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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 成弘桂
- 발행연도
- 2018
- 저작권
- 한국항공대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수4
이 논문의 연구 히스토리 (4)
2018
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고체 추진기관 로켓의 자세제어와 궤도천이를 위해 비행체에 탑재되는 가변 추력기(핀틀노즐)의 유동 특성 및 성능 계수의 영향성 분석을 중점으로 연구를 수행하였다. 본 연구는 두 가지의 고도와 네 부분의 핀틀 위치를 변수로 고려하여 총 8 CASE의 수치해석을 수행하였다. 유동 특성 분석은 압력, 온도, 전압력, 마하수, 밀도 구배 크기의 컨투어를 통해 수행되며 성능계수의 영향성 분석은 추력, 추력보정계수, 그리고 배출보정계수를 정량적으로 도출하여 각 변수들을 비교하였다.
3차원 코드의 검증을 위해 공압시험 모델에 대한 격자구성 및 수치해석을 수행하여 실험에서 도출된 벽면압력 분포와 비교하였다. 핀틀노즐은 내부의 급격한 밀도 구배가 존재하는 압축성 유동이므로 질량 평균화된 지배방정식(in-house code)을 사용하였다. 공간 차분에 대해서는 수치해의 진동을 줄이기 위한 AUSMPW+(with Muscle; Reconstruction)의 upwind 스킴을 적용하였으며, 시간 차분에 대해서는 수렴가속화를 위해 LU-SGS의 음해법(Implicit Scheme)을 적용시켰다. 지배방정식의 종결을 위한 난류 모델은 노즐 내 복잡한 충격파로 인해 발생되는 난류의 정확한 모사를 위해 Sarkar의 압축성 보정을 수행한 SST 난류 모델을 적용하였다. 또한 격자구성을 통해 나누어진 블록들의 계산은 MPI 병렬 계산 기법을 적용하였다.
핀틀노즐의 기하학적 형상을 이용하여 핀틀 위치에 따라 생성되는 노즐 목 위치 및 크기를 예측하고 마하수 컨투어를 통한 수치해석 결과와 비교를 수행하였다. 핀틀 위치에 따라 기하학적 노즐 목과 공기역학적 노즐 목의 차이가 나타나게 되는데 이는 벽면에서의 점성에 의한 경계층 유동에 의한 것으로 판단할 수 있다. 이러한 노즐 목의 차이는 이론(이상)과 수치(실제)적인 방정식에 영향을 주며 결국 핀틀 노즐의 성능에 영향을 미치게 된다.
3차원 비대칭 핀틀노즐의 형상은 주연소실과 부연소실(핀틀노즐)을 연결해주는 연결관의 존재로 인해 핀틀 주위의 나선형 구조와 유동 충돌 및 재순환 영역이 나타나며 전압력 컨투어를 통해 노즐 상단과 비교하여 하단에서 급격한 에너지 손실이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 핀틀 전방에서는 재순환 영역과 함께 주변보다 높은 압력 회복을 가지게 되며 이때 Lip-shock이 발생하게 된다. 이 충격파는 노즐 벽에 비대칭적으로 재부착되어 노즐 내부의 유동구조에 영향을 미치기 때문에 추력 및 노즐 성능에 큰 영향을 미치게 된다.
핀틀 노즐의 추력은 노즐 출구에서의 속도 및 압력에 관련되기 때문에 작동 고도에 따라 달라지는 대기 조건이 핀틀 노즐에 큰 영향을 줄 수 있다. 해수면고도과 20km 고도에서 수치해석 결과의 차이를 정량적으로 비교해 볼 때 배출 유량은 동일하지만 배출 속도의 차이로 인해 운동량 추력의 차이가 발생하는 경우가 존재했다. 또한 해수면 고도에서 노즐 출구 압력은 대기 압력보다 낮은 값을 가지면서 압력 항 추력이 음의 값을 가지는 경우가 나타났다. 도출된 성능계수의 값은 0.82∼0.92의 수준으로 일반적인 추진기관과 비교하여 매우 낮은 값으로 도출되었다. 이는 연결관 존재와 핀틀 전방에서 Lip-shock에 의한 노즐 내부의 복잡한 유동장 구조 형성에 의한 것으로 판단할 수 있다.
3차원 유동 해석을 통해 비대칭적인 핀틀노즐 추진기관의 복잡한 충격파 구조를 조사하여 에너지 손실 원인을 파악하였으며, 성능 분석을 통해 손실되는 추력 및 유량 보정 계수를 정량적으로 도출할 수 있었다.
3차원 코드의 검증을 위해 공압시험 모델에 대한 격자구성 및 수치해석을 수행하여 실험에서 도출된 벽면압력 분포와 비교하였다. 핀틀노즐은 내부의 급격한 밀도 구배가 존재하는 압축성 유동이므로 질량 평균화된 지배방정식(in-house code)을 사용하였다. 공간 차분에 대해서는 수치해의 진동을 줄이기 위한 AUSMPW+(with Muscle; Reconstruction)의 upwind 스킴을 적용하였으며, 시간 차분에 대해서는 수렴가속화를 위해 LU-SGS의 음해법(Implicit Scheme)을 적용시켰다. 지배방정식의 종결을 위한 난류 모델은 노즐 내 복잡한 충격파로 인해 발생되는 난류의 정확한 모사를 위해 Sarkar의 압축성 보정을 수행한 SST 난류 모델을 적용하였다. 또한 격자구성을 통해 나누어진 블록들의 계산은 MPI 병렬 계산 기법을 적용하였다.
핀틀노즐의 기하학적 형상을 이용하여 핀틀 위치에 따라 생성되는 노즐 목 위치 및 크기를 예측하고 마하수 컨투어를 통한 수치해석 결과와 비교를 수행하였다. 핀틀 위치에 따라 기하학적 노즐 목과 공기역학적 노즐 목의 차이가 나타나게 되는데 이는 벽면에서의 점성에 의한 경계층 유동에 의한 것으로 판단할 수 있다. 이러한 노즐 목의 차이는 이론(이상)과 수치(실제)적인 방정식에 영향을 주며 결국 핀틀 노즐의 성능에 영향을 미치게 된다.
3차원 비대칭 핀틀노즐의 형상은 주연소실과 부연소실(핀틀노즐)을 연결해주는 연결관의 존재로 인해 핀틀 주위의 나선형 구조와 유동 충돌 및 재순환 영역이 나타나며 전압력 컨투어를 통해 노즐 상단과 비교하여 하단에서 급격한 에너지 손실이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 핀틀 전방에서는 재순환 영역과 함께 주변보다 높은 압력 회복을 가지게 되며 이때 Lip-shock이 발생하게 된다. 이 충격파는 노즐 벽에 비대칭적으로 재부착되어 노즐 내부의 유동구조에 영향을 미치기 때문에 추력 및 노즐 성능에 큰 영향을 미치게 된다.
핀틀 노즐의 추력은 노즐 출구에서의 속도 및 압력에 관련되기 때문에 작동 고도에 따라 달라지는 대기 조건이 핀틀 노즐에 큰 영향을 줄 수 있다. 해수면고도과 20km 고도에서 수치해석 결과의 차이를 정량적으로 비교해 볼 때 배출 유량은 동일하지만 배출 속도의 차이로 인해 운동량 추력의 차이가 발생하는 경우가 존재했다. 또한 해수면 고도에서 노즐 출구 압력은 대기 압력보다 낮은 값을 가지면서 압력 항 추력이 음의 값을 가지는 경우가 나타났다. 도출된 성능계수의 값은 0.82∼0.92의 수준으로 일반적인 추진기관과 비교하여 매우 낮은 값으로 도출되었다. 이는 연결관 존재와 핀틀 전방에서 Lip-shock에 의한 노즐 내부의 복잡한 유동장 구조 형성에 의한 것으로 판단할 수 있다.
3차원 유동 해석을 통해 비대칭적인 핀틀노즐 추진기관의 복잡한 충격파 구조를 조사하여 에너지 손실 원인을 파악하였으며, 성능 분석을 통해 손실되는 추력 및 유량 보정 계수를 정량적으로 도출할 수 있었다.
목차
제1장 서론(Introduction) 11.1연구 배경(Background and Motivation) 11.2선행 연구(Literature Review) 41.3연구 목적(Outline of the Research) 16제2장이론적 배경(Theoretical Background) 182.1로켓성능(Rocket Performance) 182.2노즐성능(Nozzle Performance) 252.3핀틀 노즐 작동원리(Pintle Nozzle Operating Principle) 33제3장 수치해석(Numerical Method) 363.1지배방정식(Governing Equation) 363.2난류모델(Turbulence Model) 403.2.1Menter’s SST 난류모델 413.2.2압축성 보정(Compressibility Correction) 433.3수치해법(Numerical Scheme) 453.3.1유한체적법(Finite-Volume Method) 453.3.2AUSMPW+ 기법(AUSMPW+ Method) 493.3.3점성 플럭스 계산 방법(Flux Computation Method) 523.3.4시간 차분화(Temporal Discretization Method) 563.3.5병렬계산 방법(Parallel Computation Method) 62제4장 핀틀 노즐 유동해석(Pintle Nozzle Flow Analysis) 654.1해석모델 및 경계조건(Computational Domain and Boundary Condition) 654.2핀틀 형상(Pintle Shape) 684.3기하학적 노즐 목 면적(Geometric Nozzle-Throat Area) 684.4핀틀 노즐 유동장 구조(Flow-field Structure) 714.4.13차원 코드 증명(Code Validation) 714.4.2유동 구조(Flow Structure) 744.4.3해수면 유동 구조(Flow Structure at Sea-level) 86제5장핀틀 노즐 성능해석(Pintle Nozzle Performance Analysis) 935.1핀틀 노즐 성능특성(Performance Characteristic) 935.2핀틀 노즐 박리특성(Separation Characteristic) 97제6장 결론(Conclusion) 102참고문헌 104SUMMARY 109
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