고체 로켓 복합재 노즐의 삭마, 열분해 및 열전달 통합 해석 기법 개발 :Modeling of Coupled Analysis for Ablation, Thermal Decomposition, and Heat Transfer in Composite Nozzle of Solid Rocket Motor

노태원

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자료유형: 학위논문

저자정보: 노태원 (인하대학교, 인하대학교 대학원)

지도교수: 노태성

발행연도: 2022

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이용수105

이 논문의 연구 히스토리 (3)

2022

고체로켓모터 노즐의 열분해와 삭마를 고려한 열해석 및 검증

노태원 , 유진석 , 노태성 외 1명 한국추진공학회 학술대회논문집 2022.05 학술대회자료

고체 로켓 복합재 노즐의 삭마, 열분해 및 열전달 통합 해석 기법 개발

노태원 항공우주공 2022.01 학위논문

2021

고체로켓모터 노즐의 통합 열전달 해석 모델링

노태원 , 노태성 , 이형진 한국추진공학회 학술대회논문집 2021.11 학술대회자료

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고체 로켓 모터의 노즐을 통과하는 고온 고압의 연소 가스는 구조물 및 전자 제품과 같은 다른 부품에 열 부하를 가하기 때문에 노즐의 열 보호 시스템 설계는 고체 로켓 모터를 제조하는 데 필수적이다. 재생냉각, 필름냉각 등 차가운 연료의 순환을 이용하여 냉각할 수 있는 액체 로켓의 열 보호 시스템과 달리 고체 로켓 모터의 시스템은 수동 열 보호 시스템을 사용한다. C/SiC, C/C, Carbon Phenolic과 같은 탄소계 복합재료는 내열재료로 널리 사용되고 있으며, 흑연은 내마모 재료로 사용되고 있다. 주로 복합재료의 기지로 사용되는 수지는 고온에서 흡열반응하여 분해가스를 발생시킨다. 발생된 가스는 노즐 내벽에서 분출되어 대류열이 침투하는 것을 억제한다. 열분해 후 남은 탄소와 흑연은 연소가스의 산화물질과 반응하여 노즐의 단면적을 변화시키며 변경된 노즐 단면적은 로켓 성능에 영향을 미친다. 따라서 고체로켓의 열 보호 시스템의 설계를 위해서는 노즐 내부의 흐름, 대류 열전달, 고체의 열전도, 내벽의 제거, 열분해 및 분해된 가스의 다공성 흐름을 예측하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 열거된 모든 현상에 대한 커플링 해석 기법을 모델링하였다. 연소가스에 의한 대류 열전달의 정확도를 향상시키기 위하여 실험결과, CFD, 이론, 실험식을 비교하여 노즐에서의 대류 열전달계수 예측에 대한 연구를 수행하였다. 비선형 열전도 방정식은 FVM과 Gauss-Newton 방법을 적용하여 해석하였으며, 해석기법은 상용 CFD를 통해 검증하였다. 내벽의 ablation과 수지의 열분해는 Arrhenius 방정식을 기반으로 모델링 되었으며, 열분해 가스의 운동량 보존은 Darcy의 법칙을 사용하여 풀었다. 그리고 대류 열유속을 열전도 계산에서 내벽의 경계조건으로 사용하였다. ablation에 의한 이동경계는 수축이동격자법을 적용하였으며, 모든 지배방정식은 이동 좌표계에서 해석하였다. 본 연구에서 모델링한 솔버를 이용하여 실험조건을 분석한 결과 실험결과와 유사하였다.

The design of a thermal protection system of the nozzle is essential in producing the solid rocket motor, because the high temperature and pressure of combustion gas passing through the nozzle of the solid rocket motor applies a thermal load to structures and other parts such as electronics. Unlike the thermal protection system of liquid rockets that can be cooled using the circulation of fuel, the system of solid rocket motors uses the passive thermal protection system. Carbon-based composite materials such as C/SiC, C/C, and Carbon Phenolic have be widely used as heat-resistant materials and graphite has been used as abrasive-resistant materials. Resin mainly used as a matrix for composite materials endothermically react at high temperature and generate decomposed gas. The generated gas is ejected from inner wall of nozzle and inhibit convection heat to penetrate. Remaining carbon after thermal decomposition and graphite react with oxidizing material of the combustion gas and change the cross-sectional area of a nozzle. The changed nozzle area affects rocket performance. For design of the thermal protection system, it is necessary to predict the flow inside the nozzle, convection heat transfer, heat conduction of solids, ablation of the inner wall, thermal decomposition, and porous flow of decomposed gases. Therefore, in this study, the coupled analysis solver of all the enumerated phenomena was developed. To improve the accuracy of convection heat transfer by combustion gas, a study on the prediction of the convective heat transfer coefficient at the nozzle was conducted by comparing to the experiment, CFD, theory, and empirical formulas. Non-linear heat conduction equation was analyzed by applying FVM and Gauss-Newton method, and the solver was verified through a commercial CFD solver. Ablation and thermal decomposition of resin were modeled based on the Arrhenius equation, and momentum conservation of the thermal decomposed gas was solved using Darcy''s law. And the convective heat flux was used to boundary condition at heat conduction. Contracting moving grid was applied to move the boundary due to ablation. As a result of analyzing the experiment using developed solver in this study, the heat, ablation and thermal decomposition behavior of the nozzle of the solid rocket motor was comparable to experiment result.

#노즐 열전달 #삭마 #열분해

제 1 장. 서론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 연구 동향 2
1.3 연구 목표 3
제 2 장. 통합 열전달 해석 모델링 4
2.1 노즐 통합 열전달 해석 프로세스 4
2.2 노즐 대류 열전달 예측 7
2.2.1 이론 기반 Analogy와 반경험식을 이용한 대류 열전달 계수 예측 8
2.2.2 전산해석을 이용한 대류 열전달 계수 예측 11
2.3 노즐 열전달 모델링 13
2.3.1 선형 열전도 해석 13
2.3.2 가우스 뉴턴법을 적용한 비선형 열전도 해석 15
2.3.3 삭마가 고려된 열전달 해석 16
2.3.3.1 삭마 해석 16
2.3.3.2 이동 좌표계에서 열전달 해석 17
2.3.4 열분해와 삭마가 고려된 통합 열전달 해석 21
2.3.4.1 고체 열분해 해석 21
2.3.4.2 열분해 가스 유동 해석 23
2.3.4.3 고체 및 열분해 가스 에너지 해석 25
제 3 장. 검 증 28
3.1 대류 열전달 계수 예측 검증 28
3.2 열전도 해석 검증 35
3.2.1 파이프 해석 검증 35
3.2.2 노즐 해석 검증 1 40
3.2.3 노즐 해석 검증 2 45
3.3 삭마를 고려한 열전달 해석 검증 50
3.4 격자 민감도 55
3.5 열분해와 삭마가 고려된 통합 열전달 해석 예제 59
제 4 장. 결론 64
참고문헌 66

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