KR102051120B1 - 내산화 코팅층을 포함하는 탄소내열소재의 내열성능 해석 방법 - Google Patents

내산화 코팅층을 포함하는 탄소내열소재의 내열성능 해석 방법 Download PDF

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KR102051120B1 KR1020190060031A KR20190060031A KR102051120B1 KR 102051120 B1 KR102051120 B1 KR 102051120B1 KR 1020190060031 A KR1020190060031 A KR 1020190060031A KR 20190060031 A KR20190060031 A KR 20190060031A KR 102051120 B1 KR102051120 B1 KR 102051120B1
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Abstract

본 발명은, 내산화 코팅층을 포함하는 탄소내열소재의 내열성능 해석 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 내산화 코팅층을 포함하는 탄소내열소재의 내열성능 해석 방법은, 탄소내열소재 표면의 유동조건을 입력 받는 단계; 내산화층 존재 유무를 판단하는 단계; 상기 내산화층 존재 유무 판단 결과에 기초하여, 용융 삭마, 산화층 두께 또는 표면 화학반응 중 어느 하나의 파라미터를 계산하는 단계; 상기 어느 하나의 파라미터를 계산한 결과를 이용하여 내열소재 물성치를 계산하는 단계; 상기 내열소재 물성치를 계산한 결과에 기초하여 내부 온도 변화를 해석하는 단계; 상기 유동조건 입력 결과에 기초하여, 고온유동 노출시간 잔여 여부를 판단하는 단계; 및 상기 고온유동 노출시간 잔여 여부를 판단한 결과에 기초하여 표면 온도, 내부 온도 및 삭마량을 출력하는 단계;를 포함한다.

Description

내산화 코팅층을 포함하는 탄소내열소재의 내열성능 해석 방법{ANALYSIS METHOD OF HEAT-RESISTANCE PERFORMANCE OF CARBON HEAT-RESISTANT MATERIAL COMPRISING ANTI-OXIDATION COATING LAYER}
본 발명은 내산화 코팅층을 포함하는 탄소내열소재의 내열성능 해석 방법에 관한 것이다.
극초음속 비행체는 비행 중 발생하는 극심한 공력가열로부터 비행체를 보호하기 위해 열방어소재로 비행체 외벽을 구성한다. 열방어소재로 흔히 사용되는 탄소내열소재는 고온 환경에서 산화에 의한 삭마 현상이 심하게 발생하므로 내산화 성능 향상을 위해 표면에 내산화 코팅층을 적용하여 산화를 방지한다. 해당 소재가 적용될 고온, 고에너지 조건을 모사하기 위해서는 기술적인 문제, 비용적인 문제 등이 필연적으로 발생하게 되며 실험이 굉장히 제한적이므로, 설계 단계에서는 해석을 통한 내열성능 평가가 이루어진다.
종래 내열성능 해석 방법은 탄소내열소재 표면의 산화 현상과 내부 온도 분포만 해석 가능하며, 내산화 코팅층으로 인해 발생하는 현상들을 반영할 수 없었다.
내산화 코팅층은 표면에서부터 산소와 반응하여 산화층을 형성하며, 산화층의 크랙이나 기공을 통해 산화층 내부로의 산소 침투가 지속적으로 이루어져 산화층이 점차 발달하게 된다. 내산화 코팅층의 산화로 인해 생성된 산화층은 열전도도가 매우 낮기 때문에, 고온 유동으로부터 전달받은 공력 가열 중 표면에서 내부로 전달되는 열유속을 감소시켜 표면 온도 및 내부 온도 변화에 큰 영향을 미친다.
종래 해석 방법으로는 산화층의 낮은 열전도도에 의한 표면 온도 증가 및 내부로의 열유속 감소를 모사하지 못해 표면온도를 낮게 예측하게 되며, 표면 용융 여부를 정확히 도출하지 못하는 문제가 발생한다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 내산화 코팅층 표면에서 발생하는 산화층 생성, 열전도도 변화 및 용융 등의 현상을 모사 가능한 탄소내열소재의 내열성능을 1차원적으로 해석할 수 있는 내산화 코팅층을 포함하는 탄소내열소재의 내열성능 해석 방법을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 내산화 코팅층을 포함하는 탄소내열소재의 내열성능 해석 방법은, 탄소내열소재 표면의 유동조건을 입력 받는 단계; 내산화층 존재 유무를 판단하는 단계; 상기 내산화층 존재 유무 판단 결과에 기초하여, 용융 삭마, 산화층 두께 또는 표면 화학반응 중 어느 하나의 파라미터를 계산하는 단계; 상기 어느 하나의 파라미터를 계산한 결과를 이용하여 내열소재 물성치를 계산하는 단계; 상기 내열소재 물성치를 계산한 결과에 기초하여 내부 온도 변화를 해석하는 단계; 상기 유동조건 입력 결과에 기초하여, 고온유동 노출시간 잔여 여부를 판단하는 단계; 및 상기 고온유동 노출시간 잔여 여부를 판단한 결과에 기초하여 표면 온도, 내부 온도 및 삭마량을 출력하는 단계;를 포함한다.
일 실시형태에 따르면, 상기 파라미터를 계산하는 단계는, 표면 온도의 용융점 도달 여부를 판단하는 단계;를 포함할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 파라미터를 계산하는 단계는, 상기 내산화층 존재 유무 판단 결과 상기 내산화층이 존재하는 동시에, 상기 표면 온도의 용융점 도달 여부를 판단한 결과 상기 표면 온도의 용융점에 도달한 경우, 용융 모델을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 파라미터를 계산하는 단계는, 상기 용융 모델을 이용하여 상기 용융 삭마를 계산하는 단계인 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 용융 모델을 이용하여 상기 용융 삭마를 계산하는 단계는, 내산화 코팅 소재별 그에 적합한 용융모델을 적용시켜 그에 맞는 용융 여부를 판단하는 단계; 상기 용융 여부 판단 결과에 기초하여, 상기 용융모델의 용융점보다 상기 탄소내열소재의 표면 온도가 높아질 경우, 표면 용융에 소모되는 에너지를 계산하는 단계; 및 상기 용융에 소모되는 에너지로부터 용융량을 계산하는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 파라미터를 계산하는 단계는, 상기 내산화층 존재 유무 판단 결과 상기 내산화층이 존재하는 동시에, 상기 표면 온도의 용융점 도달 여부를 판단한 결과 상기 표면 온도의 용융점에 도달하지 못한 경우, 상기 산화층 두께를 계산하는 단계이고, 상기 계산된 산화층 두께에 기초하여 산화층 열전도도를 보정하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 산화층 두께를 계산하는 단계는, Stefan-Maxwell 확산 방정식을 기반으로 산화층을 통과해 침투한 산소를 계산하고, 그에 의한 산화층 생성을 모사하여 산화층 두께를 도출하는 단계이고, 상기 계산된 산화층 두께에 기초하여 산화층 열전도도를 보정하는 단계는, DEM(Differential Effective Medium) 이론을 적용하여 산화층 열전도도를 보정하는 단계인 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 파라미터를 계산하는 단계는, 상기 내산화층 존재 유무 판단 결과 상기 내산화층이 존재하지 않는 경우, 상기 표면 화학반응을 계산하는 단계이고, 상기 계산된 표면 화학반응에 기초하여 상기 표면 화학적 삭마를 계산하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 계산된 표면 화학반응에 기초하여 상기 표면 화학적 삭마를 계산하는 단계는, 표면에 입사하는 고온유동의 화학종과 탄소내열소재의 화학반응에 의해 표면에서 질량 손실을 계산하는 것을 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 표면에 입사하는 고온유동의 화학종과 탄소내열소재의 화학반응은, 탄소내열소재 표면에서 일어나는 산화, 질화 및 촉매재결합 반응으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 용융 삭마를 계산하는 단계 및 상기 표면 화학반응을 계산하여 화학적 삭마를 계산하는 단계는, 하기 수학식 1에 의하여 계산되는 것일 수 있다:
[수학식 1]
Figure 112019052500848-pat00001
(여기에서,
Figure 112019052500848-pat00002
는 표면 삭마 속도 (m/s),
Figure 112019052500848-pat00003
는 탄소내열소재의 산화에 의한 질량 감소 (kg/(m2-s)),
Figure 112019052500848-pat00004
는 탄소내열소재의 질화에 의한 질량 감소 (kg/(m2-s)),
Figure 112019052500848-pat00005
은 탄소내열소재의 승화에 의한 질량 감소 (kg/(m2-s)),
Figure 112019052500848-pat00006
은 내산화 코팅층의 용융에 의한 질량 감소(kg/(m2-s)),
Figure 112019052500848-pat00007
은 표면 열방어소재의 밀도 (kg/m3)).
일 실시형태에 따르면, 상기 고온유동 노출시간 잔여 여부를 판단한 결과, 상기 고온유동 노출시간이 남았다고 판단되는 경우, 상기 탄소내열소재 표면의 유동조건을 입력 받는 단계;부터 다시 수행하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 탄소내열소재의 유동조건은, 해석 시간에 따른 상기 탄소내열소재의 표면 열전달량; 또는 열전달량, 표면 압력 및 표면 화학종 분포;를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 탄소내열소재의 유동조건은, 해석 시간에 따른 상기 탄소내열소재의 표면 열전달량은 필수로 포함하고, 해석 시간에 따른 상기 탄소내열소재의 표면 압력 및 표면 화학종 분포는 필요에 따라 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 내열소재 물성치를 계산한 결과에 기초하여 내부 온도 변화를 해석하는 단계는, 상기 탄소내열소재의 표면에 작용하는 대류 열전달, 복사 열전달 및 전도 열전달로부터 표면 총 열전달량을 계산하는 단계; 및 열 방정식을 통해 내부 열해석을 수행하는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 탄소내열소재의 표면에서의 에너지 교환은, 하기 수학식 2에 의하여 계산되는 것일 수 있다:
[수학식 2]
qconvection- qradiation(Tw)- qablation (Tw)- qconduction (Tw)= 0
(여기에서, qconvection은 고온 유동 환경으로부터 가해지는 열전달량 (W/m2), qradiation은 탄소내열소재 표면에서 방출되는 복사 열전달량 (W/m2), qablation은 삭마되어 표면에서 떨어져나가는 탄소내열소재가 지닌 에너지 (W/m2), qconduction은 탄소내열소재 내부로 전도되는 열전달량 (W/m2)).
일 실시형태에 따르면, 상기 삭마되어 표면에서 분리되는 탄소내열소재가 지닌 에너지는, 하기 수학식 3에 의하여 계산되는 것일 수 있다:
[수학식 3]
qablation = qchemical + qmelting
(여기에서, qablation은 삭마되어 표면에서 분리되는 탄소내열소재가 지닌 에너지 (W/m2), qchemical은 화학 반응에 의해 표면에서 분리되는 탄소내열소재가 지닌 에너지 (W/m2), qmelting은 용융에 의해 표면에서 녹아내린 탄소내열소재가 지닌 에너지 (W/m2)).
일 실시형태에 따르면, 상기 탄소내열소재 내부로 전도되는 열전달량은, 하기 수학식 4에 의하여 계산되는 것일 수 있다:
[수학식 4]
Figure 112019052500848-pat00008
(여기에서, qconduction은 탄소내열소재 내부로 전도되는 열전달량 (W/m2),
Figure 112019052500848-pat00009
는 산화된 내산화 코팅층의 열전도도 보정치 (W/m-k),
Figure 112019052500848-pat00010
은 산화된 내산화 코팅층의 두께 예측치 (m),
Figure 112019052500848-pat00011
는 표면 온도(K),
Figure 112019052500848-pat00012
는 표면으로부터
Figure 112019052500848-pat00013
아래 위치의 온도 (K)).
본 발명의 일 실시예에 따른 내산화 코팅층을 포함하는 탄소내열소재의 내열성능 해석 방법에 의하여 제한적인 실험환경을 전산환경에서 높은 정확도와 정밀도를 지닌 채로 모사할 수 있어 극초음속 비행체 개발에 큰 비용 절감을 가져다 줄 수 있다.
내산화 코팅층을 포함하는 탄소내열소재의 내열성능 해석 시 종래 해석 방법은 표면온도를 융점 이하로 예측하여 용융여부 판단에 오류를 일으킬 가능성이 있으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 해석 방법은 내산화 코팅층의 용융 여부를 보수적으로 판단하여 안정적인 내열 시스템 설계를 가능하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 내산화 코팅층을 포함하는 탄소내열소재의 내열성능 해석 방법의 순서를 나타낸 순서도다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소내열소재의 표면에서의 에너지 교환을 나타낸 그림이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 내산화 코팅층을 포함하는 탄소내열소재의 내열성능 해석 방법에 대하여 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예 및 도면에 제한되는 것은 아니다.
본 발명은 국방에 이용되는 극초음속 비행체 등에 사용되는 내산화 코팅층을 포함하는 탄소내열소재의 내열성능 해석 방법에 대한 기술이다.
본 발명의 일 측면에 따른 내산화 코팅층을 포함하는 탄소내열소재의 내열성능 해석 방법은, 탄소내열소재 표면의 유동조건을 입력 받는 단계; 내산화층 존재 유무를 판단하는 단계; 상기 내산화층 존재 유무 판단 결과에 기초하여, 용융 삭마, 산화층 두께 또는 표면 화학반응 중 어느 하나의 파라미터를 계산하는 단계; 상기 어느 하나의 파라미터를 계산한 결과를 이용하여 내열소재 물성치를 계산하는 단계; 상기 내열소재 물성치를 계산한 결과에 기초하여 내부 온도 변화를 해석하는 단계; 상기 유동조건 입력 결과에 기초하여, 고온유동 노출시간 잔여 여부를 판단하는 단계; 및 상기 고온유동 노출시간 잔여 여부를 판단한 결과에 기초하여 표면 온도, 내부 온도 및 삭마량을 출력하는 단계;를 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 내산화 코팅층을 포함하는 탄소내열소재의 내열성능 해석 방법의 순서를 나타낸 순서도다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 내산화 코팅층을 포함하는 탄소내열소재의 내열성능 해석 방법은, 유동조건 입력 단계 (102), 내산화층 존재 유무 판단 단계 (104), 표면온도 용융점 도달 여부 판단 단계 (106), 표면 화학반응 계산 단계 (116), 내열소재 물성치 계산 단계 (120), 내부 온도 변화 해석 단계 (122), 고온유동 노출시간 잔여 여부 판단 단계 (124) 및 표면 온도, 내부 온도 및 삭마량 출력 단계 (126)를 포함한다.
일 실시형태에 따르면, 상기 표면온도 용융점 도달 여부 판단 단계 (106) 및 상기 표면 화학반응 계산 단계 (116)는, 상기 내산화층 존재 유무 판단 결과에 기초하여, 용융 삭마, 산화층 두께 또는 표면 화학반응 중 어느 하나의 파라미터를 계산하는 단계에 해당한다.
종래기술에서 탄소내열소재의 내열성능 1차원 해석 방법은, 유동조건 입력 단계, 표면 화학반응 계산 단계, 표면 화학적 삭마 계산 단계, 내열소재 물성치 계산 단계, 내부 온도 변화 해석 단계, 고온유동 노출시간 잔여 여부 판단 단계, 및 표면 온도, 내부 온도 및 삭마량 출력 단계 후 종료된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내산화 코팅층을 포함하는 탄소내열소재의 내열성능 1차원 해석 방법은 내산화층 존재 유무 판단 결과에 기초하여, 용융 삭마, 산화층 두께 또는 표면 화학반응 중 어느 하나의 파라미터를 계산하는 단계가 추가된 것이다.
일 실시형태에 따르면, 상기 유동조건 입력 단계 (102)는, 내산화 코팅층을 포함하는 탄소내열소재 표면의 유동조건을 입력 받아 설정하는 단계이다.
일 실시형태에 따르면, 상기 탄소내열소재의 유동조건은, 해석 시간에 따른 상기 탄소내열소재의 표면 열전달량; 또는 열전달량, 표면 압력 및 표면 화학종 분포;를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 탄소내열소재의 유동조건은, 해석 시간에 따른 상기 탄소내열소재의 표면 열전달량은 필수로 포함하고, 해석 시간에 따른 상기 탄소내열소재의 표면 압력 및 표면 화학종 분포는 필요에 따라 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 내산화층 존재 유무 판단 단계 (104)는, 내산화층 및 산화층 존재 유무를 판단하는 단계이다.
일 실시형태에 따르면, 상기 파라미터를 계산하는 단계는, 표면 온도의 용융점 도달 여부를 판단하는 단계 (106);를 포함할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 파라미터를 계산하는 단계는, 상기 내산화층 존재 유무 판단 (104) 결과 상기 내산화층이 존재하는 동시에, 상기 표면 온도의 용융점 도달 여부를 판단 (106)한 결과 상기 표면 온도의 용융점에 도달한 경우, 용융 모델을 형성하는 단계 (108);를 더 포함할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 파라미터를 계산하는 단계는, 상기 용융 모델을 이용하여 상기 용융 삭마를 계산하는 단계 (110)인 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 용융 모델을 이용하여 상기 용융 삭마를 계산하는 단계 (110)는, 내산화 코팅 소재별 그에 적합한 용융모델을 적용시켜 그에 맞는 용융 여부를 판단하는 단계 (미도시); 상기 용융 여부 판단 결과에 기초하여, 상기 용융모델의 용융점보다 상기 탄소내열소재의 표면 온도가 높아질 경우, 용융에 소모되는 에너지를 계산하는 단계 (미도시); 및 상기 용융에 소모되는 에너지로부터 용융량을 계산하는 단계 (미도시);를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 파라미터를 계산하는 단계는, 상기 내산화층 존재 유무 판단 (104) 결과 상기 내산화층이 존재하는 동시에, 상기 표면 온도의 용융점 도달 여부를 판단 (106)한 결과 상기 표면 온도의 용융점에 도달하지 못한 경우, 상기 산화층 두께를 계산하는 단계 (112)이고, 상기 계산된 산화층 두께에 기초하여 산화층 열전도도를 보정하는 단계 (144);를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 표면온도의 용융점 도달 여부 판단 단계 (106)에서 표면 온도가 용융점에 도달하지 않은 것으로 판단한 경우, 산화층 생성 두께를 계산하는 산화층 두께 계산 단계 (112)에 이른다. 산화층 두께 계산 단계 (112)에 이어서, 산화층 열전도도 보정 단계 (114)에서 산화층 열전도도를 보정한다.
일 실시형태에 따르면, 상기 산화층 두께를 계산하는 단계 (112)는, Stefan-Maxwell 확산 방정식을 기반으로 산화층을 통과해 침투한 산소를 계산하고, 그에 의한 산화층 생성을 모사하여 산화층 두께를 도출하는 단계이다.
일 실시형태에 따르면, 상기 계산된 산화층 두께에 기초하여 산화층 열전도도를 보정하는 단계 (114)는, DEM(Differential Effective Medium) 이론을 적용하여 산화층 열전도도를 보정하는 단계인 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 파라미터를 계산하는 단계는, 상기 내산화층 존재 유무 판단 결과 상기 내산화층이 존재하지 않는 경우, 상기 표면 화학반응을 계산하는 단계 (116)이고, 상기 계산된 표면 화학반응에 기초하여 상기 표면 화학적 삭마를 계산하는 단계 (118);를 더 포함할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 계산된 표면 화학반응에 기초하여 상기 표면 화학적 삭마를 계산하는 단계 (118)는, 표면에 입사하는 고온유동의 화학종과 탄소내열소재의 화학반응에 의해 표면에서 질량 손실을 계산하는 것을 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 표면에 입사하는 고온유동의 화학종과 탄소내열소재의 화학반응은, 탄소내열소재 표면에서 일어나는 산화, 질화 및 촉매재결합 반응으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 용융 삭마를 계산하는 단계 및 상기 표면 화학반응을 계산하여 화학적 삭마를 계산하는 단계는, 하기 수학식 1에 의하여 계산되는 것일 수 있다:
[수학식 1]
Figure 112019052500848-pat00014
(여기에서,
Figure 112019052500848-pat00015
는 표면 삭마 속도 (m/s),
Figure 112019052500848-pat00016
는 탄소내열소재의 산화에 의한 질량 감소 (kg/(m2-s)),
Figure 112019052500848-pat00017
는 탄소내열소재의 질화에 의한 질량 감소 (kg/(m2-s)),
Figure 112019052500848-pat00018
은 탄소내열소재의 승화에 의한 질량 감소 (kg/(m2-s)),
Figure 112019052500848-pat00019
은 내산화 코팅층의 용융에 의한 질량 감소(kg/(m2-s)),
Figure 112019052500848-pat00020
은 표면 열방어소재의 밀도 (kg/m3)).
일 실시형태에 따르면, 종래 기술에서 표면 삭마 속도는, 하기 수학식 1-1에 의하여 계산되었다:
[수학식 1-1]
Figure 112019052500848-pat00021
(여기에서,
Figure 112019052500848-pat00022
는 표면 삭마 속도 (m/s),
Figure 112019052500848-pat00023
는 탄소내열소재의 산화에 의한 질량 감소 (kg/(m2-s)),
Figure 112019052500848-pat00024
는 탄소내열소재의 질화에 의한 질량 감소 (kg/(m2-s)),
Figure 112019052500848-pat00025
은 탄소내열소재의 승화에 의한 질량 감소 (kg/(m2-s)),
Figure 112019052500848-pat00026
은 표면 열방어소재의 밀도 (kg/m3)).
일 실시형태에 따르면, 종래 기술에서는 화학 반응에 의한 삭마만을 해석 가능하였으나 본 발명에 따른 해석 방법은 내산화 코팅층 온도의 용융점 도달 여부 판단 단계 및 용융 모사 단계를 포함함으로써 삭마를 계산하고, 내산화 코팅층의 용융에 따른 삭마의 해석이 가능하다.
일 실시형태에 따르면, 상기 어느 하나의 파라미터를 계산한 결과를 이용하여 내열소재 물성치를 계산하는 단계는, 상기 용융 삭마 계산 단계 (110), 상기 산화층 열전도도 보정 단계 (114) 및 상기 표면 화학적 삭마 계산 단계 (118) 이후에 수행되는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 내열소재 물성치 계산 단계 (120)는, 용융 삭마, 산화층 두께 또는 표면 화학반응 중 어느 하나의 파라미터를 계산한 결과를 이용하여 내열소재 물성치를 계산하는 단계이다.
일 실시형태에 따르면, 상기 내부 온도 변화 해석 단계 (122)는, 표면 열전달량을 및 소재 물성치 변화를 반영하여 내부 온도 변화를 해석하는 단계이다.
일 실시형태에 따르면, 상기 내열소재 물성치를 계산한 결과에 기초하여 내부 온도 변화를 해석하는 단계 (122)는, 상기 탄소내열소재의 표면에 작용하는 대류 열전달, 복사 열전달 및 전도 열전달로부터 표면 총 열전달량을 계산하는 단계; 및 열 방정식을 통해 내부 열해석을 수행하는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소내열소재의 표면에서의 에너지 교환을 나타낸 그림이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소내열소재의 표면에서의 에너지 교환은, 고온 유동 환경으로부터 가해지는 열전달량과 탄소내열소재 표면에서 방출되는 복사 열전달량, 삭마되어 표면에서 떨어져나가는 탄소내열소재가 지닌 에너지 및 탄소내열소재 내부로 전도되는 열전달량을 합한 것과 같을 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 탄소내열소재의 표면에서의 에너지 교환은, 하기 수학식 2에 의하여 계산되는 것일 수 있다:
[수학식 2]
qconvection- qradiation(Tw)- qablation (Tw)- qconduction (Tw)= 0
(여기에서, qconvection은 고온 유동 환경으로부터 가해지는 열전달량 (W/m2), qradiation은 탄소내열소재 표면에서 방출되는 복사 열전달량 (W/m2), qablation은 삭마되어 표면에서 떨어져나가는 탄소내열소재가 지닌 에너지 (W/m2), qconduction은 탄소내열소재 내부로 전도되는 열전달량 (W/m2)).
일 실시형태에 따르면, 상기 삭마되어 표면에서 분리되는 탄소내열소재가 지닌 에너지는, 하기 수학식 3에 의하여 계산되는 것일 수 있다:
[수학식 3]
qablation = qchemical + qmelting
(여기에서, qablation은 삭마되어 표면에서 분리되는 탄소내열소재가 지닌 에너지 (W/m2), qchemical은 화학 반응에 의해 표면에서 분리되는 탄소내열소재가 지닌 에너지 (W/m2), qmelting은 용융에 의해 표면에서 녹아내린 탄소내열소재가 지닌 에너지 (W/m2)).
일 실시형태에 따르면, 종래 기술에서 삭마되어 표면에서 떨어져나가는 소재가 지닌 에너지는, 하기 수학식 3-1에 의하여 계산되었다:
[수학식 3-1]
qablation = qchemical
(여기에서, qablation은 삭마되어 표면에서 분리되는 탄소내열소재가 지닌 에너지 (W/m2), qchemical은 화학 반응에 의해 표면에서 분리되는 탄소내열소재가 지닌 에너지 (W/m2)).
일 실시형태에 따르면, 종래 기술에서는 표면에서 탄소내열소재의 열전도만이 가능했다. 본 발명은 내산화 코팅층의 산화층 생성두께 계산 및 산화층 열전도도 보정 단계, 표면 용융 모사 단계를 포함함으로써 내산화층이 코팅된 탄소내열소재에 대한 정확한 표면 열전달량 계산이 가능하다.
일 실시형태에 따르면, 상기 탄소내열소재 내부로 전도되는 열전달량은, 하기 수학식 4에 의하여 계산되는 것일 수 있다:
[수학식 4]
Figure 112019052500848-pat00027
(여기에서, qconduction은 탄소내열소재 내부로 전도되는 열전달량 (W/m2),
Figure 112019052500848-pat00028
는 산화된 내산화 코팅층의 열전도도 보정치 (W/m-k),
Figure 112019052500848-pat00029
은 산화된 내산화 코팅층의 두께 예측치 (m),
Figure 112019052500848-pat00030
는 표면 온도(K),
Figure 112019052500848-pat00031
는 표면으로부터
Figure 112019052500848-pat00032
아래 위치의 온도 (K)).
일 실시형태에 따르면, 종래 기술에서 탄소내열소재 내부로 전도되는 열전달량은, 하기 수학식 4-1에 의하여 계산되었다:
[수학식 4-1]
Figure 112019052500848-pat00033
(여기에서, qconduction은 탄소내열소재 내부로 전도되는 열전달량 (W/m2),
Figure 112019052500848-pat00034
는 탄소내열소재의 열전도도 (W/m-k),
Figure 112019052500848-pat00035
는 탄소내열소재 표면과 내부 계산점 사이 간격 (m),
Figure 112019052500848-pat00036
는 표면 온도(K),
Figure 112019052500848-pat00037
는 표면으로부터
Figure 112019052500848-pat00038
아래 위치의 온도 (K)).
일 실시형태에 따르면, 상기 고온유동 노출시간 잔여 여부 판단 단계 (124)는, 고온유동 노출시간이 남았는지를 판단하는 단계이다.
일 실시형태에 따르면, 상기 고온유동 노출시간 잔여 여부를 판단 (124)한 결과, 상기 고온유동 노출시간이 남았다고 판단되는 경우, 상기 탄소내열소재 표면의 유동조건을 입력 받는 단계 (102);부터 다시 수행하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 상기 표면 온도, 내부 온도 및 삭마량 출력 단계 (126)는, 상기 고온유동 노출시간 잔여 여부 판단 단계 (124)에서 고온유동 노출이 종료된 것으로 판단한 경우, 표면 온도, 내부 온도 및 삭마량을 출력하는 단계이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내산화 코팅층을 포함하는 탄소내열소재의 내열성능 1차원 해석 방법 제한적인 실험환경을 전산환경에서 높은 정확도와 정밀도를 지닌 채로 모사할 수 있다면 극초음속 비행체 개발에 있어 매우 큰 비용 절감을 가져다 줄 수 있다. 내산화 코팅층을 포함하는 탄소내열소재의 내열성능 해석 시 종래 해석 방법은 표면온도를 융점 이하로 예측하여 용융여부 판단에 오류를 일으킬 가능성이 있으나, 본 발명에 따른 해석 방법은 내산화 코팅층의 용융 여부를 보수적으로 판단하여 안정적인 내열 시스템 설계를 가능하도록 한다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (17)

  1. 탄소내열소재 표면의 유동조건을 입력 받는 단계;
    내산화층 존재 유무를 판단하는 단계;
    상기 내산화층 존재 유무 판단 결과에 기초하여, 용융 삭마, 산화층 두께 또는 표면 화학반응 중 어느 하나의 파라미터를 계산하는 단계;
    상기 어느 하나의 파라미터를 계산한 결과를 이용하여 내열소재 물성치를 계산하는 단계;
    상기 내열소재 물성치를 계산한 결과에 기초하여 내부 온도 변화를 해석하는 단계;
    상기 유동조건 입력 결과에 기초하여, 고온유동 노출시간 잔여 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 고온유동 노출시간 잔여 여부를 판단한 결과에 기초하여 표면 온도, 내부 온도 및 삭마량을 출력하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 파라미터를 계산하는 단계는,
    표면 온도의 용융점 도달 여부를 판단하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 파라미터를 계산하는 단계는,
    상기 내산화층 존재 유무 판단 결과 상기 내산화층이 존재하는 동시에, 상기 표면 온도의 용융점 도달 여부를 판단한 결과 상기 표면 온도의 용융점에 도달한 경우, 용융 모델을 형성하는 단계;
    를 더 포함하거나,
    상기 내산화층 존재 유무 판단 결과 상기 내산화층이 존재하는 동시에, 상기 표면 온도의 용융점 도달 여부를 판단한 결과 상기 표면 온도의 용융점에 도달하지 못한 경우, 상기 산화층 두께를 계산하는 단계이고,
    상기 계산된 산화층 두께에 기초하여 산화층 열전도도를 보정하는 단계;
    를 더 포함하거나,
    상기 내산화층 존재 유무 판단 결과 상기 내산화층이 존재하지 않는 경우, 상기 표면 화학반응을 계산하는 단계이고,
    상기 계산된 표면 화학반응에 기초하여 상기 표면 화학적 삭마를 계산하는 단계;
    를 더 포함하거나,
    상기 계산된 표면 화학반응에 기초하여 상기 표면 화학적 삭마를 계산하는 단계는,
    표면에 입사하는 고온유동의 화학종과 탄소내열소재의 화학반응에 의해 표면에서 질량 손실을 계산하는 것을 포함하고,
    상기 용융 삭마를 계산하는 단계 및 상기 표면 화학반응을 계산하여 화학적 삭마를 계산하는 단계는, 하기 수학식 1에 의하여 계산되는 것이고:
    [수학식 1]
    Figure 112019094862553-pat00054

    (여기에서,
    Figure 112019094862553-pat00055
    는 표면 삭마 속도 (m/s),
    Figure 112019094862553-pat00056
    는 탄소내열소재의 산화에 의한 질량 감소 (kg/(m2-s)),
    Figure 112019094862553-pat00057
    는 탄소내열소재의 질화에 의한 질량 감소 (kg/(m2-s)),
    Figure 112019094862553-pat00058
    은 탄소내열소재의 승화에 의한 질량 감소 (kg/(m2-s)),
    Figure 112019094862553-pat00059
    은 내산화 코팅층의 용융에 의한 질량 감소(kg/(m2-s)),
    Figure 112019094862553-pat00060
    은 표면 열방어소재의 밀도 (kg/m3)),
    상기 내열소재 물성치를 계산한 결과에 기초하여 내부 온도 변화를 해석하는 단계는,
    상기 탄소내열소재의 표면에 작용하는 대류 열전달, 복사 열전달 및 전도 열전달로부터 표면 총 열전달량을 계산하는 단계; 및
    열 방정식을 통해 내부 열해석을 수행하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 탄소내열소재의 표면에서의 에너지 교환은, 하기 수학식 2에 의하여 계산되는 것인, 내산화 코팅층을 포함하는 탄소내열소재의 내열성능 해석 방법:
    [수학식 2]
    qconvection- qradiation(Tw)- qablation (Tw)- qconduction (Tw)= 0
    (여기에서, qconvection은 고온 유동 환경으로부터 가해지는 열전달량 (W/m2), qradiation은 탄소내열소재 표면에서 방출되는 복사 열전달량 (W/m2), qablation은 삭마되어 표면에서 떨어져나가는 탄소내열소재가 지닌 에너지 (W/m2), qconduction은 탄소내열소재 내부로 전도되는 열전달량 (W/m2)).
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 파라미터를 계산하는 단계는,
    상기 용융 모델을 이용하여 상기 용융 삭마를 계산하는 단계인 것인,
    내산화 코팅층을 포함하는 탄소내열소재의 내열성능 해석 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 용융 모델을 이용하여 상기 용융 삭마를 계산하는 단계는,
    내산화 코팅 소재별 그에 적합한 용융모델을 적용시켜 그에 맞는 용융 여부를 판단하는 단계;
    상기 용융 여부 판단 결과에 기초하여, 상기 용융모델의 용융점보다 상기 탄소내열소재의 표면 온도가 높아질 경우, 용융에 소모되는 에너지를 계산하는 단계; 및
    상기 용융에 소모되는 에너지로부터 용융량을 계산하는 단계;
    를 포함하는 것인,
    내산화 코팅층을 포함하는 탄소내열소재의 내열성능 해석 방법.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 산화층 두께를 계산하는 단계는, Stefan-Maxwell 확산 방정식을 기반으로 산화층을 통과해 침투한 산소를 계산하고, 그에 의한 산화층 생성을 모사하여 산화층 두께를 도출하는 단계이고,
    상기 계산된 산화층 두께에 기초하여 산화층 열전도도를 보정하는 단계는, DEM(Differential Effective Medium) 이론을 적용하여 산화층 열전도도를 보정하는 단계인 것인,
    내산화 코팅층을 포함하는 탄소내열소재의 내열성능 해석 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서,
    상기 고온유동 노출시간 잔여 여부를 판단한 결과, 상기 고온유동 노출시간이 남았다고 판단되는 경우,
    상기 탄소내열소재 표면의 유동조건을 입력 받는 단계;부터 다시 수행하는 것인,
    내산화 코팅층을 포함하는 탄소내열소재의 내열성능 해석 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 탄소내열소재의 유동조건은, 해석 시간에 따른 상기 탄소내열소재의 표면 열전달량; 또는 열전달량, 표면 압력 및 표면 화학종 분포;를 포함하는 것인,
    내산화 코팅층을 포함하는 탄소내열소재의 내열성능 해석 방법.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 제1항에 있어서,
    상기 삭마되어 표면에서 분리되는 탄소내열소재가 지닌 에너지는, 하기 수학식 3에 의하여 계산되는 것인,
    내산화 코팅층을 포함하는 탄소내열소재의 내열성능 해석 방법:
    [수학식 3]
    qablation = qchemical + qmelting
    (여기에서, qablation은 삭마되어 표면에서 분리되는 탄소내열소재가 지닌 에너지 (W/m2), qchemical은 화학 반응에 의해 표면에서 분리되는 탄소내열소재가 지닌 에너지 (W/m2), qmelting은 용융에 의해 표면에서 녹아내린 탄소내열소재가 지닌 에너지 (W/m2)).
  17. 제1항에 있어서,
    상기 탄소내열소재 내부로 전도되는 열전달량은, 하기 수학식 4에 의하여 계산되는 것인,
    내산화 코팅층을 포함하는 탄소내열소재의 내열성능 해석 방법:
    [수학식 4]
    Figure 112019094862553-pat00046

    (여기에서, qconduction은 탄소내열소재 내부로 전도되는 열전달량 (W/m2),
    Figure 112019094862553-pat00047
    는 산화된 내산화 코팅층의 열전도도 보정치 (W/m-k),
    Figure 112019094862553-pat00048
    은 산화된 내산화 코팅층의 두께 예측치 (m),
    Figure 112019094862553-pat00049
    는 표면 온도(K),
    Figure 112019094862553-pat00050
    는 표면으로부터
    Figure 112019094862553-pat00051
    아래 위치의 온도 (K)).
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