JP-10 Kerosene 와 산화제로 는 IRFNA, CIF

, H

O

, O

등을 사용한다 . 하지만 화기 성과 유독성이 있는 추진제를 사용하여 실험하기에는

난제가 많기 때문에 분무특성 연구를 위해서 Carbopol

940, 941, Aqupec HV, HPC(Hydroxypropylcelluose) 등

의 젤화제가 혼합된 젤 모사 추진제를 사용한다 . Car-

bopol 941 은 non-Newtonian 젤 모사 추진제를 만들기

위한 젤화 작용제로서 , 백색의 분말상으로 물과 혼합 되

었을 때 thixotropy ^{특성을 나타내고 낮은 항복응력을}

나타내어 항복응력 인자를 무시할 수 있다 . 젤 추진제의 분무특성 연구는 주로 유변학적 특성 연구 이후에 수행 되며 , 젤 추진제를 일반 추진제와 비슷한 성능으로 미립 화시키고 안정적인 분무를 이끌어 내는 것이 인젝터 개 발의 목표이며 , 이러한 미립화 향상과 분무 안정성을 향 상시키기 위해 다양한 연구가 진행되었다 . Green et al.

^과 Chojnacki et al.

^{은 젤 모사 추진제에 대한 기}

초적 미립화 특성을 규명하였으며 , 인젝터 출구에서 일 정한 전단률의 상수로서 계산된 젤 추진제는 높은 전단 력에 의존하여 인젝터 출구로 분사되고 일반적인 물보 다는 미립화 특성이 동일 압력에 비해 저조하고 충돌

효과에 의하여 액막 (liquid sheet) 이 발달하며 , Weber

number ^{증가에 따라 분무각이 증가한다는 연구를 수행}

Fig. 1 Non-Newtonian fluids of rheological characteristics and viscous characteristics re-lated with shear rate

Fig. 2 Viscosity-shear rate characteristics with various gel

propellants

여 나타내었으며 , Al ^{금속 입자가 첨가된 젤 분무의 미}

립화 정도는 피스톤식 가압을 통한 고압 분사를 통해

기존의 Newtonian 액체 연료와 비슷한 액적 크기로 분

무가 가능하다고 연구하였다 . Xing et al.

^{은 고분자 폴}

리머의 함유량 감소에 따라 액적 크기가 감소함을 연구 하였으며 , 국부 확장성 점도에 대한 막 분열 형상의 상 관관계를 연구하였다 .

젤 추진제와 관련된 응용 연구들은 다양한 연구 주제 로서 국외의 국공립 연구소 및 대학 실험실에서 연구되 고 있으며 , 분무 특성 연구 및 연소 실험을 통해 각각의 연구 단계를 정립하고 , ^{성능 평가를 수행하고 있다} . ^본

연구에서는 분무 분열과 관련된 미립화 특성을 재고찰 하여 충돌 분무에 의한 젤 제트의 분열 및 파장 발달 과 정을 연구하도록 하며 , ^{하이드라진 젤 추진제와 유변학}

적 특성이 유사한 Carbopol 941 을 사용하여 젤 모사 추

진제의 미립화 특성을 연구하였다 .

2. 실험 장치 및 실험 조건

실제 연소압을 고려한 실험 환경에서 분무 특성을 모 사하기 이전에 대기압 상태에서 이중 충돌형 인젝터를 사용하여 젤 모사 추진제의 분무 분열 특성에 관한 실 험적 연구를 수행하였다 . ^{젤 모사 추진제의 분무 이미지}

는 고속 카메라를 이용하여 촬영 하였으며 , 젤 모사 추

진제의 분무 실험을 위하여 Fig. 3 과 같은 유체 공급 및

가시화 구현을 위한 실험 장치를 구성하였다 . ^또한 , ^젤

모사 추진제의 유량은 측정 정도가 0.05 g 인 전자 저울

을 사용하여 정밀하게 측정하였다 .

젤 모사 추진제는 최대 14.0 kg/cm

의 압력으로 가압

되어 분사되며 , ^{인젝터 노즐 양 측면에서 일정한 압력으}

로 분사된다 . Fig. 4 와 같이 이중 충돌형 인젝터는 동질

형 (like type) 이며 , 오리피스 직경은 1.1 mm 이다 . Table 1 ^{에는 삼중 충돌형 인젝터의 설계 변수를 나타내었으며} ,

실험을 위한 젤 추진제의 실험조건인 유량 , 속도 , 레이

놀즈 수 , 웨버수를 Table 2 에 나타내었다 . 젤 모사 추진

제의 충돌 분무 특성 연구를 위해 Ionized Water, 아크릴

산의 중합 폴리머 계열인 Carbopol 941 0.5%wt, 1.0%wt,

NaOH 농축액을 혼합하여 pH 8.5 로 조절한 후 모사 추

진제를 제작 하였으며 , 25

C 에서 물과 젤 추진제의 특

Fig. 3 Schematic of gel injection system

L

d

(D=1.1 mm hole) 6.4 4.5 3.6

L

d

(D=0.9 mm hole) 5.0 5.0 5.0

Orifice diameter 1.1 1.1 1.1

Impinging distance(mm) 6.5 5.0 3.5

Impinging angle (°) 30 45 60

L

= orifice length d

= orifice diameter

Fig. 4 Schematic of triplet injector

Table 2 Experiment conditions

Gelled Propellant Simulants Injection Conditions Flow rate

(g/s) Velocity

(m/s) Re

We

1.28~29.58 1.3~31.1 15.9~2379.1 20.4~10896

성은 Table 4 에 나타내었다 . 젤 추진제 분무 실험 이전 에는 젤 추진제의 유변학적 특성을 파악해야 하며 , ^전단

률에 의존하는 동적인 전단 점성 계수는 유변학 점도

분석기 (rheometer) 를 사용하여 측정하였다 . 본 연구에서

는 무차원 변수로서 레이놀즈 수 Re

(power law

model - low share rate) 와 웨버수를 사용하였다 . Newto-

nian 유체에서는 기존의 레이놀즈수 ( ) 를 사용

하고 non-Newtonian 유체에서는 Consistency index 또는

Pre-exponential ^인 K ^값과 power law index ^인 n ^{을 사용하}

여 일반화된 레이놀즈 수를 젤 추진제의 분열에 관련된 인자로 사용하도록 한다 . 전단 박화 (shear thinning) 특성

을 갖는 non-Newtonian ^{유체의 점도는} Ostwald and de waele(Chonjaki et al.

) 가 제시한 power law model

( ) 에 의해 설명되며 , Newtonian 유체에서는 기

존의 레이놀즈수를 사용하고 non-Newtonian ^유체에서

는 수정된 레이놀즈 수

를 젤 추진제의 분열에 관련된 인자로 사용하도록 한다

.

3. 실험 결과 및 분석

전단률 (shear rate) ^{이 증가함에 따라 점도값이 낮아지}

는 유체는 non-newtonian 유체로 정의되며 , 특히 , 젤 추

진제는 유변학적 (rheological) 물성이 변화하고 긴 삼차

원 중합 고리의 결합적 특성을 갖도록 젤화 작용제 (Car-

bopol 941) 와 분산제 (solvent) 를 첨가해 금속 고체의 상

을 액체로 부터 분리시키고 집합과 응고를 방지하도록 한다 . ^{실험에 사용된 이중 충돌형 인젝터는 자발 점화}

방식의 젤 추진제 미립화 , 혼합 뿐만 아니라 실험실 수 준에서 축소형 연소기에 사용되기에 적합하며 , 특히 상 호 제트의 충돌력을 통한 추진제 미립화 성능을 극대화 할 수 있다 . ^{단일 젤 모사 추진제 제트의 분열 거동을}

파악하기 위해 Fig. 5 에는 L/d=3.6 의 노즐을 사용하여

레이놀즈 수 변화에 따른 액주 분열 거동을 나타내었다 .

물의 경우 레이놀즈 수 14,121 ^{에서 표면 분열 거동을 보}

이며 레이놀즈 수가 증가함에 따라 액주 표면 분열이 가속화되는 것을 관찰할 수 있다 . 젤 모사추 진제의 레

이놀즈 수 5,499 ^{의 경우 분무 속도는 약} 71.9 m/s ^{로 측}

정되었으며 , 레이놀즈 수가 증가함에 따라 수력학적 표 면 분열이 일어나지 않고 액주의 형태가 유지되는 현상 을 관찰할 수 있었다 . ^또한 , ^{젤 모사 추진제의 경우 수}

력튀김 또는 공기역학적 난류의 영향을 받지 않은 것으 로 관찰되었다 . 이중 충돌형 인젝터를 사용하여 젤 추진

제의 레이놀즈 수 범위를 15 에서 2,379 까지 변화시키며 ,

충돌 분무 현상을 Fig. 6 ^{에 나타내었다} . ^{레이놀즈 수} 15

의 경우 젤 모사 추진제 분무를 정면에서 관찰하였을 경우 양쪽 오리피스에서 분사된 젤 모사 추진제가 합쳐 진 형상을 관찰할 수 있었으며 , ^측면 90 ^{도 방향에서 관}

찰했을 경우 타원형의 액막 형태를 관찰할 수 있었다 .

레이놀즈 수 198 조건의 경우 액막 분열이 나타나서 주

기적인 분무 분열 파장을 관찰할 수 있으며 , ^{특히 정면}

Re ρuD = --- η

η Kγ = ·

Re

ρu

d

K _⎝ ^⎛ 0.75 0.25 + --- _{n ⎠} ^⎞

× 8

---

= Table 3 power law data of water gel propellant (25

C)

Gel type Consistency

index (K) Power law

index(n) Absolute viscosity Carbopol

941, 0.5%wt 16.75 0.4056 85.7 mPa-s

Carbopol

941, 1.0%wt 29.32 0.7562 230.2 mPa-s

Fig. 5 Vertical jet images of water and gelled propellants simulants with various Reynolds numbers

Fig. 6 Spray images with various Re

, We

, Oh

분무 이미지에서 액주 표면 분열을 관찰할 수 있었다 .

레이놀즈 수 829 에서는 공기역학적 난류의 영향을 받아 젤 모사 추진제가 액적으로 분열되는 미립화 현상을 관 찰할 수 있었으며 , ^{정면 분무 이미지에서는 분무각이 레}

이놀즈 수 198 조건보다 증가된 것을 관찰할 수 있었다 .

젤 모사 추진제의 젤 함유량에 따른 분무 특성을 관찰

하기 위해 젤 모사 추진제의 점도를 85 mPa-s, 230

mPa-s 로 변화시켜가며 Fig. 7 에 측면 (90 도 ) 에서 촬영한 분무 이미지를 나타내었다 . 레이놀즈 수 15 조건에서 젤

모사 추진제의 점도가 230 mPa-s 일 경우 젤 모사 추진

제는 확장성 점도에 의한 중합 효과로 인하여 분열을 일으키지 않고 그대로 분사되는 현상을 관찰할 수 있었

으며 , 이중 충돌형 인젝터를 사용한 점도 230 mPa-s 조

건의 젤 모사 추진제는 레이놀즈 수 2379 ^{까지 액적 분}

열을 일으키지 않고 액막 발달 과정을 거쳐 주기적인 파장 분열 단계까지 발달하며 분사되는 특징을 관찰 할

수 있었다 . ^또한 , ^{레이놀즈 수} 2,379 ^{에서 충돌 지점 후}

방으로 주기적인 액막 분열이 나타났으며 , 주기적인 액막 가장자리에서 공기역학적 난류에 의해 미립화되

는 현상을 관찰할 수 있었다 . Fig. 8 에는 레이놀즈 수

198 조건에서 고속 카메라로 촬영한 Carbopol 941 0.5

wt% 에 대한 젤 모사 추진제의 분무 분열 발달 과정을

나타내었다 . Carbopol 941 0.5 wt% 의 경우 확장성 점

도에 의해 충돌한 젤 모사 제트가 중합되어 8.9 ms ^까

지 형태가 유지되다가 14.5 ms 부터 타원 형태의 액막

이 발달되어 분무된다 . 이러한 액막은 211.8 ms 까지

발달하여 주기적인 액사 형태를 나타낸 후 479.2 ms

시점에서 액사 외곽 부분에 액적 분열을 수반하며 분 무된다 . Fig. 9 에는 Carbopol 941 1.0 wt% 의 고속 촬 영 이미지를 타나내었으며 , ^{액주의 중합 효과는 약} 4.2

ms 까지 유지되다가 10.8 ms 부터 타원형의 액막으로 발달되는 것을 관찰 할 수 있었다 . 이러한 팬 형태의

액막은 470.2 ms ^{까지 유지되며} , ^{팬 외곽에서 공기역}

학적 난류에 의한 표면 분열을 관찰 할 수 있었다 .

Fig. 10 에는 다양한 점도 변화에 따른 젤 모사 추진제

의 액주 표면 파장 발달 무차원 거리를 나타내었다 .

젤 모사 추진제의 경우 레이놀즈 수와 웨버수가 증가 함에 따라 표면 파장 거리는 감소하였으며 , Carbopol

941 1.0 wt% ^{의 경우 레이놀즈 수 범위} 500 ^이상에서

표면 파장 거리가 Carbopol 941 0.5 wt% 보다 약 2 배 크게 나타났다 . 이러한 표면 파장 거리 차이는 젤화제 첨가에 의한 고분자 입자의 강한 결합에 의한 현상으 로서 나타나며 레이놀즈 수가 증가해도 표면 파장 거 리의 변화는 동일 경향을 나타내지만 동일 무차원 거 리를 갖지 않는 것으로 관찰되었다 .

Fig. 7 Spray images for Carbopol 0.5 wt% and 1.0 wt%

Fig. 8 Spray break-up process images with Carbopol 0.5 wt%. (Re

=198, We

=481, Oh

=0.11)

Fig. 9 Spray break-up process images with Carbopol 1.0 wt%. (Re

=198, We

=481, Oh

=0.11)

Fig. 10 Column wave distance with various viscosities

4. 결 론

젤 모사 추진제의 단일 분무의 경우 레이놀즈 수가 증가함에도 불구하고 액주 표면에서 분열이 발생하지 않았다 . 이중 충돌 분무의 경우 레이놀즈수가 증가함에 따라 액막이 발달하고 주기적인 액사 형상의 표면파를 생성하며 액적으로 미립화되는 현상을 관찰할 수 있었 다 . 특히 , 타원형 분무 팬 외곽 영역에서 공기역학적 난 류에 의해 미립화가 진행되어 액적으로 분열되는 현상 을 관찰할 수 있었다 . ^{충돌 지점 후방으로 주기적인 액}

막 분열이 나타났으며 , 고점도의 젤 모사 추진제는 충돌 분무 초기 액주의 중합효과로 뭉쳐진 젤 모사 추진제가 분무되고 분무각이 저점도 젤 모사 추진제보다 작게 관 찰되었다 . ^{또한 분무 충돌시 나타나는 파장의 변화는 고}

점도의 젤 모사 추진제가 저점도 젤 모사 추진제보다 더 짧은 무차원 표면 파장 거리 특성을 나타냄을 관찰 할 수 있었다 .

참고문헌

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(8)

황태진

이인철

김상선

구자예

모사 추 진제의 충돌 분무 특성 연구

한국 추진공학회

년 추계학술대회

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