Bae, Ji-Yeul;Kim, Taehwan;Kim, Ji Hyuk;Ham, Heecheol;Cho, Hyung Hee
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.30
no.2
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pp.119-125
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2017
Ablative material in a rocket nozzle is exposed to high temperature combustion gas, thus undergoes complicated thermal/chemical change in terms of chemical destruction of surface and thermal decomposition of inner material. Therefore, method for conjugate analysis of thermal response inside carbon/phenolic material including rocket nozzle flow, surface chemical reaction and thermal decomposition is developed in this research. CFD is used to simulate flow field inside nozzle and conduction in the ablative material. A change in material density and a heat absorption caused by the thermal decomposition is considered in solid energy equation. And algebraic equation under boundary layer assumption is used to deduce reaction rate on the surface and resulting destruction of the surface. In order to test the developed method, small rocket nozzle is solved numerically. Although the ablation of nozzle throat is deduced to be higher than the experiment, shape change and temperature distribution inside material is well predicted. Error in temperature with experimental results in rapid heating region is found to be within 100 K.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.16
no.5
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pp.943-951
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1992
The objectives of this study are to analyse the thermal response behavior occurring in the charring ablative material more realistically by considering ablation and char phenomena occurring in several material layers, and to increase the reliability of thermal analysis by being able to get stable solutions through using the finite analytic method. A program has been developed to predict the temperature distribution, ablation thickness, char thickness, ablation velocity and char velocity by solving non-linear one-dimensional heat conduction equation. Results of calculation were compared with results of published papers. From this compariosn this program was proved to be a very good tool for thermal design and analysis of charring ablative materials used in the rocket propulsion system.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.19
no.6
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pp.54-63
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2015
We present a microscopic understanding of the chemical erosion due to combustion product on the nozzle throat using molecular dynamics simulations. The present erosion process consists of molecule-addition step and equilibrium step. First, either $CO_2$ or $H_2O$ are introduced into the system with high velocity to provoke the collision with graphite surface. Then, the equilibrium simulation is followed. The collision-included dissociation and its influence on the erosion is emphasized and the present molecular observations are compared with the macroscopic chemical reaction model.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.3
no.2
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pp.37-47
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1999
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.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2017.05a
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pp.521-528
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2017
In this paper, the numerical analysis for heat conduction of silica/phenolic composite material, which is used for solid rocket nozzle liner or insulator, was conducted. 1-D Finite Difference Method for the analysis of silica/phenolic during the firing of solid rocket motor was used to calculate the heat conduction considering the surface ablation and the thermal decomposition. The boundary condition at the nozzle wall took into account the convective heat transfer, which was obtained by integration equation. The numerical results of the surface ablation and char depth were compared with the results of test motor that is TPEM-10. It was found that the result of calculation is favorably agreed with the thermal response of test motor.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.22
no.4
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pp.76-84
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2018
In this paper, the numerical analysis for heat conduction of silica/phenolic composite material, used for solid rocket nozzle liners or insulators, is conducted. A 1-dimensional finite difference method for the analysis of silica/phenolic during the firing of a solid rocket motor is used to calculate heat conduction, considering surface ablation and thermal decomposition. The boundary condition at the nozzle wall, considering the convective heat transfer, is obtained via integration equations. The numerical results of the surface ablation and char depth are compared with the results of a TPEM-10 test motor, finding that the result of calculation agrees with the thermal response of the test motor.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2003.05a
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pp.54-58
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2003
Jet vane is an useful component which is installed at the end of a nozzle for the purpose of the posture control and the secure controlling stability during the initial launching of a rocket. Small space for installation and rapid response are considered as its merits but it is ablated thermally and mechanically by the combusted gas having high velocity and temperature produced in a combustion chamber. En this study, as the fundamental study for the ablation analysis of jet vane, the heat transfer into a jet vane which is located in the supersonic flow field.
Carbon/carbon (C/C) composites as unique materials possess exceptional thermal resistance with light weight, high stiffness, and strength even at high temperature. However, one serious obstacle for application of the C/C composites is their poor oxidation resistance in high temperature oxidizing environments. SiC coating has been employed to protect the composites from oxidation. This study explored combustion characteristics of 4-directional (4D) carbon/carbon composites using liquid fuel rocket engine to investigate ablative motion of the materials. C/C composites were made of coal tar pitch as a matrix precursor, and heat-treated at $2300^{\circ}C$. Throughout repeated densification process, the density of the material reached $1.903g/cm^3$. After machining 4D C/C composites, the nozzle surface was coated by a SiC layer by pack-cementation method to improve oxidation resistance. Erosion characteristics of SiC-coated C/C composites were measured as function of the ratio of oxygen to fuel. The morphological change of the composites after combustion test was investigated using SEM and erosion mechanism also was discussed.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.27
no.1
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pp.9-16
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2023
This paper investigated the method to predict a thermal response of internal insulation in a solid rocket motor considering both thermal decomposition and ablation. Changes in properties due to the thermal decomposition, swelling of char layer and movement of decomposition gases inside the material were considered during a modeling. And radiative/convective heat flux from the exhaust gas were applied as boundary conditions, while the chemical ablation of the material surface is modeled with algebraic equations. Test SRM with thermocouples was solved for a validation purpose. The results showed that predicted temperatures have identical trends and values compared to the experimental values. And an error of predicted thermal destruction depth was around 0.1 mm.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.19
no.5
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pp.84-90
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2015
Titanium alloys has been received an attention due to their excellent specific strength and many other superior properties in the application of components of flying subjects. In this study, Ti-6Al-4V (Ti64 alloy) has been selected in order to evaluate oxidation and degradation behaviors under the exposure of high temperature flame. The alloy has been coated with Al diffusion coating routes. The coated alloys showed an improved oxidation and degradation behaviors. The oxidation and degradation mechanism for the coated and uncoated alloys has been discussed in terms of microstructural observations.
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