추진기관 시험설비 화염유도로 냉각시스템에 관한 수치적 연구

문성목(Seong-Mok Moon),이경훈(Kyoung-Hoon Lee),강호신(Ho-Sin Kang),김동환(Dong-Hwan Kim),조남경(Nam-Kyung Cho),한영민(Yeoung-Min Han) 한국추진공학회 2013 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2013 No.12

본 연구에서는 추진기관 시험설비 화염유도로 기본 설계안에 대한 3차원 화염냉각 해석을 수행함으로써 화염유도로 설계안에 대한 열적 안전성 및 연소가스의 원활한 배출에 대하여 평가하였다. 화염과 냉각수 간의 열전달 및 상변화 과정을 모사하기 위하여 Mixture 다상유동모델을 이용하였으며, 비반응단일 화학종 플룸모델을 적용하여 화염냉각 해석을 수행하였다. 본 해석결과를 통하여 화염유도로 벽면에서의 최고온도와 최대압력을 도출하였으며, 또한 노즐출구에서 분사된 연소가스가 화염유도로에 의해 외부로 원활히 배출되고 있음을 확인하였다. In this study, a thermal safety and a smooth discharge of the exhaust gas for the flame deflector design are assessed by a 3-D flame cooling analysis for the flame deflector of the propulsion test facility. The mixture multiphase model is applied for the simulation of heat transfer and phase exchange process between a flame and a cooling water, and a numerical analysis using the unreacted single species model for the exhaust plume is conducted for the flame cooling. The numerical analysis for the flame cooling predicts maximum temperature and pressure on the flame deflector wall, and shows the smooth discharge toward exterior of the exhaust gas from the nozzle exit.

추진기관 시험설비 화염유도로 냉각해석 연구

문성목(Seong-Mok Moon),조남경(Nam-Kyung Cho),전성복(Sung-Bok Jun),안수홍(Su-Hong An),이경훈(Kyoung-Hoon Lee),김동환(Dong-Hwan Kim) 한국추진공학회 2014 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2014 No.5

본 연구에서는 추진기관 시험설비 화염유도로 기본 설계안에 대한 열적 안전성을 검토하기 위하여 3차원 화염냉각 해석을 수행하였으며, 화염냉각을 위한 최적의 냉각수 유량을 도출하였다. 화염과 냉각수 간의 열전달 및 상변화 과정을 모사하기 위하여 Mixture 다상유동모델을 이용하였으며, 단일 화학종 비반응 플룸모델을 적용하여 화염냉각 해석을 수행하였다. 본 해석결과를 통하여 냉각수 유량에 따른 화염유도로 벽면에서의 최고 온도값을 도출하였으며, 콘크리트 내화 최고온도에 해당하는 최적의 냉각수 유량을 확인하였다. In this study, a 3-D flame cooling analysis is conducted to examine a thermal safety for the flame deflector design of the propulsion test facility, and the optimal flow rate of coolant for the flame cooling is evaluated from the numerical results. The mixture multiphase model is applied for the simulation of heat transfer and phase exchange process between flame and cooling water, and a numerical analysis using the single species unreacted model for the exhaust plume is carried out for the flame cooling. The numerical analysis for the flame cooling predicts maximum temperature on the flame deflector wall for the different coolant flow rate, and shows the optimal flow rate of coolant corresponding to the maximum fireproof temperature of concrete.

한국형발사체 발사대시스템 화염유도로 기본설계

오화영(Hwayoung Oh),강선일(Sunil Kang),이정일(Jungil Lee),엄형식(Hyungsik Um),허환일(Hwanil Huh) 한국추진공학회 2014 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2014 No.12

화염유도로는 우주발사체 이륙 시 발생하는 연소 후류에 의한 발사체 및 발사대 구조물에 대한 손상을 방지하는 구조물이다. 화염유도로 설계는 엔진 노즐에서 배출되는 연소가스가 화염유도로 내부에서 역류하지 않는 구조적인 형상 설계가 필수이며, 발사장 주변 환경과 운용되는 발사체의 엔진특성이 반영되어야 한다. 본 연구에서는 한국형발사체 1단 엔진 특성과 나로우주센터 발사장 환경을 고려하여 3가지 화염유도로 기초 형상을 설계하였으며, 플룸을 추진제 연소가스 대신 공기로 가정한 3D 유동해석을 통해 화염유도로 형상에 따른 연소 가스 배출 형태를 분석하였다. A flame deflector is a structure that prevents damage to the launch vehicle and launch complex due to the exhaust plume of a lifting-off launch vehicle. The shape of a flame deflector should be designed to restrain the discharged gas from backdraft inside the deflector and to reflect the impact to the surrounding environment and the engine characteristics of the vehicle. This study presents the three preliminary flame deflector configurations which are designed for the first-stage rocket engine of the KSLV-Ⅱ and surroundings of the Naro space center. The gas discharge patterns of the designed flame deflectors are investigated via the 3D flow field analysis assuming that the air, in place of the exhaust gas, forms the plume.

Eulerian 다상유동기법을 이용한 300톤급 추진기관 시험설비 화염유도로 냉각해석

문성목(Seong-Mok Moon),조남경(Nam-Kyung Cho),김성룡(Seong-Lyong Kim),전성복(Sung-Bok Jun),이경훈(Kyoung-Hoon Lee),신재렬(Jae-Ryul Shin) 한국추진공학회 2014 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2014 No.12

본 연구에서는 300톤급 추진기관 시험설비 화염유도로 기본 설계안에 대한 열적 안전성 및 연소가스의 안전한 배출을 검토하기 위하여 3차원 화염냉각 해석을 수행하였다. 화염과 냉각수 간의 열전달 및 상변화 과정을 모사하기 위하여 Mixture 다상유동모델을 이용하였으며, 단일 화학종 비반응 플룸모델을 적용하여 화염냉각 해석을 수행하였다. 본 해석결과를 통하여 화염유도로 벽면에서의 최고 온도값을 도출하였으며, 또한 연소가스가 화염유도로에 의해 외부로 안전하게 배출되고 있음을 확인하였다. In this study, a 3-D flame cooling analysis is conducted to examine a thermal safety for the flame deflector of the 300tf class propulsion test facility, and a safe discharge of the exhaust gas is assessed by using the numerical results. The Mixture multiphase model is applied for the simulation of heat transfer and phase exchange process between flame and cooling water, and a numerical analysis using the single species unreacted model for the exhaust plume is carried out for the flame cooling. The numerical analysis for the flame cooling predicts maximum temperature on the flame deflector wall, and shows the safe discharge toward exterior of the exhaust gas.

추진기관 시스템 시험설비의 화염유도로 설계

전성복(Sungbok Jeon),이재호(Jaeho Lee),이광진(Kwang-Jin Lee),조남경(Namkyung Cho) 한국추진공학회 2012 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2012 No.5

화염유도로는 추진기관 시스템 시험설비 요소 중 추진기관시스템, 시험설비, 인적자원의 보호측면에서 매우 중요한 설계대상 중에 하나이다. 본 연구에서는 75톤과 300톤의 추진기관 시스템의 성능을 평가할 시험설비의 화염유도로 설계 방안에 대해 제안하였다. 설비가 구축될 장소의 경사로를 이용하여 화염유도로의 높이를 30m정도로 설계하였다. 개방형과 밀폐형 형상에 따라서 화염유도로의 적합성을 고려하였다. 또한 냉각을 위한 덕트를 core와 side분사 형태에 따라 모델링하였다. Flame deflector is an important plan item for protecting propulsion system model, test facility, and life. This study suggests the way of flame deflector design in test facility evaluating performance of 75 ton and 300ton PSM. The flame deflector height was designed as 30m using a slope way in establishment location of facility. The flame deflector suitability was considered according to the shape of open and closed type. Also the cooling duct was made as modeling in accordance with core and side injection type.

물 분사를 고려한 발사대 화염유도로에서의 유동 해석

이정일(Jungil Lee),엄형식(Hyungsik Um),강선일(Sunil Kang),오화영(Hwayoung Oh),김정래(Jungrae Kim) 한국추진공학회 2014 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2014 No.12

화염유도로는 발사체로부터 배출되는 고온 고압의 연소 후류로부터 발사체 및 발사대 구조물을 보호하는 시설물로써 가스의 적절한 배출을 해야함과 동시에 냉각수를 이용하여 고온의 가스를 냉각시켜야 한다. 본 연구에서는 초음속유동에서 액적 분열을 가장 유사하게 모사할 수 있는 모델을 선정하였고, 이를 이용하여 초음속 자유류에서의 물분사를 포함한 2상 유동 해석을 수행하였다. 이를 통하여 물분사 유량에 따른 온도 분포 변화를 확인할 수 있었다. 한국형 발사체 발사대의 화염유도로의 3차원 형상을 바탕으로 비정상상태 해석을 통해 고온의 초음속 플룸에 대한 냉각수 분사의 영향에 대해 분석하였다. 화염유도로에 물분사 모델을 적용하여 노즐당 유량이 150 kg/sec일 때 벽면 온도가 1000 K 하강하는 것을 확인하였다. To protect the launch vehicle and launch complex structures, the flame deflector system requires the consideration of flame deflection and exhaust gas cooling with water spraying. In this study, three dimensional simulation of KSLV-Ⅱ flame deflector system was conducted with transient analysis. For the analysis of phenomena in supersonic compressible free stream flow with water spray, the liquid breakup model and two phase flow model were adopted with reasonable parameters values derived. Finally, based on the present results, we evaluated the effect of water spraying in rocket exhaust plume. We found that the wall temperature decreased 1000 K when 150 ㎏/sec water spray compared to no water spray.

복사열전달을 고려한 화염유도로에서의 유동 해석

이정일(Jungil Lee),엄형식(Hyungsik Um),강선일(Sunil Kang),오화영(Hwayoung Oh) 한국추진공학회 2015 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2015 No.11

화염유도로는 발사체로부터 배출되는 고온 고압의 연소 가스를 안전하게 배출시키는 시설물로써 발사체 및 발사대 주위의 구조물을 보호하는 역할을 한다. 고온 고압의 연소 가스가 배출되는 만큼 냉각수를 이용하여 연소 가스를 냉각시키는 시설을 갖추어야 한다. 연소 노즐에서 배출되는 수증기, 이산화탄소, 일산화탄소 뿐만 아니라 냉각수 분사에 의해 수증기가 증가함에 따라 복사열전달은 화염유도로 시스템 설계에 중요한 변수가 된다. 이번 연구에서는 H₂O-CO₂-CO 혼합가스에 대한 복사열전달 모델을 선정하였고 기존에 연구된 SNB 모델의 결과와 비교하였다. 총 방사율 기준으로 약 5% 이내의 오차를 보여 모델의 타당성을 확인할 수 있었다. 한국형 발사체 발사대의 화염유도로 형상을 바탕으로 복사열전달 모델을 고려한 비정상상태 해석을 통해 냉각수 분사에 의한 벽면 온도를 예측하였다. 냉각수 분사를 하지 않을 경우 약 3000 K의 벽면 온도가 냉각수 분사를 할 경우 약 1000 K 하강하는 것을 확인하였다. To protect the launch vehicle including complex structures, the flame deflector system should be equipped with flame deflection and water injection system for exhaust gas cooling. Radiative heat transfer is an important factor for a flame deflector system design because of two reasons: 1) the plume gas includes three radiating species (H₂O, CO₂ and CO), 2) a large amount of water vapor is generated by evaporation of injected cooling water. The radiative heat tranfer model for H₂O-CO₂-CO mixture is compared with SNB model for validation. As results, the total emissivity is well matched within roughly 5% error between two models. Finally three dimensional simulation of KSLV-II flame deflector system is conducted with transient analysis based on this radiation model. The wall temperature decreases 1000 K for the water injection case compared with no water injection.

한국형발사체 발사대시스템 화염유도로 개념 설계

오화영(Hwayoung Oh),강선일(Sunil Kang),김대래(Daerae Kim),이정일(Jungil Lee),엄형식(Hyungsik Um),허환일(Hwanil Huh) 한국추진공학회 2014 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2014 No.5

우주발사체 이륙 시 발생하는 연소 후류에 의해 발사체 및 발사대 구조물에 대한 손상을 방지하기 위해 적절한 형상의 화염유도로가 구축되어야 한다. 화염유도로는 발사체로부터 배출되는 풀룸이 재순환되거나 역류가 발생하지 않는 적절한 형상으로 설계되어야 하며, 발사장 주변 여건과 운용되는 발사체의 엔진 특성이 반영되어야 한다. 본 논문에서는 한국형발사체 1단부 엔진 특성을 고려하여 화염유도로 기초 형상을 설계하였으며, 플룸을 추진제 연소가스 대신 공기로 가정한 전산유동해석을 통해 화염유도로 형상에 따른 연소 후류의 영향에 대해 분석하였다. The flame deflector should be constructed to minimize the induced environmental effects on the launch vehicle and to minimize the exhaust impingement effects on the launch complex structures during the lift-off operation. Therefore, it should be designed to avoid recirculation and reverse flow of rocket exhaust plumes and also the circumstance around launch complex and characteristics of launch vehicle should be taken into consideration for design of flame deflector. In this paper, we designed the flame deflector reflecting KSLV-II engine characteristics and analyzed the effect of exhaust plumes related to change geometry by means of computational flow analysis.

한국형발사체 75톤급 엔진 지상 연소시험 시 후류시스템 성능평가

김성혁(Sunghyuk Kim),김승한(Seung-Han Kim),김성룡(Seong-Lyong Kim),김채형(Chae-Hyoung Kim),서대반(Daeban Seo),소윤석(Younseok So),우성필(Seongphil Woo),유병일(Byoungil Yoo),이광진(Kwang-Jin Lee),이승재(Seung Jae Yi),이정호(Jungho Lee 한국추진공학회 2016 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2016 No.12

엔진 지상 연소시험설비(Rocket Engine Test Facility, RETF)에서는 한국형발사체(KSLV-II)의 1단 엔진인 75톤급 엔진 연소시험이 진행 중에 있다. 엔진 지상 연소시험에서 후류시스템은 코어인젝터, 화염유도덕트 및 화염유도로에 충분한 양의 냉각수를 공급함으로써 고온의 배기가스를 안전하게 처리하는 역할을 한다. 본 논문에서는 주로 연소시험 시 화염유도로에 공급되는 냉각수의 출구 온도변화를 통해 후류시스템의 성능을 평가하였다. Combustion test for 75tonf-class rocket engine of KSLV-II"s first stage engine is undergoing in Rocket Engine Test Facility(RETF). In the engine ground combustion test, exhaust system provides a sufficient amount of cooling water to the core injector, flame guide duct and flame deflector to safely treat the high temperature exhaust gas. In this paper, the performance of the exhaust system is mainly evaluated by changing the outlet temperature of the cooling water supplied to the flame deflector in combustion test.

화염유도로 예비 해석을 위한 로켓노즐 플룸의 CFD 해석 검증

전두성(Doosung Jun),김재우(Jaewoo Kim),김종록(Jongrok Kim),김우겸(Wookyeom Kim),김승철(Seungcheol Kim),문희장(Heejang Moon) 한국추진공학회 2011 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.11

초음속 유동과 2상 유동이 공존하는 화염유도로 내 유동해석을 위한 사전 해석검증의 일환으로, 초음속 단상 노즐 플룸의 2차원 축대칭 해석과 물 분사가 포함된 3차원 2상 아음속 유동을 해석하였다. 단상 초음속 노즐 플룸의 경우 충격파 셀 구조를 통해 물리적으로 위배되는 현상은 발견되지 않았다. 물분사가 포함된 3차원 2상 아음속 유동의 경우, 액적의 거동과 기화 과정을 정성적으로 볼 수 있었으며 물 분사시 고온공기의 냉각 모사가 가능함을 확인할 수 있었다. 이들 기초 검증 결과들은 추후 초음속 2상 물분사 플룸 유동에 적용되어 3차원 화염유도로 해석에 응용될 예정이다. This paper investigates CFD investigation on single phase supersonic nozzle flow and 2-phase subson ic flow prior to rocket nozzle supersonic 2-phase flow with water injection within the flame deflector. Numerical results of supersonic nozzle single phase flow showed no notable unrealistic behavior as it captures the usual shock cell structures. Three-dimensional 2-phase flow analysis has also been performed to verify whether the approach can grab the droplet behavior during cooling by water injection. It is expected these basic studies will enhance the cooling problem analysis of supersonic 2-phase rocket plume in the future.