다공성재를 통과하는 압축성 유체의 압력강하 특성에 관한 연구 :

서민교

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자료유형: 학위논문

저자정보: 서민교 (한국항공대학교, 한국항공대학교 대학원)

지도교수: 구자예

발행연도: 2013

저작권: 한국항공대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2013

다공성재를 통과하는 압축성 유체의 압력강하에 관한 실험적 연구

서민교 , 김도헌 , 서찬우 외 3명 대한기계학회 논문집 B권 2013.08 학술저널

다공성재를 통과하는 압축성 유체의 압력강하 특성에 관한 연구

서민교 항공우주및기계공학과 2013.01 학위논문

2012

다공성재를 통과하는 압축성 유체의 압력강하 특성

서민교 , 김도헌 , 서찬우 외 2명 한국추진공학회 학술대회논문집 2012.11 학술대회자료

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액체로켓 엔진용으로 기존의 동축형 전단 분사기의 분무 액적분포 균일도 및 혼합성능을 개선하기 위해 고안한 동축형 다공성 분사기의 개발에 앞서, 다공성재를 분사기에 적용하기 위해 압축성 유체가 다공성재를 통과하는 경우의 압력강하 특성을 파악하였다. 이때의 유동은 고속/대유량으로, 다공성재를 통과하는 유체는 저속에서 Darcy’s law를 적용할 수 있는 Darcy 유동이 아닌, 고속의 영향으로 압력강하가 속도에 대해 비선형적으로 나타나는 Non-Darcy 유동이다. Non-Darcy 유동의 압력강하는 점성력과 관성력으로 인한 손실을 포함하는 Forchheimer 방정식을 이용하여 도출할 수 있으며, 다공성재의 형상인자인 투과율과 관성력의 영향을 나타내는 Ergun 상수를 이용하여 압력강하를 예측할 수 있다.
기존의 연구에서는 다공성재를 통과하는 유체로 비압축성 유체를 이용하거나, 유체의 밀도 변화가 무시할 수 있을 만큼 작은 경우에 비압축성으로 가정하여 Forchheimer 방정식으로부터 손쉽게 투과율과 Ergun 상수를 계산한다. 그러나 본 연구에서는 다공성재를 통과하는 유체가 압축성이므로, 동축형 다공성 분사기에 적용하기 위해 압력강하에 대한 함수로 투과율과 Ergun 상수를 나타내었다. 소결금속 다공성재를 이용해 pore의 크기가 50, 100, 200 μm인 경우에 대해 전방에서의 유량과 압력을 변화시키며 압력강하 실험을 수행하였으며, 각 경우에 대해서 압력강하에 대한 함수로 투과율과 Ergun 상수의 나타내었다. 이를 일반화하기 위해, 압력강하에 대한 함수로 나타낸 투과율과 Ergun 상수를 pore의 크기를 기준으로 비교하였다. Pore의 크기가 50 μm인 경우를 base line으로 하여, pore의 크기가 으로 증가함에 따라 투과율은 배, Ergun 상수는 배 증가하는 것을 확인하였다. 이러한 관계를 이용하여, 압력강하와 pore의 크기에 대한 함수로 투과율과 Ergun 상수를 도출할 수 있는 일반화된 관계식을 나타내었다. 이후, pore의 크기가 50 μm인 경우에 대해 투과율과 Ergun 상수를 이용해 수행한 수치해석을 검증하여, 이를 이용해 pore의 크기가 400 μm인 경우에 대해 수치해석을 수행하여, 일반화된 관계식을 이용해 도출한 투과율과 Ergun 상수를 이용해 계산한 압력강하 결과와 비교하여 계산결과를 검증하였다.

In this thesis, pressure drop characteristics of compressible fluid through porous media were proposed for develop a porous injector for liquid rocket engine, which design for a method to improve uniformity of drop size distribution and mixing performance of a coaxial shear injector.
At this time, the fluid through porous media is Non-Darcy flow which has non-linear relation between pressure drop and velocity in high speed and high mass flow rate. The pressure drop of Non-Darcy flow can be derived From the Forchheimer equation, which includes loss terms due to viscous and inertial forces, and pressure drop can be predicted by using permeability and Ergun coefficient. The permeability is shape factor of porous media and Ergun coefficient is occurred by influence of inertial force.
In previous studies, the permeability and Ergun coefficient can be easily calculated from Forchheimer equation, when fluid through the porous media is incompressible fluid or assume that fluid is incompressible when changes in the density of fluid is small enough to be negligible.
In this study, the permeability and Ergun coefficient were represented by function of pressure drop to applied to the porous injector, because the fluid through porous media is compressible fluid. The pressure drop experiment was progressed using air as the working fluid. By changing pressure and mass flow rate of inflowing air flow measured at front of the porous media when case of pore size 50, 100, 200 μm. And the permeability and Ergun coefficient were represented by function of pressure drop for each case.
In order to generalize this relation, permeability and Ergun coefficient were represented by function of pressure drop and pore size, and base line with a pore size of 50 μm, it is concluded that permeability is -fold increase and Ergun coefficient is -fold increase as pore size is increase in . Using these relation, the permeability and Ergun coefficient derived for the generalized equation was derived. Then, The permeability and Ergun coefficient calculated in the case of pore size 50 μm were validated by the using numerical analysis. Also, numerical analysis was performed in the case of pore size 400 μm and permeability and Ergun coefficient derived this relation by using the calculated pressure drop compared with the results of the relation tested.

목 차
요 약 I
목 차 III
그림목록 V
표 목 록 X
기호목록 XI
제 1 장 서 론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 기존의 연구 3
1.3 연구 목적 4
제 2 장 다공성재의 유동 특성 5
2.1 다공성재의 종류와 특징 5
2.1.1 팩 베드 5
2.1.2 메탈 폼 6
2.1.3 소결금속 6
2.2 저속과 고속에서의 다공성재 유동 특성 7
2.1.1 Darcy’s law 7
2.1.2 Non-Darcy 유동 10
2.2.3 Forchheimer 방정식 12
2.3 다공성재 유동 지배방정식 유도 13
2.3.1 Volume Averaging Technique 13
2.3.2 다공성재 유동 방정식 14
제 3 장 압력강하 특성 20
3.1 실험 장치 및 방법 20
3.2 실험결과 및 고찰 22
제 4 장 수치적 연구 40
4.1 수치해석 방법 40
4.1.1 계산 과정 40
4.1.2 범용 수치해석 코드 41
4.1.3 지배 방정식 41
4.1.4 난류 모델 42
4.1.4 다공성 모사 44
4.2 압력강하 특성 수치해석 46
4.2.1 실험 장치 모델링 46
4.2.2 격자생성 및 경계조건 46
4.2.3 수치해석 검증용 케이스 선정 49
제 5 장 결과 및 고찰 52
5.1 압력강하 특성 수치해석 결과(Pore 크기: 50 μm) 52
5.2.1 속도 결과 가시화 52
5.2.2 밀도 및 압력 결과 가시화 53
5.2 결과 검증 54
5.3 압력강하 예측 수치해석(Pore 크기: 400 μm) 54
제 6 장 결 론 59
참 고 문 헌 61

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