최근 이중목 노즐(Dual Throat Nozzle, DTN)을 사용하여 추진체의 추력을 제어하는 방 이 많은 주목을 받고 있다. 이중목 노즐은 공동을 사이에 두고 두 개의 노즐 목을 가지도록 설계된다. 본 연구에서는 DTN의 기초 유동특성을 조사하기 위하여, 수치해석적인 방법을 적용하였으며, 노즐압력비와 노즐목 면적비를 변화시켰다. 수치해석에서는 축대칭, 압축성 Navier-Stokes방정식을 풀기 위하여, 유한체적법을 적용하였다. 그 결과 본 수치해석은 실험결과를 잘 예측하였으며, DTN의 성능을 추력계수와 유출계수의 항으로 상세하게 설명하였다.
최근 이중목 노즐(Dual Throat Nozzle, DTN)을 사용하여 추진체의 추력을 제어하는 방 이 많은 주목을 받고 있다. 이중목 노즐은 공동을 사이에 두고 두 개의 노즐 목을 가지도록 설계된다. 본 연구에서는 DTN의 기초 유동특성을 조사하기 위하여, 수치해석적인 방법을 적용하였으며, 노즐압력비와 노즐목 면적비를 변화시켰다. 수치해석에서는 축대칭, 압축성 Navier-Stokes방정식을 풀기 위하여, 유한체적법을 적용하였다. 그 결과 본 수치해석은 실험결과를 잘 예측하였으며, DTN의 성능을 추력계수와 유출계수의 항으로 상세하게 설명하였다.
Dual throat nozzle(DTN) is recently attracting much attention as a new concept of the thrust vectoring technique. This DTN is designed with two throats, an upstream minimum and a downstream minimum at the nozzle exit, with a cavity in between the upstream throat and exit. In the present study, a com...
Dual throat nozzle(DTN) is recently attracting much attention as a new concept of the thrust vectoring technique. This DTN is designed with two throats, an upstream minimum and a downstream minimum at the nozzle exit, with a cavity in between the upstream throat and exit. In the present study, a computational work has been carried out to analyze a fundamental performance of a dual throat nozzle(DTN) at various nozzle pressure ratios(NPR) and throat area ratios. Two-dimensional, axisymmetric, steady, compressible Navier-Stokes equations were solved using a fully implicit finite volume scheme. NPR was varied in the range of NPR from 2.0 to 10.0, at different throat area ratios. The present computational results were validated with some experimental data available. Based upon the present results, the performance of DTN is discussed in terms of the discharge coefficient and thrust efficiency.
Dual throat nozzle(DTN) is recently attracting much attention as a new concept of the thrust vectoring technique. This DTN is designed with two throats, an upstream minimum and a downstream minimum at the nozzle exit, with a cavity in between the upstream throat and exit. In the present study, a computational work has been carried out to analyze a fundamental performance of a dual throat nozzle(DTN) at various nozzle pressure ratios(NPR) and throat area ratios. Two-dimensional, axisymmetric, steady, compressible Navier-Stokes equations were solved using a fully implicit finite volume scheme. NPR was varied in the range of NPR from 2.0 to 10.0, at different throat area ratios. The present computational results were validated with some experimental data available. Based upon the present results, the performance of DTN is discussed in terms of the discharge coefficient and thrust efficiency.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
따라서, 본 연구에서는 DTN을 이용한 TVC에서 2차유동 분사(Blowing)의 최적조건을 알기위해 기본형상에 대한 기초적 연구의 일환으로, 상류목에 2차 유동을 분사하지 않은 경우에 대하여 수치해석법을 이용하여 DTN의 유동특성을 조사하였으며, 선행 연구의 실험결과[6]와 비교하였다.
본 연구에서는 DTN을 이용한 추력제어 연구의 일환으로, 2차유동의 분사(Blowing)가 없는 경우에 대한 수치해석을 수행하여, DTN에서 발생하는 유동특성과 DTN의 추력성능 및 유출계수의 값을 조사하였다. 본 수치계산의 결과, 제시된 범위에서 NPR이 작은 경우에 DTN의 노즐목 면적비가 작은 경우가 큰 경우에 비하여 추력 값이 크지만, NPR이 증가하여, DTN 출구에서 강한 부족팽창 제트류가 형성되는 경우에는 노즐 목면적비가 클수록 추력 값이 증가한다는 것을 알았다.
본 연구에서는 이중목 노즐(Dual Throat Nozzle, DTN)의 개념[6]을 이용하여, 상류목 노즐의 바로 직전에서 유동을 분사하는 방법을 적용하는 TVC의 유효성을 조사하기 위하여 기초적 연구를 수행하였다.
가설 설정
15 K로 일정하게 유지하였다. 또 노즐의 배압에 해당하는 Pressure Outlet에는 대기압(Pb)과 대기온도를 가정하였다. 따라서 본 연구에 적용된 노즐압력비 (NPR=P0/Pb)의 값은 DTN에서 과팽창 및 부족팽창 유동이 얻어질 수 있도록 2.
제안 방법
또 노즐의 배압에 해당하는 Pressure Outlet에는 대기압(Pb)과 대기온도를 가정하였다. 따라서 본 연구에 적용된 노즐압력비 (NPR=P0/Pb)의 값은 DTN에서 과팽창 및 부족팽창 유동이 얻어질 수 있도록 2.0에서 10.0 범위에서 변화시켰다.
본 연구에서는 DTN 에 대한 기초연구의 일환으로, 제트유동에 미치는 노즐 상세형상의 영향을 조사하기 위하여, Fig. 2에 도시한 바와 같이, d1을 61.5 mm 고정하고 d2의 값을 변화시켰으며, 또 θ1과 l을 각각 10 deg 그리고 133.6 mm로 고정하여, θ2의 값을 변화시켰다.
수치계산의 경계조건으로 노즐 입구에 Pressure Inlet, 그리고 계산영역의 외부경계에는 Pressure Outlet을 적용하였으며, 벽면에는 단열 No-slip조건을 적용하였다. 본 연구에서 Pressure Inlet에는 전압(P0)와 전온도(TO)을 적용하였으며, P0의 값을 200 kPa에서 1 MPa까지의 영역에서 변화시켰으나, TO는 293.
대상 데이터
계산영역의 크기는 x방향으로 노즐목(상류목) 직경의 50배, y방향으로 10배 정도였으며, 이러한 계산영역은 노즐의 압력비(NPR)에 따라 다소 변화하였다. 수치계산에 사용된 격자는 대략 40,000개 이었다.
이론/모형
계산에는 Fluent 6 프로그램을 사용하였으며, 압축성을 고려한 k-ω 난류모델을 적용하였다.
본 연구에서는 DTN을 통하는 기체유동의 특성을 조사하기 위하여, 축대칭 2차원 압축성 Navier-Stokes식을 이용하여 수치해석을 수행하였다. 계산에는 Fluent 6 프로그램을 사용하였으며, 압축성을 고려한 k-ω 난류모델을 적용하였다.
성능/효과
본 연구에서는 DTN을 이용한 추력제어 연구의 일환으로, 2차유동의 분사(Blowing)가 없는 경우에 대한 수치해석을 수행하여, DTN에서 발생하는 유동특성과 DTN의 추력성능 및 유출계수의 값을 조사하였다. 본 수치계산의 결과, 제시된 범위에서 NPR이 작은 경우에 DTN의 노즐목 면적비가 작은 경우가 큰 경우에 비하여 추력 값이 크지만, NPR이 증가하여, DTN 출구에서 강한 부족팽창 제트류가 형성되는 경우에는 노즐 목면적비가 클수록 추력 값이 증가한다는 것을 알았다. 또 유출계수의 값은 공동부에서 발생하는 압력손실에 의해 하류목이 상류목에 비해 작고, Ae/At가 1.
수치계산의 경계조건으로 노즐 입구에 Pressure Inlet, 그리고 계산영역의 외부경계에는 Pressure Outlet을 적용하였으며, 벽면에는 단열 No-slip조건을 적용하였다. 본 연구에서 Pressure Inlet에는 전압(P0)와 전온도(TO)을 적용하였으며, P0의 값을 200 kPa에서 1 MPa까지의 영역에서 변화시켰으나, TO는 293.15 K로 일정하게 유지하였다. 또 노즐의 배압에 해당하는 Pressure Outlet에는 대기압(Pb)과 대기온도를 가정하였다.
따라서 λ-shock 발달에 따른 수직충격파 위치가 하류목 후류에 위치한다. 본 연구의 결과로부터 NPR 증가에 따라 노즐 내 초음속 유동이 차지하는 비율이 증가하고 이에 따른 유동의 박리 및 점성, 난류 영향의 감소에 의해 수치해석 결과의 신뢰성이 증가한다.
비록 본 연구에서는 NPR이 10 이하로 적용하였지만, NPR이 더욱 증가하고, 상류목과 하류목의 면적비가 상대적으로 작은 경우에는 Ae/At=1.0에 대한 Ct에 점근하게 될 것이지만, Ae/At가 큰 경우에 Ct는 Ae/At=1.0에 대한 값보다 상당히 크게 될 것으로 예상된다. 본 연구로부터 제시된 범위에서 DTN의 NPR이 낮으면 Ae/At가 작을수록 Ct는 커지지만, NPR이 높아지면 Ae/At가 클수록 Ct는 증가한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
2차 유동을 이용한 추력벡터 제어법은 어떠한 방법들이 연구되었는가
이와 같은 2차 유동을 이용한 추력벡터 제어법[3, 4]은 추진노즐 내부로 2차 유동을 분사하는 방법과 외부에 이젝터를 설치하여, 2차유동의 유량을 조절하여, 추진체의 추력을 제어하는 방법들이 주로 연구되어 왔다. 최근 정 등[5]은 주 노즐 외부에 이젝터 형상의 Shroud를 설치하여, Shroud로부터 2차유동을 주 노즐의 유동방향과 같은 방향으로 발생시켜 제트기류 방향을 변화시키는 경우와, 2차유동의 방향을 기류의 역방향으로 발생시키는 두 방법을 수치해석적 및 실험적으로 조사하였다.
추력벡터제어 기술이란 무엇인가
일반적으로 추진엔진의 노즐로부터 방출되는 고속기류의 추력방향을 제어하여, 추진체의 비행 경로를 변화시키는 "추력벡터제어(Thrust Vectoring Control, TVC)" 기술은 시스템의 기동성(Maneuverability)과 성능을 좌우하는 중요 기술로서, 과거부터 TVC에 관한 많은 연구가 수행되어 왔다. 종래에 수행된 TVC 기술들은 기계적인 방법을 주로 적용하여 왔으며, 이러한 방법은 추진노즐 내부에 Flap이나 Vane 등[1 ,2]을 설치하거나, 추진노즐 자체를 가변형으로 하여 유압으로 노즐 형상을 변화시키는 것으로, 고기동성이 요구되는 추진체나 비상체에 성공적으로 적용되어 왔다.
TVC 기술은 기계적인 방법을 주로 적용하였는데 이는 어떠한 문제점이 있는가
그러나 이러한 기계적인 방법에는 부수적으로 필요로 하는 기계장치로 인해 추진 시스템의 중량을 증가시킬 뿐만 아니라, 시스템을 구조적으로 복잡하게 하고, 제작비 등을 증가시키게 된다. 또 경우에 따라서 기계적 구동장치의 추가로, 레이더에 쉽게 포착되는 문제점들이 지적되어 왔다.
참고문헌 (7)
Bursey, R. and Dickinson, R., "Flight Test Results of the F-15 SMTD Thrust Vectoring/Thrust Reversing Exhaust Nozzle," AIAA Paper, 90-1906, 1990
Regeniee, V., Gatlin, D., Kempel, R. and Matheny, N., "The F-18 High Alpha Research Vehicle: A High Angle-of-Attack Testbed Aircraft," NASA TM, 104253, 1992
Jung, S. J., Kim, H. D., Ahn, J. M. and Jung, D. H., "Study of the Thrust Vector Control Using a Secondary Flow Injection," Proc. KSPE Spring Annual Meeting, 2002, pp.14-15
Green, C. J. and Mc Cullough, M. Jr., "Liquid Injection Thrust Vector Control," AIAA Journal, Vol.1, No.3, 1963, pp.573-578
Jung, S. J., Kumar, V. R. S. and Kim, H. D., "A Study of Thrust-Vectoring Nozzle Flow Using Coflow-Counterflow Concept," Proc. KSME Fall Conference, 2003, pp.592-597
Flamm, J. D., Deere, K. A., Mason, M. L., Berrier, B. L. and Johnson, S. K., "Experimental Study of an Axisymmetric Dual Throat Fluidic Thrust Vectoring Nozzle for Supersonic Aircraft Application," AIAA Paper, 2007-5084, 2007
Deere, K. A., Flamm, J. D., Berrier, B. L. and Johnson, S. K., "Computational Study of an Axisymmetric Dual Throat Fluidic Thrust Vectoring Nozzle for a Supersonic Aircraft Application," AIAA Paper, 2007-5085, 2007
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.