하이드로다이나믹 기법을 이용한 반응시스템의 연소 모델링 및 동적 응답 수치적 해석

Abstract

군 또는 기타 산업 환경에서 고에너지 물질은 다목적으로 활용되는데, 이 물질에서 점화가 발생할 경우 데토네이션(detonation) 반응이 발생할 수 있고, 주변의 인접한 물질과 상호작용하며 비선형적 거동을 나타낸다. 여기서 데토네이션 반응이란, 연소 속도가 음속보다 빠른 상태를 나타내며 초음속 연소라고 할 수 있다. 따라서 이것을 해석하기 위해서는 일반적 연소 거동을 해석하는 것보다 다른 방식의 기법이 필요하다. 고에너지 물질의 연소 반응을 해석하기 위한 기법은 하이드로다이나믹 기법(hydrodynamic method)이다. 이 기법은 비선형 동역학 문제를 기술하기 위한 Navier-Stokes 방정식과 다물질 경계면 추적을 위한 Interface tracking level-set, 그리고 고에너지 물질의 화학반응식을 포함하는 Rate law로 이루어져 있다. 즉, 유체와 비반응성 고체의 비선형 상호작용(Fluid-Structure Interaction, FSI) 해석을 효과적으로 수행할 수 있는 방법론이라고 할 수 있다. 본 연구에서는 세 가지의 반응시스템을 선정하여 하이드로다이나믹 기법을 활용하여 연소 모델링을 하고 수치적 해석을 진행하였다. 여기서 반응시스템이란 고에너지 물질과 비반응성 고체로 이루어진 구조체이다. 첫 번째로, 외부 파편 충격이 가해진 반응 시스템을 선정하여 동적 거동을 해석하였고, 폭약과 추진제의 내부 압력 거동 상호 비교를 통한 충격 민감도 판단을 하였다. 두 번째로, 실제 운용되는 155 mm 고폭탄을 선정하여 동조폭발 과정을 시뮬레이션하고, 3차원 모델링을 이용하여 파편화 과정 시뮬레이션을 통한 피해 효과 인자 정량적 분석을 진행하였다. 마지막으로 TBI(Through Bulkhead Initiator) 시스템을 선정하여 구조 모델링을 통한 Bulkhead 내부의 압력 감쇄를 추적하였다. TBI 시스템은 일명 격벽착화기라고 부르며 그 내부는 Detonator - Bulkhead – Acceptor(수폭약)가 일렬로 배치되어 있는 구조이다. Bulkhead 내부 압력 감쇄 데이터를 추적하였고, 그 데이터를 응용한 수폭약의 점화반응 여부 판단 시뮬레이션을 진행하였다. 또한 수폭약이 점화하지 않을 수 있는 임계 Bulkhead 두께를 도출하였다.