[항공 우주 공학]로켓 연소실과 노즐 내부의 열전달 계수 변화

소개글

연소실과 노즐 내부의 연소 가스 흐름은 고압, 고온, 고속이고 난류 유동이므로 이곳에서의 열전달은 강제 대류에 의해서 이루어진다. 이러한 상태의 열전달 예측은 거의 불가능하므로 경계층 이론에 근거를 두기는 하지만 여러 번의 실험을 통해서 실험식을 얻어서 사용하고 있다. 그렇지만 실험으로 얻은 결과 자체도 오차가 존재하기 때문에 정확한 예측이 매우 어려운 해석이다.

목차

1. 연소실과 노즐 내부의 열전달

2. 할선법 ( Secant Method )

3. 예제 풀이

4. 결과

5. 참고 자료

본문내용

1. 연소실과 노즐 내부의 열전달
연소실과 노즐 내부의 연소 가스 흐름은 고압, 고온, 고속이고 난류 유동이므로 이곳에서의 열전달은 강제 대류에 의해서 이루어진다. 이러한 상태의 열전달 예측은 거의 불가능하므로 경계층 이론에 근거를 두기는 하지만 여러 번의 실험을 통해서 실험식을 얻어서 사용하고 있다. 그렇지만 실험으로 얻은 결과 자체도 오차가 존재하기 때문에 정확한 예측이 매우 어려운 해석이다.
원통형의 튜브 내부를 흐르는 유체가 난류 경계층을 형성할 때 열전달 계수는 다음과 같은 식으로 나타낸다.
2. 할선법 ( Secant Method )
주어진 예제의 목 면적비에 대한 마하수를 구해야 하는데, 비선형 식이므로 Analytic한 해를 구하기가 어려우므로 수치해석 기법에 의해서 Iteration을 통해서 값을 비교적 간단히 구할 수 있다. 선형 보간 식을 이용해서 해를 구하는 방법인 할선법을 이용해서 해를 구하고자 한다.

그래프를 살펴보면 추력실 중에서 앞의 연소실 부분의 원통형 부분은 7012로 일정한 값을 갖다가 노즐 목 근처의 직경이 줄어드는 부분부터 h가 증가하기 시작한다. 그리고 노즐 목 위치인 0.8m부근에서 10460로 열전달 계수 값이 가장 크다. 그리고 꾸준히 감소해서 노즐 출구에서 최소로 줄어들고 있다.
이 그래프를 통해서 추력실의 어느 지점에서 열전달이 가장 많이 일어나는지 알 수 있다. 연소가 일어나는 연소실보다도 노즐 목에서 열전달 계수가 가장 크므로 이 지점의 내부 벽을 열에 특히 잘 견딜 수 있도록 설계하여야 한다. 이 부분에서는 가장 높은 온도가 되므로 내부 벽에 고온의 연소 가스에 의한 침심(erosion)과 탄화(charred)현상 등이 일어날 수 있다. 그러므로 열에 강한 텅스텐, 또는 어블레이션(ablation)을 일으키는 재료를 사용해서 제작을 해야 할 것이다.
연소실 또한 목에 비해서는 적지만 온도가 높게 올라가므로 이러한 환경에서 견딜 수 있도록 설계해야 한다. 노즐 부분은 연소가스가 확산되면서 압력과 온도가 낮아지고 속도가 빨라진다. 목에서부터 꾸준히 속도가 증가해서 초음속 흐름을 갖게 되고 출구 부분에서 최대가 되는 것을 볼 수 있다.

참고 자료

없음