Two-dimensional Thermal Analysis for Carbonacious Thermal Liner of Rocket Nozzle with Ablation and In-depth Pyrolysis

삭마 및 내부 열분해를 고려한 로켓노즐 탄소계 내열재의 2차원 열해석

This paper describes the thermal analysis which can calculate the ablation depth and temperature distribution of the rocket nozzle liner allowing geometry change caused by the ablation of nozzle liner. In this analysis, Zvyagin's model is used for surface ablation and Yaroslavtseva's model for in-depth pyrolysis. A deforming finite-element grid is used to account for external-boundary movement due to the erosion of thermal liner. The accuracy of the present numerical method is evaluated with a rocket nozzle liner and the numerical solutions are favorably agreed with experimental data. The temporal variations of temperature and ablation depth at the thermal liner of another rocket nozzle are numerically simulated and the results are discussed. Special emphasis is given to the effects of kinetic constants for carbon-carbon and carbon-phenolic composites on the ablation depth of thermal liner.

본 논문은 노즐내열재의 삭마로 인해 야기된 형상변화를 고려하면서 로켓노즐 내열재의 삭마량 및 온도분포를 해석하는 열반응해석에 대해 기술하였다. 열반응 해석에서 표면 삭마는 Zvyagin의 모델을, 내부 열분해는 Yaroslavtseva의 모델을 사용하였다. 노즐내열재의 형상변화로 인한 경계면 이동을 고려하기 위하여 변형가능한 유한요소 격자를 사용하였다. 본 수치해석기법의 타당성을 입증하기 위해 로켓 노즐내열재에 대해 열해석을 수행하였으며, 그 결과 수치해는 실험결과와 잘 일치함을 보였다. 노즐내열재에서의 시간에 따른 온도변화 및 삭마량을 계산하고 고찰하였으며 또한 탄소/탄소 내열재 및 탄소/페놀릭 내열재의 열반응상수가 노즐내열재의 삭마량에 미치는 영향에 대해서 검토하였다.