Fig. 2 Modeling of bubble point test apparatus (left) and computational grid (righ

Modeling of Mesh Screen for Use in Surface TensionTankUsing Flow-3d Software

Hyuntak Kim․ Sang Hyuk Lim․Hosung Yoon․Jeong-Bae Park*․Sejin Kwon†

ABSTRACT

Mesh screen modeling and liquid propellant discharge simulation of surface tension tank wereperformed using commercial CFD software Flow-3d. 350 × 2600, 400 × 3000 and 510 × 3600 DTW mesh screen were modeled using macroscopic porous media model. Porosity, capillary pressure, and drag
coefficient were assigned for each mesh screen model, and bubble point simulations were performed. The
mesh screen model was validated with the experimental data. Based on the screen modeling, liquidpropellant discharge simulation from PMD tank was performed. NTO was assigned as the liquidpropellant, and void was set to flow into the tank inlet to achieve an initial volume flowrate of
liquid propellant in 3 × 10-3 g acceleration condition. The intial flow pressure drop through the meshscreen was approximately 270 Pa, and the pressure drop increased with time. Liquid propellant
discharge was sustained until the flow pressure drop reached approximately 630 Pa, which was near
the estimated bubble point value of the screen model.

초 록

상용 CFD 프로그램 Flow-3d를 활용하여, 표면 장력 탱크 적용을 위한 메시 스크린의 모델링 및 추진제 배출 해석을 수행하였다. Flow-3d 내 거시적 다공성 매체 모델을 사용하였으며, 350 × 2600, 400× 3000, 510 × 3600 DTW 메시 스크린에 대한 공극률, 모세관압, 항력계수를 스크린 모델에 대입 후, 기포점 측정 시뮬레이션을 수행하였다.

시뮬레이션 결과를 실험 데이터와 비교하였으며, 메시 스크린 모델링의 적절성을 검증하였다. 이를 기반으로 스크린 모델을 포함한 PMD 구조체에 대한 추진제 배출 해석을 수행하였다. 추진제는 액상의 NTO를 가정하였으며, 3 × 10-3 g 가속 조건에서 초기 유량을만족하도록 void를 유입시켰다. 메시 스크린을 통한 차압은 초기 약 270 Pa에서 시간에 따라 증가하였으며, 스크린 모델의 예상 기포점과 유사한 630 Pa에 이르기까지 액상 추진제 배출을 지속하였다.

Key Words

Surface Tension Tank(표면장력 탱크), Propellant Management Device(추진제 관리 장치),
Mesh Screen(메시 스크린), Porous Media Model(다공성 매체 모델), Bubble Point(기포점)

서론

    우주비행체를 미소 중력 조건 내에서 운용하 는 경우, 가압 기체가 액상의 추진제와 혼합되어 엔진으로 공급될 우려가 있으므로 이를 방지하 기 위한 탱크의 설계가 필요하다.

    다이어프램 (Diaphragm), 피스톤(Piston) 등 다양한 장치들 이 활용되고 있으며, 이 중 표면 장력 탱크는 내 부의 메시 스크린(Mesh screen), 베인(Vane) 등 의 구조체에서 추진제의 표면장력을 활용함으로 써 액상 추진제의 이송 및 배출을 유도하는 방 식이다.

    표면 장력 탱크는 구동부가 없는 구조로 신뢰성이 높고, 전 부분을 티타늄 등의 금속 재 질로 구성함으로써 부식성 추진제의 사용 조건 에서도 장기 운용이 가능한 장점이 있다. 위에서 언급한 메시 스크린(Mesh screen)은 수 십 마이크로미터 두께의 금속 와이어를 직조한 다공성 재질로 표면 장력 탱크의 핵심 구성 요소 중 하나이다.

    미세 공극 상 추진제의 표면장력에 의해 기체와 액체 간 계면을 일정 차압 내에서 유지시킬 수 있다. 이러한 성질로 인해 일정 조 건에서 가압 기체가 메시 스크린을 통과하지 못 하게 되고, 스크린을 탱크 유로에 설치함으로써 액상의 추진제 배출을 유도할 수 있다.

    메시 스크린이 가압 기체를 통과시키기 직전 의 기체-액체 계면에 형성되는 최대 차압을 기포 점 (Bubble point) 이라 칭하며, 메시 스크린의 주 요 성능 지표 중 하나이다. IPA, 물, LH2, LCH4 등 다양한 기준 유체 및 추진제, 다양한 메시 스 크린 사양에 대해 기포점 측정 관련 실험적 연 구가 이루어져 왔다 [1-3].

    위 메시 스크린을 포함하여 표면 장력 탱크 내 액상의 추진제 배출을 유도하는 구조물 일체 를 PMD(Propellant management device)라 칭하 며, 갤러리(Gallery), 베인(Vane), 스펀지(Sponge), 트랩(Trap) 등 여러 종류의 구조물에 대해 각종 형상 변수를 내포한다[4, 5].

    따라서 다양한 파라미터를 고려한 실험적 연구는 제약이 따를 수 있으며, 베인 등 상대적으로 작은 미소 중력 조건에서 개방형 유로를 활용하는 경우 지상 추진제 배출 실험이 불가능하다[6]. 그러므로 CFD를 통한 표면장력 탱크 추진제 배출 해석은 다양한 작동 조건 및 PMD 형상 변수에 따른 추진제 거동을 이해하고, 탱크를 설계하는 데 유용하게 활용될 수 있다.

    상기 추진제 배출 해석을 수행하기 위해서는 핵심 요소 중 하나인 메시 스크린에 대한 모델링이 필수적이다. Chato, McQuillen 등은 상용 CFD 프로그램인 Fluent를 통해, 갤러리 내 유동 시뮬레이션을 수행하였으며, 이 때 메시 스크린에 ‘porous jump’ 경계 조건을 적용함으로써 액상의 추진제가 스크린을 통과할 때 생기는 압력 강하를 모델링하였다[7, 8].

    그러나 앞서 언급한 메시 스크린의 기포점 특성을 모델링한 사례는 찾아보기 힘들다. 이는 스크린을 활용하는 표면 장력 탱크 내 액상 추진제 배출 현상을 해석적으로 구현하기 위해 반드시 필요한 부분이다. 본 연구에서는 자유표면 해석에 상대적으로 강점을 지닌 상용 CFD 프로그램 Flow-3d를 사용하여, 메시 스크린을 모델링하였다.

    거시적 다공성 매체 모델(Macroscopic porous mediamodel)을 활용하여 메시 스크린 모델 영역에 공극률(Porosity), 모세관압(Capillary pressure), 항력 계수(Drag coefficient)를 지정하고, 이를 기반으로 기포점 측정 시뮬레이션을 수행, 해석 결과와 실험 데이터 간 비교 및 검증을 수행하였다.

    이를 기반으로 메시 스크린 및 PMD구조체를 포함한 탱크의 추진제 배출 해석을 수행하고, 기포점 특성의 반영 여부를 확인하였다.

    Fig. 1 Real geometry-based mesh screen model (left) and mesh screen model based on macroscopic porous media model in Flow-3d (righ
    Fig. 1 Real geometry-based mesh screen model (left) and mesh screen model based on macroscopic porous media model in Flow-3d (righ
    Fig. 2 Modeling of bubble point test apparatus (left) and computational grid (righ
    Fig. 2 Modeling of bubble point test apparatus (left) and computational grid (righ)
    Fig. 3 Modeling of sump in a tank (left) and lower part of the sump structure (right)
    Fig. 3 Modeling of sump in a tank (left) and lower part of the sump structure (right)

    참 고 문 헌

    1. David J. C and Maureen T. K, ScreenChannel Liquid Aquisition Devices for Cryogenic Propellants” NASA-TM-2005- 213638, 2005
    2. Hartwig, J., Mann, J. A. Jr., Darr, S. R., “Parametric Analysis of the LiquidHydrogen and Nitrogen Bubble Point Pressure for Cryogenic Liquid AcquisitionDevices”, Cryogenics, Vol. 63, 2014, pp. 25-36
    3. Jurns, J. M., McQuillen, J. B.,BubblePoint Measurement with Liquid Methane of a Screen Capillary Liquid AcquisitionDevice”, NASA-TM-2009-215496, 2009
    4. Jaekle, D. E. Jr., “Propellant Management Device: Conceptual Design and Analysis: Galleries”, AIAA 29th Joint PropulsionConference, AIAA-97-2811, 1997
    5. Jaekle, D. E. Jr., “Propellant Management Device: Conceptual Design and Analysis: Traps and Troughs”, AIAA 31th Joint Propulsion Conference, AIAA-95-2531, 1995
    6. Yu, A., Ji, B., Zhuang, B. T., Hu, Q., Luo, X. W., Xu, H. Y., “Flow Analysis inaVane-type Surface Tension Propellant Tank”, IOP Conference Series: MaterialsScience and Engineering, Vol. 52, No. 7, – 990 – 2013, Article number: 072018
    7. Chato, D. J., McQuillen, J. B., Motil, B. J., Chao, D. F., Zhang, N., CFD simulation of Pressure Drops in Liquid Acquisition Device Channel with Sub-Cooled Oxygen”, World Academy of Science, Engineering and Technology, Vol. 3, 2009, pp. 144-149
    8. McQuillen, J. B., Chao, D. F., Hall, N. R., Motil, B. J., Zhang, N., CFD simulation of Flow in Capillary Flow Liquid Acquisition Device Channel”, World Academy of Science, Engineering and Technology, Vol. 6, 2012, pp. 640-646
    9. Hartwig, J., Chato, D., McQuillen, J.,  Screen Channel LAD Bubble Point Tests in Liquid Hydrogen”, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 39, No. 2, 2014, pp. 853-861
    10. Fischer, A., Gerstmann, J., “Flow Resistance of Metallic Screens in Liquid, Gaseous and Cryogenic Flow”, 5th European Conferencefor Aeronautics and Space Sciences, Munich, Germany, 2013
    11. Fries, N., Odic, K., Dreyer, M., Wickingof Perfectly Wetting Liquids into a MetallicMesh”, 2nd International Conference onPorous Media and its Applications inScience and Engineering, 2007
    12. Seo, M, K., Kim, D, H., Seo, C, W., Lee, S, Y., Jang, S, P., Koo, J., “Experimental Study of Pressure Drop in CompressibleFluid through Porous Media”, Transactionsof the Korean Society of Mechanical Engineers – B, Vol. 37, No. 8, pp. 759-765, 2013.
    13. Hartwig, J., Mann, J. A., “Bubble Point Pressures of Binary Methanol/Water Mixtures in Fine-Mesh Screens”, AlChEJournal, Vol. 60, No. 2, 2014, pp. 730-739
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