액체-액체 동축형 스월 인젝터의 수치적 모사를 위한 SPH 코드 개발 및 검증

Abstract

액체 로켓 엔진에서 연료와 산화제는 인젝터를 통해 연소실로 분사되며 여러 가지 조건들과 변수들에 의해 다양한 분무특성을 갖게 된다. 액체 제트 상태로 분사된 연료와 산화제는 서로 부딪히거나 섞이면서 작은 액적구조로 미립화되고 기화되면서 연소과정에 이르게 된다. 이러한 일련의 과정에서 액체제트의 미립화 특성은 인젝터의 분무특성을 나타내는 가장 중요한 지표이며 인젝터의 분무특성은 연소과정의 효율과 안정성에 큰 영향을 끼치게 된다. 그러나 인젝터의 분무특성은 매우 다양한 물리적 변수와 실험적 조건들에 의해 영향을 받기 때문에 실제 실험으로만 모든 분무특성을 파악하기 에는 어려움이 존재한다. 따라서 수치적 시뮬레이션을 통한 인젝터의 분무특성 연구는 실제 인젝터 실험의 좋은 참고자료로서, 또 더 나아가 액체 로켓 엔진개발에 있어 큰 도움을 줄 수 있다. 지금까지 인젝터의 수치적 시뮬레이션은 대부분 Eulerian 기법의 바탕위에서 이루어져왔다. 그러나 액체제트의 미립화현상과 복잡한 공기와의 경계면 변화를 나타내는데 있어 기존의 기법들이 갖는 선천적인 단점이 존재하며 따라서 본 연구에서는 비교적 새로운 Smoothed Particle Hydrodynamics(SPH) 라는 파티클 기법을 도입하였다. 본 연구에서는 다양한 인젝터 종류 중 하나인 액체-액체 동축형 스월 인젝터에 대한 수치적 시뮬레이션을 수행하였다. 수치적 시뮬레이션을 위해 먼저 해석을 위한 SPH 코드를 개발하였으며 각 개발단계마다 검증문제를 통해 코드의 타당성을 검증하였다. 개발된 코드를 이용하여 첫 번째로 단일 스월 인젝터에 대한 시뮬레이션을 수행하였으며 실제실험과의 비교를 통해 결과를 검증하였다. 마지막으로 연료와 산화제가 모두 사용된 액체-액체 동축형 스월 인젝터에 대한 시뮬레이션이 수행되었고 마찬가지로 실제실험과의 비교를 진행하였다.

In aircraft and rocket engines, fuel and oxidizer are injected as liquid jets and become atomized. The jet atomization is important since it strongly influences combustion efficiency and combustion instability. However, atomization of liquid jet is a physical phenomenon which is too complex to understand through the experiment alone. The state-of-the-art numerical methods can provide additional information about the complex jet atomization problem. Most jet spray and atomization simulations are done with Eulerian approach which has inherent disadvantage in representing jet breakups and droplets. A more phenomenologically natural method which is based on the full Lagrangian particles called SPH is used in this work. We develop the SPH code and perform validations that confirm the suitability of our SPH method for simulating liquid jet atomization problem. After that, we conduct the simulation about liquid-liquid swirl coaxial injector which is one of the famous liquid rocket injector. All results are compared with real experiment about the injector.