Development of 3D Software for Analysis of Reactive Flow and Structure Interaction in Various Thermal Hydrodynamic Loading System

Abstract

Previously researched fluid-structure interaction analysis has mostly simulated an interaction between a structure and non-reactive flow, which does not consider the chemical reaction in flow. In the interaction analysis of large deformation of a structure due to high temperature and pressure flow accompanied by chemical reactions such as explosion or combustion, it is difficult to apply the geometry of the deformed structure to the fluid flow domain. In this reason, many studies have not been conducted to simultaneously analyze the interaction between the reactive flow and the structure deformation. Instead, the temperature and pressure conditions of the flow field analyzed in the body are applied to the boundary conditions of the structure analysis. In this case, the flow could not be interpreted according to the behavior of the structure, so the exact pressure and temperature near the structure could not be calculated. In this study, a three-dimensional simulation techniques were developed for analyze the reactive flow including the chemical reaction with the large deformation of structure. The numerical code is verified by comparing the simulation results with the experimental values.

In this study, various reactive flows were considered. The ethylene-air mixture and the kerosene-air mixture, which are gaseous high energy materials, simulate the combustion reaction through the 1-step Arrhenius equation. In addition, combustion characteristics of anisotropic PETN and HMX, which are solid energetic materials, were analyzed by using the modified anisotropic I&G model. The developed combustion model compared the C-J condition and the detonation cell size. Structure deformation was performed by using Eulerian or Lagrangian analysis method and the method was verified by comparing with the experimental data of Taylor impact problem. A level set technique and a ghost fluid method (GFM) were used to set boundary values and trace the interface between the reactive flow and the structure. In order to verify the multi-material analysis method, the cantilever motion in the flow field and the tube deformation problem due to detonation load were simulated. The numerical results are verified by comparing with the theoretical and experimental values. For the three dimensional simulation, the STL file to level converting algorithm was developed. Moreover, the adaptive mesh refinement (AMR) and message passing interface (MPI) for parallel processing were conducted to reduce the computation time and resources.

The interactions between reactive flow and structure under various thermal hydrodynamic loading systems were analyzed based by developed code. The behavior of rear cover which is deformed by the launching rocket plume inside a vertical launching system (VLS) is analyzed. This analysis results were verified by comparing with the experimental data, and the influence of rear cover deformation on the flow was confirmed through the analysis results. In addition, the explosion of the solid explosives in the three-dimensional concrete building, which cannot be simplified in two dimensions, and the pressure transmitted to the wall are analyzed. The numerical analysis results were compared with experimental data. In the analysis of tube deformation due to detonation inside the metal tube was simulated. The yield stress of metal tube is dependent on wall temperature and thermal softening was considered. In case of pulse detonation engine (PDE), which is exposed to high temperature environment, accurate results can be obtained by using temperature dependent properties and simulation results verified by comparison with theoretical failure model. The elastically vibrating tube was considered for detonation inside the PDE simulation. Due to the repetitively detonation propagation inside PDE, the PDE wall is vibrated with its natural frequency even if the PDE does not be destroyed. The simulation results confirms that propagation of detonation is affected by the deformation of tube.

기존에 수행되어온 유체-구조 연성 해석은 대부분 유동의 화학 반응을 고려하지 않는 비반응성 유동과 구조체의 상호작용을 해석해 왔다. 이는 폭발이나 연소 같은 화학반응을 동반하는 고온, 고압의 유동과 구조의 연성 해석 시에 구조체의 대변형이 일어나기 때문이다. 기존의 유체-구조 연성 해석 기법으로 급격하게 변형되는 구조의 형상을 즉각적으로 유동장에 적용하는데 매우 많은 계산 시간과 오차가 있기 때문에 반응성 유동과 구조의 상호작용을 동시에 해석하는 연구는 많이 수행되지 않았다. 따라서 기존 연구에서는 고정된 구조체에서 해석된 화학반응을 포함한 유동의 온도와 압력을 구조 해석에 적용하는 방법으로 유체-고체 연성 해석을 제한적으로 수행하였다. 이 경우, 구조의 거동에 따라 바뀌는 유동을 해석하지 못하므로 구조에 전달되는 정확한 압력 및 온도 조건을 반영할 수 없다. 특히 3차원의 복잡한 형상에서는 구조 변형을 유동 해석에 적용하기 매우 어렵기 때문에 3차원의 반응성 유동과 구조의 연성 연구는 거의 수행되지 않았다. 따라서 본 연구에서는 화학반응을 포함하는 반응성 유동과 이에 따르는 구조체의 대변형을 함께 해석할 수 있는 기법을 개발하였고 이를 3차원에 확장시키기 위하여 다양한 수치적 기법들을 개발하고 적용하였다. 개발된 해석 기법은 실험 값과 비교하여 그 타당성을 검증하였다.

본 연구에서는 다양한 반응성 유동을 고려하였다. 기체 고에너지 물질인 에틸렌-공기 혼합물, 케로신-공기 혼합물 뿐만 아니라 고체 고에너지 물질인 이방성 PETN과 HMX의 연소 반응 모델을 제시하였다. 기체의 경우 1단계 아레니우스식을 통하여 연소반응을 모사하였고, 고체의 경우 변형된 이방성 I&G 모델을 사용하여 충격 방향에 따른 연소 특성을 해석하였다. 개발된 연소 모델은 C-J 조건 및 데토네이션 셀 크기를 비교 검증 하였다. 구조체 변형은 오일러리안과 라그랑지안의 기반의 구조 해석 방식을 사용하여 정확한 구조해석을 수행하였으며 테일러 충격문제를 실험값과 비교하여 검증하였다. 반응성 유동과 구조체의 경계면 추적과 경계값 설정을 위하여 각각 레벨셋 기법과 가상유체기법을 활용하였다. 다물질 해석의 적절성을 검증하기 위하여, 유동장 내에서의 외팔보의 움직임과 데토네이션 하중에 의한 관 변형 문제를 이론값 및 실험값과 비교하여 검증하였다. 3차원에서의 해석을 위하여 STL 파일을 레벨로 변환하는 알고리즘을 개발 하였으며 계산 시간 단축을 위하여 적응적 격자 세분화 기법 및 병렬 처리 기법을 적용하였다.

개발된 코드를 바탕으로 다양한 열부하 시스템의 반응성 유동 및 구조의 상호작용을 해석하였다. 수직발사대 내부에서 발사되는 로켓 화염에 의해 변형되는 발사대 하부의 후방 덮개 거동을 해석 하였다. 해석 결과는 실험값과 비교하여 검증하였고, 해석 결과를 통해 후방 덮개의 변형이 유동에 미치는 영향을 확인 하였다. 또한 2차원으로 단순화 할 수 없는 3차원 벙커 내부에서 발생하는 고체 화약의 폭발 현상과 벽면으로 전달되는 압력을 해석하였다. 해석결과는 실험값과 비교하여 검증하였다. 금속관 내부에서의 폭발에 의한 관 변형 해석에서는 관의 온도에 따른 항복응력을 고려하여 해석하였다. 고온의 환경에 노출되는 Pulse Detonation Engine(PDE)의 경우에는 온도가 고려된 물성치를 사용하여야 정확한 결과를 얻을 수 있고 이론적인 파괴 모델과 비교하여 검증하였다.

유체-고체 연동 해석에 있어서 실제 현상에 보다 근접하기 위하여 떨리는 관 내부에서의 데토네이션 현상을 확인하였다. PDE의 경우, 연속적인 데토네이션이 관 내부를 지나기 때문에 관의 파괴가 일어나지 않더라도 고유진동수로 떨리고 있을 것을 감안하여 고유진동수로 떨리는 관 내부에서의 데토네이션을 해석하였다. 이를 통해 데토네이션의 전파가 관의 변형에 영향을 받는 것을 확인하였다.