플라즈마 액추에이터 유동 해석을 위한 전자기장 및 유체 연동해석

이연주(Yeonjoo Lee),배지열(JiYeol Bae),송지운(Jiwoon Song),함희철(Heecheol Ham),조형희(Hyung Hee Cho) 한국추진공학회 2015 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2015 No.11

유전체장벽(DBD) 플라즈마 액추에이터는 능동적 유동 제어를 위해 연구되고 있다. 본 연구에서는 DBD 플라즈마 액추에이터를 수치해석적인 방법으로 접근하여 연구하고자 한다. 정확한 해석을 위해서는 DBD 플라즈마 액추에이터 주변의 전자기장 및 유동장의 해석을 동시에 수행하여야 한다. 또한 주변 유동과 플라즈마 액추에이터 간의 상호작용을 정확하게 모델링하기 위해 본 연구에서는 시간에 따른 비정상 해석을 수행하였다. Discharge Barrier Discharge(DBD) plasma actuators have been studied for active flow control. In this study, numerical simulation is used to model DBD plasma actuators. Electric field and flow field are simultaneously calculated to precisely analyse the effect of DBD plasma actuators. Also, transient simulation is conducted to consider interaction between air flow and the DBD plasma actuator.

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.

고체로켓 노즐의 연소종료 후 복사열전달 해석

배지열(Ji-Yeul Bae),김태환(Taehwan Kim),김지혁(Ji Hyuk Kim),함희철(Heecheol Ham),조형희(Hyung Hee Cho) 한국추진공학회 2016 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2016 No.12

공력가열 실험설계를 위한 수치해석 연구

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

본 연구에서는 마하수 6인 극초음속 환경에서의 공력가열 현상으로 인한 코르크의 삭마 현상을 실험적으로 연구하기에 앞서 시편의 재질, 형상, 공격각의 변화에 따른 공력가열 현상을 수치해석 방법으로 분석하였다. 정상상태 온도 증가를 예측하기 위해 정상상태 해석을 수행하고, 시간에 따른 열전달 현상을 분석하기 위해 비정상상태에서 전도 대류 conjugate 해석을 수행하였다. 시편은 쐐기형상이며 재질은 열전도도, 밀도, 정압비열의 곱이 약 20배 차이나는 Sus630과 코르크를 적용하였고 공격각은 각각 5°와 15°이다. 코르크의 열반응을 실험하기 위해 공력가열로 인한 시편의 온도는 500℃ 이상이 되어야한다. 해석을 통해 각 조건별 실험 가능 여부 및 실험 시간을 예측하였으며, 시편 100℃ 예열과 공격각 15°의 경우 15초 이상의 실험이 가능하다고 판단된다. Numerical simulation of viscous heating in hypersonic flow (Ma 6) is conducted before experiment to predict possible experimental time. The parameters in this simulation are material property, shape and attack angle. Steady state simulation is performed to expect temperature increase. Then convection and conduction conjugated transient simulation is conducted to analyze heat transfer phenomenon with time. The sus630 and cork are applied as test plate material with different thermal property. With test plate pre-heating at 100℃ and attack angle 15°, cork ablation experiment can be possible more than 15 seconds.

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.

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.

고도에 따른 적외선 미사일의 비행가능거리 산출

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

과거의 피탐지 감소기술 연구는 레이더에 대한 피탐지 감소기술에 국한되었다. 그러나 최근에 적외선 탐색기의 성능이 향상됨에 따라 적외선 미사일의 위협이 비약적으로 증가했고, 이로 인해 적외선 피탐지 감소기술에 대한 연구가 활발해졌다. 본 연구는 적외선 미사일에 대한 항공기의 생존성 평가의 일환으로써 고도에 따른 미사일의 비행가능거리를 산출하였다. 상용코드인 ANSYS Fluent 15.0을 사용하여 유동해석을 수행했으며 이로부터 마하수에 따른 항력을 계산하였다. 그 다음 추력과 항력의 차이를 계산하여 미사일의 속도 및 비행거리를 산출하였다. 고도가 높아질수록 항력의 크기가 줄어들었고, 최대속도 및 비행가능거리는 증가하였으며 특히 비행가능거리는 고도 15000 m에서 고도 5000 m대비 2.3배에 달하였다. Stealth technology was limited to radar field in the past. Due to significant improvement of infrared seeker in recent years, threat of infrared missile has been rising considerably. Therefore, research on IR stealth technology is ongoing actively today. In this research, IR guided missile flight range is calculated to contribute to assessment of aircraft survivability against IR guided missile. ANSYS Fluent 15.0 is used for flow simulation, and drag force is calculated from the result of the simulation. Then, the velocity and flight range of the missile are obtained by counting the difference between thrust and drag force. As altitude get higher, drag is reduced, and both maximum velocity and flight range of missile increase. Especially, the flight range at 15000 m is 2.3 times longer than that at 5000 m

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.