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Influence of optical properties of alumina particles on the radiative heating from solid rocket plume = 알루미나 입자의 광학물성이 고체로켓 플룸에 의한 복사가열에 미치는 영향
서명 / 저자 Influence of optical properties of alumina particles on the radiative heating from solid rocket plume = 알루미나 입자의 광학물성이 고체로켓 플룸에 의한 복사가열에 미치는 영향 / Juyong Ko.
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2019].
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The radiative properties are obtained from the optical properties of alumina particles to calculate the radiative heating from solid rocket plume. During this process, optical properties data of previous studies are reviewed and the radiative properties for a single particle are thoroughly investigated by considering particle size and temperature variation. A simple plume model is introduced to simulate the plume geometry, particle distribution that are necessary information to deduce the alumina laden plume radiative properties with temperature. The reference plume data is from KSLV-I kick motor. To calculate radiative heat flux and find the effect of optical properties on it, the plume model is again divided into two cases depending on whether the scattering effect is included or not. Discrete ordinate interpolation method is applied for radiative transfer equation solver. In the case of the plume emission only model, the optical properties including the absorption index significantly affect radiative base heating. However, when scattering is also considered, the influence of the optical properties on radiative heating is reduced due to the effect of the large scattering coefficient acting as a barrier for the optically thick condition. However, the maximum heating rate is still approximately 2.2 times larger than minimum one for the mixed case. Calculated data are from 34.2 kW/$m^2$ to 74.1 kW/$m^2$ according to the optical properties. As such, the appropriate selection of optical properties for the estimation of radiative heating from solid rocket plume is one of the most important key parameters. To determine the feasibility of this study, calculated heating are compared to the measured data obtained from the kick motor test. Although the conditions are not the same calculated heat flux data are not much far from the measured data that ranges from 43.6 kW/$m^2$ to 71.7 kW/$m^2$. This implies that the results obtained are at least reasonable to a certain extent. However, in real situation the temperature varies according to the position in the exhaust plume and the distribution of particles inside the plume is not uniform. Therefore, as future studies, investigation with more complicate plume model having variable temperature and optical parameters profiles is needed. Nevertheless, considering the discrepancy between the numerical results and the experimental results in this study, intuitively, it seems to be available that at least the preliminary design heat flux data for the thermal protection system can be obtained with simple isothermal plume model whose temperature and radiative properties from optical properties are deduced appropriately.

고체로켓 플룸에 의한 복사가열을 계산하기 위해 알루미나 입자의 광학물성을 이용하여 입자의 복사물성을 도출하였다. 이 과정에서 알루미나 입자의 광학물성에 대한 선행연구들에 대해 검토하였고, 선정된 광학물성을 이용하여 알루미나 입자의 크기와 온도변화에 따른 복사물성에 대한 심도 있는 분석을 수행하였다. 입자의 수밀도 및 온도 등에 영향을 받는 플룸 복사물성을 도출하기 위해 플룸의 전체 형상 및 입자분포를 모사할 수 있도록 단순화된 플룸 모델을 도입하였다. 플룸모델을 위해 KSLV-I 킥 모터 자료를 이용하였다. 도출된 플룸 복사물성을 이용하여 알루미나 입자가 방사만 하는 경우와 방사와 산란을 모두 하는 경우에 대해서 복사가열을 계산하고 광학물성의 복사가열에 대한 영향을 분석하였다. 복사전달식을 계산하는 방법으로 구분종좌표보간법을 적용하였다. 알루미나 입자가 방사만 한다는 가정을 했을 경우에는 광학물성에 따라 복사가열의 최댓값과 최솟값의 차이가 현저하게 발생하며 그 값의 크기가 비현실적인 것이 확인되었다. 그러나 알루미나 입자의 방사 및 산란을 동시에 고려했을 때에는 복사가열 계산 값이 현실적인 것으로 확인되었다. 온도 2320 K 조건에서 계산된 값은 광학물성에 따라 34.2 kW/$m^2$ 에서 74.1 kW/$m^2$ 의 범위를 가지며 최댓값과 최솟값은 약 2.2 배 정도의 큰 차이를 가졌다. 이를 통해서 광학물성을 적절히 선정하는 것은 복사가열을 계산할 때 매우 중요하게 고려되어야 하는 중요한 변수임을 확인할 수 있었다. 본 연구의 타당성 검토를 위해 KSLV-I 킥 모터의 연소시험에서 측정된 복사가열 값을 앞서 계산된 결과와 비교하였다. 비록 고려된 플룸모델이 상당부분 단순화 되어 있지만 이 값은 시간에 따라 43.6 kW/v 에서 71.7 kW/$m^2$의 범위를 가지는 측정값과 비교했을 때 큰 차이가 없는 관계로 연구결과가 어느 정도 타당한 범위에서 수행된 것을 확인할 수 있었다. 그러나 단순화된 플룸모델과 달리 실제의 경우에는 플룸내부의 온도 및 알루미나 입자 분포 등이 균일하지 않기 때문에 이러한 현상들을 고려한 복잡한 플룸모델에 대한 연구 수행이 필요할 것으로 판단된다. 그럼에도 불구하고 계산된 값과 측정된 결과를 검토하였을 때, 온도범위 및 복사물성이 적절히 도출된 등온 플룸모델을 통해서 단열시스템의 예비설계용 복사가열 데이터를 도출하는 것이 가능할 것으로 판단된다.

서지기타정보

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청구기호 {DAE 19036
형태사항 xi, 91 p. : 삽화 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 고주용
지도교수의 영문표기 : Se Jin Kwon
지도교수의 한글표기 : 권세진
수록잡지명 : "Influence of optical properties of alumina particles on the radiative base heating from solid rocket plume". Advances in Space Research, v.62.no.2, pp.514-526(2019)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 항공우주공학과,
서지주기 References : p. 84-87
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