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문제 정의
- 줄일 수 있어 널리 활용되고 있다. 본 연구에서는 고 앙각 영역에서의 유도무기에 대한 측력 발생 및 현상을 전산 유체역학 기법으로 분석하고 그 가능성을 점검하였다. 물리적 모델로 대기권 공기 흐름을 정확히 묘사 할수 있는 Navier-Stokes 방정식에 기초한 상용코드 FLUENT[4]를 사용하였다.
제안 방법
- 반면 표면 거칠기에 기초한 비대칭 부여 방식이 정성적인 측면에서 실험과 유사한 결과를 보여주었다. 검증을 위해 Tangent-Ogive 노즈 형상을 갖는 단순 유동과 롤각 변화에 따른 측력 분포에 관한 이전의 실험적 연구를 이용하였다. 롤 각 변화에 따른 측력분포 분석을 통해 고앙각에서 불규칙적으로 관찰되는 비대칭와류 현상에 대한 정확한 이해가 가능하게 되었다.
- 기초한 CFD 코드를 이용하였다. 격자를 비대칭으로 생성하거나, 측각 및 표면 거칠기롤 다르게 하는 방식을 통하여 유동의 비대칭성이 생성되도록, 하였다.
- 비대칭 와류를 생성시키기 위한 방식으로는 수치실험을 통해 실험과 가장 유사한 경향성을 보이는 특정 영역에서의 표면 거칠기를 다르게 하는 방식을 적용하였다. 고앙각 상태에서 비행하는 미사일의 공력특성을 해석하기 위해 마하수 0.4 및 받음각 30 도 마하수 0.25 및 받음각 45도 두 조건에서 계산을 수행하였다. 계산에 사용된 유도무기 형상은 Fig.
- 고앙각 세장형 물체 주위 유동에서 관찰되는 비대칭 와류를 수치적 기법으로 모사하기 위해 미소 측풍, 격자의 비대칭, 첨두부 형상의 비대칭성 및 Strake, 표면 거칠기의 비대칭을 고려하였다. 수치계산 결과 미소 측풍, 비대칭 격자분포, 미소 크기의 형상 비대칭성 부여 방식으로는 실험에서 발견되는 현상에 근접하는 비대칭 와류 발생을 보여주지 못하였다.
- 035D를 갖는 Strake를 원주각 240도 위치에 적용한 예를 보여준다. 길이 O.O35D는 기존 연구 자료[6]를 바탕으로선 두부 길이의 1퍼센트에 해당하도록 정하였으며, 원주각 240 도는 유동장 분석을 통해 유동 박리점 부근인 것으로 판단되어 선정하였다. Fig.
- 물체 지름의 약 1퍼센트를 선두부의 기울어짐각으로 정하였으며 기울어짐의 위치를 원주각 270도에 지정하였다. 마지막으로 표면 거칠기 비대칭성을 고려하였다. Fig.
- 6은 제작과정에서 생길 수 있는 선두부의 기울어짐을 묘사하기 위해 적용된 형상을 나타낸다. 물체 지름의 약 1퍼센트를 선두부의 기울어짐각으로 정하였으며 기울어짐의 위치를 원주각 270도에 지정하였다. 마지막으로 표면 거칠기 비대칭성을 고려하였다.
- 미소 측풍, 비대칭 격자분포, Strake 및 선두부의 기울어짐, 비대칭 표면 거칠기 방식을 적용하여 고앙각 유동을 해석하였다. 수치계산 결과 미소 측풍, 비대칭 격자분포 방식으로는 실험에서 발견되는 크기의 측력을 보여주지 못하였다.
- 요 모멘트가 발생하는 고앙각 유동이 된다. 비대칭 와류를 생성시키기 위한 방식으로는 수치실험을 통해 실험과 가장 유사한 경향성을 보이는 특정 영역에서의 표면 거칠기를 다르게 하는 방식을 적용하였다. 고앙각 상태에서 비행하는 미사일의 공력특성을 해석하기 위해 마하수 0.
- 비대칭 와류를 생성하기 위한 기법으로 선두부의 특정 영역에 표면 거칠기를 다르게 하는 방식을 적용하였다. 표면 거칠기 크기는 유도무기 직경을 기준으로 약 0.
- 비대칭성을 CFD 코드에 부여하기 위해 미소 측풍, 비대칭 격자분포, Strake 및 선두부의 기울어짐, 표면 거칠기 효과를 고려하였다. Fig.
- 이러한 실험을 통해 유동의 불안정성에 관한 기존 이론(대류 불안정성과 절대 불안정성)의 확인이 가능하게 되었다. 실험 조건과CFD 코드를 이용한 수치해석 조건이 정확하게 일치하지 않지만 유동의 불안정성 연구를 위한 경향성 측면에서의 비교는 의미가 있다고 판단되어 수치실험을 수행하였다.
- 7은 이러한 수치실험을 통해 선정한 표면 거칠기 부여 방식을 보여준다. 이 같은 근거를 바탕으로 이후 유동장 해석에 표면 거칠기 방식을 적용하였다
- 고려하였다. 측력계수의 경향성 비교 및 최대 측력 조건을 파악하기 위해 특정 표면 거칠기 영역을 원주각으로 일정하게 회전시키며 측력을 도출하였다.
- 표면 거칠기 방식에 의한 비대칭 와류의 수치적 모사 타당성을 검증하기 위해 원주각 변화에 따른 측력계수 분포 실험을 고려하였다. 측력계수의 경향성 비교 및 최대 측력 조건을 파악하기 위해 특정 표면 거칠기 영역을 원주각으로 일정하게 회전시키며 측력을 도출하였다.
- 높이, Ck, 는 표면 거칠기를 나타낸다. 표면 거칠기는 그 정도에 따라 크게 세 영역(매끈한 영역, 천이 영역, 거친 영역)로 나눌 수 있는데, 본 연구에서는 천이 영역에 해당하는 Ks = lmm, 즉 실제 형상 지름의 1 퍼센트를 적용하였다.
대상 데이터
- CFD 계산을 위해 3차원 CAD 프로그램인 CATIA 와 GRID-GEN 프로그램을 사용하였다 해석 대상은 전체길이 1.2m 인 Tangent-Ogive 노즈를 갖는 세장형 물체이며 주위 유 동장을 Fig. 2와 같이 분할하였다.
데이터처리
- 증폭된 비대칭 와류와 Fin의 간섭효과에 의해 후방부에 와류의 비대칭성이 상당히 증폭되는데, 측력의 증가로 연계되어 유도무기의 공력성능을 저하시키는 주된 원인이 된다. 마지막으로 수치해석의 정확도를 검증하기 위해 최근에 수행된 풍동 시험 데이터와 비교하였다. CFD 결과가 풍동실험 결과와 수직력에서 약 5 퍼센트의 오차를 보여 주었으며 측력에서는약 25 퍼센트의 오차가 존재하였다.
이론/모형
- 사용되었다. 난류모델은 k-co와 k-£ 모델을 테스트해 본 결과 거의 동일한 유동장을 보여주어 잘 알려진 k-e 모델을 사용하였다. 주요 상수들의 값은 다음과 같다[5].
- 본 연구에서는 고 앙각 영역에서의 유도무기에 대한 측력 발생 및 현상을 전산 유체역학 기법으로 분석하고 그 가능성을 점검하였다. 물리적 모델로 대기권 공기 흐름을 정확히 묘사 할수 있는 Navier-Stokes 방정식에 기초한 상용코드 FLUENT[4]를 사용하였다. 지배 방정식을 보존형으로 나타내면 다음과 같다.
- 본 연구에서는 고앙각 흐름에서의 비대칭 와류 특성과 이에 관련된 측력 발생 메카니즘을 분석하기 위해 Navier-Stokes 방정식에 기초한 CFD 코드를 이용하였다. 격자를 비대칭으로 생성하거나, 측각 및 표면 거칠기롤 다르게 하는 방식을 통하여 유동의 비대칭성이 생성되도록, 하였다.
- 수치기법으로 Cell 기반 유한 체적법 내재 시간 전진법 FDS 플럭스 계산 기법이 적용되었고, 기본 수치기법으로 2차 풍상 기법, 난류 동 에너지 및 난류 소산율 계산에 1차 풍상 기법이 사용되었다. 난류모델은 k-co와 k-£ 모델을 테스트해 본 결과 거의 동일한 유동장을 보여주어 잘 알려진 k-e 모델을 사용하였다.
성능/효과
- 마지막으로 수치해석의 정확도를 검증하기 위해 최근에 수행된 풍동 시험 데이터와 비교하였다. CFD 결과가 풍동실험 결과와 수직력에서 약 5 퍼센트의 오차를 보여 주었으며 측력에서는약 25 퍼센트의 오차가 존재하였다. 이러한 사실로부터 고 앙각 유동의 비대칭 와류로 인한 측력과 요 모우멘트를 표면 거칠기 비대칭성 부여 방식에 기초한 CFD 해석기법으로 예측이 가능함을 확인할 수 있었다.
- 압력 분포 및 유선의 형상은 비대칭 형상을 보이고 있으며, 이는 고앙각에서 비대칭 와류에 의한 측력 발생 및 압력분포의 비대칭성이 발생함을 나타낸다. 또한 선두부의 표면 거칠기에 의해 발생한 미소 비대칭 와류가 후방부로 진행할수록 증폭되어 후방 Fin에서 비대칭 와류에 의한 간섭효과로 측력이 발생함을 확인할 수 있었다. 증폭된 비대칭 와류와 Fin의 간섭효과에 의해 후방부에 와류의 비대칭성이 상당히 증폭되는데, 측력의 증가로 연계되어 유도무기의 공력성능을 저하시키는 주된 원인이 된다.
- 롤 각 변화에 따른 측력분포 분석을 통해 고앙각에서 불규칙적으로 관찰되는 비대칭와류 현상에 대한 정확한 이해가 가능하게 되었다. 또한 수치실험을 통해 비대칭 와류의 원인인 미소 교란에 의한 유동박리가 특정 원주 영역에서 발생하여 비대칭 와류를 형성하며 Body 후반부로 진행하며 증폭되어 결과적으로 측력을 증가시키는 역할을 수행함을 확인할 수 있었다 마지막으로 표면 거칠기에 기초한 비대칭 부여 방식을 실제 유도무기 형상에 적용한 결과 풍동 실험과 정성적으로 일치하는 경향성을 보임을 확인하였다.
- 수치계산 결과 미소 측풍, 비대칭 격자분포 방식으로는 실험에서 발견되는 크기의 측력을 보여주지 못하였다. 또한 기하학적 제작오차를 고려한 방식도 유사한 결과를 보여주었다.
- 고려하였다. 수치계산 결과 미소 측풍, 비대칭 격자분포, 미소 크기의 형상 비대칭성 부여 방식으로는 실험에서 발견되는 현상에 근접하는 비대칭 와류 발생을 보여주지 못하였다. 반면 표면 거칠기에 기초한 비대칭 부여 방식이 정성적인 측면에서 실험과 유사한 결과를 보여주었다.
- 11은 받음각 35도에서의 롤각 변화에 따른 측력분로를 보여준다. 실험값과 정성적으로 일치함을 알 수 있었으며, 이는 특정 영역의 표면 거칠기 부여방식이 고앙각 영역에서 발생하는 비대칭 와류에 인한 측력 현상을 물리적으로 타당하게 설명할 있음을 의미한다.
- 3에 나타내었다. 실험에서는 대칭 흐름 조건에서 비대칭 와류 및 측력이 발생하는 것과 달리 수치해석에서는 유동이 대칭적으로 나타났다. 이는 사용된 CFD 코드의 수치점성이 대칭적인 것을 뜻하며 실험에서 발견되는 비대칭 와류를 계산하기 위해서는 추가적 비대칭성을 부여해야 함을 의미한다.
- CFD 결과가 풍동실험 결과와 수직력에서 약 5 퍼센트의 오차를 보여 주었으며 측력에서는약 25 퍼센트의 오차가 존재하였다. 이러한 사실로부터 고 앙각 유동의 비대칭 와류로 인한 측력과 요 모우멘트를 표면 거칠기 비대칭성 부여 방식에 기초한 CFD 해석기법으로 예측이 가능함을 확인할 수 있었다.
- 12는 받음각 42도인 경우로 롤각 0~40도 영역에서 다소 차이를 보이나 전체적으로 유사한 경향성을 보여준다고 할 수 있다. 특히 Navier-Stokes 코드를 이용하여 대류 불안정성 가설(영과 최대 측력값 사이에 임의의 값이 가능)을 확인 시켜 주는 결과라 할 수 있으며, 받음각이 증가함에 따라 기존 연구 자료에서 나타나는 절대 불안정성 펄스 주기의 측력계수와 일치하는 경향성을 보여 주었다.
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