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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 문희장
- 발행연도
- 2016
- 저작권
- 한국항공대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수3
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본 연구에서는 연소가스와 응축된 입자가 공존하는 연소실 내 이상 유동에 관한 보존 방정식으로부터 2차 상미분 방정식으로 표현되는 Culick의 음향 불안정 해석 이론을 바탕으로 유한차분 해석을 위한 ‘MATLAB’과 유한요소 해석을 위한 상용 프로그램 ‘COMSOL’을 이용하여 고체추진 로켓 모터의 연소 불안정을 예측하였다.
특히, 핀틀 노즐을 적용한 고체추진 핀틀 추력기와 안정성 첨가제를 첨가한 추진제를 적용한 고체추진 로켓 모터의 연소 불안정 예측에 관한 연구를 중점적으로 수행하였다. 먼저, 고체추진 핀틀 추력기의 핀틀 유무 및 핀틀 위치 변화에 따른 음향장(모드 형상 함수 및 모드 주파수), 안정성 적분(stability integral), 그리고 안정성 요소를 분석하였다. 핀틀 유무에 따른 환형 연소실과 실린더 연소실의 음향장 및 안정성 요소의 차이는 미미함이 확인되었다. 핀틀 위치 변화에 따른 1~3차 모드 형상 함수 및 모드 주파수는 거의 유사하지만, 반경 방향 모드가 나타나는 4차 모드, 특히 30 [mm]와 40 [mm]의 모드 주파수는 약 500 [Hz] 이상 차이가 나는 것을 확인하였다. 또한, 핀틀 위치 변화에 따른 압력 결합 및 노즐 감쇠 안정성 적분은 노즐 목 면적 변화에 따라 두 갈래의 경향성으로 나타났으며, 2차 모드가 핀틀 위치 변화에 가장 민감함을 확인하였다.
다음으로 알루미늄 입자를 포함한 추진제 연소과정 중 발생하는 응축된 산화알루미늄 입자의 로그-정규(log-normal) 크기 분포가 고체추진 로켓 모터의 스케일 변화에 따른 입자 감쇠 및 압력 섭동 예측 결과에 미치는 영향에 관하여 기존 단일 입자 크기 분포를 가정한 경우와 비교/분석하였다. 입자에 의한 음향 불안정 감쇠는 불안정 모드 주파수 대역이 상대적으로 고주파인 작은 스케일 모터에서 더욱 효과적이고, 로그-정규 입자 크기 분포를 고려한 압력 섭동 예측 결과가 기존 단일 입자 크기로 가정한 예측 결과보다 큰 감쇠를 보임을 확인하였다. 또한, 점성효과에 의한 추진제 표면의 회전 유동이 로켓 모터의 스케일 및 서로 다른 크기의 단일 입자 크기 분포에 따른 입자 감쇠 효과에 미치는 영향에 관하여 기존 비회전 유동 가정 아래 도출된 입자 감쇠 결과와 비교/분석하였다. 점성에 의한 효과는 입자 크기 및 로켓 모터의 스케일이 클수록 더욱 커지며, 기존 입자 감쇠를 감소시키는 역할을 수행함을 확인하였다.
특히, 핀틀 노즐을 적용한 고체추진 핀틀 추력기와 안정성 첨가제를 첨가한 추진제를 적용한 고체추진 로켓 모터의 연소 불안정 예측에 관한 연구를 중점적으로 수행하였다. 먼저, 고체추진 핀틀 추력기의 핀틀 유무 및 핀틀 위치 변화에 따른 음향장(모드 형상 함수 및 모드 주파수), 안정성 적분(stability integral), 그리고 안정성 요소를 분석하였다. 핀틀 유무에 따른 환형 연소실과 실린더 연소실의 음향장 및 안정성 요소의 차이는 미미함이 확인되었다. 핀틀 위치 변화에 따른 1~3차 모드 형상 함수 및 모드 주파수는 거의 유사하지만, 반경 방향 모드가 나타나는 4차 모드, 특히 30 [mm]와 40 [mm]의 모드 주파수는 약 500 [Hz] 이상 차이가 나는 것을 확인하였다. 또한, 핀틀 위치 변화에 따른 압력 결합 및 노즐 감쇠 안정성 적분은 노즐 목 면적 변화에 따라 두 갈래의 경향성으로 나타났으며, 2차 모드가 핀틀 위치 변화에 가장 민감함을 확인하였다.
다음으로 알루미늄 입자를 포함한 추진제 연소과정 중 발생하는 응축된 산화알루미늄 입자의 로그-정규(log-normal) 크기 분포가 고체추진 로켓 모터의 스케일 변화에 따른 입자 감쇠 및 압력 섭동 예측 결과에 미치는 영향에 관하여 기존 단일 입자 크기 분포를 가정한 경우와 비교/분석하였다. 입자에 의한 음향 불안정 감쇠는 불안정 모드 주파수 대역이 상대적으로 고주파인 작은 스케일 모터에서 더욱 효과적이고, 로그-정규 입자 크기 분포를 고려한 압력 섭동 예측 결과가 기존 단일 입자 크기로 가정한 예측 결과보다 큰 감쇠를 보임을 확인하였다. 또한, 점성효과에 의한 추진제 표면의 회전 유동이 로켓 모터의 스케일 및 서로 다른 크기의 단일 입자 크기 분포에 따른 입자 감쇠 효과에 미치는 영향에 관하여 기존 비회전 유동 가정 아래 도출된 입자 감쇠 결과와 비교/분석하였다. 점성에 의한 효과는 입자 크기 및 로켓 모터의 스케일이 클수록 더욱 커지며, 기존 입자 감쇠를 감소시키는 역할을 수행함을 확인하였다.
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