유한해석법을 이용한 조합 내열부품의 1차원 삭마 및 숯층 형성 해석

Numerical Analysis of 1-D Ablation and Charring of a Composite Heat Insulator Using Finite Analytic Method

본 연구에서는 삭막에 의한 표면후퇴 현상을 해석하기 위하여 Brogan이 제시 한 front node dropping기법을 적용하여 여러개의 상이한 재료로 구성된 조합 내열 부품에서 삭마와 숯이 동시에 발생하는 경우에 대한 내부 열반응 예측도 가능하게 하 였다. 이 수치기법은 해석하고자 하는 부분에 대한 격자생성(mesh generation)을 수 행하여 각 격자점의 좌표를 고정한 후, 삭마에 의하여 표면이 후퇴될 때 첫번째 격자 점은 두번째 격자점과 일치될 때 까지 존재하다가 제거되고, 두번째 격자점도 세번째 격자점과 일치될 때까지 존재하다가 제거된다. 이때 나머지 격자점의 위치는 항상 일정하게 고정되며 삭마가 정지될 때까지 이 과정이 계속된다. 또한 본 연구분야에 수치해석 기법으로 유한해석법(FAM:finte analytic method)을 국내외 최초로 적용하여 비선형성이 심한 것을 효과적으로 처리하므로써 안정한 해를 얻을 수 있었다. 유한 해석법은 1981년 Chen이 제안한 기법으로, 국소 격자계에 대하여 선형화된 지배 방정 식의 엄밀해를 구하여 전체 문제 영역에 확장하는 방법이다. 이 방법은 수치 계산식 의 유도과정이 매우 복잡하기는 하나, 그 결과가 정확하고 안정한 해를 얻을 수 있어 서 점차 적용 사례가 증가하고 있으며 본 문제의 수치 해석에 매우 적합한 기법으로 판단된다.

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.