3차원 강내탄도 전산해석

장진성(Jinsung Jang),오석환(Seokhwan Oh),노태성(Taeseong Roh) 한국추진공학회 2015 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2015 No.5

Eulerian-Lagrangian 접근법을 사용하여 화포 내 유동 및 고체추진제 입자로 이루어진 이상유동의 3차원 전산해석을 수행하였다. 내탄도 현상은 고체추진제의 연소에 의한 열-유동이 발생한다. 따라서 이를 전산해석하기 위한 전산모델이 필요하다. 이에 본 연구에서는 유동의 해석은 상용 프로그램을 사용하며, 연소의 해석은 기존의 해석코드를 이용하는 전산모델을 제안하였다. 이를 이용하여 3차원 강내탄도 전산해석을 수행하였으며, AGARD gun 해석을 통해 3차원 해석의 타당성을 확인하였다. Three-dimensional numerical analysis of the two-phase flow that consisting of internal flow and solid propellant particles has been conducted using Eulerian-Lagrangian approach. The interior ballistics is a phenomenon that accompanies the heat-flow due to propellant combustion. So, numerical model is required for the numerical analysis of interior ballistics. In this study, therefore, the numerical model that using the commercial program for flow analysis and using the developed code for the combustion analysis has been proposed. Three-dimensional numerical analysis of interior ballistics has been conducted using this numerical model and the validity of the analysis has been confirmed through the AGARD gun analysis.

고체추진제 형상에 따른 강내탄도의 특성 연구

장진성(Jinsung Jang),성형건(Hyunggun Sung),김인주(Injoo Kim),노태성(Taeseong Roh),최동환(Dongwhan Choi) 한국추진공학회 2009 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2009 No.11

강내탄도 전산해석 코드를 이용하여 고체 추진제 형상에 따른 강내탄도 성능을 예측해 보았다. 기존의 연구에서는 볼형의 추진제만을 다룬데 반해 이번 연구에서는 추가적으로 실린더형과 단공형의 추진제를 다루었다. 각 추진제의 형상에 따라 비표면적이 달라지고 이로 인해 강내탄도의 성능변화가 나타남을 확인했다. Using the numerical code for the interior ballistics, the performance of the interior ballistics with the characteristic of the configuration of the solid propellant has been investigated. In existing research, only ball type solid propellant is considered but at this research, cylinder and single slot type solid propellants are considered. Definite the change of performance of the interior ballistics according to specific surface area.

강내탄도 내 항력식에 따른 추진제 입자 이동 비교

장진성(Jinsung Jang),유승영(Seongyoung Yoo),오석환(Seokhwan Oh),노태성(Taeseong Roh),최동환(Dongwhan Choi) 한국추진공학회 2013 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2013 No.5

강내탄도 내 이상유동(Two-phase Flow) 현상 중 추진제 입자의 이동에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 유동 내 추진제 입자에 작용하는 항력이다. 기존의 연구에서는 입자에 작용하는 항력을 구하기 위해서 실험을 통해 유도한 Ergun식을 이용하였으나, 이는 이상유동 내 입자의 형태가 구형인 경우에 국한되어 있으며 실제 강내탄도 내 발생하는 레이놀즈수 영역 또한 유도식의 유동 영역에서 벗어나는 등의 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 STAR-CCM+를 통해 원통형 입자 및 레이놀즈수에 따라 Ergun식을 보정하여 항력식이 강내탄도 내 추진제 입자의 이동에 미치는 영향을 기존의 Ergun식을 사용한 결과와 비교 분석하였다. The interphase drag has the greatest effect on propellant particle movement in the phenomena of the two-phase flow of the interior ballistics. In previous studies, Ergun"s empirical equation has been used for the calculation of drag force acting on the propellant particle. However, this equation is limited to the sphere configuration and the actural Reynolds" No. condition of interior ballistics has outranged from the Reynolds" No. region of the equation. In this study, therefore, comparison analysis of the propellant particle movement has been conducted using the previous Ergun"s equation and the corrected Ergun"s equation. The corrected equation has been calibrated according to the Reynolds" No. and the grain configuration using the STAR-CCM+.

강내탄도의 약실 내 추진제 모델링 비교연구

장진성(Jinsung Jang),성형건(Hyunggun Sung),노태성(Taeseong Roh),최동환(Dongwhan Choi) 한국추진공학회 2010 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.11

무차원 추진제 모델링 기법과 1차원 추진제 모델링 기법을 사용하여 약실 내 추진제 모델링 기법에 대한 비교 연구를 수행하였다. 무차원 추진제 모델링의 경우 약실 내 추진제 위치 및 배열에 대한 묘사가 불가능 하지만 1차원 추진제 모델링의 경우에는 가능하다. 따라서 약실 내 추진제 배열에 따른 강내탄도 성능해석 시 무차원 추진제 모델링의 경우 강내 마이너스 차압의 예측이 불가능하지만 1차원 추진제 모델링의 경우 예측이 가능함을 확인했으며, 이를 통해 강내탄도 성능해석 시 1차원 추진제 모델링의 필요성을 확인했다. Comparative study on propellant modeling has been investigated using a non-dimensional method and an one-dimensional method. The propellant location in the chamber can not be described by the non-dimensional method. It is, however, possible for the one-dimensional method to describe. Therefore, the analysis of the interior ballistics according to the propellant arrangements has been performed by the one-dimensional method. The negative differential pressure in the chamber could be predicted and the necessity of the one-dimensional modeling for the analysis of the interior ballistics has been confirmed.

고체 추진제 형상 최적 설계를 위한 하이브리드 최적화 기법 보완 연구

오석환(Seokhwan Oh),장진성(Jinsung Jang),손지현(Jihyun Sohn),노태성(Tae-Seong Roh) 한국추진공학회 2014 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2014 No.12

고체 로켓 모터의 성능은 추진제 그레인 형상에 의해 결정된다. 그레인 형상은 요구 조건을 만족하도록 설계되어야 하므로 그레인 형상은 요구 조건이 변경됨에 따라 재설계 되어야 한다. 따라서 그레인 재설계 과정의 설계 시간 및 비용을 절약하기 위해 최적화 기법을 적용해야 한다. 이에 본 연구에서는 기존의 하이브리드 최적화 기법에서 발생한 문제점을 분석하고 보정하는 연구를 수행하였다. 이를 위해 그레인 Burn-back 해석, 내탄도 해석, 최적화 모듈을 사용한 최적 설계 프로그램을 개발하고 최적화 기법 보정 결과를 비교하였으며, 빠르고 안정적인 최적 설계 결과를 확인하였다. This performance of solid rocket motor is associated with the propellant grain configuration. The grain configuration should be designed to satisfy the objective condition. Therefore, the grain configuration has been modified according to change in the objective condition. Since the grain configuration is required, the application of the optimization technique is required to redesign of save design time and cost. In this study, the grain configuration optimal design program has been developed using grain burn-back analysis, internal analysis and optimization. And the hybrid optimization technique of grain configuration has been analyzed and modified. As a results, more fast and stable optimization performance has been provided.

Analytical Method를 이용한 고체 추진제 그레인의 Burn-back 연구

손지현(Jihyun Sohn),장진성(Jinsung Jang),오석환(Seokhwan Oh),김진관(Jinkwan Kim),노태성(Taeseong Roh) 한국추진공학회 2013 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2013 No.12

고체 추진기관의 성능은 내탄도 해석을 통해 예측이 가능하며, 내탄도 해석을 수행하기 위해서는 추진제의 형상변수와 관련된 그레인의 연소표면적 값이 필요하다. 본 연구에서는 그레인의 연소표면적을 산출하는 Burn-back 해석코드 개발을 위해 Analytical Method를 적용하였다. 그레인의 초기 형상에 따라 Analytical Method를 적용하기 위한 기하학적 변수를 선정하였고, 연소 과정에서의 그레인 형상 변화에 대해 정리하였다. 연소표면적의 변화와 관련된 Port Area와 Perimeter의 값을 산출하였고, 산출된 Perimeter 값을 Numerical Method로 부터 산출된 값과 비교하여 해석코드의 검증을 수행하였다. The value of change in the burning surface of the grain is required for performance analysis of the solid rocket propulsion system. In this study, the analytical method has been used for the code development to calculate the burning surface. Geometric parameters for application of the analytical method have been selected according to the initial configuration. Configuration change of the grain with combustion has been organized. Change of the port area and perimeter associated with change in the burning surface has been calculated. The developed code has been verified by comparison of results of the numerical method.

강내탄도의 이동경계면 해석을 위한 수치해석 기법 연구

김인주(Injoo Kim),장진성(Jinsung Jang),성형건(Hyunggun Sung),노태성(Tae-Seong Roh) 한국추진공학회 2010 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.11

강내탄도 성능 해석의 정확도를 높이기 위해서 1차원 해석 코드를 2차원 및 3차원으로 확장시키는 작업이 필요하다. 다차원 확장 시 이동경계면 해석에 Cut Cell Method를 적용하였다. 이에 high resolution 기법인 MUSCL-Hancock을 선택하였고 free piston problem에 적용하여 그 타당성을 검증하였다. The expansion of 1D numerical code to 2D or 3D is needed in order to improve the analysis accuracy of the interior ballistics. The cut cell method has been imposed for the code expansion to multi dimensions. The MUSCL-Hancock scheme as a high resolution method has been selected. A feasibility of the cut cell method has been verified by analyzing the free piston problem.

하이브리드 최적화 기법을 고려한 고체추진제 최적 설계

오석환(Seokhwan Oh),장진성(Jinsung Jang),손지현(Jihyun Sohn),노태성(Taeseong Roh) 한국추진공학회 2014 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2014 No.5

고체 로켓 모터는 추진제 그레인 형상에 따라 다양한 추력 선도를 나타낸다. 추진제 그레인은 요구 조건을 만족하도록 설계되어야 하며, 요구 조건이 변경됨에 따라 추진제 그레인의 재설계 과정이 요구된다. 따라서 시간 및 비용을 절약하기 위해서는 최적화 기법을 고려한 추진제 그레인 재설계 과정이 필요하다. 이에 본 연구에서는 유전알고리즘과 Nelder-Mead Simplex Method를 사용한 하이브리드 최적화 기법을 도입한 추진제 그레인 설계 연구를 수행하였다. 이를 위해 그레인 Burn-back 해석 모듈 및 내탄도 해석 모듈을 사용하였으며, 역설계 과정을 통해 목표 추력 선도에 근접한 추진제 그레인을 설계하였다. The solid rocket motor has given in various thrust profile according to the propellant grain configuration. The propellent grain should be designed to satisfy the requirements and has been modified according to changes in requirements. For the redesign process of the propellant grain, the consideration of optimal design method is required to save time and cost. In this study, the hybrid ptimization technique using genetic algorithm and Nelder-Mead simplex method of propellant grain has been investigated. The grain burn-back analysis module and the internal ballistics module have been used. The propellant grain that satisfies the requirements has been derived through the process of reverse engineering.

비대칭 Web size를 가지는 다공형 추진제 연소해석

오석환(Seokhwan Oh),장진성(Jinsung Jang),노태성(Taeseong Roh),최동환(Dongwhan Choi) 한국추진공학회 2012 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2012 No.11

고체추진제의 형상은 화포의 성능에 영향을 주는 중요한 요소이다. 다공형 추진제의 경우 Web size에 의해 형상이 결정되기 때문에 Web size의 영향에 관한 연구가 필요하다. 기존의 연구에서는 다양한 Web size에 대한 성능해석을 수행하였으나 Inner Web과 Outer Web size가 동일한 경우에 한하여 성능해석을 수행한 한계가 있다. 이에 본 연구에서는 강내탄도 전산해석 코드를 이용하여 비대칭 Web size를 가지는 7공형 추진제를 사용한 화포의 성능해석을 수행하였다. 이를 통해 다양한 Web 비율에 따른 최대 약실 압력 및 포구 속도와의 상관관계를 정리하였다. 분석 결과 Web 비율의 차이가 커질수록 약실 최대 압력 및 포구속도의 감소 등 화포의 성능에 미치는 영향이 커짐을 확인했다. Configuration of propellant is major function that affects performances of the gun system. In case of multi-perforated propellant, the web size is necessary to study that grain configuration function. Existing study, variation of the web size have been simulated to analyze the performances but both Inner Web and Outer Web are same cases only. In this study, 7-perforated propellant of the unequal web have been simulated to analyze the performances using the numerical code of the interior ballistics and the relationship among variation of the unequal web, maximum chamber pressure and muzzle velocity have been obtained. As results, increasing of unequal web ratio more affects performances of the gun system such as decrease of maximum chamber pressure and muzzle velocity.

내탄도 해석을 통한 추진제 형상설계 연구

오석환(Seokhwan Oh),장진성(Jinsung Jang),노태성(Taeseong Roh),최동환(Dongwhan Choi) 한국추진공학회 2013 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2013 No.5

다공형 추진제의 형상함수인 외부, 내부 반지름은 화포 성능인 포구 속도 및 약실 최대 압력에 영항을 미치는 중요한 요소이다. 이에 본 연구에서는 강내탄도 전산해석 코드를 이용하여 7공형 추진제의 형상 변경에 따른 화포의 성능해석을 수행하였다. 해석 결과 포구 속도, 약실 최대 압력은 외부 반지름과 내부 반지름의 함수로 표현이 가능함을 확인하였다. 이를 통해 외부, 내부 반지름과 약실 최대 압력 및 포구 속도와의 상관관계를 정리하였으며 7공형 추진제 형상의 기초적인 설계 개념을 제공하였다. External and internal radii of the multi-perforated propellant configuration are major factors which have influences on performance of the gun system such as the muzzle velocity and the maximum breech pressure. According to the changes of the 7-perforated propellant configuration, in this study, a performance analysis has been conducted using the numerical code of the interior ballistics. As results, the muzzle velocity and the maximum pressure are confirmed as the function of external and internal radii. The relations among the external and internal radii, the maximum chamber pressure and the muzzle velocity have been obtained. Additionally, a basic design concept for the 7-perforated propellant has been provided.