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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 %.
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.
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.
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.
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.
재순환 영역이 램제트 연소실에서의 열전달 특성에 미치는 영향
이건우(Keon Woo Lee),오민근(Min Keun Oh),조형희(Hyung Hee Cho),함희철(Hee Chul Ham),황기영(Ki Young Hwang) 한국추진공학회 2007 한국추진공학회지 Vol.11 No.6
This experimental study has been conducted to investigate the effect of the recirculation zone on the multi-slot film cooling in the ramjet combustor. The recirculation zone which is generated by the protrusion tip on the entrance of the coolant flow path affects on the first slot. Velocity fields, dimensionless temperature fields and adiabatic film cooling effectiveness on the downstream wall of the slot exit are measured. The results show that the film cooling performance is rapidly decreased after the slot exit by shear layer and high turbulence intensity between separated flows and coolant flows.
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.