Cantera를 이용한 케로신 다단연소사이클 엔진용 산화제 과잉 예연소기 설계코드 개발 :Development of Design Code for Oxidizer-Rich Preburner of Staged Combustion Cycle Engine Using Cantera

강시윤

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자료유형: 학위논문

저자정보: 강시윤 (과학기술연합대학원대학교, 과학기술연합대학원)

지도교수: 문인상

발행연도: 2023

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이용수45

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2023

Cantera를 이용한 케로신 다단연소사이클 엔진용 산화제 과잉 예연소기 설계코드 개발

강시윤 2023.01 학위논문

2022

Cantera를 이용한 케로신 다단연소사이클 엔진용 산화제 과잉 예연소기 설계코드 개발

강시윤 , 김성구 , 유철성 외 1명 한국추진공학회지 2022.12 학술저널

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로켓의 소형화, 고압화, 저비용의 추세를 따라 다단연소사이클로켓엔진의 기술 개발이 가속화되고 있다. 가스발생기 사이클에 비해 기술 수준과 난이도가 높기 때문에 추가로 확보해야 할 요소기술들이 존재하며, 그중에서도 산화제 과잉 고압 조건에서 작동하는예연소기 기술이 본 연구의 주제이다.
본 연구의 해석 대상인 케로신/액체산소 다단연소사이클 엔진용예연소기는 연소압과 온도가 각각 300 bar, 700 K 이상인 극한 환경에서 구동되며, 내부 유체들은 천이 및 초임계 유체 상태로 존재하게 된다. 초임계 유체는 액체와 유사한 밀도 특성과 기체와 유사한 점성 및 열전도 특성을 가지며, 이상기체와 다른 거동을 보인다.초임계 유체의 열역학/전달 상태량을 보다 정확히 계산하기 위해본 연구에서는 사용자 편의성과 범용성을 가진 오픈소스 라이브러리 Cantera를 활용하였으며, 실제유체와 관련된 소스 코드들을 새로작성하여 Cantera에 추가하였다. 높은 임계압축계수의 화학종에 대해 높은 정확도를 보여주는 Soave-Redlich-Kwong(SRK) 상태방정식을 통해 열역학적 물성을 계산하였고 고압 효과를 고려한 Chung모델을 적용하여 전달 물성을 계산하였다. Peng-Robinson(PR) 및Redlich-Kwong (RK) 상태방정식과 비교를 통해 열역학적 물성에대한 예측 정확도를 확인할 수 있었다.
Cantera에서 제공하는 화학 평형 모듈과 새롭게 추가한 모델들을 이용해 고압의 산화제 과잉 조건의 예연소가스 온도 및 상태량을 예측하였다. 상태방정식 모델마다 각각 다른 예연소가스 온도 결과를 도출했다. 이를 바탕으로 CEA 코드와 비교/분석을 수행하였으며, 추진제의 초기 공급조건이 끼치는 영향을 확인하였다.
예연소가스가 냉각유로에 끼치는 영향과 냉각유로 내 극저온 유체의 유동을 해석하기 위해 설계코드에 핀 효과를 고려한 복합열전달과 수력학적 모델을 적용하였다. 해당 코드에는 현재 예비설계 중인 100톤급 부스터 엔진용 예연소기 설계를 적용하였으며, CFD 해석결과와 비교를 통해 설계코드로서의 예측 정확도와 활용성을 검증하였다. 추가적으로 탈 설계점 계산을 통해 현재 설계의 적합성을 확인하였다.

#다단연소사이클 #산화제 과잉 예연소기 #실제 유체 모델 #복합열전달

1. 서 론
1.1 액체로켓엔진
1.1.1 가스발생기 사이클 엔진
1.2.1 다단연소사이클 엔진
1.2 연구 배경
1.3 연구 목적
1.4 Cantera 코드 개발
2. 예연소기 환경 유체 모사
2.1 천이 및 초임계 유체
2.2 실제유체 상태방정식
2.3 전달 상태량 모델
3. 해석 방법
3.1 Soave-Redlich-Kwong 상태방정식
3.1.1 열역학적 상태량
3.1.2 혼합 법칙
3.1.3 전달 상태량
3.2 산화제 과잉 예연소가스 해석
3.3 복합 열전달 모델
3.4 수력 해석 모델
3.5 해석 절차
4. 수치 해석
5. 결과 및 고찰
5.1 상태방정식 및 상태량 비교
5.2 설계코드 및 CFD 결과 비교/분석
5.2.1 설계점 결과 비교/분석
5.2.2 탈설계점 결과 비교/분석
6. 결론
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