Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2012.05a
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pp.507-514
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2012
In the present research, NASA LRB plume radiation models are reconstructed with Thermal Desktop software, where the radiation to vehicle base environment can be calculated. The calculation shows the similar radiation heat compared to NASA prediction. Based on LRB plume radiation model, a KSLV-II thermal radiation model is proposed.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.20
no.11
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pp.3598-3606
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1996
The finite volume method for radiation is applied to investigate a radiative heating of rocket base plane due to searchlight and plume emissions. Exhaust plume is assumed to absorb, emit and scatter the radiant energy isotropically as well as anisotropically, while the medium between plume boundary and base plane is cold and nonparticipating. Scattering phase function is modelled by a finite series of Legendre polynomials. After validating benchmark solution by comparison with that of previous works obtained by the Monte-Carlo method, further investigations have been done by changing such various parameters as plume cone angle, scattering albedo, scattering phase function, optical radius and nozzle exit temperature. The results show that the base plane is predominantly heated by the plume emission rather than the searchlight emission when the nozzle exit temperature is the same as that of plume.
In laser materials processing, localized heating, melting and evaporation caused by focused laser radiation forms a vapor on the material surface. The plume is generally an unstable entity, fluctuating according to its own dynamics. The beam is refracted and absorbed as it traverses the plume, thus modifying its power density on the surface of the condensed phases. This modifies material evaporation and optical properties of the plume. A laser-produced plasma plume simulation is completed using axisymmetric, high-temperature gas dynamic model including the laser radiation power absorption, refraction, and reflection. The physical properties and velocity profiles are verified using the published experimental and numerical results. The simulation results provide the effect of plasma plume fluctuations on the laser power density and quantitative beam radius changes on the material surface. It is proved that beam absorption, reflection and defocusing effects through the plume are essential to obtain appropriate mathematical simulation results. It is also found that absorption of the beam in the plume has much less direct effect on the beam power density at the material surface than defocusing does and helium gas is more efficient in reducing the beam refraction and absorption effect compared to argon gas for common laser materials processing.
The infrared radiation of exhaust plume was investigated numerically by a finite volume method (FVM) with anisotropic scattering particles. The exhaust plume is considered to absorb, emit and scatter radiant energy isotropically as well as anisotropically. The spatial and spectral distribution characteristics were obtained for the detection wavelength with $2.7{\mu}m$. The radiative intensities were presented for the different detective direction.
The real-time holographic interferometer with digital high-speed camera is applied to the experimental study of laser induced plasma/plume in pulsed Nd:YAG laser welding. A pulsed Nd:YAG laser with 1.2 kW average power is applied to generate laser induced plume. The recording speed of the high-speed camera is 3,000 f/s. The high speed photographs of weld plume without another visualization method, are compared with the visualization photographs with holographic interferometer. The radiation intensity from the laser induced plume is recorded by the high speed photographs, which fluctuated during laser radiation and disappeared after laser end. The density distribution of the plume is recorded by the holographic visualization method. The experimental results show the process of generation of the laser induced plasma/plume, and give the feasibility of quantitative measurement of laser induced plume in laser welding.
Kim, Seong-Lyong;Choi, Sang-Ho;Ko, Ju-Yong;Kim, In-Sun
한국전산유체공학회:학술대회논문집
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2008.03b
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pp.440-443
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2008
Plume radiation has been measured during ground tests of KSLV-I kick motor in order to predict the thermal load on the equipment around the kick motor at flight. The measuring positions are the kick motor base, and the measured heats were about 2${\sim}$5 w/cm$^2$. The measured heat showed a lot of shot fluctuation in their values, and the radiative heats at the latter half of time are higher than those of the first half. A plausible explanation for these phenomena was given as the variation of alumina particles with time. The radiative heats along the plume axis were also measured recently at 8 positions with 1.5m radius from plume axis, but only the initial parts of the results could be acceptable because the sensor were damaged by the accumulated heat. The strongest heat occurred at the middle of the plume, which can be explained with different view factors. Despite of the plausible explanation, it seems to need more analysis because the plume structure such as temperature, alumina particle, after burning has not been revealed until yet. The measure heat flux has been reflected in the prediction of the plume radiation at high altitude where the kick motor operates.
In order to predict the thermal radiation induced from alumina particle cloud in the plume of solid propellant motor, view factor method is applied to space shuttle SRB and the result is compared with that of monte carlo method. For this purpose, radiative characteristics, such as particle cloud temperature distribution, effective emissivity or emissive power of particle cloud are studied. In the case of effective emissivity, inverse wavelength method is applied and plume reduction characteristic length is used for emissive power distribution. As a result, thermal radiation using view factor method gives more conservative results than that using monte carlo method. So it can be used for preliminary design of thermal protection system.
The dispersing model of radioactive plume in the atmosphere was assumed to form finite ellipseshaped volumes rather than a single plume and gamma absorbed doses from the plume were computed using the proposed model. The results obtained were compared with those computed by the Gaussian plume and the circular approximation models. The results computed by the proposed ellipse-shaped approximation model were close to those by the Gaussian plume model. and more accurate than those by the circular approximation model. The computing time for the proposed approximation model was one fortieth of that for the Gaussian plume model.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.9
no.1
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pp.35-45
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2005
Numerical study is carried out to investigate the effects of chemistry and thermal radiation on the rocket plume flow field at various altitudes. Navier-Stokes equations for compressible flows were solved by a fully-implicit TVD code based on the finite volume method. An infinitely fast chemistry module for hydrocarbon mixture with detailed thermo-chemical properties and a thermal radiation module for optically thick media were incorporated with the fluid dynamics code. The plume flow fields of a kerosene-fueled rocket flying at Mach number zero at sea-level, 1.16 at altitude of 5.06 km and 2.90 at 17.34 km were numerically analyzed. Results showed the plume structures at different altitude conditions with the effects of chemistry and radiation. It is understood that the excess temperature by the chemical reactions in the exhaust gas may not be ignored in the view point of propulsion performance and thermal protection of the rocket base, especially at higher altitude conditions.
The Numerical study has been carried out to investigate the effects of chemical reaction and thermal radiation on the rocket plume flow-field at various altitudes. The theoretical formulation is based on the Navier-Stokes equations for compressible flows along with the infinitely fast chemistry and thermal radiation. The governing equations were solved by a finite volume fully-implicit TVD(Total Variation Diminishing) code which uses Roe's approximate Riemann solver and MUSCL(Monotone Upstream-centered Schemes for Conservation Laws) scheme. LU-SGS (Lower Upper Symmetric Gauss Seidel) method is used for the implicit solution strategy. An equilibrium chemistry module for hydrocarbon mixture with detailed thermo-chemical properties and a thermal radiation module for optically thin media were incorporated with the fluid dynamics code. In this study, kerosene-fueled rocket was assumed operating at O/F ratio of 2.34 with a nozzle expansion ratio of 6.14. Flight conditions considered were Mach number zero at ground level, Mach number 1.16 at altitude 5.06km and Mach number 2.9 at altitude 17.34km. Numerical results gave the understandings on the detailed plume structures at different altitude conditions. The diffusive effect of the thermal radiation on temperature field and the effect of chemical recombination during the expansion process could be also understood. By comparing the results from frozen flow and infinitely fast chemistry assumptions, the excess temperature of the exhaust gas resulting from the chemical recombination seems to be significant and cannot be neglected in the view point of performance, thermal protection and flow physics.
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