카본/페놀계(C/P) 내열재의 내부 열반응상수 측정

배지열(Ji-Yeul Bae),박슬기(Sulki Park),김태환(Taehwan Kim),송지운(Jiwoon Song),함희철(Heecheol Ham),배주찬(Ju Chan Bae),조형희(Hyung Hee Cho) 한국추진공학회 2012 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2012 No.11

로켓 설계에서 내열 설계는 공력 설계와 더불어 매우 중요하다. 내열 설계에 있어 노즐 표면에 임무 시간동안 노즐형상을 유지할 수 있는 내열재를 추가하게 되는데 이때 내열재의 추가는 시스템 중량을 상승시켜 성능 하락을 유발할 수 있다. 따라서 내열재를 적절하게 설계해 노즐에 적용하는 것이 중요한데 이를 위해서 내열재의 정확한 물성을 아는 것이 매우 중요하다. 이때 가장 중요한 물성이 열분해율을 결정하는 열반응상수와 활성화에너지이다. 따라서 본 연구에서는 탄소/페놀릭 내열재의 열반응상수를 측정하는 실험을 진행하였다. 아음속에서 소형 모터를 이용해 실험한 온도 분포로 열반응상수를 역으로 도출하였고 이는 선행 문헌의 결과와 유사하였다. In rocket design process, thermal design is one of the most important aspect. In order to protect nozzle, adequate amount of heat protection material is added to nozzle for required mission time. However adding heat protection material increase the system weight and reduce overall performance. Therefore optimization of heat protection material is important and it requires accurate properties of heat protection material. Among the properties of materials, kinetic constant and activation energy that govern decomposition process are the most important. Thus kinetic constant measurement is done with small test motor experiment in subsonic region.

일차원 내열재 열분해식과 CFD통합을 통한 노즐 열해석

배지열(Ji-Yeul Bae),이연주(Yeonjoo Lee),배형모(HyungMo Bae),함희철(Heecheol Ham),조형희(Hyung Hee Cho) 한국추진공학회 2015 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2015 No.11

페놀릭 수지가 첨가되어 열분해 반응이 일어나는 내열재 카본/페놀 내열재가 적용된 노즐을 해석하기 위해 일차원 내열재 열분해식과 CFD 유동장을 통합해석하는 기법을 연구하였다. 일차원 내열재 열분해식은 전도로만 발생하는 고체 내의 화학반응의 특성을 고려하여 아레니우스 식을 이용한 화학반응율과 화학반응으로 발생한 가스가 숯층으로 통과하는 것을 고려하였다. 그리고 이차원 축대칭으로 이루어지는 CFD 해석에 일차원 열분해식을 통합하기 위하여 내열재의 체적을 표면에 할당하기 위한 고체체적 분류기법을 적용하였다. 노즐에 대한 검증결과로 내열재 내의 각 체적이 표면에 잘 할당됨을 확인하였으며 일차원 내열재 열분해식이 문제없이 적용됨을 확인하였다. Conjugate method to simulate carbon/phenolic thermal protection material including thermal decomposition of material is developed in this research. Developed method uses CFD solver in conjunction with 1-dimensional thermal decomposition program written in User Defined Function of Ansys Fluent. The thermal decomposition program embedded includes Arrhenius expression of thermal decomposition and thermal effect of decomposition gas inside material. Major consideration is made to extend 1-dimensional thermal decomposition program to incorporate 2-dimensional axisymmetric nozzle geometry where CFD simulation is being carried out. Solid volume categorizing method is developed in this research successfully assigned 2-dimensional solid volume into 1-dimensional algebraic equation.

유한요소해석을 통한 쿼츠/페놀릭 5매 주자직 재료의 비등방 열전도도 평가

배형모(Hyung Mo Bae),배지열(Ji-Yeul Bae),배주찬(Ju Chan Bae),조형희(Hyung Hee Cho) 한국추진공학회 2016 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2016 No.5

섬유 복합재는 열전도도가 서로 다른 섬유와 충전제로 구성되어 있고, 이에 의해 비등방 열전도도를 지닌다. 비등방 열전도도는 소재의 설계에 있어 중요한 물리적인 특성으로, 수치해석을 통한 비등방 열전도도의 예측이 필요하다. 본 연구는 비등방 열전도도를 예측하는 해석기법을 확립하고, 기존에 공개되어있지 않은 쿼츠/페놀릭 5매 주자직의 열전도도를 도출하였다. 해석기법을 확립하기 위해 공개되어 있는 탄소/에폭시 평직 복합재의 열전도도의 실험값과 유한요소해석 결과와의 비교 검증을 수행하였고 유한요소해석 결과는 실험결과가 잘 일치함을 확인하였다. 검증된 유한요소해석 기법을 이용하여 실제 레이돔 제작에 사용되는 쿼츠/페놀릭 5매 주자직의 비등방 열전도도를 예측하였고, 섬유체적비가 복합재의 면외 방향 열전도도에 미치는 영향을 평가하였다. Fiber composites are composed of fiber and matrix, and it causes orthogonal thermal conductivity of materials. Evaluation of orthogonal thermal conductivity is important research with respect to thermal design of materials. The purpose of this study is to establish finite element method to expect orthogonal conductivity of fiber composite and to evaluate orthogonal conductivity of quartz/phenolic 5 harness satin. Validation between results of this study and results of precedent experiment is carried out, and the results have good agreement. Orthogonal conductivity of quartz/phenolic 5 harness satin is obtained and the effect of volume fraction of fiber is studied.

공력가열되는 물체의 비정상 열응답 예측을 위한 해석기법 연구

배형모(Hyung Mo Bae),배지열(Ji-Yeul Bae),이연주(Yeonjoo Lee),함희철(HeeChul Ham),조형희(Hyung Hee Cho) 한국추진공학회 2015 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2015 No.11

초음속 혹은 극초음속 환경의 비행체는 공력가열 문제로 인하여 이를 대비한 열설계가 필수적이다. 열설계 시 CFD를 이용한 비정상 열응답 해석을 통해 비행체 표면에서 발생한 공력가열로 인해 침투된 열을 예측할 수 있다. 비정상 열응답 해석을 완전 비정상적 해석을 이용하여 수행할 경우 과도한 계산시간 요구되므로 일반적으로 초음속 혹은 극초음속 환경에서의 비정상 열응답 해석은 연성 연계 해석을 이용한다. 그러나 연성 연계 해석시 해석 구간의 기준이 되는 시간 전진폭을 결정하는 알고리즘은 현재 확립되어 있지 않는 상황이다. 따라서 본 연구는 무딘 물체의 정체점에서의 열유속을 이용하여 시간 전진 폭을 결정하는 방법을 고안하였다. 결정된 시간 전진 폭으로 준 비정상적 해석을 진행하였다. 완전 비정상 해석과 준 비정상 해석으로 해석 하였을 때 침투된 열의 양을 비교하였을 때 5 % 미만의 차이가 발생하는 것을 확인하였다. Aerodynamic heating problem is the major problem in hypersonic space shuttle. The Thermal response analysis using CFD is widely studied to predict heat which comes from harsh aerodynamic heating. Loosely coupled method is generally used for predicting thermal response considering computing power. Time step size has decisive effects on accuracy of numerical analysis in loosely coupled method, however there is no exact algorithm to determine time step size. The research suggests the method to determine time step size using heat flux at stagnation point. The difference between data from full-transient analysis and quasi-transient analysis using determined time step size is less than 5 %.

고체 추진제 내 금속입자로 인한 내열소재 열파괴 특성평가

배지열(Ji-Yeul Bae),황인식(In Sik Hwang),강윤구(Yoongoo Kang) 한국추진공학회 2021 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2021 No.11

추진제 슬롯형상에 따른 노즐 열전달 특성 연구

배지열(Ji-Yeul Bae),황기영(Ki-Young Hwang),함희철(Heechoel Ham),조형희(Hyung Hee Cho) 한국추진공학회 2019 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2019 No.5

노즐 유동의 해석기법에 따른 내열재 열반응 특성 연구

배지열(Ji-Yeul Bae),함희철(Heechoel Ham),황기영(Ki-Young Hwang),조형희(Hyung Hee Cho) 한국추진공학회 2019 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2019 No.11

고체로켓 노즐에 적용되는 내열재는 연소가스에 의해 탄화되는 열분해현상과 표면이 깎여나가는 삭마현상에 노출된다. 노즐 유동은 이러한 내열재의 삭마의 주된 원인임과 동시에 내열재의 형상변화에 영향을 받는다. 본 연구에서는 노즐 유동의 해석기법에 따라 내열재의 삭마 및 열반응 예측에 어떤 영향이 있는지 확인했다. 해석결과 노즐 유동을 CFD로 도출했을 때 2차원 유동 회전이 일어나는 구간과 이종 소재가 적용되어 단차가 생기는 부분에서 해석 정확도가 향상됨을 확인하였다. An ablative material in a rocket nozzle undergoes a loss in density due to a thermal decomposition and a change in surface due to an ablation. As being a major contributor of the material ablation, a nozzle flow is also affected by the ablative material due to a change of the nozzle contour. In this research, an effect of a prediction method for the nozzle flow on the ablation and the thermal response of an ablative material is investigated. The result showed that the prediction is improved, especially in the area where a 2-D flow turning occurs or a gap between two different material exists.

내열재 숯층 내 분해가스의 이차원 거동모델 연구

배지열(Ji-Yeul Bae),황기영(Ki-Young Hwang),함희철(Heechoel Ham),조형희(Hyung Hee Cho) 한국추진공학회 2019 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2019 No.5

고체추진기관에 사용되는 탄소/페놀릭 내열재는 고온에서 내부의 수지성분이 분해되는 열분해 과정을 거치며, 이때 발생하는 분해가스는 다공성 숯층을 통해 표면으로 분출되어 표면 열전달양을 감소시키고 숯층을 냉각하므로 가스 거동을 예측하는 것이 매우 중요하다. 이에 본 연구에서는 내열재 내부가스 거동을 2차원으로 모델링하고 이를 CFD와 통합할 수 있는 해석 모델을 개발하였다. 본 모델에서는 User Defined Scalar (UDS) 보존식과 Darcy’s law를 활용하여 가스압력을 모사해 해석에 적용하였다. 해석 모델을 적용해 노즐을 해석한 결과 축방향과 반경방향 속도성분이 잘 예측됨을 확인했다. 본 연구의 해석 모델은 향후 노즐 유동 및 내열재 열반응의 2차원 통합해석에도 적용될 것이다. A carbon/phenolic material usually used in a solid rocket motor, undergoes a thermal decomposition process as it is exposed to a high temperature environment. As a decomposition gases cools the porous char layer and the material surface by a transpiration effect, proper modeling of the gas behavior is essential. Therefore, a two-dimensional model of the gas behavior inside the material is developed considering integration into CFD software. User Defined Scalar(UDS) transport equation and Darcy’s law are utilized to calculate a pore pressure and resulting gas velocity. Results showed a good prediction of both axial and radial velocity distribution inside the char layer. The model developed in this research will be implemented for fully coupled simulation of nozzle flow and material behavior.

이차분사에 따른 노즐표면 화학반응 해석연구

배지열(Ji-Yeul Bae),김태환(Taehwan Kim),이남규(Namkyu Lee),조형희(Heecheol Ham),함희철(Hyung Hee Cho) 한국추진공학회 2014 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2014 No.12

이차 분사는 주유동에 그 보다 적은 유량을 갖는 이차 유동을 분사하여 부수적인 액추에이터와 조인트 없이 측추력을 발생시킬 수 있으나 충격파와 유동 박리로 발생하는 유동의 교란은 노즐 표면에 높은 열전달을 가하여 추가적인 내열재가 노즐에 적용되어야 한다는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 로켓 주유동의 화학반응 및 내열재 표면의 화학반응을 해석하여 팽창부에서 이차 분사에 의해 발생하는 화학반응을 수치 해석을 통해 연구하였다. 해석에는 ANSYS Fluent v.15를 사용하였으며 화학반응 해석을 위해 finite rate 모델을 사용하였다. 해석결과 노즐 목 직후방에 해당하는 큰 화학 반응량이 도출되었으며 이는 유동교란으로 인한 높은 열전달과 그로 인한 화학물질 공급으로 인해 발생한 것으로 확인되었다. Secondary Injection can be used to generate side thrust in rocket without complex mechanical actuators and joints. However it significantly increase heat transfer on the nozzle surface due to complex flow structure and flow impingement. Because it also increase mass transfer to nozzle surface, it accerelates ablation of the surface. Therefore surface chemical reaction due to secondary injection is studied by solving both surface and volumetric chemical reactions inside rocket nozzle. ANSYS Fluent v.15 is used for simulation and finite rate model is used for chemical reaction. Due to increased mass transfer and oxidant rich composition of secondary flow, chemical reaction of the surface is increased near the injection hole.

그라파이트 삭마 현상의 수치해석적 연구

배지열(Ji-Yeul Bae),김태환(Taehwan Kim),송지운(Jiwoon Song),함희철(Heecheol Ham),조형희(Hyung Hee Cho) 한국추진공학회 2013 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2013 No.5

삭마 내열재는 구조체를 보호하는 과정에서 자신이 파괴되므로 내열재의 양을 결정하는 설계 과정이 매우 중요하다. 과거에는 많은 실험으로 최적의 설계점을 찾았으나 그 비용이 지나치게 크며 최근의 컴퓨터 기술 발달로 인하여 설계의 상당부분이 수치해석을 활용하고 있다. 본 연구에서는 비교적 그 삭마과정이 간단한 그라파이트에 대하여 삭마 코드를 개발하였다. 유동 해석은 범용성이 뛰어난 Ansys Fluent v.14를 사용하였으며 Fluent 내의 사용자코드통합 기능인 User-Defined-Function을 사용하여 내열재의 열반응에 관련된 코드를 통합하였다. 작성한 코드를 기본적인 출구 마하수가 3인 형상의 노즐에 적용하여 노즐의 전도/대류를 통합 해석하였다. 노즐의 후퇴량을 계산하였고 이로 인한 노즐 성능의 감소를 해석적으로 예측하였다. Thermal Protection Material(TPS) is used to protect rocket structure from excessive heat from the exhaust. Because TPS is destroyed by the exhaust, determining proper amount of TPS and apply it to nozzle is important. Due to the recent restriction in the development cost, numerical simulations are usually utilized for design. In this research, relatively simple graphite is selected for study and numerical code for thermal analysis is developed. Ansys Fluent v.14 is used for flow simulation and User Defined Function(UDF) is used for code implementation. The developed code is applied to nozzle with exit mach number 3 and simulation of conduction/convection/ablation is done.