Spray Characteristics of Water-Gel Propellant by Impinging Injector

한국추진공학회 2009년도 추계학술대회 논문집 pp.11~14 2009 KSPE Fall Conference

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* 한국항공대학교 대학원

** 한국항공대학교 항공우주기계공학부 연락저자, E-mail: [email protected]

Water-Gel 모사 추진제의 충돌 분무 특성 연구

황태진* ․ 이인철* ․ 김상선* ․ 구자예**

Spray Characteristics of Water-Gel Propellant by Impinging Injector

Taejin Hwang* ․ Inchul Lee* ․ Sangsun Kim* ․ Jaye Koo**

ABSTRACT

The implementation of gelled propellants systems offers high performance, thrust-control, energy management of propulsion, storability, and high density impulse of solid propulsion. Present study focused on the spray behavior of liquid sheets formed by impinging jets of non-Newtonian liquids which are mixed by Carbopol 941 0.5%wt. The results are then compared with experiments conducted on spray images formed by impinging jets concerning with air-blast effect at center orifice. When gel propellants are injected by doublet impinging jets at low pressure, closed rim pattern shape appeared.

As increasing air mass flow rate(decreasing GLR), spray breakup and atomization phenomenon better improved and spray structure instabilities for the effect of air-blast are also increased.

초 록

젤(gel) 추진제는 고체 및 액체 추진 시스템의 장점 중 높은 비추력, 저장성, 추력 제어, 비독성, 누 설 방지와 같은 특성으로 고성능 추진 시스템에 활용되어 지능형 전략 미사일 또는 발사체의 부스터 및 여러 추진 시스템에 사용될 수 있다. 젤 모사 추진제는 물, Carbopol 941, NaOH 농축액을 혼합 하여 제작되었으며, 물과 젤 모사 추진제를 충돌형 인젝터에서 분사시켜 분무 특성을 고찰하였다. 젤 모사 추진제의 충돌 분무에 의해 나타난 긴 액막(liquid sheet)은 강한 상호 분자력에 관련한 중합 (polymeric)효과를 나타낸다. 물 분사와 비교했을 때 젤 모사 추진제의 미립화 억제와 난류 천이 지 연에 관련된 높은 점도로 인하여 저조한 미립화 특성과 좁은 범위의 분무각을 나타내었다.

Key Words: Gel Propellant(젤 추진제), Impinging Injector(충돌형 인젝터), Polymeric effect(중합 효 과), Spray Angle(분무각)

1. 서 론

젤(Gel) 추진제는 액체 및 고체 추진제의 중간 으로서 안정성과 취급에 용이하며, 특히 고밀도 의 젤 추진제는 높은 에너지 밀도와 비추력, 추

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Chojnacki and Feikema[1]는 비점성 유체의 특 성 연구를 위하여 모세관 점성계를 이용하였다.

일반적으로 충돌 효과에 의하여 액막(liquid sheet)이 발달하며, 웨버수 증가에 따라 액막의 분무각이 증가함을 연구였다. 이러한 연구는 충 돌후 퍼진 액체 제트 파장 해석에서 잘못된 연 구 결과를 제공할 수 있지만 non-Newtonian 효 과를 고려한 선형 안정성 해석 기법을 사용한 액막의 분열 현상을 예측할 수 있는 연구하였다.

Ciezki et al.[2]는 JetA-1/ThixatrolST 젤 추진제 의 유변학적 특성과 유동 특성 선도를 전단률 범위 10^-2~10⁶ 범위에서 연구하였으며, 고압 분사 를 통해 기존의 Newtonian 액체 연료와 비슷한 액적 크기로 분무가 가능하다고 연구하였다.

Rahimi and Natan[3]은 non-Newtonian 젤의 정 상, 압축성, 등온, 층류 유동에 대한 지배 방정식 을 통해 인젝터 형상 및 유량이 다양한 젤 추진 제에서의 속도 및 점도장에 미치는 영향을 계산 하기 위한 파라메터 연구를 실험과 비교하였으 며, 젤 추진제의 또 다른 특징인 딕소트로픽 (thixotropic) 거동과 오리피스 수축각에 따른 젤 추진제의 유변학적 특성 변화에 대해서도 연구 하였다. 국외의 젤 추진제 연구에 비해 국내 연 구기관 및 대학 연구실에서는 젤 추진제의 유변 학적 물성치 변화와 분무 특성에 관한 연구 결 과들은 미비한 것으로 판단되기 때문에 본 연구 에서는 공기 보조식 기체 제트와 젤 추진제의 충돌을 통한 젤 모사 추진제의 충돌 분무 특성 을 파악하고 기초 연구 단계로서 충돌형 인젝터 를 사용하여 물과 젤 모사 추진제의 충돌 분무 특성의 비교 실험을 수행하여 분열 및 미립화에 관련된 기초 분무 특성을 제시하도록 한다.

Fig. 1. Schematic of gel injection system

Table 1. Design parameter of impinging injector

Parameter No.2

노즐

(D=1.1 mm hole) 3.6

Lori / dori

(D=0.9 mm hole) 5.0

Orifice length(mm) at D=1.1 mm 4.0 Orifice length(mm) at D=0.9 mm 4.5 Impinging distance(mm) 6.0 Impinging angle

30~60 L

= orifice length

d

= orifice diameter

Table. 2. power law data of water gel propellant(25℃) Gel type Consistency index

(K, [mPa․sⁿ])

power law index(n) Carbopol

941, 0.5%wt 16.75 0.4056

Fig. 2. Rheological characteristics with various fluids[1]

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Water Gel

GAR=0 GAR=186.76 GAR=136.04 GAR=102.87

Fig. 4. Spray images of triplet impinging injector with Gel - Air - Gel,

 _{   } ≒ 

Water, 0.20MPa (0°) Water, 0.20MPa (90°) Gel, 0.20MPa (0°) Gel, 0.20MPa (90°)

 ≒   _{   } ≒ 

Water, 2.05MPa (0°) Water, 2.15MPa (90°) Gel, 2.13MPa (0°) Gel, 2.16MPa (90°)

 ≒   _{   } ≒ 

Fig. 3. Spray images of with various injection pressure

2. 실험장치 및 실험 조건

대기압 상태에서 충돌형 인젝터를 사용하여 물과 젤 모사 추진제의 분무 현상을 고찰하였다.

젤 모사 추진제의 분무 이미지는 고속 카메라를 이용하여 실시간으로 획득하였으며, 젤 모사 추 진제의 분무 실험을 위하여 Fig. 1과 같이 실험 장치를 구성하였고, 젤 모사 추진제는 압력 챔버 에 저장된 후 질소 가스로 가압하여 분무 시켰 다. Table 1에는 충돌형 인젝터의 설계 파라메터 를 나타내었다. 젤 모사 추진제의 충돌 분무 특 성 연구를 위해 Ionized Water 98.5%wt, 아크릴 산의 중합 폴리머 계열인 Carbopol 941 0.5%wt, NaOH 10% 농축액 1%wt를 혼합하여 pH 8.5로 조절한 후 모사 추진제를 제작하였으며, 25℃에 서 물과 젤 추진제의 특성 파라메터는 Table 2

에 나타내었다. Carbopol 941이 혼합된 젤 모사 추진제의 유변학적 특성을 파악하기 위해 Al-RP1 젤 추진제와 물의 유변학적 특성을 Fig.

2에 나타내었다. 실제 젤 추진제를 제조할 경우 연료로 파라핀, JetA-1, RP-1, Ethanol 등이 사용 될 수 있으며, 젤화(Gellant) 작용제로 ThixatrolST, Aerosil-200, Methocel-311 등이 사 용되고 용매 첨가제로서 Miak등이 사용될 수 있 다. 본 연구에서는 젤 모사 추진제 유량과 기체 의 유량으로서 GAR(Gel to Air mass flow Ratio, 

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유체에서는 기존의 레이놀즈수를 사용하고

non-Newtonian 유체에서는 수정된 레이놀즈 수

(

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)를 젤 추진

제의 분열에 관련된 인자로 사용하도록 한다[4].

3. 실험 결과 및 분석

Fig.3는 저압 분사와 고압 분사에 대한 물과 젤 모사 추진제의 분무 이미지이다. 물의 경우 충돌전 오리피스로부터 분사된 액체 제트는 매 우 불안정한 표면 파장을 나타내며, 충돌 후 수 초 이내에 분열된다. 젤 모사 추진제의 충돌 분 무에 의해 나타난 긴 액막(liquid sheet)은 강한 상호 분자력에 관련한 중합(polymeric)효과를 나 타내며, 저조한 미립화 특성을 나타낸다. Fig. 4 는 젤 모사 추진제의 삼중 충돌 분무 이미지이 며, 젤 모사 추진제의 점성계수는 2.61 mPa․s 이고 저압 분사시 젤 추진제의 압력강하는 2~3 kg/cm² 정도로 크게 나타났다. 이 때의 젤 모사 추진제의

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GAR=0의 경우 양쪽 오리피스에 충돌된 젤 모사 액체 제트는 서로 결합되어 어느 정도의 시간 지연을 갖고 closed rim 패턴의 형태를 갖고 일 정한 분무 파장을 나타내며, 분무 하류 방향으로 퍼져나간다. GAR이 감소(공기의 유량 증가)함에 따라 분무각은 증가하고, 분열 길이가 줄어들며, 점성에 의해 연결된 액막(liquid sheet) 분지 (branch)와 일정한 분무 파장의 가시화 특성이 점점 사라지는 것을 관찰할 수 있었다.

결 론

젤 추진제 또는 공기 충돌에 의한 분무 특성 을 고찰하기 위해 충돌형 인젝터를 사용하였다.

젤 모사 추진제는 공기의 충돌이 없을 경우 상 호 분자력에 관련한 중합(polymeric)효과와 관련 하여 closed rim 형태의 긴 액막(liquid sheet)를 나타내며, 젤 모사 추진제의 미립화 억제와 난류 천이(turbulence transition) 지연(delay)에 관련된 확장성 점도(extensional viscosity)로 인하여 저 조한 미립화 특성을 나타낸다. 하지만 충돌형 인 젝터의 중심에서 분사되는 공기의 유량이 증대 됨에 따라 분무각은 증가하고, 분열 길이는 줄어 들며, 미립화 정도는 향상되었다. 또한 GAR이 감소함에 따라 액막의 분지(brach)는 GAR=136.04를 시점으로 점차 붕괴되는 경향을 나타내었다.

참 고 문 헌

1. Chojnacki, K.T. and Feikema, D.A.,

"Studies ofNon-newtonian liquid Sheets Formed by Impinging Jets," July 1997, AIAA Paper 97-3335.

2. Madlener, K., Ciezki, H.K., Kampen, J.v., Feinauer, A., "Charaterization of Various Properties of Gel Fuels with Regard to Propulsion Application,"

AIAA/ASME/SAE/ASEE 44th Joint Propulsion Conference & Exhibit, 21-23 July 2008, Hartford, CT, AIAA 2008-4870.

3. Rahimi, S. and Natan, B., "Numerical Solution of The Flow of Power Law Gel Propellants in Converging injectors,"

Propellants, Explosives, Pyrotechnics, Vol.

25, No. 4, Aug. 2000, pp. 203-212

4. Metzner, A.B., Reed, J.C., "Flow of non-Newto nian Fluids - correlation of the laminar, transition, and turbulent-flow regions," A.I.Ch.E. Journal B1, Vol. 1, No.

4, 1955, pp. 434-440.