한국추진공학회 2008년도 추계학술대회 논문집 pp.439~441 2008 KSPE Fall Conference
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* 충남대학교 기계설계공학과 ** 충남대학교 대학원
*** 국방과학연구소
연락저자, E-mail: [email protected]
유도무기 사출모터의 배기화염에 대한 전산유체역학적 연구
고성호* ․ 곽영균** ․ 오종윤***
A CFD Study on the Plume Exhausting from Missile Eject Motor
Sungho Ko* ․ Youngkyun Kwak** ․ JongYoon Oh***
ABSTRACT
Three dimensional CFD study has been performed for analyzing the supersonic plume exhausting from the eject motor of a guided missile. The purpose of the study is to assess the impact of the plume to the shooter in a small bunker. The main body of the present paper is the development of a numerical method including grid generation and solver schemes.
초 록
유도무기의 사출모타에서 분출되는 초음속 배기화염을 해석하기 위하여 삼차원 전산유체역학 연구가 수행되었다. 이 연구의 목적은 작은 엄폐호에 있는 사수에 미치는 충격을 판단하기 위함이다. 이번 논 문에서는 격자생성과 해법기술 등을 포함한 수치해석방법의 소개가 주를 이룬다.
Key Words: Eject Motor(사출모타), Plume(배기화염), Multi-Nozzle(다중 노즐), Missile(유도무기)
1. 서 론
유도무기(미사일)가 일반적으로 사용하는 연소 추진제는 고온의 배기화염과 후폭풍을 동반하 고 이로 인해 사수는 매우 위험한 상황에 노출 된다. 특히, 견착식 휴대용 대전차 유동무기인 경우는 이러한 위험이 더 클 수 밖에 없다. 만약 에 실내에서 발사된다면 고온의 화염, 유독한 배 기가스 뿐 만 아니라 매우 높은 폭발 소음으로
부터 사수를 보호하는 것이 중요한 문제로 대두 되는 것이다.
사출모터(Eject motor)는 위에서 언급된 문제 를 어느 정도 피하기 위하여 사용되어 왔다. 사 출모터는 유도무기의 주추진모터에 부착되어 사 용되는 부추진장치로서 주추진모터에 비해 훨씬 적은 양의 추진 연료제(propellants)를 사용하여 미사일을 발사대로부터 초기에 추진시키는 기능 을 한다. 이렇게 발사대를 떠난 미사일은 사수와 충분한 거리(약 9m)가 떨어 졌을 때 주추진모터 가 점화되어 목표를 향해 날아가는 것이다. 추진 된 사출모터는 미사일이 발사관을 떠나기 전에 미사일로부터 분리되고 사수로부터 안전한 거리
- 440 - 에 앞으로 떨어지게 된다.
사출모터가 비록 적은 양의 추진 연료제를 사 용하지만 제한된 실내공간에서 유도무기가 발사 된다면 사출모터로부터 배출되는 화염과 소음은 사수에게 큰 위험이 될 수 있다.
본 연구에서 설계하려고 하는 대전차 유도무 기 사출모터의 노즐 형상은 다중노즐이다. 단일 노즐에 비해 다중노즐이 선택된 이유는 유도무 기의 실내발사 시 사수를 최대한 보호하기 위한 것으로서 화염 길이는 동일한 질량유동율과 노 즐 면적비에 대하여 노즐 출구 직경에 비례하므 로 다중노즐인 경우 각 노즐의 출구직경이 작아 화염길이를 줄일 수 있고, 다중노즐에서 분출되 는 화염들의 상호작용 때문에 단일노즐보다 소 음수준이 낮아질 수 있다는 문헌[1]에 근거한 것 이다.
본 연구의 목적은 단일노즐과 비교하여 다중 노즐 형상의 타당성을 뒷받침하는 이론적 근거 를 마련하기위함이다. 이를 위하여 사출모타의 노즐 개수와 형상에 따른 화염과 소음 특성, 및 추력변화에 대한 전산유체역학 연구를 수행하려 한다.
2. 수치해석방법
2.1 격자생성기법
단일블록으로 복잡한 물체나 움직이는 물체 주위의 격자를 생성할 때 격자를 생성하기가 힘 들고 얻어진 격자는 비틀림이 크고 원하는 위치 에서 충분한 격자 밀집이 힘든 문제점을 안고 있다. 그래서 본 다중노줄 계산에서는 전체 영역 을 하나의 격자계로 생성하는데 비해 훨씬 간단 히 격자를 생성하고 격자 형성에 매우 높은 유 연성을 갖는 멀티블록 격자기법(Multi-block grid)을 이용한다. 또한 계산시간을 줄이고 해석 이 용이하게 하기위해 축대칭(Axisymmetric)을 이용하여 다중노즐의 일부분인 계산영역을 Fig.
1과 같이 Block1 ～ Block6으로 나누어 각각의 격자를 생성한다.
Fig. 1 Computational domain with multi-block grids
Fig. 2는 노즐개수가 4개일 경우를 예로 보여 주고 있다. 노즐이 4개인 경우 45°만을 계산영역 으로 하여 이를 Fig. 1처럼 6개의 블록으로 나눠 격자를 생성하게 되며 각 블록의 접속면은 이웃 하는 블록의 접속면과 일치시켜서 격자선이 일 치하지 않아 발생하는 접속면에서의 불연속성을 없앤다. 각 블록의 격자는 H-grid를 사용하여 생 성하며 Fig. 3은 각각의 블록에 대하여 격자구성 을 보여주고 있다.
Fig. 2 Geometric parameters for an eject motor with 4 nozzles
- 441 - Fig. 3 Examples of multi-block grids for an eject
motor with 4 nozzles
2.2 프로그램 개발
사출모터의 화염이 노즐 밖으로 분출되면서 blast wave가 발생되어 매우 복잡한 유동을 만 들어 낸다. 이런 복잡한 유동장을 잘 해석하고 shock을 포획하기 위해서는 특별한 기법이 필요 하다. 본 연구에서는 이를 고려한 Roe의 기법을 사용하여 공간 차분을 수행하고, CFL 수의 제한 을 받지 않고 효율적으로 시간 적분을 하기위하 여 시간 적분법에는 LU-SGS(lower-upper symmetric Gauss Seidel)의 내재적 방법을 사용 한다. 격자 구성은 다중노즐을 보다 잘 표현하 고, 격자의 질을 높이기 위해서 다중블록 정렬 격자를 사용한다.
지배 방정식인 Reynolds-Averaged Navier- Stokes 방정식에서 좌변의 비점성항은 Roe의 풍 상차분법을 사용하여 외재적으로 도입되는 소멸 항의 사용을 피하였다. 시간 적분에는 LU-SGS (lower-upper symmetric Gauss Seidel)의 내재적 인 방법을 사용하였다.
다중노즐에서 분출되는 배기화염은 서로 강하 게 상호작용을 하며 복잡한 유동 구조와 소음현 상을 동반할 것이다. 이를 제대로 예측하기 위해 서는 최소한 이방정식(two-equation) 난류모델을 사용해야 한다. 본 연구에서는 k- 난류모델을 사용하였다.
3. 결 과
본 연구에서 개발된 프로그램을 사용하여 배 기화염을 계산하기 전에 비교자료를 만들기 위 해 상용프로그램 SC/Tetra를 사용하여 단일노즐 에서 분출되는 배기화염을 계산하였다.
사출모타 내의 전압은 14.38 MPa, 전온은 2,565K로 주어졌고 축대칭 계산영역에 2.3만개 sweep mesh가 사용되었다. 비정상 계산은 슈퍼 컴퓨팅센터의 NEC SX-5에 의해 수행되었다.
Figure 4는 노즐 출구에서의 마하수 분포를 보여 주고 있다. 배기화염의 가장자리에 전단층이 두 껍게 형성되어 있고 그 안쪽으로 compression shock이 있으며compression shock 끝부분에 마 하디스크가 작게 형성되고 그 후류방향으로 reflected shock이 보인다.
Fig. 4 Calculated Plume of Single Nozzle
참 고 문 헌
1. Hocomb, Three-Dimensional Navier-Stokes Rocket Plume Calculations, AIAA97-2942, 1997
2. Ze-Juan XIAO, Hui-Er CHENG, Plume Interaction in Parallel Multi-thrusters Propulsion System and the Effect on Backflow, AIAA2006-3599, 2006
