충격파와 경계층의 간섭 현상은 경계층이 박리하고, shock train이 발생하며, 유동장은 매우 복잡한 형태로 된다. 이러한 현상은 반사 충격파와 비정상 경계층이 간섭하는 충격파관에서도 발생한다. 그러나 충격파관에서 발생하는 shock train 현상에 대한 연구는 미비한 실정이다. 본 연구에서는 2차원 축대칭 충격파관을 사용하여 수치해석을 수행하였으며, 충격파관에서 발생하는 shock train의 유동 특성을 상세히 조사하기 위하여 압축성 Navier-Stokes 방정식을 적용하였다. 본 연구의 수치해석 결과를 바탕으로 상세한 파동선도를 통해 실험 결과와 비교하였다.
충격파와 경계층의 간섭 현상은 경계층이 박리하고, shock train이 발생하며, 유동장은 매우 복잡한 형태로 된다. 이러한 현상은 반사 충격파와 비정상 경계층이 간섭하는 충격파관에서도 발생한다. 그러나 충격파관에서 발생하는 shock train 현상에 대한 연구는 미비한 실정이다. 본 연구에서는 2차원 축대칭 충격파관을 사용하여 수치해석을 수행하였으며, 충격파관에서 발생하는 shock train의 유동 특성을 상세히 조사하기 위하여 압축성 Navier-Stokes 방정식을 적용하였다. 본 연구의 수치해석 결과를 바탕으로 상세한 파동선도를 통해 실험 결과와 비교하였다.
The interaction between a shock wave and a boundary layer causes boundary layer separation, shock train, and in some cases, strong unsteadiness in the flow field. Such a situation is also observed in a shock tube, where the reflected shock wave interacts with the unsteady boundary layer. However, on...
The interaction between a shock wave and a boundary layer causes boundary layer separation, shock train, and in some cases, strong unsteadiness in the flow field. Such a situation is also observed in a shock tube, where the reflected shock wave interacts with the unsteady boundary layer. However, only a few studies have been conducted to investigate the shock train phenomenon in a shock tube. In the present study, numerical studies were conducted using the two-dimensional axisymmetric domain of a shock tube, and compressible Navier-Stokes equations were solved to clarify the flow characteristics of shock train phenomenon inside a shock tube. A detailed wave diagram was developed based on the present computational results, which were validated with existing experimental data.
The interaction between a shock wave and a boundary layer causes boundary layer separation, shock train, and in some cases, strong unsteadiness in the flow field. Such a situation is also observed in a shock tube, where the reflected shock wave interacts with the unsteady boundary layer. However, only a few studies have been conducted to investigate the shock train phenomenon in a shock tube. In the present study, numerical studies were conducted using the two-dimensional axisymmetric domain of a shock tube, and compressible Navier-Stokes equations were solved to clarify the flow characteristics of shock train phenomenon inside a shock tube. A detailed wave diagram was developed based on the present computational results, which were validated with existing experimental data.
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문제 정의
만일 충격파관에서 발생하는 ST 현상이 잘 알려진다면, ST 현상의 제어 기구에 대한 연구나 공학적 응용에 대한 연구를 용이하게 수행할 수 있어 공학적으로 응용 가치가 매우 클 것으로 예상된다. 따라서 본 연구에서는 단순한 충격파관에서 발생하는 간섭 현상과 ST의 발생 기구 등을 상세히 조사하기 위하여, 수치해석적 연구를 수행하였다. 본 연구의 수치해석 결과에 대한 타당성을 검증하기 위해 실제 충격파관에서 발생한 간섭 현상 및 ST의 실험 결과와 비교하였다.
따라서 충격파관에서 ST 현상은 반사 충격파와 접촉면의 간섭에 의하여 발생하게 되지만, 현재까지 이에 대한 구체적인 발생 기구, ST 현상에 미치는 충격파관의 길이나 직경, 또 충격파관의 압력비와 기체 종류의 영향에 대해서는 잘 알려져 있지 않다. 따라서 본 연구의 수치해석 결과를 바탕으로, 후속 연구를 통해 이들에 대한 영향을 상세하게 조사하여, ST의 특성과 적절한 제어 기술을 개발하는 것을 목표로 하고 있다.
본 연구에서는 실제 충격파관에서 발생하는 충격파와 경계층의 간섭 그리고 ST을 예측 및 모사하기 위하여, 실험과 동일한 충격파관 규격 및 조건을 적용하여 수치해석을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
4에 도시한 2차원 축대칭 충격파관을 사용하였으며, 실험과 동일한 규격을 적용하여 수치해석적 연구를 수행하였다. 경계조건으로 충격파관의 상부와 양 끝단은 wall, 충격파관의 하부를 symmetry로 적용하였으며, 격막은 interior를 사용하여 순간적인 파막을 적용하였다. 반사 충격파와 경계층의 간섭이 발생하는 벽면 주위의 유동을 정확히 예측하기 위해, 충격파관의 벽면 및 양 끝단에 경계층 격자를 적용하여 약 21만개의 격자를 배치하였다.
경계조건으로 충격파관의 상부와 양 끝단은 wall, 충격파관의 하부를 symmetry로 적용하였으며, 격막은 interior를 사용하여 순간적인 파막을 적용하였다. 반사 충격파와 경계층의 간섭이 발생하는 벽면 주위의 유동을 정확히 예측하기 위해, 충격파관의 벽면 및 양 끝단에 경계층 격자를 적용하여 약 21만개의 격자를 배치하였다. 상용 소프트웨어ANSYS-Fluent 15.
본 연구에서는 종래 수행된 실험적 연구(9,10)를 참고하여 수치해석 결과를 검증하였다. 실험적 연구에서는 Fig.
5mm이고 길이가 1500mm인 고압관과 직경이 38mm이고 길이 6900mm의 저압관 그리고 격막으로 구성되어 있으며, 격막의 파막은 격침으로 이용한다. 실험은 충격파관 내부의 초기 온도는 288K, 고압 관의 초기 압력 372,652.7Pa, 저압관의 초기 압력 666.1~6,666.1Pa을 적용하여 고압관과 저압관의 압력비(P41 )를 10~500 사이에서 변화시켰다. 한편 고압관 및 저압관의 기체는 공기이며, 저압관단 부근에는 광학창을 설치하여 유동장의 쉴리렌 가시화가 가능하도록 설계되어 있다.
대상 데이터
본 연구에서는 이와 같은 충격파 유동을 모사하기 위하여 Fig. 4에 도시한 2차원 축대칭 충격파관을 사용하였으며, 실험과 동일한 규격을 적용하여 수치해석적 연구를 수행하였다. 경계조건으로 충격파관의 상부와 양 끝단은 wall, 충격파관의 하부를 symmetry로 적용하였으며, 격막은 interior를 사용하여 순간적인 파막을 적용하였다.
를 참고하여 수치해석 결과를 검증하였다. 실험적 연구에서는 Fig. 3에 도시한 바와 같은 단순 충격파관을 사용하였으며, 충격파관은 직경이 49.5mm이고 길이가 1500mm인 고압관과 직경이 38mm이고 길이 6900mm의 저압관 그리고 격막으로 구성되어 있으며, 격막의 파막은 격침으로 이용한다. 실험은 충격파관 내부의 초기 온도는 288K, 고압 관의 초기 압력 372,652.
데이터처리
또 경계층 유동을 적절하게 예측하기 위하여 유동의 압축성을 고려한 SST k-w난류 모델을 선택하였다. 다양한 시간스텝에 대한 예비실험을 수행하였으며, 또 격자 의존성에 대한 예비 실험으로 격자수를 변화시켜 수치계산을 수행하여 실험결과와 비교하였다. 그 결과 ST이 발생할 수 있는 영역과 벽면, 관단, 또 격막부분 등에 집중적으로 격자를 배치하고, 시간 스텝을 5.
따라서 본 연구에서는 단순한 충격파관에서 발생하는 간섭 현상과 ST의 발생 기구 등을 상세히 조사하기 위하여, 수치해석적 연구를 수행하였다. 본 연구의 수치해석 결과에 대한 타당성을 검증하기 위해 실제 충격파관에서 발생한 간섭 현상 및 ST의 실험 결과와 비교하였다. 그 결과 수치해석의 결과는 실험 결과를 적절히 예측할 수 있었으며, 본 연구의 수치해석 결과를 파동선도(wave diagram)를 통해 간섭 현상 및 ST을 모사할 수 있었다.
이론/모형
0을 사용하여 비정상 압축성 Navier-Stokes 방정식을 유한 체적법으로 차분화하였으며, 충격파관의 온도 및 초기 압력 역시 실험과 동일한 조건을 적용하였다. 또 경계층 유동을 적절하게 예측하기 위하여 유동의 압축성을 고려한 SST k-w난류 모델을 선택하였다. 다양한 시간스텝에 대한 예비실험을 수행하였으며, 또 격자 의존성에 대한 예비 실험으로 격자수를 변화시켜 수치계산을 수행하여 실험결과와 비교하였다.
반사 충격파와 경계층의 간섭이 발생하는 벽면 주위의 유동을 정확히 예측하기 위해, 충격파관의 벽면 및 양 끝단에 경계층 격자를 적용하여 약 21만개의 격자를 배치하였다. 상용 소프트웨어ANSYS-Fluent 15.0을 사용하여 비정상 압축성 Navier-Stokes 방정식을 유한 체적법으로 차분화하였으며, 충격파관의 온도 및 초기 압력 역시 실험과 동일한 조건을 적용하였다. 또 경계층 유동을 적절하게 예측하기 위하여 유동의 압축성을 고려한 SST k-w난류 모델을 선택하였다.
성능/효과
(2) 반사 충격파와 경계층의 간섭으로 분지한 반사 충격파는 접촉 지역과 간섭으로 ST이 발생하게 된다.
13은 관단으로부터의 거리에 대한 분지한 반사 충격파의 높이에 대한 그래프이다. 4개의 그래프 모두 경계층과 간섭으로 선형적으로 높아졌다가 특정 값에 도달한 높이는 접촉 지역과 간섭이 진행되면서 높이는 높아졌으며, 다시 일정하게 나타났다.
그래프의 횡축과 종축을 각각 관의 직경(D)으로 무차원화하였다. 4개의 그래프 모두 관단으로부터 약 x/D=2까지 높이는 선형적으로 높아졌으며, 약 x/D=3에서 특정한 값에 도달한 후 높이는 거의 일정하게 유지되었다. 마하수 2.
경계층과 간섭으로 분지한 반사 충격파의 형상은 마하수에 큰 영향을 받지 않았지만, 접촉 지역과 간섭이 진행됨에 따라, 분지한 반사 충격파의 형상은 마하수에 비례하여 형상의 변화가 나타났다. 이를 통해 충격파관에서 발생하는 반사 충격파와 경계층 그리고 접촉면의 간섭은 충격파 강도에 비례한다는 것을 알 수 있으며, 본 논문의 수치해석 결과는 실제 충격파관에서 발생하는 간섭 현상과 ST을 적절히 예측하였다.
다양한 시간스텝에 대한 예비실험을 수행하였으며, 또 격자 의존성에 대한 예비 실험으로 격자수를 변화시켜 수치계산을 수행하여 실험결과와 비교하였다. 그 결과 ST이 발생할 수 있는 영역과 벽면, 관단, 또 격막부분 등에 집중적으로 격자를 배치하고, 시간 스텝을 5.5e-7로 설정하면 가장 정확한 예측을 할 수 있다는 판단을 하게 되었다.
본 연구의 수치해석 결과에 대한 타당성을 검증하기 위해 실제 충격파관에서 발생한 간섭 현상 및 ST의 실험 결과와 비교하였다. 그 결과 수치해석의 결과는 실험 결과를 적절히 예측할 수 있었으며, 본 연구의 수치해석 결과를 파동선도(wave diagram)를 통해 간섭 현상 및 ST을 모사할 수 있었다.
그래프를 보았을 때, 관단(x/D=0)으로부터 약 x/D=5까지 실험과 수치해석의 평균 각도는 각각 약 52°, 53°로 거의 동일한 값이 나타났다.
그래프를 보았을 때, 관단(x/D=0)으로부터 약 x/D=5까지 실험과 수치해석의 평균 각도는 각각 약 52°, 53°로 거의 동일한 값이 나타났다. 또한 마하수 2.5 외에 다른 마하수에서도 실험과 수치해석의 평균 각도는 Fig. 7과 거의 동일한 값이 나타났는데, 이는 관단으로부터 약 x/D=5까지 분지한 반사 충격파의 각도는 마하수에 큰 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다.
Mn은 반사 충격파에서 분지하지 않은 부분의 하류 유동의 마하수, Mb는 반사 충격파에서 분지한 부분의 하류 유동의 마하수를 의미한다. 반사 충격파와 접촉면의 간섭 전, Mn, Mb의 유동 마하수는 초음속에서 아음속으로 감속되었다. 접촉면과 간섭 후, 분지한 반사 충격파의 높이 증가와 각도의 감소, 그리고 팽창파로 인하여 분지한 부분의 하류 유동의 마하수는 초음속으로 가속되었다.
경계층과 간섭으로 분지한 반사 충격파의 형상은 마하수에 큰 영향을 받지 않았지만, 접촉 지역과 간섭이 진행됨에 따라, 분지한 반사 충격파의 형상은 마하수에 비례하여 형상의 변화가 나타났다. 이를 통해 충격파관에서 발생하는 반사 충격파와 경계층 그리고 접촉면의 간섭은 충격파 강도에 비례한다는 것을 알 수 있으며, 본 논문의 수치해석 결과는 실제 충격파관에서 발생하는 간섭 현상과 ST을 적절히 예측하였다.
후속연구
(2~5) 그러나 ST 현상에 미치는 유로 형태의 영향, ST의 제어기술 등에 대해서는 아직까지 많은 미해결점들이 남아 있어, ST 현상을 공학적으로 적절하게 응용하기 위해서는 보다 많은 후속 연구가 필요하다.
(3) 본 연구의 수치해석 결과는 실험 결과를 적절히 예측할 수 있었으며, 수치해석 결과를 바탕으로 ST 현상에 영향을 미치는 충격파관의 길이,직경 그리고 압력비 등을 변화시켜 후속 연구를 수행할 예정이며, ST의 특성과 적절한 제어 기술 개발을 목표로 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
충격파와 경계층의 간섭 현상이란 무엇인가?
충격파와 경계층의 간섭 현상은 경계층이 박리하고, shock train이 발생하며, 유동장은 매우 복잡한 형태로 된다. 이러한 현상은 반사 충격파와 비정상 경계층이 간섭하는 충격파관에서도 발생한다.
종래 shock train이란 무엇인가?
또 간섭 유동장은 다수의 충격파가 발생하게 되는 등 매우 복잡한 형태로 된다.(1) 이와 같이 충격파와 경계층의 간섭에 의하여 분지한 충격파 하류에 형성되는 다수의 충격파를 종래 shock train(ST)이라 정의하고 있다.(1)
고압관과 저압관 그리고 이들을 구분하는 격막의 파막에 의하여 어떤 현상이 발생되는가?
충격파관은 일반적으로 고압관과 저압관 그리고 이들을 구분하는 격막으로 매우 단순하게 구성된다. 격막의 파막에 의하여 비정상 유동장 즉, 충격파(shock wave), 접촉면(contact surface) 그리고 팽창파(expansion wave)가 발생하게 되며, 충격파관 내에는 매우 복잡한 파동 현상이 발생하게 된다(Fig. 1).
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