Investigation concerning Design Method of the Diffuser Expansion Ratio Commanding a Starting of the Second Throat Exhaust Diffuser for High Altitude Simulation

고도모사용 2차목 디퓨져 시동을 위한 디퓨져 팽창비 설계기법에 관한 연구

Starting characteristics of the axi-symmetric second throat exhaust diffuser (STED) with zero-secondary flows are numerically investigated. Renolds-Average Navier-Stokes equations with a standard ${\kappa}-{\varepsilon}$ turbulence model incorporated with enhanced wall treatment are solved to simulate the diffusing evolutions of the nozzle plume. Minimum (optimum) starting pressure difference of 20$\sim$25% between 1-D theory and the measured data validated from previous results[5] is also applied to predict the range of an effective diffuser expansion ratio (Ad/At) in this system.

이차유동이 없는 초음속 디퓨져를 사용하는 고도모사용 지상시험장치의 주요 형상변수인 디퓨져 팽창비 최적설계를 위해 시동특성 측면에서 수치해석을 수행하였다. 기수행 연구에서 검증된 1차원 설계와 실험 결과와의 시동압력 차이 20$\sim$25%를 적용해, 본 연구에서는 최대추력노즐 사양에 대해 시동 가능한 디퓨져 팽창비$(A_d/A_t)$ 범위를 예측했다. 이 구간에서 팽창비 증가에 따른 진공챔버압력의 변화는 미미했으며, 실제 로켓모터의 시동여부 및 연소에 의한 유동정상화 시간을 고려해 팽창비가 결정되었다. 또한, 역설계를 통해 디퓨져 특성곡선을 그려본 결과, 최소(최적) 시동압력은 40기압으로 1차원 설계에 20%를 적용한 시동압력 39.6기압과 거의 일치하는 것으로 나타났다.