고도모사용 2차목 디퓨져 시동을 위한 디퓨져 팽창비 설계기법에 관한 연구

Investigation concerning Design Method of the Diffuser Expansion Ratio Commanding a Starting of the Second Throat Exhaust Diffuser for High Altitude Simulation

이차유동이 없는 초음속 디퓨져를 사용하는 고도모사용 지상시험장치의 주요 형상변수인 디퓨져 팽창비 최적설계를 위해 시동특성 측면에서 수치해석을 수행하였다. 기수행 연구에서 검증된 1차원 설계와 실험 결과와의 시동압력 차이 20$\sim$25%를 적용해, 본 연구에서는 최대추력노즐 사양에 대해 시동 가능한 디퓨져 팽창비$(A_d/A_t)$ 범위를 예측했다. 이 구간에서 팽창비 증가에 따른 진공챔버압력의 변화는 미미했으며, 실제 로켓모터의 시동여부 및 연소에 의한 유동정상화 시간을 고려해 팽창비가 결정되었다. 또한, 역설계를 통해 디퓨져 특성곡선을 그려본 결과, 최소(최적) 시동압력은 40기압으로 1차원 설계에 20%를 적용한 시동압력 39.6기압과 거의 일치하는 것으로 나타났다.

Starting characteristics of the axi-symmetric second throat exhaust diffuser (STED) with zero-secondary flows are numerically investigated. Renolds-Average Navier-Stokes equations with a standard ${\kappa}-{\varepsilon}$ turbulence model incorporated with enhanced wall treatment are solved to simulate the diffusing evolutions of the nozzle plume. Minimum (optimum) starting pressure difference of 20$\sim$25% between 1-D theory and the measured data validated from previous results[5] is also applied to predict the range of an effective diffuser expansion ratio (Ad/At) in this system.