문제 정의

• 후)2차 유동분사에">2차유동분사에 따른 모멘텀의 손실이 적기 때문에 안정적인 제어가 가능하고 엔진의 압축기로부터 쉽게 제어유량을 공급받을 수 있는 장점이 있다. 따라서 본 연구에서는 초음속 유동의 효율적인 제어를 위하여, 유체의 방향선회를 위한 저속유동과 고속유동의 비압축성-압축성 혼존 유동특성 파악과 수치기법과의 연계성을 파악하여 초음속 유동의 유체역학적 추력방향제어 기법을 수치적으로 모사하고 이를 실험과 검증함으로써 다양한 제트유동조건에 따른 작동영역과 각 작동인자에 따른 제트편향특성을 파악하였다.
• 본 연구에서는 Co-flow 2차유동 분사를 이용한 유체역학적 추력방향제어 기법의 요소기술을 연구하였다. Co-flow 기법은 다른 유체역학적 추 4배이다. 주유동은 과팽창, 완전팽창의 초음속 유동조건을 주었고, 제어 유동의 압력을 변화시켰을 때, 주유동의 편향특성에 대하여 연구하였다.
• 후)초음속제트유동과">초음속 제트유동과 인접한 벽면에 서로 다른 유량 및 압력의 제어유동을 분사시킴으로써, 주유동의 흐름방향을 제어하는 Co-flow 2차 유동 분사에 따른 초음속제트유동의 추력방향제어기법에 대하여 연구하였다.

  제안 방법

  • 후)특성 속도를">특성속도를 균등하게 하는 역할을 한다. 또한 낮은 마하수에서 나타나는 압력항의 특이성을 피하기 위해 압력항을 기준압력과 섭동압력으로 분리하였다. 유체역학적 제어기법의 특성상 발생되는 압축성-비압축성의 혼존, 상대적 낮은 압력에서 시동되는 제어유체와 빠른 속도의 후)압력 스캐너를">압력스캐너를 사용하였다. 또한 시간에 따른 압력변화가 거의 없는 정상상태의 데이터를 측정하였다. 실험 및 후)수치 해석의">수치해석의 정상상태 유동을 모사하기 위하여 주유동의 편향 후에도 충분한 시간을 두고 계산하였으며, 노즐내부에서 압력의 시간에 따른 변화는 Fig. 4와 같다.
  • 실험 및 계산조건은 노즐출구 플랩의 각은 모두 10°로 고정된 상태이고, 주노즐과 상부부노즐의 압력이 각각 변화하는 다양한 노즐 압력비(PR)에 대하여 주제트 유동의 편향각을 쉴리렌 유동가시화를 통하여 관찰하였다.
  • 후)각이-30°<φ<30°">각이 -30°<φ<30° 구간에서 각각 개별적으로 조정 가능하도록 설계되었다. 아울러 Coanda 플랩 중앙에는 정압공이 5 mm 간격으로 9개 뚫려 있어(유동방향) Coanda 벽면을 따라 흐르는 유동의 벽면압력 측정이 가능하도록 하였다. 고압의 주유동과 제어유동의 압력은 독립적인 압력비가 추력에 주는 영향을 관찰하기 위하여 편향노즐 출구면에서 종추력, 측추력을 계산하였다.
  • 후)정상 상태">정상상태 수치해석 결과는 실험과 비교를 통해 검증되었고, 압력비에 따른 편향각, 벽면압력분포, 그리고 추력비를 분석하여 최적제어영역을 도출하였다.
  • 제어유동의 압력이 증가함에도 편향각이 변화하지 않는 이유를 살펴보기 위하여 유동구조를 조사하였다. 주유동을 300 kPa로 고정하고 주노즐 출구 위아래에 높이 5 mm인 이차유동 노즐이 위치하고 있으며, 이차유동 노즐출구에는 길이(유동방향)가 50 mm인 편향노즐(플랩)이 위치하여 플랩의 각이 -30°<φ<30° 구간에서 각각 개별적으로 조정 가능하도록 설계되었다.
  • 주유동과 제어유동 간의 큰 압력차와 속도차로 인한 복잡한 난류특성의 정확한 수치모사를 위해서 초음속 편향노즐벽면에서의 코안다효과와 박리유동에 대한 적용성이 우수한 Yang & Shih(10) 의 k-ε 모델에 Sarkar(11)와 Wilcox(12)의 압축성 효과를 추가하여 사용하였다.
  • 후)초음속제트유동에서">초음속 제트유동에서 유체역학적 제어개념을 관찰하기 위해 FTVC(Fluidic Thrust Vector Control) 노즐에 대하여 이차원 수치해석을 수행하였고, 실험을 통해 이를 비교 및 분석하였다.

  대상 데이터

  • 계산영역은 총 8개의 블록이며 격자수는 약 42,000개로 구성하였고, 주유동 노즐 출구면적은 제어유동 출구면적의 2.4배이다. 주유동은 과팽창, 고압의">하였다. 고압의 주유동과 제어유동의 압력은 독립적인 압력트랜스듀서를 사용하였으며, 저압의 코안다 벽면 압력은 압력스캐너를 사용하였다. 또한 시간에 따른

    이론/모형

    • 광범위한 마하수와 세장비가 다양한 격자크기에 안정적 수치해를 얻기 위하여 예조건(precondition) 기법을 사용하였다.^(13,14) 예조건 기법은 비정상 Navier-Stokes 방정식에서 유동변수 벡터의 시간 미분항에 인공적인 예조건 행렬을 곱하여 따라서 본 연구에서는 분할된 영역마다 전체의 프로세서에 할당하여 전체 계산 속도를 빠르게 하는 다중블록/다중영역 분할 기법을 적용하였다.