축대칭 로켓엔진 연소 불안정의 수치적 연구

초록

고체추진 로켓 엔진 내부의 연소 불안정 문제는 오랫동안 광범위하게 연구되어 왔다. 추진제 연소과정과 내부 유동장의 상호작용은 연소실 내부의 연소불안정 문제를 야기한다. 공력 진동과 비정상 연소과정간의 상호작용의 여러 mode 중 압력과 속도 연계 반응이 중요한 데 이는 국부적 압력과 속도 변화에 대한 민감성을 나타낸다. Velocity Coupling은 비정상 연소 반응이 압력 변동보다는 추진제에 평행한 속도 변동에 크게 영향을 받음을 의미한다. 압력 및 속도 coupling 외에 공력 진동과 비정상 연소간의 상호 작용에 vorticity 영향을 무시할 수 없는 데 추진제 표면이나 근처의 연소과정은 반경방향 속도를 제어하므로 추진제 표면의 vorticity의 변동은 acoustic 압력과 연소과정과 couple되게 된다. 즉, vorticity 변동은 고려된 계의 안정성이 크게 의존적인 반경방향 속도 성분과 긴밀히 연계되어 있다. 고체추진 로켓 엔진의 극도로 복잡한 연소 불안정의 구조와 상세를 이해하는데 여러 접근 방법이 요구된다. 그 한 방법으로, 수치해석기법은 실제 로켓 엔진에 적용할 포괄적이며 자세한 결과를 줄 수 있다. Acoustic 변동과 추진제 연소간의 상호작용에 대한 일련의 연구와 균질 추진제의 비정상 유동과 그 연소의 복잡한 물리-화학적 과정의 해석이 이차원과 축 대칭 연소실에 대하여 개발되었다. 난류 운동은 추진제 표면의 유동을 고려하여야 하므로 일반 모델과 Rodi의 이층 난류 모델이 사용되었다. 난류 유동은 추진제의 표면 근접 화염 영역을 침투하여 추진제의 연소율을 증가시켜 소위 추진제 부식성 연소라 불리는 로켓 엔진에 치명적인 현상을 일으키게 된다. 난류 유동에 의한 gas phase 내로의 momentum과 에너지 전달의 증가에 의하여 유동장 변동 특성이 크게 바뀌게 된다. 이러한 연소실의 비정상 유동의 해석으로 gas dynamics와 비정상 추진제 연소반응에 대한 물리적 고찰이 행해졌으나 실제 로켓 엔진 환경하의 정확한 모사에는 미치지 못했으므로 이 연구는 노즐이 포함된 축대칭 로켓 엔진의 포괄적 비정상 유동의 보다 정밀한 해석을 목적으로 하며 acoustic 변동 환경 하의 로켓 엔진의 비정상 유동장의 명확한 특성 해석에 중점을 둔다.