메탄엔진 동축형 분사기의 형상학적 변수에 따른 분무 특성 :Spray Characteristics for Geometrical Parameters of Methane Engine Coaxial Injectors

안종현

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자료유형: 학위논문

저자정보: 안종현 (충북대학교, 충북대학교 대학원)

지도교수: 안규복

발행연도: 2022

저작권: 충북대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2022

메탄엔진 동축형 분사기의 형상학적 변수에 따른 분무 특성

안종현 2022.01 학위논문

2020

3D 프린터로 제작된 동축형 분사기들의 분무특성

안종현 , 임하영 , 안규복 한국추진공학회 학술대회논문집 2020.07 학술대회자료

전단동축형 분사기의 내부형상에 따른 분무특성

안종현 , 강철웅 , 안규복 한국추진공학회 학술대회논문집 2020.07 학술대회자료

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친환경 및 재사용 발사체로 발사체 시장 경향이 변함에 따라 메탄 엔진이 주목받고 있다. 또한 현재 로켓 엔진 개발에 필요한 시간과 비용을 줄이기 위해 적층가공 기술의 적용이 시도되고 있다. 본 연구에서는 메탄 엔진에 적용을 목표로 기계가공과 금속 3D 프린팅을 이용하여 다양한 동축형 분사기를 제작하였고 형상학적 변수를 기준으로 분무 특성에 대한 영향을 확인하였다. 수류실험은 크게 4가지로 분류하였으며 물과 공기를 모사 추진제로 상온, 상압 환경에서 진행하였다.
액체 산화제와 기체 연료가 같은 축 방향으로 분사되는 전단 동축형 분사기는 리세스 길이와 테이퍼 각도를 변수로 제작되었다. 리세스에 대한 영향은 액체보다 상대적으로 빠른 속도로 분사되는 기체의 분사차압과 유량계수 결과에서 확인할 수 있었다. 액체 분사기에서는 테이퍼 각도의 영향이 크게 나타났다. 또한 리세스를 적용했을 때 혼합 성능이 향상되었으며 테이퍼 각도가 분무 확산 정도에 큰 영향을 미쳤다.
동축형 분사기의 연료 및 산화제 포스트의 형태에 따른 영향을 조사하였다. 액체 추진제의 회전 여부는 분사기 내부 산화제 주입구의 형태에 따라 결정되며 이를 기준으로 분무 특성이 크게 달라졌다. 연료 포스트에 대한 영향의 경우 기체의 회전 여부 및 방향에 따라 분열 길이 결과에서 차이가 확인되었다.
와류 동축형 분사기의 리세스 길이에 따른 스프레이 특성을 확인하였다. 리세스의 길이가 증가함에 따라 미립화 및 혼합 성능이 향상하였지만 리세스가 적용될 경우 분무 진동이 발생하였다. 분무 진동에 대한 주파수 분석을 수행한 결과, 리세스 영역에서 액체-기체 추진제 사이의 상호작용을 기점으로 발생하였으며 리세스 길이는 진동이 발생하는 유동 조건과 주파수 특성에 큰 영향을 미쳤다.

As the launch vehicle trend changes as an eco-friendly, reusable launch system, the methane engine is receiving much attention. In addition, additive manufacturing technology is being applied to reduce the time and cost required for rocket engine development. This study manufactured a coaxial injector using machining and metal 3D printing to apply a methane engine. The effect on the spray characteristics was confirmed based on various geometrical parameters. Cold-flow tests were classified into four primary categories, and simulation experiments were conducted using water and air as propellants under room temperature and pressure environments.
In the case of a shear coaxial injector in which liquid oxidizer and gaseous fuel are injected in the same axial direction, the recess and taper angle were used as variables. The recess effect was confirmed in the injection pressure drop and discharge coefficient of the relatively fast gas. In the liquid injector, the effect of the taper angle was more significant. Also, the mixing performance was increased when the recess was applied, and the taper angle greatly affected the spray diffusion degree.
The influence of the internal fuel of the coaxial injector and the shape of the oxidizer post was investigated. The presence or absence of rotation of the liquid propellant was determined according to the shape of the oxidizer inlet, and accordingly, the spray characteristics were significantly different. The fuel post affected the breakup length depending on the presence or absence of rotation and the direction of rotation.
The spray characteristics according to the recess length were examined for the swirl coaxial injector. It was confirmed that atomization and mixing performance increased as the length of the recess increased, but spray oscillation occurred in the injector with the recess. As a result of performing frequency analysis on the spray oscillation, the interaction between the liquid-gas propellant in the recessed region occurred as the origin. Therefore, the recess length significantly influenced the flow conditions and frequency characteristics in which the oscillations occur.

#Atomization #Cold-Flow Test #Geometrical Parameters #Liquid Rocket Engine #Shear Coaxial Injector #Spray Characteristics #Swirl Coaxial Injector

Ⅰ. 서 론 1
Ⅱ. 실험장치 5
2.1 추진제 공급 5
2.2 분무 이미지 촬영 7
2.3 Phase Doppler Particle Analyzer 9
Ⅲ. 전단 동축형 분사기의 리세스와 테이퍼 각도가 분무 특성에 미치는 영향 12
3.1 실험방법 12
3.1.1 분사기 설계 변수 12
3.1.2 실험조건 13
3.2 실험결과 15
3.2.1 분사차압 15
3.2.2 유량계수 18
3.2.3 분무형상 24
3.2.4 분열길이 및 분무각 28
3.2.5 미립화 특성 31
Ⅳ. 적층제조 동축형 분사기의 산화제 및 연료 포스트 형상에 따른 분무 특성 33
4.1 실험방법 33
4.1.1 분사기 설계 변수 33
4.1.2 실험조건 36
4.2 실험결과 39
4.2.1 분사차압 39
4.2.2 유량계수 41
4.2.3 분무형상 44
4.2.4 분열길이 및 분무각 47
4.2.5 미립화 특성 50
Ⅴ. 적층제조 와류 동축형 분사기의 리세스 길이가 분무 특성에 미치는 영향 52
5.1 실험방법 52
5.1.1 분사기 설계 변수 52
5.1.2 실험조건 54
5.2 실험결과 55
5.2.1 분사차압 55
5.2.2 유량계수 57
5.2.3 분무형상 69
5.2.4 분열길이 및 분무각 62
5.2.5 미립화 특성 64
Ⅵ. 와류 동축형 분사기의 리세스 길이에 따른 분무 진동 현상 특성 66
6.1 분무 진동 현상 개요 66
6.2 실험조건 67
6.3 실험결과 69
6.3.1 Self-pulsation의 정의 69
6.3.2 주파수 특성 76
6.3.3 Self-pulsation 메커니즘 82
Ⅶ. 결 론 85
참고문헌 88

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