예혼합형 추진 시스템을 위한 자기유사구조 역화방지장치의 설계 및 수치해석 = Design and Numerical Analysis of Self-Similar Flame Arrestor for Premixed Propulsion Systems

국문 초록 (Abstract)

독성을 갖고있는 하이드라진과 같은 추진제 사용의 규제가 생기면서 무독성, 친환경 추진제 개발이 활성화되고 있다. 본 연구에서는 아산화질소와 탄화수소가 예혼합된 형태인 친환경 추진제인 아산화질소 연료 혼합물(Nitrous Oxide Fuel Blends, NOFB)을 사용하는 예혼합형 추진 시스템의 프랙탈구조 역화방지장치를 설계하고 성능 평가를 수행하였다. 아산화질소 연료 혼합물은 예혼합 상태 저장이 가능하여하나의연료저장탱크를요구하기때문에추진시스템의간소화를기대할 수있다.추가로 기존의 연료와 공기를 섞은 추진제 형태 보다 성능이 높다는 특징이 존재한다.
그러나 아산화질소 연료 혼합물은 연소 후 온도가 매우 높음과 동시에 연소실의 화염이 연료공급탱크 방향으로 전파되는역화(Flashback)현상에 잠재적인 위험요소를 갖고 있어 시스템 전체에 피해를 줄 수 있다. 역화의 발생 원인은 대표적으로 화염의 연소 속도가 기체의 공급 속도보다 충분히 빠른 경우 발생하면서 연소불안정과 같은 다양한 요소가 작용한다. 따라서 역화의 완전한 배제는 현실적으로 어렵기 때문에 플랜트 산업에서 적용되는 역화방지장치를 추진 시스템에 적용하고자 한다. 본 연구에서는 역화 현상 방지를 위해 프랙탈 구조를 적용한 역화방지장치의 설계를 제안 하였다.
프랙탈 구조는 하나의 소염거리를 갖고 있는 기존의 역화방지장치와 달리 각기 다른 비율에서 자기 상사성(Self-similarity)을 유지하는 특징을 갖고 있다. 이로 인하여 기존 역화방지장치에서 문제점인 압력강하(Pressure drop) 완화와 동시에 소염 성능 확보를 목표로 하였다.
설계를 수행하기 위해 Cantera의 GRI 3.0 mechanism을 활용하여 아산화질소 연료 혼합물에 해당하는 미연소 기체의 열확산률(Thermal diffusivity)과 화염의 연소 속도(Flame burning velocity)를 계산하였고, 다양한 조건에서 발생하는 화염에 해당하는 소염거리(Quenching distance)를 산출하기 위해 온도, 압력, 당량비를 범위의 조건으로 정의하여 계산하였다. 계산된 소염거리에 기반하여 총 3 단계 프랙탈 구조를 적용하였으며, 길이에 의한 압력강하를 고려하여 설계를 수행하였다.
설계된 역화방지장치의 성능 평가는 상용 S/W인 ANSYS fluent를 활용한 수치해석으로 진행하였다. 아산화질소 연료 혼합물이 적용된 예혼합 추진 시스템에 프랙탈 구조 역화방지장치가 적용된 경우, 기존 형상의 역화방지장치가 적용된 경우, 역화방지장치가 적용되지 않은 경우로 각각 나누어 수행하였다. 기존 형상의 역화방지장치는 선정된 소염거리 값 중 가장 작은 값으로 공극률이 유사해지도록 설계하였다. 수치해석 결과, 기존 역화방지장치 대비 압력강하는 20% 감소한 결과를 보여 프랙탈 구조 역화방지장치의 성능을 검증하였다. 소염 성능은 아산화질소 연료 혼합물의 자연발화온도를 임계점으로 정의하여 이를 초과하는 온도가 역화방지장치 입구에서 나타나는지 판단하였고, 그 결과 해석 시간 동안 온도 증가의 변화가 보이지 않아 소염 성능을 보유하고 있는 것으로 판단하였다.
향후 연구에서는 제작 가능성을 고려한 설계안으로 실증시험을 수행할 예정이며, 이를 통해 예혼합형 추진 시스템의 적용 가능성을 판단할 예정이다. 본 연구를 통해 무독성 및 고효율 친환경 추진제 기반의 추진 시스템의 개발에 기여할수 있을 것으로 사료된다.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 1
• 1.1 우주산업 시장 1
• 1.2 추진제 개요 3
• 1.3 액체 추진제 7
• 1.3.1 석유계 추진제 7
• 1.3.2 극저온 추진제 7
• 1.3.3 접촉점화계열 추진제 8
• 1.4 친환경 추진제 10
• 1.4.1 과산화수소 11
• 1.4.2 이온성액체 11
• 1.4.3 수력 추진 11
• 1.4.4 아산화질소 연료 혼합물 12
• 1.5 역화 15
• 1.5.1 중심유동(Core flow) 18
• 1.5.2 연소불안정(Combustion Instability) 18
• 1.5.3 와류붕괴(Combustion Induced Vortex Breakdown, CIVB) 18
• 1.5.4 경계층(Boundary Layer) 19
• 1.6 역화방지장치 21
• 1.7 본 논문의 목표와 구성 23
• II. 이론적배경(Theoritical background) 24
• 2.1 소염거리(Quenching distance) 24
• 2.2 프랙탈(Fractal) 25
• 2.2.1 칸토어 집합(Cantor set) 27
• 2.2.2 코흐 곡선(Koch curve) 28
• 2.2.3 시어핀스키 카펫(Sierpinski’s carpet) 28
• 2.2.4 프랙탈 구조와 압력강하 28
• III. 수학적 모델(Mathmatical method) 31
• 3.1 역화방지장치 설계 31
• 3.2 역화방지장치 해석 조건 34
• IV. 소염성능 및 평가 43
• 4.1 소염성능 43
• 4.2 압력강하 46
• V. 결론 53
• VI. 학위논문 관련 연구실적 55
• VII. 참고문헌 57
• ABSTRACT 61