Solid rocket motors (SRMs) are widely used in military and space operations due to their cost-effectiveness, simplicity, and reliability. During the flight, micron-sized \ch{Al2O3} particles emitted with high-density gas flow constitute about 30\% of the total exhaust mass and significantly influence the flow properties. At high altitudes, the plume containing alumina particles can underexpand and backflow due to the rarefied atmosphere, potentially causing damage such as base heating, erosion, and contamination of the rocket body. Understanding the flow around SRMs could improve their efficiency and reduce operational risks. To simulate the SRM plume at high altitudes, Burt developed a gas-solid interaction model based on the assumption that the solid particle diameter is negligibly small compared to the local gas mean free path. However, this assumption tends to fail in high-density gas regions, such as the SRM nozzle exit. Thus, this study introduces the Gas-Solid Synchronous (GSS) model to predict gas-solid interactions without assuming the local gas flow regime around a solid particle. Burt's model can reproduce non-equilibrium characteristics of two-phase flows where gas velocity distribution functions do not follow the Maxwell-Boltzmann distribution. However, Burt's model could overestimate the interphase force and heat transfer rates when its assumption on solid particle diameter does not hold. In contrast, the GSS model can accurately predict gas-solid interactions in continuum gas flows, but it cannot capture the non-equilibrium nature of two-phase flows. To address these limitations, a hybrid model employing both Burt's and GSS models is proposed to accurately predict gas-solid interactions. Additionally, a radiative cooling model is incorporated to account for the thermal emission of alumina particles, and a phase change model is implemented to consider the heterogeneous crystallization of alumina particles. This study examines the impact of the physical models and free-stream flow conditions at different altitudes on the flow around the SRM.
고체 로켓 모터(Solid Rocket Motor, SRM)는 효율성, 간결성, 신뢰성으로 인해 군사 및 우주 작전에 널리 사용된다. 비행 중 고밀도 기체와 함께 배출되는 마이크론 크기의 알루미나 입자는 총 배기 질량의 약 30\%를 차지하며 유동에 큰 영향을 미친다. 알루미나 입자가 섞인 배기플룸은 고고도의 희박한 대기로 인해 급격히 팽창 및 역류하여 로켓 본체에 저부가열, 침식, 오염 등의 손상을 초래할 수 있다. 그렇기에, SRM의 주변 유동의 이해는 효율성을 높이고 운영 위험을 줄일 수 있다. 고고도를 비행하는 SRM의 주변 유동을 해석하기 위해, Burt는 고체 입자 직경이 주변 기체 평균 자유 경로에 비해 훨씬 작다는 가정을 기반으로 기체-고체 상호작용 모델을 개발했다. 그러나 이 가정은 SRM의 노즐 출구 같은 고밀도 기체 영역에서는 유효하지 않는 경향이 있다. 따라서, 본 연구에서는 고체 입자 크기를 기체 평균 자유 경로에 제한하지 않고 기체-고체 상호작용을 예측할 수 있는 Gas-Solid Synchronous(GSS) 모델을 제시한다. Burt의 모델은 기체 속도 분포 함수가 맥스웰-볼츠만 분포를 따르지 않는 2상유동의 비평형 특성을 재현할 수 있지만, 해당 가정이 유효하지 않을 때, Burt의 모델은 기체-고체 간 힘과 열 전달율을 과대예측할 수 있다. 반면, GSS 모델은 연속 기체 유동에서 기체-고체 상호작용을 정확하게 예측할 수 있지만, 이 모델은 2상 유동의 비평형 특성을 재현할 수 없다. 이러한 한계점을 해결하기 위해 Burt 모델과 GSS 모델을 모두 사용하는 하이브리드 모델을 이용하여 기체-고체 상호작용을 예측하였다. 또한 알루미나 입자의 열 방출을 고려한 복사 냉각 모델과 알루미나 입자의 결정화 현상을 고려하는 상변화 모델을 도입했다. 이를 이용해 본 연구는 물리 모델들과 고도에 따른 대기 조성이 SRM 주변 유동에 끼치는 영향을 관찰하였다.
