[논문]2차원 극초음속 흡입구 형상 최적 설계

김채형; 정인석

doi:10.6108/kspe.2014.18.6.001

2차원 극초음속 흡입구 형상 최적 설계
Optimal Design of Two-Dimensional Hypersonic Intake Geometry 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.18 no.6, 2014년, pp.1 - 10

김채형 (Propulsion Test and Evaluation Team, Korea Aerospace Research Institute) , 정인석 (School of Mechanical and Aerospace Engineering, Seoul National University)

초록
AI-Helper

극초음속 흡입구를 직관적이며 체계적으로 설계할 수 있는 최적화된 방법을 제시한다. 마하 7의 이론식으로 계산된 극초음속 흡입구는 점성 조건의 전산수치해석을 수행하여 점성에 대한 오차를 보정한다. 전산수치해석을 통한 성능 비교에서 1단 쐐기에 비해 2단 쐐기를 가지는 흡입구 형상이 성능비교에서 좋은 결과를 보였다. 또한 비설계 조건에서 극초음속 흡입구의 성능은 설계 마하수 성능에 비해 손실이 크지 않았다.

Abstract ▼ AI-Helper

The optimal method to intuitively and systematical design hypersonic intakes is reported. In Mach 7 flow condition, the hypersonic intake model designed by theoretical approach is corrected by CFD(Computational Fluid Dynamics) analysis based on viscous flow condition, leading to the optimum hypersonic intake model. For performance comparison with CFD analysis, the double ramp intake is superior to the single ramp intake. Furthermore, in the off-design condition, the performance of the designed hypersonic intake is little degraded.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

이론적인 방법을 토대로 설계된 기본 흡입구 형상은 비점성 유동 계산 (inviscid flow)과 점성 유동 계산(viscous flow condition)을 통해 설계의 정확성과 점성유동에서의 오차정도를 검증하도록 하였다. 또한 점성에 의해 발생하는 오차해결을 위한 설계 보정방법도 함께 제시하고자 한다.
하지만, 점성을 고려하지 않은 이론식이기에 실제 점성유동이 들어간 해석에서는 오차가 발생하며, 극초음속 흡입구를 설계하는 연구자 입장에서는 직관적이지 못하며, 실험결과에 따른 형상 변경을 바로 수행하기 힘든 단점이 있다. 본 논문에서는 HyShot II 비행 시험[6]을 기본 모델로 최적화된 극초음속 흡입구 설계방법을 제시하며 전산수치해석을 통한 검증 및 성능비교를 하였다.
본 논문에서는 Kantrowitz의 압축 조건을 기반으로 극초음속 흡입구의 형상과 유동 관련식을 사용하여 직관적이며 유동적으로 극초음속 흡입구를 설계할 수 있는 최적화된 설계 방법을 제시하였다.

제안 방법

하지만, 충격파와 경계층 간섭에 의한 박리 유동은 전압력 소실과 유입 유동의 불균일화를 발생시키지만 형상적인 구조로는 막을 수 없다. HyShot II에서처럼 흡입(suction)법을 사용하여 줄일 수 있지만, 본 연구에서는 극초음속 흡입구 설계에 대한 일반적인 설계방법을 제안하므로 흡입법은 사용하지 않도록 한다. 따라서 본 연구를 통해서 설계된 2단 쐐기형 흡입구는 전산수치해석을 통한 여러 성능 검증들(전압력 회복률, 운동에너지효율, 유입유동균일도, 유입질유량비)을 고려할 때 최적화 된 것으로 볼 수 있다.
강한 충격파를 줄이기 위해 2단 쐐기 형상으로 수정하게 되며, 설계 기준은 cowl에서의 면적과 흡입구 출구면적의 관계식을 기준으로 설계하게 된다. 2단 쐐기 흡입구 모델 조건은 Fig.
극초음속 흡입구는 전압력 회복률, 운동에너지 효율, 유입유동균일도, 유입질유량비의 4가지 성능 변수를 사용하여 극초음속 흡입구의 성능을 분석한다. 점성 조건에서는 충격파, 유동박리, 충격파-경계층 간섭 등에 의한 전압력 손실이 발생한다.
따라서 설계 비행마하수의 7 ± 0.5 범위에서 비행성능의 차이가 어느 정도 있는지 분석하였다.
4 kPa이다. 이론적인 방법을 토대로 설계된 기본 흡입구 형상은 비점성 유동 계산 (inviscid flow)과 점성 유동 계산(viscous flow condition)을 통해 설계의 정확성과 점성유동에서의 오차정도를 검증하도록 하였다. 또한 점성에 의해 발생하는 오차해결을 위한 설계 보정방법도 함께 제시하고자 한다.
전산수치해석은 극초음속 흡입구 해석에 사용되고 있는 상용코드인 CFD-Fastran을 사용하여, 극초음속 흡입구 기본 설계 형상에 대한 성능 분석을 수행하였다[3,8]. 충격파와 경계층 간섭에 관한 이전 연구[9,10]에 사용된 계산 조건을 본 연구에 적용하였으며, 계산 조건은 다음과 같다.
극초음속 기본 설계에 사용된 이론식은 점성을 고려하지 않은 흡입구 형상과 1차 유동식을 기본으로 설계하기 때문에 점성에 대한 보정이 필요하다. 전산수치해석을 통해 점성에 의한 충격파의 변화를 보정하여 극초음속 흡입구 형상을 수정하였다. 이 경우 cowl에서 쐐기면에 수직인 면(As)을 새로운 변수로 사용하며, 이 변수와 주변 유동 관계를 사용하여 2차 쐐기를 구하게 된다.
전산수치해석은 극초음속 흡입구 해석에 사용되고 있는 상용코드인 CFD-Fastran을 사용하여, 극초음속 흡입구 기본 설계 형상에 대한 성능 분석을 수행하였다[3,8]. 충격파와 경계층 간섭에 관한 이전 연구[9,10]에 사용된 계산 조건을 본 연구에 적용하였으며, 계산 조건은 다음과 같다.

대상 데이터

본 논문에서는 HyShot II의 비행고도 23 km(온도 220 K, 압력 3.4 kPa)에서 비행 마하수(M₀) 7로 비행하는 스크램제트 엔진을 비행모델 조건으로 선택하였다. 극초음속 비행체의 전체높이 (H_T)는 100 mm로 정하며, 수축비(CR, A₄/A₀), 내부 수축비(ICR, A₄/A₂)를 사용하여 A₄와 A₂를 구한다.
(4) 이 경우 2단 쐐기 시작점에서 충격파가 cowl과 만나도록 (2)와 (3)을 반복한다. 본 논문에서의 2단 쐐기는 6.8도이다.
본 연구에 사용된 2차원 극초음속 흡입구 형상은 호주 University of Queensland의 HyShot II 모델 형상[6]을 기본으로 설계에 필요한 변수를 Fig. 1과 같이 정의 한다.
연구자가 정한 설계 포인트에 따라 (1) - (4)의 과정을 반복한다. 본 연구에서는 2단 쐐기의 경사각은 6.8도이며, 위의 과정을 통해 얻은 2단 쐐기형 흡입구 모델의 전체 형상은 Fig. 10과 같다.

이론/모형

최소수축비에서는 흡입구가 작동하지 않을 수 있으며(unstart), 최고수축비에서는 전압력소실 등의 흡입구 성능저하가 발생한다. 따라서 본 연구에서는 최소(경험식 값)와 최대(Kantrowitz값) 경계의 중간 값인 Velliard의 수축비를 사용하였다. 일반적인 극초음속 흡입구 설계에서는 강한 충격파로 인한 전압력 손실을 줄이기 위해 쐐기각은 20도 이하로 설계를 권장하며, 전반부 쐐기각도를 10도로 정하였다.
마하수 7의 점성 유동에서 충격파는 cowl을 벗어나게 되며, 최대흡입성능을 위해 충격파가 cowl에 위치하도록 Prandtl-Meyer 관계식을 사용하여 쐐기각을 보정한다[7]. 쐐기각 10도 전후에 대한 쐐기각과 충격파 각도는 Fig.
이차원 정상상태 조건으로 공간 차분은 Roe's FDS 2차 스킴을 사용하였으며, Fully Implicit Point Jacobi를 사용한 시간적분 방법을 사용하였다.
충격파와 벽면 경계층 간섭을 보기 위해 난류 모델은 Menter의 SST (shear stress transport) κ-ω 모델을 사용하였으며, 벽면에서의 첫 번째 격자 간격은 3보다 작다 (y+≤3).

성능/효과

(5) 2단 쐐기 형상의 흡입구 전체길이는 500 mm에서 401 mm로 줄어 하중 감소의 이득이 있다.
1단 쐐기형 흡입구와 비교할 경우, Table 3에서 2단 쐐기의 성능이 증가한 것을 볼 수 있다. 1단 쐐기에 비해 2단 쐐기는 2개의 충격파를 통해 전압력 손실을 감소시키고, 유동 방향의 급격한 전환을 감소시켜 유입유동의 균일도를 높이며, 유입 질유량비가 증가한 것을 볼 수 있다.
또한 이 충격파는 연소기로의 유동의 비균일화를 발생시킨다. Fig. 14에서 보는 것처럼 1단 쐐기와는 대조적으로 2단 쐐기는 전단부에서 형성되는 충격파가 정확히 cowl과 만남으로써 99%의 유입 질유량비를 보이며, cowl에서 형성된 충격파는 2단 쐐기의 끝단 모서리와 충돌되도록 하여 충격파로 인한 전압력 손실을 줄였다.
HyShot II에서처럼 흡입(suction)법을 사용하여 줄일 수 있지만, 본 연구에서는 극초음속 흡입구 설계에 대한 일반적인 설계방법을 제안하므로 흡입법은 사용하지 않도록 한다. 따라서 본 연구를 통해서 설계된 2단 쐐기형 흡입구는 전산수치해석을 통한 여러 성능 검증들(전압력 회복률, 운동에너지효율, 유입유동균일도, 유입질유량비)을 고려할 때 최적화 된 것으로 볼 수 있다.
충격파와 cowl의 위치에 따른 초음속 유출(supersonic spillage)이 유입 질유량비에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 비설계점에서 비행마하수의 7 ± 0.5에 대한 성능분석에서는 설계조건에 비해 10% 미만의 성능 손실을 보이는 것을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스크램제트 엔진 설계에서 가장 핵심적인 부분은 무엇인가?	마하 5이상으로 비행하는 스크램제트의 극초음속 흡입구는 스크램제트 엔진의 설계에 있어서 가장 기본적이며 핵심적인 부분이다. 일반적으로 초음속/극초음속 흡입구의 설계는 Kantrowitz[1]의 자체 시동(self-start)이 되기 위한 조건과 Oswatitsch[2]의 다중 충격파에 의한 최대 전압력회복에 관한 이론을 기반으로 한다.
	전압력회복이 본 실험에서 중요한 요소인 이유는?	극초음속 흡입구의 전압력 손실 1%는 스크램 제트 엔진의 추력 손실 1.5%로 전환되기 때문에 전압력회복은 중요한 요소이다[2].
	극초음속 흡입구 연구에 있어서 준 1차원 해석의 한계점은 무엇인가?	국내외에서 위 이론들을 기반으로 극초음속 흡입구 형상 연구가 진행되고 있으며, 준 1차원 해석을 기반으로 충격파와 마하수에 따른 흡입구의 경사각도, 다단의 수 등의 흡입구 형상과 관련된 변수들이 정해진다[3-5]. 하지만, 점성을 고려하지 않은 이론식이기에 실제 점성유동이 들어간 해석에서는 오차가 발생하며, 극초음속 흡입구를 설계하는 연구자 입장에서는 직관적이지 못하며, 실험결과에 따른 형상 변경을 바로 수행하기 힘든 단점이 있다. 본 논문에서는 HyShot II 비행 시험[6]을 기본 모델로 최적화된 극초음속 흡입구 설계방법을 제시하며 전산수치해석을 통한 검증 및 성능비교를 하였다.

참고문헌 (10)

Kantrowitz, A. and Donaldson, C., "Preliminary Investigation of Supersonic Diffusers," NACA ACR-L5D20, 1945.
Seddon, J., Intake Aerodynamics, AIAA Education Series, AIAA, Washington, DC, U.S.A., 1985.
Kang, S.H., Lee, Y.J. and Yang, S.S., "Preliminary Design Study of the Scramjet Engine Intake," Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 9, No. 3, pp. 38-48, 2005.
Veillard, X., Tahir, R., Timofeev, E. and Molder, S., "Limiting Contractions for Starting Simple Ramp-Type Scramjet Intakes with Overboard Spillage," Journal of Propulsion and Power, Vol. 24, No. 5, pp. 1042-1049, 2008.

상세보기
Ogawa, H., Grainger, A.L. and Boyce, R.R., "Inlet Starting of High-Contraction Axisymmetric Scramjets," Journal of Propulsion and Power, Vol. 26, No. 6, pp. 1247-1258, 2010.

상세보기
Boyce, R.R. and Paul, A., "Scramjet Intake and Exhaust CFD Studies for the HyShot Scramjet Flight Experiment," AIAA/NAL/NASDA/ISAS 10th International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference, Kyoto, Japan, AIAA 2001-1891, Apr. 2001.
Curran, E.T. and Murthy, S.N.B., Scramjet Propulsion, Progress in Astronautics and Aeronautics, Vol. 189, AIAA, Massachusetts., U.S.A., 2000.
Vinogradov, V.A. and Stepanov, V.A., "Study of Inlet Flow Field with Gas Jet Injection," 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, Nevada, AIAA 2007-29, Jan. 2007.
Kim, C.H. and Jeung, I.S., "A Performance Study of Vent Mixer with Geometric Characteristics in Supersonic Flow," Journal of the Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 37, No. 1, pp. 69-75, 2009.

원문보기 상세보기
Kim, C.H. and Jeung, I.S., "A Computational Study of Flowfield for a Vent Mixer in Supersonic Flow," Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 12, No. 2, pp. 33-39, 2008.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증