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밀폐용기 내 ZPP 연소에 의한 압력진동 현상의 다상연소 LES 연구
한두희(Doo-hee Han),성홍계(Hong-gye Sung),권미라(Mi-ra Kwon),안길환(Gil-hwan Ahn),김준형(Jun-hyung Kim),류병태(Byung-tae Ryu) 한국추진공학회 2016 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2016 No.5
실린더 형태의 10 cc 밀폐용기 내에서 연소하는 Zirconium potassium perchlorate (ZPP)의 이상유동 연소 거동을 Eulerian-Lagrangian 전산해석 기법을 통해 모델링 하였다. 다상연소 Large eddy simulation (LES) 난류 모델과 압력기반 ZPP 연소 모델링을 통해 시간-압력 선도를 계산하였고 이를 필터링된 실험 선도와 비교하였다. 그 결과 전체적인 기울기 및 최종 압력이 잘 맞는 것은 확인하였고, 압력 진동의 현상학적 분석을 수행하여 ZPP 연소모델 및 수치해석 접근방법의 타당성을 제시하였다. Combustion of zirconium potassium perchlorate (ZPP) particles inside a cylindrical closed vessel was numerically simulated using Eulerian-Lagrangian approach. Reactive two-phase large eddy simulation (LES) turbulence model and regression rate based Lagrangian combustion model was adopted to obtain pressure-time histories during the combustion. The numerical result was compared with filtered experimental data. The comparison showed reasonable accuracy of numerical simulation.
고압 밀폐용기 내 에너지 물질(ZPP)의 점화지연 및 연소 현상 연구
한두희(Doohee Han),성홍계(Hong-Gye Sung),안길환(Gilhwan Ahn),김준형(Junhyung Kim),류병태(Byungtae Ryu) 한국추진공학회 2015 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2015 No.11
파이로 작동기구에 사용되는 장약인 Zirconium Potassium Perchlorate의 점화 및 연소 특성을 파악하기 밀폐용기 내에서 생성되는 압력을 측정하는 연소실험을 수행하였다. 압력선도 결과와 성능해석 결과를 비교하여 비정상 성능해석 코드의 검증이 가능하다. 하지만 밀폐용기의 부피가 커지면 내부 장약의 확산 현상으로 인해 지연시간이 발생하여 압력 거동에 차이가 발생하는 현상을 관측 하였다. 점화지연 효과는 용기의 부피가 작아질수록 감소하는 것을 관측 하였고, 점화지연 모델링을 성능해석 모델에 적용하여 부피와 압력 수준에 따른 CBT의 점화지연에 대한 정량적 분석을 수행하였다. Combustion characteristics of Zirconium Potassium Perchlorate (ZPP) commonly used in a pyrotechnically actuated system could be evaluated using the closed bomb test. It is conducted by measuring the pressure histories caused by a combustion of ZPP in a closed bomb. Performance predicting code based on the theoretical modeling can be validated by comparing experimental data with the result of performance analysis model. However, it was observed a ignition delay of ZPP in a large volume of bomb because of the particle dispersion phenomenon. The effect would be weakened as a volume of a bomb becomes smaller. The effect of ignition delay in a closed bomb test with regards to a volume of a vessel was conducted and the analysis was quantitatively established by adopting a ignition delay model to the performance analysis code.
밀폐용기 연소실험 시 센서위치에 따라 변화하는 압력 진동에 대한 수치적 연구
한두희,안길환,류병태,성홍계 한국추진공학회 2018 한국추진공학회지 Vol.22 No.2
A computational fluid dynamics simulation of pyrotechnic material combustion inside a cylindrical closed vessel was carried out using the Eulerian–Lagrangian method. The 5th order upwind WENO scheme and the improved delayed detached eddy turbulence model were implemented to capture shock waves. The flow structure was analyzed inside the cylindrical vessel with a pressure sensor installed at the side wall center. The analysis revealed that the pressure oscillated because of the shock wave vibration. Additionally, the simulation results with four different sensor tab depths implied that, inside the sensor tab, eddies were generated by the excessively large gap between the sensor diaphragm and the side wall. These eddies caused irregularity to the measured time-pressure curve, which is an undesirable characteristic. 밀폐용기 내 Zirconium/Potassium Perchlorate의 연소를 수치적 모델링을 통해 전산해석을 수행하였다. 5차 WENO 공간차분법과 improved delayed detached eddy (IDDES) 난류모델을 사용하여 충격파가 동반되는 내부 유동구조를 모사하였고, 라그랑지안 연소모델을 통해 화약 입자를 계산하였다. 옆면 중앙에 센서가 설치된 원통형 밀폐용기 내부 유동분석을 통해 압력 진동이 발생하는 원인을 규명하였다. 또한 센서 다이어프램 깊이 변화에 따라 측정되는 압력 데이터를 실험값과 비교분석 하였다. 그 결과 센서 탭의 깊이가 약 2.36 mm 이상으로 커지면 유동속도가 아음속으로 감쇠하고 복잡한 eddy가 발생하여 측정값에 큰 불규칙성을 야기하는 현상을 관측하였다.
최한영,이동선,성홍계,이원민,김은미 한국추진공학회 2022 한국추진공학회지 Vol.26 No.1
The burning rate estimation method of solid propellants, based on closed bomb tests, has been introduced. The composition of the combustion gas is determined by using CEA and the Noble-Abel equation of state for high pressure operation conditions. Covolume taking into account the collision among molecules due to the actual volume of the molecule is modeled by LJ potential. A cubic form function is applied to calculate the volume change of propellant grains during combustion. The estimated burning rates of five different grain configuation at high pressure are fairly compared with BRLCB results within the maximum error of 6%. 밀폐용기(Closed Bomb)시험을 통해 고압에서 작동하는 고체 추진제의 연소속도를 추정하는 방법을 연구하였다. CEA를 이용하여 연소가스의 조성을 계산였으며 밀폐용기 내부의 고온, 고압의 환경을 묘사하기 위해 Noble-Abel 상태방정식을 적용하였다. 분자의 부피를 고려한 분자 간의 충돌을 묘사하는 인자인 Covolume을 분자의 LJ potential을 이용하여 모델링하였다. 또한 추진제의 부피 변화율을 고려하기 위해 3차 형상함수(Cubic form function)를 적용하였다. 각 모델을 사용하여 고압용기에서 측정된 5개의 압력-시간 선도로부터 연소속도를 계산하고 이를 BRLCB 결과와 비교 검증하였다. 각 실험에서 약 6% 이내의 최대 오차를 갖는 연소속도를 추정함으로써 초고압 환경에서의 연소속도 추정 방법을 정립하였다.
밀폐용기 내 입자 혼합물(ZPP와 THPP)의 연소에 대한 수치해석적 모델링 및 해석
한두희(Doo-hee Han),성홍계(Hong-gye Sung),권미라(Mi-ra Kwon),안길환(Gil-hwan Ahn),김준형(Jun-hyung Kim),류병태(Byung-tae Ryu) 한국추진공학회 2017 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2017 No.5
ZPP와 THPP 화약의 압력 카트리지가 밀폐용기에 장착되어 연소될 때의 현상을 반응성 오일러리안-라그랑지안 이상 유동 해석 코드를 통해 모사 하였다. ZPP와 THPP는 압력 카트리지 내에서 boron nitride 판으로 격리되어있고, ZPP만 열선에 의해 직접 점화되기 때문에 THPP의 연소지연효과가 발생할 가능성이 높다. 실험을 통한 THPP의 점화지연 측정은 힘들기 때문에 기존의 연구를 통해 검증된 수치해석 코드를 통해 점화지연에 대한 케이스 스터디를 수행하고 현상학적 분석을 수행하였다. 해석 결과 THPP의 점화지연 정도에 따라 초기 충격파의 강도가 변하여 압력선도의 초기 피크특성 뿐만 아니라 주파수에도 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다. The reactive Eulerian-Lagrangian code is utilized to simulate combustion of ZPP/THPP in a closed vessel. In the paper, ignition delay of THPP is mainly studied since ZPP and THPP are isolated by a boron nitride wall. Only a numerical case study is conducted as experimental observation is inaccessible. Results showed THPP ignition delay affects initial shock strength thus not only the first peak become weak, but also the frequency of a pressure oscillation is slowed.
CBT를 이용한 고체 추진제의 연소효율 도출 방법과 그레인 형상의 영향 분석
박종근,성홍계,이원민,김은미 한국추진공학회 2022 한국추진공학회지 Vol.26 No.6
The estimation method of combustion efficiency has been introduced by using closed bomb test(CBT). The Noble-Abel equation of state was applied to consider the real gas effects to take account of high operation pressure about a couple of 100 atm. of CBT. The heat loss through the CBT wall was considered. The volume change of grain was calculated by applying form functions, which estimated combustion efficiency of 8 different gain shapes. The combustion estimation method proposed in this study was fairly validated by the comparision with the pressure-time history data of the CBT experiments. The effects of both grain shape and propellant loading density were analyzed. 본 연구에서는 CBT(Closed Bomb Test)시험을 통하여 고체추진제의 연소효율을 추정하는 방법을 제시하였다. CBT는 수백 기압에서 작동하므로 실기체의 영향을 고려하기 위해 Noble-Abel 상태방정식을 적용하였다. 또한 밀폐용기 벽면으로 발생하는 열손실을 고려하였다. 그레인의 연소로 인한 그레인의 체적 변화율 계산은 형상 함수(Form Function)를 적용하였으며, 총 8개의 다른 형태 그레인의 연소 효율을 도출하였다. 본 연구에서 제시한 이론모델의 적절성을 실험 결과인 압력-시간 선도와 비교하여 나타내었다. 그레인 형상과 추진제의 충진량에 따른 연소효율을 도출하였다.