슬로싱에 의한 배출관 내 속도장 분석

4.1.2 에서 분석한 증기상의 부피 분율 결과와 유사하게, 추력 가속도가 10^-2g 이하 조건에서는 그림 4.10 과 같이 슬로싱 영향이 크지 않아 배출관에서의 속도 분포가 비교적 대칭하게 나타났다. 배출관 입구에서는 배출 유동에 의해 유동 박리가 발생하며 이로 인해 생성된

와류가 배출관을 따라 전달되었다. 그림 4.11 의 10^-1g 가속도 조건과 같이 슬로싱이 두드러지는 조건에서 생성된 와류는 슬로싱 주기에 따라 배출관 내 단면의 속도 변동을 유발하고, 단면에 대해 균일하지 않은 속도 분포를 갖게 하였다. 그림 4.11 의 범례는 4.10 과 동일하게 사용하였다.

(a) 10^-4g 가속도, 1 초 속도장 결과

(b) 10^-2g 가속도, 1 초 속도장 결과

그림 4.10 R/2 기울기 조건, 10^-4g, 10^-2g 가속도 조건 속도장 결과

(a) 0 s (b) 2.5 s

(c) 5 s (d) 7.5 s

(e) 10 s (f) 12.5 s

(g) 15 s (h) 17.5 s

(i) 20 s (j) 22 s

그림 4.11 R/2 기울기 조건, 10^-1g 가속도 속도장 해석 결과

본 절에서는 단면에 대해 불균일한 속도 분포의 크기를 분석하기 위해 입구 근처와 출구 근처에서 속도장을 비교하였으며, 그 위치는 그림 4.12 와 같이 설정하였다. 입구 근처의 경우 탱크 중심으로부터 1.3m 떨어진 지점으로 속도 변동 값이 가장 크게 발생하는 위치로 설정하였으며, 출구 근처는 2.815m 떨어진 지점으로 참고문헌[19]에서 추정한 터보 펌프 위치로 설정하였다.

그림 4.12 단면 속도장 비교 위치

가진 펌프 성능과 임펠러 샤프트에 대해 미치는 하중에 대해 연구하였다.

이 연구에서는 불균일한 단면 속도 분포로 인해 증가된 유속이 공동 현상의 발생 가능성을 증가시키고, 설계된 펌프 블레이드에 대한 받음각에 차이를 발생시킬 수 있다고 주장하였다. 또한 펌프로 전달되는 속도 분포가 균일할 때에 비해 불균일할 경우 펌프의 수두, 토크 성능이 감소할 수 있고, 이로 인해 표 4.1 과 같이 임펠러 샤프트에 횡방향으로 비대칭적 하중이 발생함을 보였다. 이 연구에서 사용한 펌프의 외경은 0.335m, 한국형 발사체 7 톤 펌프의 외경은 0.2m 정도로 추정되어[19]

비슷한 스케일의 크기를 갖고 있기 때문에 선행 연구에서 제시된 무차원화 속도 분포와 본 연구의 해석 결과를 비교해 펌프 성능과 샤프트 하중에 대한 영향을 확인하였다.

정압 성능 - 2.74%

토크 성능 - 2.53%

임펠러에 대한 축방향 힘 - 3.33%

임펠러에 대한 반지름 방향 힘 Fy: 최대 + 350%

Fx: 최대 + 275%

표 4.1 균일 유동 대비 불균일한 단면 속도 분포를 가진 펌프의 성능 비교

그림 4.13 에서는 배출관 단면의 무차원화된 속도 분포를 반지름 방향에 대하여 참고 문헌의 속도 분포와 함께 표기하였다. 그 결과 슬로싱이 강하게 발생할 때 입구 근처에서 발생하는 속도 분포의 반지름

방향 편차가 더 커짐을 확인 할 수 있었다. 또한 배출관 입구에서 무차원화된 속도 분포는 출구 근처인 펌프 위치에서 분포와 비교했을 때 속도 변동 크기가 더 작게 나타났는데 관내 유동이 전달되며 소산이 일어난 결과이다. 그러나 소산이 발생했음에도 불구하고, 무차원화된 단면 속도 변동의 크기는 Van Esch B.P.M. 연구에서 설정한 불균일한 단면 속도에 비해 큰 값을 유지했기 때문에 탱크 내의 슬로싱이 펌프의 성능과 임펠러 축 부하에 유의미한 영향을 줄 수 있을 것으로 파악되었다. 또한 가장 슬로싱이 약하게 발생한 R/6 조건에서도 반지름 방향의 속도 분포 크기 값이 Van Esch B.P.M. 연구의 속도 변동 값인 1.288 보다 큰 1.297 으로 나타났다. 따라서 탱크 잔량이 적을 경우 작은 크기의 슬로싱일지라도 펌프 성능에 영향을 줄 수 있다.

그림 4.13 배출관 단면의 무차원화된 속도 분포