Liquid Centered Swirl-Coaxial 인젝터를 이용한 모사 젤 추진제의 분무특성에 관한 연구 :A Study on the Spray Characteristics of Simulant Gel Propellant Using Liquid Centered Swirl-Coaxial Injector

이동근

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이동근 (한국항공대학교, 한국항공대학교 일반대학원)

지도교수: 문희장

발행연도: 2022

저작권: 한국항공대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (4)

2022

압력선회형 인젝터를 이용한 젤 추진제의 장기분무에 따른 점도변화

이동근 , 김설희 , 이인웅 외 2명 한국추진공학회 학술대회논문집 2022.11 학술대회자료

Liquid Centered Swirl-Coaxial 인젝터를 이용한 모사 젤 추진제의 분무특성에 관한 연구

이동근 항공우주및기계공학과 2022.01 학위논문

2019

삼중 충돌 인젝터를 이용한 모사젤 추진제의 분무각 특성

이동근 , 한승주 , 이동희 외 3명 한국추진공학회 학술대회논문집 2019.05 학술대회자료

2018

우레아 젤화제를 이용한 모사젤 추진제의 충돌분무특성

이동근 , 한승주 , 장진우 외 5명 한국추진공학회 학술대회논문집 2018.12 학술대회자료

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본 연구에서는 이원추진제 젤 추진기관의 분무특성을 개선하기 위한 연구의 일환으로, Liquid Centered Swirl-Coaxial (LCSC) 인젝터를 이용한 모사 젤 추진제의 분무실험을 수행하였다. 분무 가시화 장치를 구성하였으며 거시적 분무 가시화를 통해 분무각 및 분열길이 특성을 정량적으로 파악하였다. 또한. 국소적 분무 가시화를 통해 평균 액적 직경의 변화를 통해 LCSC 인젝터를 이용한 젤 추진제의 분무특성을 파악하였다.
분무특성을 나타내는 주요 지표로 분무각과 분열길이, 평균 액적 직경을 선정하였으며, 이를 분석하기 위해 젤 추진제의 전단박화를 고려한 Herschel-Bulkley 일반화된 레이놀즈수와 운동량 플럭스 비를 활용하였다. 분무 가시화를 통한 이미징기법으로 분무각과 분열길이, 그리고 평균 액적 직경을 측정하기 위하여 가시화 실험 장치를 구축하고 인젝터를 설계하였다.
구축된 가시화 실험 장치와 인젝터를 통해 물과 모사 젤 추진제의 유량 실측 실험을 수행하고, 차압에 따른 유량 보간식을 도출하였다. 이를 기반으로 거시적 분무 가시화 실험과 근접 확대 분무 액적 가시화 실험조건을 선정하였다. 물과 모사 젤 추진제에서 공통적으로 나타나는 분무각 변화를 확인하였으며, 각 유체별로 분무각을 레이놀즈수와 운동량 플럭스 비의 관계식으로 나타내었다. 분열길이를 측정한 결과, 모사 젤의 경우 전체적으로 물 대비 분열이 늦게 이루어지는 것으로 판단되며, 젤화제 함유량이 증가할수록 분열길이가 증가하였다. 평균 액적 직경 측정결과, 젤화제 첨가량 0.4 wt%에서 일반적인 경향과는 반대로 운동량 플럭스 비가 증가함에 따라 평균 액적 직경 또한 증가하는 경향이 나타났다. 이는 액사(liquid ligament)에서 액적으로의 분열이 충분히 이루어지지 않았음을 의미하는 것으로 판단된다.
그러나 본 연구에서는 하나의 LCSC 인젝터를 이용하여 물 및 모사 젤의 분무특성을 파악하였으므로 분무특성에서 인젝터 상수(injector constant, K)의 영향을 고려하지 않았다. 또한, 분열길이를 측정함에 있어 전단 동축 인젝터의 액주 중심 길이 측정 기준을 그대로 적용하였다는 한계가 있다. 그리고, 실험을 수행한 레이놀즈수 조건이 한정적이었다는 문제도 있어, 연구를 보완하기 위해서는 추후에 이들에 관한 연구가 필요할 것으로 사료된다.

In this study, spray experiments of a simulant gel propellant using a Liquid Centered Swirl-Coaxial (LCSC) injector were performed to improve the spray characteristics of the gel propulsion system. A spray visualization equipment was constructed, and the spray angle and breakup length characteristics were quantitatively identified through macroscopic spray visualization. Also. The spray characteristics of the simulant gel propellant using the LCSC injector were identified by measuring the average droplet size through close-up spray visualization.
The spray angle, breakup length, and average droplet size were selected as major indicators of spraying characteristics. The Herschel-Bulkley generalized Reynolds number (Regen,HB) and momentum flux ratio (J) were used to analyze the shear thinning of the gel propellant. Using imaging technique via spray visualization, the spray angle, breakup length, and average droplet size were measured. A visualization test equipment was constructed, and the LCSC injector was designed.
The mass flow rate measurement experiment of water and simulant gel propellant was performed, and a mass flow rate interpolation formula according to the differential pressure was derived. The macroscopic spray visualization experiment and close-up spray droplet visualization experiment conditions were selected based on the mass flow rate range. Water and simulant gel propellant both show a common change in spray angle, and the spray angle for each fluid was expressed as a correlation of the Reynolds number and the momentum flux ratio. As for the breakup length, it was shown that simulant gel propellant generally exhibit more delayed breakup compared to water. Also, the breakup length increases at higher gelant concentration increased. As a result of measuring the average droplet size, contrary to the general trend, the average droplet size show a tendency to increase as the momentum flux ratio increases at gelant concentration of 0.4 wt%. This is thought to be due to the insufficiently achieved breakup of the liquid ligament and droplet.
However, in this study, the effect of the injector constant (K) on the spray properties was not considered because the spray properties of water and simulant gel were identified using one LCSC injector. In addition, there is a limitation in that the standard for measuring the liquid core length of shear coaxial injectors was applied to measure the breakup length of the LCSC injector. Finally, there is also a problem that the experiment was performed under a limited Reynolds number range, thus it is considered that future supplements are necessary.

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제1장 서론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 연구 동향 4
1.3 스월 동축 인젝터 5
1.4 연구 목적 및 개요 7
제2장 실험 방법 10
2.1 분무와 관련된 무차원수 10
2.2 실험 재료 및 장치 15
2.2.1 실험 재료 준비 15
2.2.2 분무 실험 장치 16
2.2.3 인젝터 19
제3장 실험 결과 22
3.1 분무특성 파악을 위한 분무실험 조건 22
3.1.1 분무각 및 분열길이 측정을 위한 분무실험 조건 25
3.1.2 평균 액적 직경 측정을 위한 분무실험 조건 27
3.2 분무각, 분열길이 및 평균 액적 직경 측정 기준 29
3.2.1 분무각 측정 기준 29
3.2.2 분열길이 측정 기준 30
3.2.3 평균 액적 직경 측정 기준 31
3.3 분무각 측정결과 32
3.3.1 운동량 플럭스 비와 레이놀즈수에 따른 각 유체의 분무각 변화 32
3.3.2 무차원수에 따른 분무각 관계식 35
3.4 분열길이 측정결과 38
3.5 평균 액적 직경 측정결과 40
제4장 결론 44
참 고 문 헌 46
ABSTRACT 49

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