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플룸에 의한 유동 박리 특성과 기저면 열전달에 관한 연구 : Study on the Characteristics of Plume Induced Flow Separation and Wall Heat Transfer

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Authors

김재관

Advisor
김규홍
Major
기계항공공학부
Issue Date
2012-02
Publisher
서울대학교 대학원
Abstract
As a preliminary research for high thrust rocket design, the parametric studies were conducted in order to investigate the mechanism of plume induced flow separation occurrence and the estimation of base heat loading.
For the study of the PIFS occurrence mechanism, three parametric studies were conducted. First, the power-on base drag estimation was conducted to investigate the pressure ratio effects on the PIFS occurrence mechanism. Second, the parametric study of pressure ratio effects on the PIFS occurrence with six different altitude conditions (5, 10, 20, 30, 40, and 50km) in order to simulate ascending flight condition. At last, three different base configurations (Boat-tail, Straight, and Flare type) were used for the reflection of base configuration effect on the PIFS occurrence. For the study of the convective heat transfer estimation, two parametric studies were conducted. First, six different altitude conditions (5, 10, 20, 30, 40, and 50km) and three different base temperature conditions (300, 600, and 900K) were used to study the effects of pressure ratio and base temperature on the base heat transfer. Second, three types of after-body configurations (Boat-tail, Straight, and Flare type) were simulated in order to investigate the after-body configuration effects on the base heat flux.
The investigation of the real plume effect was performed using comparison between hot air and real plume with 10km and 50km altitude conditions. Radiavive heat transfer was calculated to study the effect of radiative heat flux on the total heat transfer with P-1 model using the real plume of 10km condition. The PIFS occurred at the high pressure ratio(Pjet/P∞) or large thrust coefficient(CT) condition. The PIFS occurred more easily in the boat-tail base configuration and the flare base configuration delayed the occurrence of PIFS. The table which can estimate the base heat flux for wall temperature range between 300K and 900K and altitude condition range between 5km and 50km was made. The table will be used to estimate the convective heat flux with mission profile of real launch vehicle. Among the different base configuration cases, the maximum average heat transfer occurred in the boat-tail base configuration, but the total heat transfer observed in the flare base configuration. The results showed that the averaged heat transfer and total heat transfer should be considered at the thermal design of after-body of launch vehicle. The real plume had lower value of convective heat flux compared to the hot air jet. The hot air jet had smaller pressure drag at low altitude condition and plume had smaller pressure drag at high altitude condition. The calculated value of radiative heat flux was matched well with experimental data, and the radiative heat flux was about 40% of convective heat flux.
고추력 로켓의 기본 설계를 위한 기초연구로써 로켓이 고고도에서 겪는 플룸에 의한 유동 박리현상과 기저 공력가열에 대한 매개 변수 연구(parametric study)를 수행했다.
플룸에 의한 유동 박리현상의 발생 기전을 알아보기 위해 플룸을 포함한 기저 압력계산 문제(Power on base drag)를 통해 플룸이 있는 상황에서 압력비가 플룸에 의한 유동 박리현상 발생에 미치는 영향에 대한 연구를 수행했다. 또한 상승하는 발사체를 이용하여 압력비 및 기저 형상이 유동박리에 미치는 영향을 고려하기 위해 여섯 가지 고도 조건과 세가지 기저 형상(플레어, 실린더, 보트테일)을 이용한 매개 변수 연구를 수행했다. 또한 기저 열전달 연구를 위해 압력비와 기저 형상이 대류 열전달에 미치는 영향에 대한 연구가 수행되었으며, 압력비 조건이 기저 대류 열전달에 미치는 영향을 알아보기 여섯 가지 고도(5, 10, 20, 30, 40, 50km) 조건과 세가지 기저 온도 조건 (300, 600, 900K)을 가진 실린더 기저 형상에 대한 매개 변수 연구를 수행했다. 또한 기저 형상이 기저 열전달에 미치는 영향을 연구하기 위해 세 가지 기저 형상(플레어, 실린더, 보트테일)에 대한 매개 변수 연구를 수행했다. 실제 플룸이 기저 대류 열전달에 미치는 영향에 대한 매개 변수 연구를 고도 10km와 50km 조건에서 고온의 공기와 실제 플룸을 이용하여 수행했다. 복사열전달이 전체 열전달에 미치는 영향을 확인하기 위해 P-1 모델을 이용하여 고도 10km에서의 플룸 해석 결과를 이용한 복사 열전달량을 계산했다.
위와 같은 매개 변수 연구를 통하여 플룸에 의한 유동 박리현상은 높은 압력비(Pjet/P∞) 및 큰 추력계수(CT) 조건에서 발생하며, 보트테일 기저 형상은 박리현상을 쉽게 일어나게 하며, 플레어 기저형상은 박리현상이 발생하는 것을 지연시키거나 방지할 수 있음을 확인했다. 또한 매개변수 연구를 통해 온도범위 300K~900K, 고도범위 5km~50km 내에서의 유동조건을 갖는 발사체의 기저 평균 열전달량을 계산 없이 보간법을 이용하여 예측 할 수 있는 표(table)를 만들어, 실제 발사체 기본설계 시 임무형상(mission profile) 정보를 이용하여 평균 열전달량을 예측 할 수 있도록 하였다. 또한 기저 형상에 따라 평균 열전달량과 총 열전달의 크기가 다르게 나타나므로 기저 열설계(thermal design)시 평균 열전달량 및 전체 열전달량에 대한 고려가 함께 되어야 함을 확인했다. 실제 플룸은 고온의 공기 제트에 비해 낮은 대류 열전달을 보이며, 저고도에서는 낮은 기저저항(base drag)을 보이고 고고도에서는 높은 기저저항을 보임을 확인했다. 계산된 복사 열전달량은 실험 값을 잘 예측함을 확인했으며, 그 값은 대류 열전달량의 40%에 육박함을 확인했다.
Language
eng
URI
https://hdl.handle.net/10371/156273

http://dcollection.snu.ac.kr:80/jsp/common/DcLoOrgPer.jsp?sItemId=000000001160
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