U-자형 덕트에서의 Al<SUB>2</SUB>O<SUB>3</SUB> 나노 입자를 포함한 모사 Gel 추진제의 유동 특성 수치해석

오정수(Jeongsu Oh),박지훈(Jihoon Park),장석필(Seokpil Jang),문희장(Heejang Moon) 한국추진공학회 2010 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.5

젤 추진제와 유변학적 특성이 유사한 모사 젤 추진제를 물, Carbopol 941, NaOH 농축액을 혼합하여 제작하였고, Al2O3 나노 입자를 첨가하여 점도 특성을 비교하였다. 두 가지 모사 추진제의 물성치를 바탕으로 곡관 덕트 내에서의 유동특성을 수치모사하여 해석하였고 덕트에 Dean vortices가 발생하는 임계 Dean 수를 도출하였다. 젤-나노 추진제의 경우 비록 높은 겉보기 점성계수를 가지나 젤 추진제와 비교시 같은 범위의 임계 Dean 수가 도출되었다. 이는 Fellouah et al.[1]이 제시한 바와 같이 비슷한 값의 Power law 지수에 기인하는 것으로 판단된다. The Present study uses non-Newtonian simulant gel propellant mixed by Water, Carbopol 941, and NaOH solution in order to analyze the gel propellant flow behavior. Rheological data have been measured and obtained prior to the analysis of flow characteristics where water-gel propellant as well as water-gel propellant with Al2O3 nano particles are both used. The critical Dean number were examined by numerical simulation of gel propellant in the U-shape duct flow. It is found that though gel-nano propellants have higher apparent viscosity, the critical Dean number did not showed notable difference with respect to the water-gel propellant. It is believe that this is due to the fact that the power law index of both propellants have close value, as was demonstrated by Fellouah et al.[1]

SiO<SUB>2</SUB> 젤화제를 첨가한 Jet A-1 젤 추진제의 특성 연구

김재우(Jaewoo Kim),전두성(Doosung Jun),문희장(Heejang Moon) 한국추진공학회 2011 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.5

본 연구에서는 케로신 계열 액체 연료인 Jet A-1에 SiO2계열의 젤화제인 Aerosilⓡ R972, Silica 230, Silica 530을 첨가하여 젤 추진제를 제작하고 젤화 (gelification) 여부를 확인하기 위해 비 Newton 유체의 대표 모델인 power law model을 이용하였다. 본 연구에서 제작한 모든 젤 추진제는 전단박화 효과와 함께 젤화제의 함유량이 증가할수록 젤 추진제의 점도가 높게 형성됨을 확인하였다. Aerosilⓡ R972를 첨가한 젤 추진제는 전단률 증가와 함께 점도가 power law model을 따르며 감소하는데 반해 Silica230과 Silica 530을 첨가한 젤 추진제는 전단률 100 [1/g] 이전 구간에 대해 power law model에 벗어남을 확인하였다. This study investigates the rheological characteristics of SiO2-Kerosene gel propellants with Aerosilⓡ R972, Silica 230, Silica 530. Power-law rheological model is used to confirm whether or not gelification is achieved. It was found that the produced gel have shear-thinning effect, and that the viscosity of the gel propellants increases with increasing SiO2 concentration. Among gellants used in this study, gel propellant with Aerosilⓡ R972 fits most to the power law model as the shear rate increases. However, gels produced with Silica 230 and Silica 530 gellant deviate from the power law model when the shear rate regime is below 100 [1/g].

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.

Al₂O₃ 나노입자가 젤(Gel) 추진제의 곡관 유동특성에 미치는 연구

오정수(Jeongsu Oh),문희장(Heejang Moon) 한국추진공학회 2013 한국추진공학회지 Vol.17 No.3

Curved duct channel flow characteristics for non-Newtonian gel fluid is investigated. A simulant gel propellant mixed by Water, Carbopol 941 and NaOH solution has been chosen to analyze the gel propellant flow behavior. Rheological data have been measured prior to the flow analysis where water-gel propellant and water-gel propellant with Al₂O₃ nano particles are both used. The critical Dean number examined by the numerical simulation in the U-shape duct flow reveals that although water-gel-nano propellants have higher apparent viscosity, the critical Dean number do show no notable difference for both the two gel propellant. It is found that the power-law index may be a dominant parameter in determining the critical Dean number and that the gel with particles addition may be more vulnerable to Dean instability.

젤 연소기 성능 평가를 위한 연소시험시스템의 구성 및 검증

권혁민(Hyeokmin Kwon),황용석(Yong Seok Hwang),허준영(Jun Young Heo),김준형(Jun Hyeong Kim),고청아(Cheongah Ko),황정민(Jungmin Hwang),차정민(Jungmin Cha),황희성(Heesung Hwang),박익수(Ik Soo Park) 한국추진공학회 2018 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2018 No.5

젤 연소기의 성능 평가를 위한 연소시험시스템을 구성 및 검증하였다. 시험시스템은 젤 추진제 공급장치, 유량 제어 밸브, 젤 연소기 등으로 구성되어 있다. 본 시험시스템의 유량 및 추력 측정 수단을 검증하였으며, 수류시험 결과를 이용하여 연소기 인젝터의 토출계수를 계산하였다. 유량 제어 밸브의 제어에 PID 제어를 적용하였고 게인값은 수류시험을 통해 구하였다. 점화시퀀스는 연료 공급 및 점화신호의 응답 지연 시간을 고려하여 결정하였다. 젤화가 거의 진행되지 않은 젤 추진제를 이용한 단시간 연소시험을 통해 본 시험시스템의 일차적인 검증을 수행하였다. A Combustion Test System for performance evaluation of gel combustors is configured and validated. The test system consists of a gel propellant supply system, flow control valve, gel combustor, etc. Flow rate and thrust measurement of the system are validated, and discharge coefficient of an injector in the combustor is calculated using data of water-flow tests. PID control is applied to the flow control valve and gain values are determined through water-flow tests. Ignition sequence is determined considering response delay time for fuel supply and ignition signals. The primary validation of the test system is conducted through a short-time combustion test with gel propellant whose gelation was barely progressed.

젤 추진제를 사용하는 가변 슬리브 인젝터의 분무특성

박선정(Sunjung Park),신동수(Dongsoo Shin),이건웅(Keonwoong Lee),황주현(Juhyun Hwang),구자예(Jaye Koo),황용석(Yongsok Hwang) 한국추진공학회 2018 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2018 No.12

본 연구에서는 인젝터의 출구 면적을 직접 변화시켜 추력제어를 할 수 있는 가변 슬리브 인젝터를 설계하여 모사 젤 추진제의 분무 실험을 수행하였다. 개도를 0.4-1.6 mm, 핀틀 분사 차압을 0.5-0.6 bar까지 변화시키며 인젝터에서 분사되는 젤 추진제의 분무 형상을 파악하고, SMD를 측정하였다. 낮은 개도와 낮은 핀틀 분사 차압에서 분열에 충분한 모멘텀이 형성되지 않아 젤의 액막이 형성되었다. 환형(반경 방향)과 핀틀(축 방향)의 분사 유량이 증가함에 따라 분무 각도 및 SMD는 증가함을 확인하였다. 측정된 분사 각도와 SMD 값을 무차원화 하여 웨버 수와 TMR의 곱에 대한 관계식을 도출하였다. In this study, spraying experiment of simulant gel propellant was performed by designing movable sleeve injector. The spray shape of the gel propellant injected from the injector was determined and the SMD was measured with the opening degree varied from 0.4 to 1.6 mm and the pintle differential pressure from 0.5 to 0.6 bar. At lower opening distance and pintle pressure, sufficient momentum was not formed for cleavage, forming a gel sheet. It was confirmed that the spray angle and SMD were increased as the mass flow rate in the annular(radial) and the pintle(axial) was increased. The relation between the Weber number and TMR was derived by non- dimensional spray angle and SMD.

단시간 연소시험에서 젤 추진제 영향 평가

윤지수(Jisu Yoon),황용석(Young Seok Hwang),황정민(Jungmin Hwang),차정민(Jeongmin Cha),황희성(Heeseong Hwang) 한국추진공학회 2018 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2018 No.12

젤 추진제가 연소특성에 미치는 영향을 파악하기 위하여 단시간 연소시험을 수행하였다. 연소기에는 충돌형 단일 분사기를 적용하였으며 젤 추진제 조성 및 젤화 정도를 연구의 주요 변수로 선정하였다. 추력 및 연소기 외벽 온도 분석을 바탕으로 추진제의 젤화 정도가 연소성능에 미치는 영향에 대하여 확인하였다. Short duration combustion tests were conducted to find the gel propellant effect on the combustion performance. The impinging injector was used and the composition of the gel propellant and the degree of gelation were main variables of the research. The effects of degree of gelation on the combustion performance were found based on the thrust and combustor wall temperature analysis.

인젝터 형상 변화에 따른 Gel 추진제의 유동 특성 연구

오정수(Jeongsu Oh),전두성(Doosung Jeon),최상태(Sangtae Choi),김덕윤(Deokyoon Kim),최양호(Yangho Choi),이정혁(Jeonghyuk Lee),문희장(Heejang Moon) 한국추진공학회 2010 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.11

다양한 형상의 인젝터 내부 젤 추진제 유동을 수치적으로 연구하였다. 모사 젤 추진제의 유변학적 물성치를 측정하고 plain-orifice, chamfered-orifice 및 venturi 형상 인젝터의 유동 특성을 분석하였다. Plain-orifice 및 chamfered-orifice 인젝터의 경우 하류방향으로 유동이 진행할수록 점도가 높아지는 특성이 나타났으며 Venturi 형상의 경우 인젝터 내부 유동에서 낮은 점도가 지속적으로 유지됨을 알 수 있었다. Reynolds 수가 증가할수록 이러한 경향이 뚜렷하게 나타나는 것이 확인되었다. The present study investigates the flow characteristics of simulant gel propellant(carbopol 0.5%wt) in a variety of injectors. Rheological data for gel propellant has been measured and injector flow characteristics for plain-orifice, chamfered-orifice and venturi type injector have been numerically analyzed. The apparent viscosity of plain-orifice and chamfered-orifice have tendency to increase along axial direction, whereas for venturi type injector, low viscosity has been achieved in the injector flow. This phenomenon was clearly pronounced as Reynolds number is increased.

Water-Gel 모사 추진제의 충돌 분무 특성 연구

황태진(Taejin Hwang),이인철(Inchul Lee),김상선(Sangsun Kim),구자예(Jaye Koo) 한국추진공학회 2009 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2009 No.11

젤(gel) 추진제는 고체 및 액체 추진 시스템의 장점 중 높은 비추력, 저장성, 추력 제어, 비독성, 누설 방지와 같은 특성으로 고성능 추진 시스템에 활용되어 지능형 전략 미사일 또는 발사체의 부스터 및 여러 추진 시스템에 사용될 수 있다. 젤 모사 추진제는 물, Carbopol 941, NaOH 농축액을 혼합하여 제작되었으며, 물과 젤 모사 추진제를 충돌형 인젝터에서 분사시켜 분무 특성을 고찰하였다. 젤 모사 추진제의 충돌 분무에 의해 나타난 긴 액막(liquid sheet)은 강한 상호 분자력에 관련한 중합(polymeric)효과를 나타낸다. 물 분사와 비교했을 때 젤 모사 추진제의 미립화 억제와 난류 천이 지연에 관련된 높은 점도로 인하여 저조한 미립화 특성과 좁은 범위의 분무각을 나타내었다. The implementation of gelled propellants systems offers high performance, thrust-control, energy management of propulsion, storability, and high density impulse of solid propulsion. Present study focused on the spray behavior of liquid sheets formed by impinging jets of non-Newtonian liquids which are mixed by Carbopol 941 0.5%wt. The results are then compared with experiments conducted on spray images formed by impinging jets concerning with air-blast effect at center orifice. When gel propellants are injected by doublet impinging jets at low pressure, closed rim pattern shape appeared. As increasing air mass flow rate(decreasing GLR), spray breakup and atomization phenomenon better improved and spray structure instabilities for the effect of air-blast are also increased.

충돌형 단일 분사기를 적용한 젤 연소기의 단시간 연소시험 평가

허준영(Jun Young Heo),권혁민(Hyuk Min Kwon),황용석(Young Seok Hwang) 한국추진공학회 2018 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2018 No.5

상온저장성이 높은 젤 추진제 적용을 위한 공급계, 분사기, 연소기 등을 설계하였고, 단시간 연소시험을 통해 젤 추진제의 연소성능을 평가하였다. 젤 추진제는 단일추진제이며, 충돌형 단일 분사기를 적용하였다. 공급장치는 정밀 압력제어를 위하여 피스톤 방식을 사용하였다. 본 시험을 통하여 설계된 공급장치, 분사기, 연소기 등 연소시험 설비의 작동성을 검토하였고, 점화 시퀀스를 도출하였다. 시험분석 결과 타당한 비추력 및 연소효율 등의 성능 지표를 확인하였다. The supply system, injector, and combustor are designed for the storable gel propellant. A performance of this combustor is evaluated in a short-duration firing test. Gelled mono propellant is used for the test, a impinging injector is applied. For the supply system, piston chamber is applied to make a accurate pressure control. The operability of the combustion test facility such as supply system, injector, and combustor etc was studied and the ignition sequence was determined. As a result of the test analysis, we confirmed the reasonable results in specific thrust and combustion efficiency of the combustor.