- 기호설명 - A : 면적(m2)
D : 지름(mm) L : 길이(mm)
(L/D) : 길이와 지름의 비 P : 압력(Pa)
u : 축방향속도(m/s) θ : 각도(°)
γ : 비열비
b : 기본형 디퓨저 c : 진공 챔버
<학술논문> DOI http://dx.doi.org/10.3795/KSME-B.2014.38.4.321 ISSN 1226-4881(Print) 2288-5234(Online)
고고도 모사를 위한 축소형 디퓨저의 길이변화에 따른 비연소장에서의 성능특성
정봉구* · 김홍집* · 전준수**· 고영성**· 한영민***
충남대학교 기계공학과 충남대학교 항공우주공학과 한국항공우주연구원 추진시험팀
* , ** , ***
Performance Characteristics Under Non-Reacting Condition with Respect to Length of a Subscale Diffuser for High-Altitude Simulation
Bonggoo Jeong*, Hong Jip Kim* , Junsu Jeon**, Youngsung Ko** and Yeoung-min Han***
* Dept. of Mechanical Engineering, Chungnam Nat’l Univ.,
** Dept. of Aerospace Engineering, Chungnam Nat’l Univ.,
*** Propulsion Test Team, Korea Aerospace Research Institute
(Received September 17, 2013 ; Revised February 10, 2014 ; Accepted February 10, 2014)
Key Words: Subscale Diffuser(축소형 디퓨저), Diffuser Entrance Length(디퓨저 입구길이), High-Altitude(고 고도 모사), Plume(플룸), Shock Train(충격파 트레인), Second Throat Exhaust Diffuser (STED,
차목디퓨저 수직충격파
2 ), Normal Shock( )
초록 고고도 모사를 위한 축소형 디퓨저의 비연소장 조건에서의 성능특성을 수치적으로 파악하였다: . 디퓨저 입구길이를 노즐 출구직경과 비교해 0, 50, 100%로 변화 시켰고 디퓨저 목의 길이는 차목의 , 2 직경과 비교해 3, 5, 6, 7, 8, 12로 다양화하여 해석하고 실제 모사실험 값과 비교하였다 그 결과 디퓨. 저의 입구길이가 짧아질수록 plume의 형상은 수축되었다 또한 디퓨저의 차목 길이가 디퓨저 지름의 . , 2 최소 배보다 짧으면 내부에 마하디스크가 형성되어 압력의 급격한 상승을 일으킨다 아음속 디퓨저의 8 . 길이는 설계치의 0, 50, 75, 100%로 변화시켜 유동의 변화를 관찰하였고 길이가 짧아질수록 차목 내부, 2 에 갑작스런 압력 상승을 야기함을 확인하였다.
Abstract: The performance characteristics of a subscale diffuser under non-reacting conditions for high-altitude simulation were numerically investigated with respect to different lengths of the secondary throat diffuser. The ratio of the length of the diffuser entrance to the nozzle exit diameter was set to 0, 50, and 100%. In addition, flow characteristics were studied for a range of length-to-diameter ratios of the secondary throat diffuser. An insufficient diffuser entrance length caused contraction of the plume immediately after the nozzle exit. When the length-to-diameter ratio was less than 8, a strong Mach disk was formed inside the diffuser, resulting in a sharp increase in pressure. In addition, flow characteristics in the diverging part of the diffuser were investigated for a range of diverging part lengths. A short diverging part may lead to abrupt pressure recovery, resulting in the possible application of mechanical load to the diffuser.
Corresponding Author, [email protected]
2014 The Korean Society of Mechanical Engineers
Ⓒ
d : 디퓨저 입구 e : 디퓨저 출구 ne : 노즐 출구 o : 작동조건 s : 아음속 디퓨저 st : 2차목 디퓨저
* : 노즐 목
1. 서 론
우주 발사체의 핵심 주요 요소인 추진기관의 모든 부품들은 대기권과 우주 공간에 걸친 여러 가지 환경 하에서 작동하기 때문에 각 부품의 , 성능 및 작동 신뢰도를 작동환경 하에서 확인하 는 것이 필수적이다 비교적 저고도에서 작동하. 는 로켓엔진의 경우에는 보통 고고도 환경에서의 실험이 중요하지 않으나, 고고도에서 작동하는 상단 로켓엔진의 경우에는 지상시험을 통해 고고 도 환경을 재현해야만 한다 하지만 지상 조건에. 서 엔진 시험을 수행하면 출구압과 대기압의 압 력차가 크기 때문에 엔진 노즐 내부에서 충격파 가 발생하여 유동의 박리가 발생하므로 성능의 , 저하를 가져와 엔진의 추력과 비추력 등의 성능 인자들을 정확하게 파악하기 어렵다 또한 노즐 . , 내부에서 발생한 유동 박리(Separation)로 인하여 원하지 않는 측면력(Side Load)이 발생하여 노즐 의 진동 및 심한 경우 파괴를 초래할 수 있다.
지상에서 고고도 환경의 낮은 대기압을 조성하는 방법 중 가장 간단한 것은 초음속 노즐 주위를 일정한 공간을 갖는 챔버가 둘러싸고 있는 형태 의 초음속 디퓨저(Supersonic Diffuser)를 설치하는
것이다.(1~5) 연소가 시작되면 배기가스가 디퓨저로
흐른 직후 노즐 출구로부터 초음속 제트가 디퓨, 저의 진공 챔버로 유입되기 시작된다 진공챔버. 와 디퓨저의 압력차이 그리고 (Vacuum Chamber)
노즐 배기가스로부터의 운동량 전달 때문에 초기 작동 과정에서 진공챔버의 가스가 Suction되고, 챔버압력은 가스가 많이 빠져나가 노즐 출구 주 변에 저압의 환경을 제공한다 이로 인해 노즐 . 출구의 대기압은 고고도 환경의 낮은 압력과 같 은 조건을 모사할 수 있다.(1) Fig. 1은 대표적인 고고도 환경 모사를 위한 차목디퓨저2 (STED)의 형상과 주요형상변수를 국내에서 차목2
디퓨저에 관한 연구는 아직 초기 단계로서 안정, 된 운용을 위한 최적의 설계안을 도출하는 것이 매우 중요하다 이를 위해서는 먼저 디퓨저의 형. 상 변화에 따른 유동 특성을 파악하는 과정이 필 요하다 실제 실험적 접근 방법은 실 규모의 시험 . 설비와 더불어 설비 운용을 위하여 많은 노력이 필요하다 또한 각 부분의 기하학적 변수에 따른 . , 유동현상 변화나 Shock Train 관찰 및 벽면에서의 압력분포 등을 상세하게 파악하거나 가시화하기 어렵다 이전의 초음속 디퓨저를 이용한 연구들은 .
차목 이 없는 단순한 초음속 디퓨
2 (Second Throat)
저(Supersonic Exhaust Diffuser)에 대하여, 2~3개의 형상조건에서 압력비에 따른 디퓨저 내부의 유동 특성을 수치적으로 파악하거나 초기 및 종료 시, 의 비정상적 거동에 대한 연구를 수행하였다.(9) 또한 본 연구그룹에서는 차목디퓨저의 형상변화2 에 따른 벽면 압력의 거동을 실험적으로 측정한 바 있으나,(6) 디퓨저 작동을 위한 최적의 형상 설 계안 도출을 위해서는 벽면 압력과 더불어 디퓨 저 내부의 유동 특성을 파악하는 과정이 필요
Fig. 1 Part name of a subscale diffuser and a nozzle
구분 치수
Dd 디퓨저입구직경(mm) 17.9 Dst 2차목직경(mm) 14.3 De 디퓨저출구직경(mm) 44.6
Lst 축소부길이(mm) 20.4
Ls 확산부길이(mm) 144.4
θc 수축각(°) 5
θe 확산각(°) 6
Dt 노즐목직경(mm) 1.95
Dn 노즐출구직경(mm) 13
노즐수축반각(°) 40
노즐확산반각(°) 15
Table 1 Designations and dimensions in a subscale baseline diffuser
하다 따라서 본 연구에서는 전산유체역학 기법. 을 사용하여 디퓨저의 입구길이와 지름의 비 (L/D)d, 2차목 길이와 지름의 비 (L/D)st 그리고 출 구 길이 Ls를 변화시켜 정상상태에서의 유동 특 성을 분석하고 시험을 통해 얻어진 디퓨저 벽면 , 압력분포와 비교하였다.(6) 이를 통하여 안정적인 디퓨저 작동 및 운용을 위한 설계 자료를 제시하 고자 하였다.(6~8)
2. 수치해석
고고도 환경을 모사하기 위한 실물형 차목디2 퓨저의 설계 데이터와 국외의 기술적인 자료(1)를 바탕으로 이론식과 추천치를 활용하여 축소형 상 온 디퓨저를 설계하였다 본 연구는 해발 . 20 km 의 고도를 모사하기 위해 연소기 노즐 주위로
이하의 압력을 조성하는 것을 목표로 설 1000 Pa
정하였다 기본형 디퓨저의 명칭과 수치는 . Fig. 1 과 Table 1에 도시하였다 본 연구에 사용된 축소. 형 디퓨저의 기본 형상(Baseline Diffuser)은 Ad/At
= 82.4, Ad/Ast = 1.56, (L/D)st = 8, (L/D)d = 1, Ls
으로 실물형 디퓨저와 비교해 의
= 144.4mm , 1/5.6
크기이다 디퓨저 형상 변화에 따른 유동특성을 . 살펴보기 위하여 축소형 디퓨저의 형상을 (L/D)d
= (0, 0.5, 1), (L/D)st = (3, 5, 6, 7, 8, 12), (Ls/Ls,b) 로 변화시켰다
= (0, 0.5, 0.75, 1) .
유동해석은 상용프로그램인 ANSYS v14 Fluent(7)를 사용하였다 작동유체는 이상적인 질소. (N2)이며 노즐 입구는 작동압력 조건 디퓨저는 , , 대기압 조건으로 설정하여, 2차원 축대칭 해석을 수행하였다. 본격적인 연구에 앞서 난류모델에 따른 유동특성을 미리 살펴보았다. 일반적으로 디퓨저 해석에 널리 사용되는 것으로 알려진
모델과 모델을 비교해 보았
SST k-ω Standard k-ε
을 때 유동특성 및 벽면 압력의 분포에 있어 실, 험결과와 큰 차이점이 없었다.(10) 따라서 수렴의 안정성과 시간적 효율을 고려해 보다 적은 격자, 가 사용되는 Standard k-ε모델을 난류모델로 선 정하였다 수치해석의 최적화를 위하여 기본 형. 상의 디퓨저에 대한 격자의존성(Grid Dependency) 을 조사하여, 디퓨저 내부의 Shock Train구조와 벽면에서의 압력분포에 있어 해의 변화를 야기하 지 않는 범위에서 약 50,000개의 격자를 선택하 였다.
결과 및 분석 3.
3.1 기본형 디퓨저(Baseline Diffuser)
는 기본형 디퓨저에서 연소기의 작동압력 Fig. 2
에 따른 마하수와 압력의 분포를 보여준다 기본. 형 디퓨저의 최소 시동압은 질소를 매질로 하는 비연소 조건에서 차원 수직충격파 이론1 (1)에 의 하면 35.15 bar로 예측된 반면에, 실험(7)에서는
로 관측되었다 수치해석 결과
42.5 bar . , Po = 40 에서는 디퓨저가 정상적으로 작동되지 못함을 bar
로부터 확인할 수 있었다 이 값은 이론적
Fig. 2 .
결과보다는 실험 결과와 유사한데, 이는 차원 1 수직충격파 이론이 충격파 전후 유동을 등엔트로 피(Isentropic) 과정으로 가정하면서 디퓨저 벽면에 서 발생하는 마찰이나 점성에 의한 영향과 동시 에 유동의 다차원 효과를 고려하지 않았기 때문 으로 여겨진다.
디퓨저의 시동은 차목 부근이 초음속으로 먼저 2 채워진 후 이로 인해 디퓨저가 , Chocking되면 진공 챔버가 작동하여 압력이 낮아져 고고도를 모사할
Length (m)
Wallpressure(pa)
0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35
0 20000 40000 60000 80000
100000 Po= 42 bar
Po= 45 bar Po= 51 bar Po= 62 bar Symbols : Experiment
0 0.01 0.02 0.03
-2000 0 2000 4000 6000
Fig. 3 Distribution of Wall pressures of baseline diffuser for various Po
mach-number: 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8
Po= 60 bar Po= 40 bar
(a) Mach number contour
pressure: 1000 2659.15 7071.07 18803 50000
Po= 60 bar Po= 40 bar
(b) Pressure contour
Fig. 2 (a) Mach number and (b) Pressure contour of baseline diffuser
수 있다 하지만 . Fig. 2에서 보듯이 40 bar의 경우, 차목 영역이 초음속으로 채워지지 않으면서 디퓨 2
저가 정상적으로 작동하지 않고 있다 그 결과 진. , 공챔버의 압력이 충분히 낮아지지 못하며 고고도 , 환경을 모사하기에는 힘든 것으로 판단된다.
연소기 압력에 따른 디퓨저의 벽면 압력의 변 화를 실험결과와 함께 Fig. 3에 도시하였다 벽면. 압력의 변화가 전체적으로 유사하며 시동 조건에 미치지 못하는 작동압력이 42 bar인 경우 진공챔, 버의 압력 약 ( 4000 Pa)이 고고도 조건과 같이 충 분히 낮아지지 않으면서 디퓨저의 차목 전단에2 서 빠르게 압력을 회복하는 모습을 보여준다.(1)
는 기본형 디퓨저에서 노즐의 작동압력 Fig. 4
(Po)에 따른 진공챔버의 압력(Pc)을 나타낸 그림이 다 여기에서 영역은 노즐과 디퓨저가 모두 작. A 동하지 않은 상태로 높은 진공챔버 압력으로 인 해 목표하는 고도의 압력을 구현해 내지 못하고 있다. B영역은 작동압력이 30~40 bar로 노즐 내
부는 초음속 영역으로 채워져 잘 작동하였지만 노즐 출구를 통과한 Plume이 디퓨저 입구를 완전 히 채우지 못해 진공챔버의 유체를 충분히 뽑아 내지 못하므로 목표로 하는 진공챔버의 압력에, 는 미치지 못하는 모습을 보여준다 반면에 작동. , 압력이 시동압력인 42.5 bar 이상인 영역에서는 C 진공챔버의 압력이 목표로 한 1000 Pa 이하로 유 지되는 것을 관찰할 수 있다 이는 . Plume이 노즐 과 디퓨저 입구를 채워 진공챔버를 Chocking시켰 기 때문이다.
3.2 (L/D)d 변화에 따른 유동 특성
Fig. 5에 (L/D)d 변화에 따른 마하수와 압력분 포를 도시하였다 그림에서 . (L/D)d의 값이 줄어들 수록 노즐 출구에서의 Plume의 형상이 기본형 디 퓨저에 비해 수축되는 것을 볼 수 있다 추력변. 화를 판단하기 위해 식 (1)을 이용해 작동압력 (Po)이 50 bar에서의 추력을 판단한 결과 진공챔 버 압력(Pc)이 약 0.025 Pa일 때 25N정도의 추력 을 나타내었다.(11) 수치해석 결과로 계산한 추력 은 노즐 출구에서의 속도와 압력 등의 물리량들 을 이용해 식 (2)를 이용하여 계산한 결과 약 23
으로 이론추력과 비슷하였다
N . (L/D)d에 따른 변
화는 (L/D)d가 큰 경우가 작은 경우보다 진공챔버 의 압력을 떨어뜨려 낮은 압력을 나타내므로 이 에 따라 더 높은 추력을 보여주었지만 그 정도, 가 매우 미미하여 추력에 큰 영향을 미친다고 보 기는 어려웠다 하지만 . (L/D)d가 줄어들면 Plume 이 축소되어 디퓨저의 중심축 방향으로 강한 압 축파가 발생하여 상대적으로 강한 Shock Train이 형성될 수 있다 이는 디퓨저 내부에서 상대적으. 로 강한 압력상승을 야기할 수 있으므로 안정적 인 디퓨저 운용을 위해 지양하는 것이 좋을 것으 로 판단된다.
(1)
3.3 (L/D)st 변화에 따른 유동 특성
에서 차목은 내부 관로가 디퓨저 입구로 STED 2
(2)
mach-number:0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 (L/D)d= 1
(L/D)d= 0.5
(L/D)d= 0 (a) Mach Contour
pressure: 1000 1919.38 3684.03 7071.07 13572.1 26050 50000 (L/D)d= 1
(L/D)d= 0.5
(L/D)d= 0 (b) Pressure Contour
Fig. 5 (a) Mach number and (b) Pressure contour for various (L/D)d
Combustion chamber pressure, Po(bar) Chamberpressure,Pc(bar)
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Experiment Analysis
A
B C
Fig. 4 Vacuum chamber pressure along various Po
부터 일정거리만큼 떨어진 지점을 기준으로 점차 수축된 후에 존재하는 일정하게 지름을 갖는 영, 역을 말한다 따라서 그 기하학적 형상 특성으로 . 인해 내부에서 다수의 경사충격파가 발생하는 전 형적인 Shock Train구조를 보여주게 된다 따라서 . 경사 충격파에 의한 압력회복 구조를 통해 전압 력 손실을 최소화하여 디퓨저 입구 벽면에서의 충격파 이전 압력을 더욱 낮게 유지시켜 준다.
결국 디퓨저가 시동될 때 낮은 압력의 주유동이 , 가진 운동량이 진공챔버로 강하게 전달되어 고고 도 조건을 모사하게 된다.(9)
따라서 (L/D)st 변화에 따른 다양한 유동 특성 을 파악하였다. Fig. 6은 디퓨저의 차목 길이 변2 화에 따른 마하수와 압력 분포를 도시화한 것이 다. (L/D)st < 8인 경우 디퓨저의 차목 내부에서 , 2
이 형성되지만 안정적이지 못하고 축 Shock train
방향으로 진동하였으며 이에 따라 진공챔버 압, 력도 같이 진동하는 양상을 보였다 이는 유동이 .
차목 내부에서는 압력이 충분히 회복되지 못한 2
상태에서 외기 압력으로 인해 갑작스럽게 Shock 이 축소되고 일정하게 공급되는 연소기압으
Train ,
로 인해 다시 Shock Train이 확장되는 현상을 반 복하기 때문으로 생각된다.
이러한 현상은 디퓨저가 초음속 유동을 충분히 감속시키기 위하여 차목 최소 길이비2 , (L/D)st,min
가 존재할 수 있음을 나타낸다고 하겠다 반면에 . (L/D)st ≥ 8인 경우 일정한 , Plume과 Shock Train 이 발생하여 압력의 갑작스런 변화를 막아주고 점차적으로 회복시키는 것을 볼 수 있다 이는 . 갑작스런 압력변화에 따른 측면력을 줄여 디퓨저 가 손상되는 것을 막을 수 있다 따라서 . (L/D)st의 값은 마하디스크의 영향을 고려해 (L/D)st = 8이 상으로 하는 것이 좋을 것으로 판단된다.
은 작동압력 근처에서의
Fig. 7 50 bar (L/D)st 변 화에 따른 벽면압력의 변화를 실제 축소형 디퓨 저의 실험결과와 함께 도시한 것이다 실험 시 . 완벽하게 일정한 압력을 유지하기 힘들어, 50 bar 근처의 작동압력으로 실험이 수행되었으며, 본 연구에서는 실험 조건과 같은 작동압력으로 수치 해석을 수행하였다. (L/D)st = 3, 5, 6, 7인 경우, 갑작스런 압력변화 이후 압력 회복이 매끄럽게 , 되지 못하는 것을 볼 수 있다 이는 앞서 설명했. 듯이 차목 내부에서 2 Plume과 Shock Train이 안 정적으로 형성되지 못하는 현상을 반복하기 때문
으로 판단된다 반면에 . (L/D)st = 8, 12의 경우 상 대적으로 다른 조건에 압력이 완만하게 회복되는 것을 관찰할 수 있다 비록 본 연구의 결과가 비. 연소장 상태에서 도출된 것이지만 실제 연소 조, 건에서는 더 큰 압력 변화를 불러올 수 있다 이. 럴 경우, 2차목디퓨저 벽면으로 큰 크기의 진동/ 소음과 더불어 많은 양의 열유속(Heat Flux)이 발 생할 것으로 예측된다 현재 국내에는 실물형 디. 퓨저의 설계 경험이 풍부하지 않으므로 이를 위 한 다양한 설계 자료 축적이 필요하다. 특히 실
mach-number:0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 (L/D)st= 3
(L/D)st= 7 (L/D)st= 6 (L/D)st= 5
(L/D)st= 8
(L/D)st= 12
(a) Mach contour
pressure: 1000 2659.15 7071.07 18803 50000 (L/D)st= 3
(L/D)st= 7 (L/D)st= 6 (L/D)st= 5
(L/D)st= 8
(L/D)st= 12
(b) Pressure contour
Fig. 6 (a) Mach number and (b) Pressure contour for various (L/D)st
Length (m)
Wallpressure(Pa)
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
0 20000 40000 60000 80000
100000 (L/D)st= 3
(L/D)st= 5 (L/D)st= 7 (L/D)st= 8 (L/D)st= 12
(L/D)st= 3 5 7 8 12 Symbols=Experimental data
Fig. 7 Wall pressure distribution for various Lst
추진제 연소시험을 수행할 경우 고온에 노출되, 는 디퓨저의 안정적인 작동을 위해 냉각장치의 설계가 필요하다. 정확한 고고도 모사를 위해 (L/D)st가 충분히 큰 값을 가지는 것이 좋으나 일, 반적으로 그 길이가 증가함에 따라 보다 많은 면 적에 냉각을 수행하여야 한다 따라서 시험설비. 의 규모 문제까지 고려한다면 차목의 길이를 최2 적화하여야 한다 본 연구 결과를 바탕으로 디퓨. 저의 성능과 냉각 문제를 동시에 고려한다면, 2 차목의 기하학적 인자로 (L/D)st = 8이 적절하다 고 하겠다.
3.4 Ls길이변화에 따른 유동 특성
에서 가장 후류 부분에 위치하는 아음속 STED
디퓨저는 디퓨저 후단에 대기압보다 약간 낮은
압력을 갖는 영역을 형성함으로써 외기 압력과의 상대적인 압력차를 줄여 자연스럽게 아음속 유동 을 외기로 배출하기 위해 존재한다.
은 작동압력 의 조건에서 아음속 Fig. 8 51 bar
디퓨저의 길이, Ls가 (Ls/Ls,b) = 0, 0.5, 0.75, 1인 경우 디퓨저 내부에서의 마하수와 압력분포를 나 타낸 그림이다 그림에서 관찰할 수 있듯이 출구. 에서 약간의 속도 차이를 보이는 것을 제외하면 (Ls/Ls,b) = 0.5, 0.75, 1은 나머지 구간에서 매우 유사한 유동의 형태를 보여준다 반면에 . (Ls/Ls,b)
인 경우는 기본형 아음속 디퓨저와 다르게
= 0 2
차목 내부에서 유동의 박리현상이 나타나면서 갑 작스런 압력 변화를 보여주고 있다. Fig. 9에서 확인할 수 있듯이 (Ls/Ls,b) = 0.5, 0.75, 1인 경우, 비슷한 위치에서 압력이 회복되는 것을 볼 수 있 다 반면에. , (Ls/Ls,b) = 0인 경우 차목 내부에 충2 격파가 발생하면서 갑작스럽게 압력이 회복되고, 이로인해 큰 소음과 충격이 발생할 것으로 예상 된다.(9)
Fig. 10은 (Ls/Ls,b) = 0.5, 0.75, 1인 경우에서 아 음속 디퓨저 내부의 재순환 영역(Recirculation
을 보여주고 있다
Zone) . (Ls/Ls,b) = 0.5인 경우 재 순환영역이 완벽하게 아음속 디퓨저 내부에 위치 하고 있지는 않지만 대부분의 영역이 아음속 디, 퓨저에 포함되어 있고, Fig 8, 9에서 확인했듯이 압력의 회복되는 위치가 (Ls/Ls,b) = 0.75, 1와 큰
mach-number:0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 (Ls/Ls,b) = 0
(Ls/Ls,b) = 0.5
(Ls/Ls,b) = 0.75
(Ls/Ls,b) = 1 (a) Mach contour
pressure: 1000 1919.38 3684.03 7071.07 13572.1 26050 50000 (Ls/Ls,b) = 0
(Ls/Ls,b) = 0.5
(Ls/Ls,b) = 0.75
(Ls/Ls,b) = 1
(b) Pressure contour
Fig. 8 (a) Mach number and (b) Pressure contour for various Ls
Length (m)
Wallpressure(Pa)
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35
0 20000 40000 60000 80000 100000
(Ls/Ls,b) = 0 (Ls/Ls,b) = 0.5 (Ls/Ls,b) = 0.75 (Ls/Ls,b) = 1
Fig. 9 Part name of a subscale diffuser and a nozzle
Length (m)
0.2 0.25 0.3
PC= 51bar PC= 60bar
Fig. 11 Recirculation zone for various Po (Ls/Ls,b) = 0.5
(Ls/Ls,b) = 0.75
Recirculation Zone
Length (m)
0.2 0.25 0.3 0.35
(Ls/Ls,b) = 1
Fig. 10 Recirculation zone in subsonic diffuser for various Ls
차이가 없었다 이 때 상대적으로 저온의 외기가 . , 아음속 디퓨저 내부로 유입되면서 벽면 근처의 온도를 낮출 수 있으므로 냉각측면에서는 유리하 다고 할 수 있다 반면에 . (Ls/Ls,b) = 0.75, 1인 경 우에는 재순환 영역이 아음속 디퓨저 내부에 Hot
형태로 존재할 수 있기 때문에 냉각을 고려 Spot
하지 않는다면 심각한 문제를 야기할 수도 있을 것이다.
이렇듯 재순환 영역의 위치와 크기는 냉각 문 제와 밀접한 관계가 있으므로 안정적인 디퓨저 , 작동 조건에서 재순환 영역의 거동을 살펴볼 필 요가 있다. Fig. 11은 두 가지 작동압력 조건에서 재순환 영역의 거동을 보여준다 작동압력. (Po)이
인 경우 작동압력이 인 경우와 비교
60 bar 51 bar
해 재순환 영역의 위치가 뒤로 밀려나는 것을 확 인 할 수 있다 이처럼 작동압력. (Po)에 따라 그 크기가 변하기 때문에 아음속 디퓨저의 길이는 작동압력을 고려하여 선택하는 것이 타당하다고 하겠다.
4. 결 론
축소형 디퓨저의 기하학적 형상변화에 따른 성 능특성을 파악하기 위하여 비연소장 조건에서 의 유동특성을 수치적으로 살펴보았다. 기본형 디퓨저에서 고고도 환경을 모사할 수 있는 최소 의 작동압력을 수치해석을 통해 살펴보았고 실험 값과 유사함을 확인하였다 또한 작동압력이 증. , 가함에 따라 디퓨저 내부에서 초음속 영역이 넓 어지고 아음속으로 압력이 회복되는 지점이 후류 로 밀려나는 현상을 관찰할 수 있었다 디퓨저 . 입구 길이 (L/D)d가 변화하는 경우 그 길이가 짧, 아질수록 기본형 디퓨저에 비해 Plume형상이 축 소되는 경향을 관찰할 수 있었으나 이로 인한 , 추력의 변화는 미미한 것으로 파악되었다. 2차목 의 길이 (L/D)st가 설계치인 보다 작아지면 디퓨8 저 내부에서 강력한 마하디스크가 생성되는 것을 관찰할 수 있었다 이로 인해 디퓨저에 큰 소음. 과 충격뿐만 아니라 실제 연소시험에서 높은 열, 유속이 디퓨저 벽면으로 발생할 것으로 예상되 며 이는 디퓨저 자체에 물리적으로 큰 손상을 , 발생시킬 수 있다 따라서 차목의 형상에 대한 . 2 보다 세밀한 최적화 과정이 필요할 것으로 판단 된다 마지막으로 아음속 디퓨저의 길이. , (Ls/Ls,b) 가 0.5보다 작은 경우, 2차목 내부에 영향으로 주
어 갑작스런 압력상승을 야기하였다 본 연구의 . 조건에서는 (Ls/Ls,b) = 0.5 이상일 경우 재순환 영 역의 영향을 크게 받지 않았지만 재순환 영역의 크기는 작동압력에 따라 달라지므로 디퓨저 설계 시 디퓨저의 작동압력을 고려해 아음속 디퓨저의 길이를 정해야 한다.
이로써 디퓨저의 다양한 기하학적 인자들의 변 화에 따라 디퓨저 내부의 유동특성을 살펴보았으 며 이를 통하여 실물형 디퓨저의 설계에 있어서, 도 유용한 정보를 제공할 수 있을 것으로 판단된 다.
후 기
본 연구는 한국항공우주연구원의 인재양성형 학연협력강화사업의 기술 지원을 받아서 수행되 었으며 이에 감사드립니다, .
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