[논문]슬롯 분사가 있는 후향계단 유동장 분석을 위한 초음속풍동 설계

김익태

doi:10.5762/kais.2016.17.11.363

초록
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본 연구는 마하수 2.5의 초음속 영역에서 마하수 1.0의 슬롯 분사가 있는 후향계단 형상에 대한 유동장 특성을 분석하기 위하여 초음속풍동 시험부를 설계, 제작하였다. 비행체가 고속으로 움직일 때 공동 주위의 유동은 매우 복잡하여 수치해석 결과를 검증할 초음속풍동 시험 자료가 필요하기 때문에 기존의 2차원 대칭형 노즐을 아랫면이 평판인 비대칭형 노즐로 수정하였다. 특성곡선해법을 이용한 비점성 노즐을 설계하고, 시험을 통해 얻은 경계층 두께를 노즐에 반영하여 보정한 기법을 C 언어로 프로그래밍하여 얻은 결과를 수치해석 결과와 비교하여 검증하였다. 슬롯 분사 시 지속적인 유동장 변화 분석을 위한 초음속 유지시간 확보를 위해 저장탱크의 압력 변화에 따른 PID 제어프로그램 수정으로 초음속 유동 유지시간을 약 5초에서 약 6초로 1초 정도 연장하여 제어 효율을 향상하였고, 슬롯 분사가 있는 후향계단에서의 유동장 변화를 슐리렌장치로 가시화하여 복잡한 유동장 특성을 확인하였다. 향후 슬롯 분사의 속도와 유량, 유동장의 온도를 변화하여 공동에서의 막냉각 효과 분석을 위한 장비로 사용할 계획이다.

Abstract ▼ AI-Helper

A test section of a supersonic wind tunnel was designed for the analysis of flow characteristics over a backward-facing step with Mach 1.0 slot injection in a supersonic flow of Mach 2.5. The cavity flow of a high-speed vehicle is very complex at supersonic speed, so it is necessary to do experiment...

A test section of a supersonic wind tunnel was designed for the analysis of flow characteristics over a backward-facing step with Mach 1.0 slot injection in a supersonic flow of Mach 2.5. The cavity flow of a high-speed vehicle is very complex at supersonic speed, so it is necessary to do experiments using supersonic wind tunnels to verify numerical analysis methods. The previous 2D symmetrical nozzle was replaced with an asymmetrical nozzle. The inviscid nozzle contour was designed using Method of Characteristics (MOC), and the boundary layer thickness correction was reflected by experimental data from the wind tunnel. The results were compared with a CFD analysis. The PID control system was changed to be based on the change of tank pressure. This improved the control efficiency, and the run times of supersonic flow increased by about 1 second. The flow characteristics over a backward facing step with slot injection were visualized by a Schlieren device. This equipment will be used for an experimental study of the film cooling effectiveness over a cavity with various velocities, mass flows, and temperatures.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 공동에서의 복잡한 유동장 특성을 분석하기 위하여 수치해석 결과를 검증하기 위한 초음속풍동시험 자료를 얻고자 하였다.

제안 방법

Crown et al.[7]은 MOC을 통해 비점성 노즐 형상을 설계하고, 풍동시험을 통해 얻은 경계층 두께를 노즐에 반영하여 보정하는 설계기법을 제시하였으며, 본 연구에는 2차원 비대칭 형상에 따라 경계층 보정은 상부의 노즐에만 적용하여 C-언어로 코딩한 노즐의 각 (x, y) 좌표 값들에 대하여 CATIA로 모델링하였다.
시험부의 크기가 120mm×80mm, 마하수 2.5의 2차원 비대칭형 노즐을 특성곡선해법(MOC)을 적용하여 설계하였으며, 마하수 2.5 유동장에서 출구 마하수 1.0의 속도로 후향계단 슬롯 분사시 슐리렌장치 유동 가시화 결과를 분석하였다.
후향계단 후류 유동장 특성 분석을 위해 마하수 2.5의 기존 대칭형 초음속 노즐을 Fig. 4와 같이 아랫면이 평판으로 하는 비대칭형으로 설계하였다.

데이터처리

초음속 노즐의 수치적 검증을 위해 FLUENT를 이용하여 유동장 해석을 수행하였다. 압축성 유동 해석에 효과적인 Density-Based Solver를 사용하였으며, 후향계단에서 슬롯 분사의 경우 박리 예측에 강한 SST k - ω 난류모델[8]을 적용하였다.

이론/모형

관 내의 정상유동을 아음속에서 초음속으로 팽창하기 위해서는 축소-확대 노즐이 필요하다. 준1차원 유동의 국소 마하수에 관한 관계식으로부터 노즐의 목(Throat)과 출구(Exit)의 면적비(1)에 의해 출구 마하수를 결정하며, A = A(x)의 면적변화를 고려한 2차원 유동을 만족시키기 위하여 특성곡선해법(MOC, Method of Characteristics)을 이용해 관 내 충격파가 발생하지 않고, 등엔 트로피 유동을 얻을 수 있도록 설계한다.[1]
초음속 노즐의 수치적 검증을 위해 FLUENT를 이용하여 유동장 해석을 수행하였다. 압축성 유동 해석에 효과적인 Density-Based Solver를 사용하였으며, 후향계단에서 슬롯 분사의 경우 박리 예측에 강한 SST k - ω 난류모델[8]을 적용하였다. 노즐 입구 조건은 3atm (3kg_f/cm²)으로 계산하였다.

성능/효과

두 번째로 슬롯 분사시 유동장 변화 분석을 위한 초음속 유지시간 확보를 위해 저장탱크의 압력 변화에 따른 PID 제어프로그램 수정으로 약 5초에서 약 6초로 1초 정도 증가하는 제어 효율을 향상시켰다.
마지막으로 슬롯 분사가 있는 후향계단에서의 초음속 유동장을 슐리렌장치를 이용하여 마하수 2.5의 주 유동장과 마하수 1.0의 슬롯 분사 유동장의 상호 작용에 의한 특성을 확인하였다. 이후 슬롯 분사의 속도와 유량을 변경함에 따라 변화하는 유동장을 추가로 시험할 예정이며, 시험을 통하여 획득한 결과는 수치해석 결과를 검증하는 자료로 사용할 것이다.
먼저 2차원 비대칭형 노즐 설계를 위하여 특성곡선해법에 따라 계산된 값을 CATIA로 모델링하였으며, 수치 해석 결과와 비교하여 노즐 출구에서 목표하는 마하수 2.5의 초음속 유동장이 발생하는 것을 확인하였다.

후속연구

이후 슬롯 분사의 속도와 유량을 변경함에 따라 변화하는 유동장을 추가로 시험할 예정이며, 시험을 통하여 획득한 결과는 수치해석 결과를 검증하는 자료로 사용할 것이다. 나아가 최종 주 유동장과 슬롯 분사 유동장의 온도차에 대한 막냉각 효과 분석을 수행할 계획이다.
0의 슬롯 분사 유동장의 상호 작용에 의하여 나타나는 현상이며, 슬롯 분사의 속도와 유량에 따라 팽창파와 반사충격파의 위치가 변경될 수 있으며, 슬롯 분사하는 각도에 따라서도 변화할 수 있음을 시사하고 있다. 본 시험결과는 이후 수치해석 결과와 검증의 과정을 통해 매 조건에 대한 시험을 대신하여 다양한 유동장 분석에 활용할 계획이다.
0의 슬롯 분사 유동장의 상호 작용에 의한 특성을 확인하였다. 이후 슬롯 분사의 속도와 유량을 변경함에 따라 변화하는 유동장을 추가로 시험할 예정이며, 시험을 통하여 획득한 결과는 수치해석 결과를 검증하는 자료로 사용할 것이다. 나아가 최종 주 유동장과 슬롯 분사 유동장의 온도차에 대한 막냉각 효과 분석을 수행할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초음속풍동의 특징은 무엇인가?	초음속풍동은 공기역학적인 시험을 하기 위하여 정지된 기체가 노즐(Nozzle)을 지나 초음속으로 팽창되어 일정 시간 초음속 유동장이 되며, 디퓨저(Diffuser)를 통해 낮은 속도의 아음속으로 압축하여 대기로 기체를 유출하도록 설계되어 있다.[1]
	후향계단 형상에 대한 연구에는 무엇이 있는가?	Kim et al.[3]은 연소기 내부에서 연료와 공기의 혼합 특성을 개선하여 연소 효율의 증대를 목적으로 사용되어 지고 있는 초음속 난류 유동장에서 측면 제트 분사에 대한 수치적 연구를 하였으며, Song et al.[4]는 플라즈마의 발생 위치 및 플라즈마 특성에 따른 후향계단 후류 재부착 지점을 예측하고, 이를 제어하기 위한 기초적인 연구를 수행하였다. 또한 Lee[5]는 복잡한 유동 특성으로 밀도 차에 의한 빛의 굴절을 야기하여 초정밀 영상이 필요한 센서의 경우 영상 왜곡을 초래하는 것을 완화하기 위하여 후향계단 끝 부분에서 45° 상방향으로 슬롯 분사하여 공동에서 발생하는 와류를 능동적으로 제어하는 기법을 제시하였으며, Li et al.[6]은 유도미사일 등 비행체가 초고속으로 비행하는 동안 높은 열과 균열이 생겨 광학탐색시스템의 목표 형상 오류나 떨림 등으로 이미지 전송을 방해하는 복합적인 유동에 대하여 냉각 제트를 분사하는 막냉각 효과를 연구하였다.
	고속으로 움직일 때 공동 주위에 나타나는 다양한 유동 특성을 분석하기 위해 무엇을 사용하는가?	고속으로 움직일 때 공동 주위에 나타나는 다양한 유동 특성을 분석하기 위해서는 비선형 편미분방정식의 Navier-Stokes Equations을 유한차분법(FDM) 등의 전산유체(CFD) 해석기법을 이용하여 시뮬레이션을 수행하고 있으나, 이러한 방법은 실제 현상에 대하여 여러 가정을 통해 대부분 근사해만을 얻을 수 있어 사전에 초음속풍동을 이용한 각종 공력 특성 및 성능 시험자료와 코드 검증이 반드시 필요하다.

참고문헌 (9)

O. H. Rho, Compressible Fluid Dynamics, pp. 130-154, 286-290, Huijungdang, 1997.
J. R. Kim, "A Study on Performance Characteristics of Center-body Diffuser with Counter-flow Jet", Chosun University, pp. 86-93, 2016.
J. R. Kim, J. S. Kim, "Numerical Study of Unsteady Supersonic Flow behind a Rearward-Facing Step with Slot Injection", KSAS, 31-1, pp. 97-103, 2003.
J. W. Song, S. K. Park, T. H. Kim, J. Y. Bae, H. H. Cho, K. J. Jung, "A Study of Flow Control in Backward-Facing Step using Plasma", KSFM, pp. 20-21, 2011.
J. I. Lee, "Active Flow Control Technology for Vortex Stabilization on Backward-Facing Step", IEIE, 50-1, pp. 246-253, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.5573/ieek.2013.50.1.246

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C. C. Li, Y. C. Lin, M. C. Hsieh, "3-D Simulation of External Cooling of Aero-optical Side Window", IEEE 3rd International Conference, pp. 214-218, 2011. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/iccsn.2011.6014883
J. C. Crown and W. H. Heybey, "Supersonic Nozzle Design", US Naval Ordnance Laboratory, NOLM 10594, 1950.
F. R. Menter, M. Kuntz, R. Langtry, "Ten Years of Industrial Experienct with the SST Turbulence Model", Turbulence, Heat and Mass Transfer, vol. 4, pp. 625-632, 2003.
KOMI, "Schlieren Optic System", http://www.komiweb.co.kr (accessed Sep. 30, 2016)

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