알루미늄을 이용한 Hydro-Reactive 엔진의 연소 및 성능에 관한 연구

Abstract

수반응 엔진은 일반적으로 수중무기체계에 가장 많이 사용된다. 특히 어뢰에 많이 사용되는데 기존의 전기에너지를 사용하는 프로펠러 어뢰보다 훨씬 더 빠른 속도를 낼 수 있기 때문에 현재 연구가 활발히 진행되고 있다. 이 엔진은 고 에너지 밀도의 금속을 연료로 사용하고 수증기를 산화제로 사용한다. 알루미늄이 이러한 금속연료의 한 종류로써 사용되는데 이는 쉽게 구할 수 있고 높은 에너지 밀도를 갖으며, 수증기와 만나 폭발적으로 반응하기 때문이다. 하지만 알루미늄의 연소과정이 매우 복잡하기 때문에 지금까지 연구에선 알루미늄 단일 액적의 연소현상에 대한 연구가 주를 이루고 있고 연소실 내에서 알루미늄의 연소현상에 대한 연구가 부족하다. 이 연구에서는 2차원 축대칭 좌표계를 사용하여 수반응 엔진의 연소실 내에서 유동장을 해석하였다. 알루미늄 고체추진제 형태의 로켓해석을 위하여 압축성 Navier-stokes 방정식을 예조건화기법을 적용하여 풀었다. AUSM+-up 기법을 사용하여 제어체적내의 질량 유동을 정확하게 계산하였고, 난류모델로는 k-e 모델과 k-w 모델의 결합모델인 SST 모델을 사용하여 자유류와 벽면근처에서 정확성을 높였다. 다양한 수증기의 분사각도 및 방법에 따른 연소실내 유동, 온도분포, 화학종 분포에 대한 영향을 해석하였다. 사용한 화학반응모델을 검증하기 위해 알루미늄 단일액적 연소를 해석하여 연소결과 발생한 주요 화학종들을 계산하여 참고논문과 비교를 통해 검증하였다. 알루미늄-수증기와 관련된 화학반응모델을 조사하여 총 43개의 화학반응모델을 선정하였다. 그 후 참고논문과 비교를 통해 화학반응모델을 적절하게 조절하여 총 41개의 화학반응모델과 19개의 화학종을 사용하였을 때 참고논문과 잘 일치함을 알 수 있다. 알루미늄 입자형태 연소반응을 해석하기 위하여 4 kN 급 로켓연소실 내에서 41개의 화학반응모델을 이용하였다. 수렴성을 증대시키기 위하여 k-e 모델을 사용하였고 입자의 운동방정식을 풀어서 연소실내 입자의 위치와 속도, 이동궤적을 추적하였다. 알루미늄이 연소실내로 분사된 후 입자가 연소실 온도에 의해 가열되면서 끓는점에 도달하게 되면 기체상태로 증발하게 되어 수증기와 반응하게 되며, 이 때 알루미늄 입자의 증발과정과 증발잠열을 고려하였다.