부유된 입자 중심 동축인젝터에서 알루미늄 입자에 대한 환형 제트의 영향

고태호(Taeho Ko),김형민(Hyungmin Kim),윤웅섭(Woongsup Yoon) 한국추진공학회 2015 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2015 No.5

전단동축인젝터가 적용된 연소실에서 알루미늄 화염을 유지시키기 위한 선행연구로 다양한 조건의 환형제트에 의해 변하는 중심제트의 부유된 입자유동특성을 고찰하였다. 알루미늄 입자는 높은 녹는점(2327K)과 끓는점(3250K)을 가진 알루미나 산화피막으로 싸여 있어 점화 및 연소가 어렵다. 그러나 이는 입경(粒徑)의 조절과 연소실 내에서 적정한 수밀도의 입자 분포를 형성시켜 극복될 수 있는데, 특히 안정된 연소를 위해서는 입자 분포에 영향을 주는 입자유동특성을 고려하는 것이 중요한 문제가 된다. 본 연구에서는 이송가스로 부유된 수 마이크로 크기의 알루미늄 입자가 중심인 내부인젝터로 희박상으로 공급되고, 조절된 양의 공기가 환형의 외부인젝터로 공급될 때, 환형제트의 속도 변화에 따른 중심제트의 입자유동특성과 일정한 환형제트 유량 공급상태에서 외부인젝터의 직경 변화로 환형간극 변화 시 중심제트의 입자유동특성을 입자 속도장 및 입자분산각을 바탕으로 살펴보았다.

충돌 입자의 크기에 따른 알루미늄 합금과 적외선창의 입자침식 저항성 연구

홍윤기(Yun Ky Hong),문관호(Kwan Ho Moon) 한국항공우주학회 2016 韓國航空宇宙學會誌 Vol.44 No.12

본 논문에서는 실험적 연구를 통해 고체 입자의 크기가 입자 침식에 미치는 영향에 대해 논하였다. 고밀도 폴리에틸렌 입자를 최고 속도 마하 3으로 이단 가스건을 이용해 발사하였다. 발사된 입자를 Al1050, Al6061 T6 알루미늄 합금과 ZnS, 사파이어 적외선창 시편과 충돌시켜 입자침식을 일으켰다. 알루미늄 합금의 표면에는 크레이터가 생성되었다. 크레이터의 크기를 통해, 알루미늄 합금의 입자침식 저항성을 살펴보았다. 적외선창은 시편 표면에 크랙이 생성될 때까지 반복해서 시험하였다. 이를 통해 적외선창의 입자침식 저항 특성을 나타내는 충돌 임계 곡선을 정의할 수 있었다. 다양한 크기의 고체 입자를 이용한 입자침식 시험을 통해, 고체 입자의 크기가 재료의 입자침식 저항성에 선형적으로 영향을 끼친다는 것을 확인할 수 있었다. In this research, experimental study about size effect of solid particles on erosion resistance is presented. A high-density polyethylene particle with a mm-sized diameter is accelerated using a two-stage light gas gun up to Mach number of approximately 3.0. An accelerated particle impacts aluminum alloy such as Al1050 and Al6061 T6, and infrared windows such as ZnS and sapphire specimens. For the aluminum alloy, craters that form on the surface of the specimens are measured to characterize the erosion resistance of the material. For the infrared windows, repetitive tests are conducted until a linear or circumferential crack is found to create damage threshold curves that define a material’s erosive resistance. From the comparison of test data for various sizes of high-density polyethylene particles, it is found that erosion resistance of material is linearly dependent on the size of particles.

레이저를 이용한 마이크로/나노 알루미늄 입자 생성과 점화

이경철(Kyung-Cheol Lee),여재익(Jai-ick Yoh) 한국추진공학회 2012 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2012 No.5

금속 연료로 사용되는 마이크로/나노 알루미늄 입자를 산화피막에 의한 점화 지연을 최소화 하는 점화 방법을 제시 하였다. 알루미늄 입자를 생성시킴과 동시에 가열하여 입자가 생성된 직후 산소와 접촉시 격렬한 산화 반응을 유도하여 점화를 시키는 방법이다. 1064 ㎚ 파장의 Nd:YAG 펄스 레이저를 이용한 레이저 삭마(laser ablation)를 알루미늄 시편에 발생시켜 입자를 생성하였으며, 산란 기법(scattering method)을 이용하여 입자를 가시화하여 생성을 확인하였다. 10.6 ㎛ 파장의 CO₂ 연속 레이저를 사용하여 알루미늄 시편을 가열하고 생성된 입자의 점화 열원으로 사용하여 알루미늄 입자가 점화되고 연소되어 이동하는 궤적을 확인하였다. Ignition delay of micro/nano aluminum particles is caused by aluminum oxide shell. The method of minimizing this ignition delay is proposed in the study. Generating and heating of particles are processed at the same time. As soon as heated particles are produced, they immediately contact with oxygen. Chemical reaction is induced on the contact surface instead of crystallization of oxide shell. Finally particles are ignited. Aluminum particles are generated by laser ablation on an aluminum plate using Nd:YAG pulse laser. Injected particles are confirmed through visualization of particles using scattering method. CO₂ continuous laser supplies heat to aluminum plate and generated particles. Trace of burning particles is observed in the experiment.

군집 알루미늄 입자의 연소 모델링 및 수치해석

한두희,성홍계 한국항공우주학회 2015 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2015 No.4

본 연구는 고 에너지 물질인 알루미늄 입자 연소에 대한 수치적 모델링 및 검증을 수행하였다. 해석은 Eulerian-Lagrangian 이상 유동 해석 기법을 적용하였다. 연구 목적은 알루미늄 입자를 포함한 대용량 전산해석에 적용 가능한 입자연소를 모델링하고, 계산의 단순화를 위해 실험적으로 계산된 연소시간 상관관계식을 적용하였다. 단일 알루미늄입자 연소 모델은 자유낙하 입자 연소 실험결과와 비교 검증하고, 군집 알루미늄 입자의 연소 및 수치 모델은 알루미늄-공기 분젠버너 실험과 비교 검증하였다. 군집입자의 연소 모델링의 해석 결과는 실험의 화염구조(화염 부양 높이, 화염 높이, 화염 두께 등)와 비교하여 매우 유사한 결과를 제시하였다. Numerical analysis on dust combustion of cloud aluminum particles has been conducted using Eulerian-Lagrangian method. The purpose of this study is proposing the combustion modeling scheme applicable for real scale engine combustor including dust aluminum particles. Several experimental correlations causes the dust combustion model to be computed by current computation resources. Single particle combustion, freely falling in a furnace, has been validated with experimental and analytical data. The dust combustion has been validated with the experimental flame structure of aluminum-air Bunsen burner such as lift height, length, and thickness of flame speed.

충격파-입자 간 상호작용에 대한 수치해석 연구

김보훈(Bohoon Kim),최상훈(Sanghoon Choi),여재익(Jai-ick Yoh) 한국추진공학회 2018 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2018 No.5

오일러 기반 레벨셋 기법으로 구현된 알루미늄 입자와 화약 간 상호작용을 수치적으로 해석하기 위하여 하이드로다이나믹 해석을 수행하였다. 알루미늄 입자의 평균 입도는 100 μm를 고려하였으며, RDX 기반 화약에 임의로 배분하였다. 복합화약의 폭굉 반응으로 고온고압의 충격파면이 고속으로 전파될 때 입자의 존재는 장애물로 작용하여 충격파면의 뒤틀림을 만들고 입자 뒷면에서 다양한 형태의 저밀도파의 중첩을 야기한다. 또한 알루미늄 입자는 충격파의 고압으로 인하여 순방향으로 비행함과 동시에 폭연 반응이 개시되었다. Hydrodynamic simulation was performed to numerically analyze the interactions between aluminum particles and high explosive, implemented by the Euler-based level-set technique. The average particle size of aluminum particles is 100 μm, and is randomly distributed to RDX-based energetic material. The detonation reaction of the heterogeneous thermobaric explosive causes the high-temperature and high-pressure wave propagating at high speed. The presence of the particles acts as an obstacle, creating distortion of the impact wavefront and causing the overlapping of various types of rarefaction waves from the backside of the particle. In addition, due to the pressure of the shock wave, the aluminum particles flowed in the forward direction and the deflagration was initiated.

변형률 구배 소성을 고려한 입자 강화 알루미늄 복합재의 크기 종속 강화 모델링

서영성(Yeong Sung Suh),박문식(Moon Shik Park),송승(Seung Song) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集A Vol.35 No.7

입자강화 알루미늄 복합재의 강도를 계산하기 위하여 압밀 후 냉각할 때 일어나는 전위 펀칭을 유한요소로 모델링 하였다. 다양한 입자의 체적비에서 입자의 크기가 강도에 미치는 영향을 고려하기 위하여 강화 입자 주위에 변형률 구배 소성과 테일러 전위 모델을 적용하였다. 변형률 구배는, 구형 단위 셀이 냉각하는 동안 입자와 기지재의 열팽창계수 차이에 의한 전위 펀칭이 일어날 때 형성되는등가소성변형률로부터 구하였다. 펀칭된 영역에 걸쳐 평균적으로 변형률 구배를 고려함으로써 항복 응력이 증가하는 것을 관찰하였다. 유한요소 해석을 활용하여 다양한 입자 크기와 체적비에 대하여 SiC 강화 알루미늄 356-T6 복합재의 축대칭 단위 셀의 인장시 강도의 변화를 예측하였다. 예측된 강도는 실험 데이터와 잘 일치하며, 입자 크기 의존 효과를 분명히 보인다. This study proposes finite element modeling of dislocation punching at cooling after consolidation in order to calculate the strength of particle-reinforced aluminum composites. The Taylor dislocation model combined with strain gradient plasticity around the reinforced particle is adopted to take into account the size-dependency of different volume fractions of the particle. The strain gradients were obtained from the equivalent plastic strain calculated during the cooling of the spherical unit cell, when the dislocation punching due to CTE (Coefficient of Thermal Expansion) mismatch is activated. The enhanced yield stress was observed by including the strain gradients, in an average sense, over the punched zone. The tensile strength of the SiCp/Al 356-T6 composite was predicted through the finite element analysis of an axisymmetric unit cell for various sizes and volume fractions of the particle. The predicted strengths were found to be in good agreement with the experimental data. Further, the particle-size dependency was clearly established.

알루미늄 입자 크기에 따른 파라핀 혼합연료의 연소 특성 연구

고수한(Soohan Ko),한승주(Seongjoo Han),류성훈(Sunghoon Ryu),김진곤(Jinkon Kim),문희장(Heejang Moon),김준형(Junhyung Kim),고승원(Seungwon Ko) 한국추진공학회 2017 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2017 No.5

본 연구에서는 알루미늄 입자 크기에 따른 파라핀 혼합연료의 연소 특성에 관한 실험을 수행하였다. 평균 입도 100 nm 및 8 μm 크기의 알루미늄 입자와 Sasol사의 마이크로크리스탈린 파라핀 왁스(Sasol 0907)를 이용하여 연소실험을 수행하였고 순수 파라핀과 알루미늄 입자 5 wt%를 첨가한 파라핀 혼합 연료의 후퇴율과 압력선도, 특성배기속도 등을 비교하였다. 마이크로 입자의 첨가는 산화제 유속이 증가할수록 후퇴율을 향상시켰으나 나노 입자의 첨가는 후퇴율이 감소하는 경향을 보였다. In this study, the combustion characteristics of paraffin blended fuel on aluminum particle size were investigated. The combustion experiments were carried out using aluminum particles with an average particle size of 100 nm and 8 μm and microcrystalline paraffin wax (Sasol 0907). A series of comparison was conducted on the regression rate, the pressure curve and the characteristic velocity of pure paraffin and paraffin blended fuels with aluminum particles. It was found that the micro-sized particles enhance the regression rate as the oxidizer mass flux increased. However, the nano-sized particles decrease the regression rate as the oxidizer mass flux is increased.

고체 추진기관에서 산화알루미늄 입자가 노즐 내열재의 삭마에 미치는 영향

황기영(Ki-Young Hwang),임유진(Yoo-Jin Yim),함희철(Hee-Cheol Ham) 한국항공우주학회 2006 韓國航空宇宙學會誌 Vol.34 No.8

알루미늄 분말이 약 20% 포함된 2종류의 고체 추진제에 대해 원료성분, 연소실에서의 연소가스 물성치 및 산화알루미늄의 입자 크기를 비교 분석하였다. 산화제(AP/HNIW) 분말이 200과 5 ㎛로 이분양상이고 47% 부피분율을 지닌 알루미늄을 함유한 PCP계 추진제는 산화제(AP) 분말이 400, 200 및 6 ㎛로 삼분양상이고 64% 부피분율을 지닌 알루미늄을 함유한 HTPB계 추진제 보다 알루미늄들이 응집될 가능성이 크다는 것을 축소부 내열재에서 채취한 산화알루미늄 입자의 SEM 사진을 통해 확인할 수 있었다. PCP계 추진제를 적용한 고체 추진기관의 노즐 축소부 내열재에서는 큰 산화알루미늄 입자의 충돌로 인해 그레인 슬랏과 일치하는 4개 원주방향 부위에서 삭마가 크게 되었지만 HTPB계 추진제를 적용한 경우에는 원주방향으로 균일하게 삭마되었다. The compositions, the gas properties in motor chamber and the aluminum oxide (AI₂O₃) particle size for two kinds of solid propellants with approximately 20% aluminum powder have been investigated. The SEM photographs of (AI₂O₃) taken from nozzle entrance liner show that the aluminized PCP propellant with 47% volumetric fraction AP/HNIW and bimodal oxidizer 200-5 ㎛ can offer greater possibility for increasing aluminum agglomeration than the aluminized HTPB propellant with 64% volumetric fraction AP and trimodal oxidizer 400-200-6 ㎛. The nozzle entrance liner of solid rocket motor with the PCP propellant shows greater erosion at 4 circumferential sections in line with grain slots due to the impingement of large particles, but that with the HTPB propellant shows uniform erosion with circumferential angle.

알루미늄 나노입자 첨가량에 따른 케로신 젤의 유변학적 특성 변화

김시진(Sijin Kim),한승주(Seongjoo Han),김진곤(Jinkon Kim),강태곤(Teagon Kang),문희장(Heejang Moon) 한국추진공학회 2017 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2017 No.5

본 연구에서는 젤화제 Thixatrol<SUP>Ⓡ</SUP> 및 100 nm 크기의 알루미늄 입자 첨가량에 따른 케로신 기반 젤 추진제를 제작하여 유변학적 특성을 파악하였다. 케로신 젤 추진제는 젤화제 첨가량 2.5 wt%, 5 wt%, 7.5 wt%의 세 가지 젤을 제작하였으며, 알루미늄이 첨가된 젤은 젤화제 7.5 wt%를 기반으로 입자 첨가량 10 wt%와 20 wt%의 두 가지 블렌딩 알루미늄 젤을 분석하였다. 회전형 rheometer를 이용하여 각 시료의 점도를 측정한 결과, 젤화제 첨가량 증가 및 알루미늄 입자 증가에 따라 점도값이 정성적으로 증가하는 경향을 보였다. 그러나 20 wt%의 높은 금속입자 함유 젤의 경우, 입자간 응집, 고형화로 인해 낮은 전단변형률 구간에서 조차 측정 신뢰도가 낮아 회전형이 아닌 모세관 또는 다양한 방식의 점도계 활용이 요구된다. In this study, the rheological characteristics of kerosene based gel propellants were investigated. For the gelling agent, Thixatrol<SUP>Ⓡ</SUP> has been used with 100 nm nano-sized aluminium particle addition. Three gellant contents of 2.5 wt%, 5 wt% and 7.5 wt% kerosene gels were first investigated where aluminium particles contents of 10 wt% and 20 wt% were added to 7.5 wt% gellant case. The viscosities of each sample measured by rotational rheometer show that the viscosity augments as gellant or aluminium content increases while the 20 wt% aluminum content resulted in failure of measurement due to the agglomerations of aluminum particles.

다입자유한요소법을 이용한 Al분말 압축공정에서 입자의 거동과 변형에 관한 연구

이경훈(Kyung Hun Lee),이정민(Jung Min Lee),김병민(Byung Min Kim) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集A Vol.34 No.4

본 논문에서는 알루미늄 분말의 치밀화 거동을 분석하기 위하여 다입자유한요소모델을 이용한 분말압축 해석방법을 제시하였다. 다입자유한요소모델을 이용하여 압축공정 동안 압축속도와 입자크기가 입자의 변형거동과 분말의 치밀화에 미치는 영향을 조사하였다. 유한요소해석결과는 평균입도 20, 3㎛의 알루미늄 분말에 대한 일축압축시험을 통해 검증되었다. 압축시험은 만능재료시험기(MTS)를 이용하였으며 해석과 동일하게 5와 15, 30, 60㎜/min압축속도에 대해 수행되었다. 입자직경이 감소할수록 입자간 마찰이 증가하기 때문에 압출하중은 증가하였다. 압축속도가 감소할수록 증가된 입자의 회전모멘트는 입자간의 이동과 분말의 치밀화에 기여하여 최종 분말의 상대밀도를 증가시킨다. This paper describes multiparticle finite element model (MPFEM)-based powder compaction simulations performed to demonstrate the densification of compacted aluminum powders. A 2D MPFEM was used to explore the densification of a collection of aluminum particles with different average particle sizes under various ram speeds. Individual particles are discretized using a finite element mesh for a detailed description of contact mechanics. Porous aluminum powders with average particle sizes of 20 ㎛ and 3 ㎛ were compressed uniaxially at ram speeds of 5, 15, 30, and 60 ㎜/min by using an MTS servo-hydraulic tester. The slow ram speed was of great advantage to powder densification in low compaction force due to sufficient particle rearrangement. Owing to a decrease in the average particle size of aluminum, the compaction force increased.