Effect of Self-Similar Flame Arrestor Structures on the Quenching Performance of Premixed Thrusters

Abstract

연료-산화제 예혼합형 추진기관은 연소 효율 향상과 시스템 단순화에 따른 신뢰성 개선 측면에서 최근 주목받고 있다. 본 연구에서는 예혼합형 추력기 설계 및 운용 시 핵심 고려 요소인 화염 역화를 방지하기 위해 자기 유사 구조를 적용한 역화방지장치의 소염 성능을 수치적으로 평가하였다. 이를 위해 아산화질소-프로필렌 예혼합 추력기를 대상으로 전통적인 다중 유로형, 원형 프랙탈형, 그리고 직조 프랙탈형 역화방지장치를 설계하고, 다공성 매질 기반의 등가 모델 반응유동 해석을 통해 구조별 소염 성능 및 압력강하 특성을 비교하였다. 해석 결과, 자기 유사 구조를 적용한 역화방지장치는 예혼합 연료의 역화를 효과적으로 방지하면서도 전통적인 구조 대비 20~34% 수준의 낮은 압력강하를 달성할 수 있는 것으로 확인되었으며, 특히 원형 프랙탈형 장치는 연소 구간 전체에서의 긴 소염 시간과 다중 유로 방식 대비 79% 저감된 압력 손실을 나타내었다. 이러한 결과는 자기 유사 구조가 예혼합형 추진기관의 안정성과 효율성을 향상시키는 효과적인 설계 전략이 될 수 있음을 시사하였다.