Ansys Tool을 활용한 삭마(Ablation) 모델링

삭마란 무엇인가?

• 정의: 물체 표면에서의 물질이 기화되어 제거되는 현상

* '제어된' 소모성 재료의 연소를 통해 열을 제거하는 방식

• 우주 비행체 및 로켓 엔진에서 중요한 과정: 

- 비행체 및 탑재체의 냉각과 보호

- 우주선의 열 차폐(Heat Shield)

- 로켓 엔진 노즐의 냉각

- 로켓 엔진의 추력 곡선 변화

- 고체로켓부스터(SRB)의 무게중심 변화

- SRB의 성능에 영향 (초크 현상, 입자 효과, 슬래그 축적 등)

Ablation 해석을 위한 ANSYS 기술 스택

ANSYS CFD에서의 Ablation 해석 옵션

• 이동-변형 벽(MDM) 프레임워크 사용
• UDF를 사용하여 후퇴 속도 𝑟를 스무딩 알고리즘에 전달
• 네 가지 방법 중 하나를 사용하여 후퇴 속도 지정

1. 표면 반응 속도 사용, Arrhenius 형태

• 화학 반응 및 복사 포함 (PBNS에서만 사용 가능)

2. 선택된 경험적 상관식 사용, 예: Vielle’s law

•  예: Vielle’s law, r=𝑎∙𝑝𝑛

3. Fluent 다공성 매질을 사용하여 ablation 기판 모델링

• 체적 Arrhenius 형태 반응 속도 사용

4. ablation 코드와 연계

• HERO, FIAT
• 계획 중이며, R2019/2020 기준으로는 사용 불가

Simple wedge 삭마

• 재진입 비행체는 극한의 공기열역학 환경에 직면함
• 공기열 하중을 견딜 수 있도록 설계되어야 함
• 보수적인 설계는 종종 중량 증가로 이어짐
• 시뮬레이션은 열 보호 시스템의 최적 설계를 지원할 수 있음

마하 5.0에서의 blunt cone 삭마: 계산 영역 및 메쉬

마하 5.0에서의 blunt cone 삭마: 초기 및 경계 조건

고체 로켓 부스터(SBR)의 삭마

요약

• 애블레이션을 모델링하기 위한 일반적인 프레임워크가 시연됨
• 복잡한 물리적 과정을 하나의 순수 후퇴 속도로 단순화
• 다양한 접근 방식을 통해 후퇴 속도 계산

- 표면 화학 반응

- 경험적 함수

- 애블레이션 코드와의 연계

• 화학 반응 및 애블레이션 속도를 정밀 조정하기 위한 추가 해석 필요