2상 유동에 의한 로켓 노즐 마모 특성에 대한 고찰

Effects of Two Phase Flow on Erosion Characteristic in a Rocket Nozzle

본 논문에서는 고체 로켓 노즐 내부의 2상유동 및 노즐 표면 마모 특성에 관하여 수치적으로 연구하였다. 로켓 노즐 내부의 연소 가스에 포함된 여러 가지 크기의 산화알루미늄 입자에 대해서 Stoke 수를 정의하고, 입자의 궤적을 라그랑지안 방법을 통하여 추적 및 분석하였다. 아울러 Weber 수를 정의하여 산화알루미늄 입자의 안정성을 고찰하였다. 큰 입자들은 유동의 급가속에 의하여 노즐목을 통과한 후 분리되었다. 이와 같이 분리된 입자들은 노즐 출구에서의 입자분포를 크게 변화시켰다. 위와 같은 계산 결과로부터 노즐벽의 수축부분은 산화 알루미늄 입자의 영향을 받을 수 있는 가능성이 있음을 확인하였다. 그리고 입자가 노즐벽면과 충돌시에 발생하게되는 노즐 표면의 기계적 마모 현상을 예측하였다.

A numerical analysis of two phase flow in the solid rocket nozzle was conducted. Stoke number was defined over the various aluminum oxide($AI_2$$O_3$) particle sizes and particle trajectories were treated by Lagrangian approach. Particle stability was considered by the definition of Weber number in a rocket nozzle. Large particles are divided after the nozzle throat as the flow accelerates rapidly. The division of particles changes the particle distribution at the nozzle exit. From the above results, it was found that the nozzle converge section surface might be affected by aluminum oxide particles. Also, Mechanical erosion rate of nozzle surface was predicted for different materials.