[논문]초고속 비행체를 위한 준 자유흐름식 고공환경 모사시험설비의 상온시험 및 내부유동 해석

이성민; 유이상; 최지선; 오정화; 신민규; 고영성

doi:10.5139/jksas.2018.46.4.290

초고속 비행체를 위한 준 자유흐름식 고공환경 모사시험설비의 상온시험 및 내부유동 해석
Cold Test and Internal Flow Analysis of Semi-Freejet Type High Altitude Environment Simulation Test Facility for the High-Speed Vehicle 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.46 no.4, 2018년, pp.290 - 296

이성민 (Department of Aerospace Engineering, Graduate School at Chungnam National University) , 유이상 (Department of Aerospace Engineering, Graduate School at Chungnam National University) , 최지선 (Department of Aerospace Engineering, Graduate School at Chungnam National University) , 오정화 (Department of Aerospace Engineering, Graduate School at Chungnam National University) , 신민규 (Department of Aerospace Engineering, Graduate School at Chungnam National University) , 고영성 (Department of Aerospace Engineering, Chungnam National University)

초록
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본 연구에서는 초고속 비행체 고공환경 모사시험 설비의 운용범위를 확인하기 위하여 시험모델의 형상변수에 따라 상온시험 및 수치해석을 수행하였다. 시험 모델의 형상변수로는 폐색율, 각도 및 길이 비를 고려하였다. 폐색율은 경사충격파와 팽창 팬의 영향으로 40% 이상의 영역에서 운용이 제한될 것으로 판단된다. 각도의 변수는 강한 충격파의 영향으로 45도 이하의 크기에서 모델을 선정해야함을 확인하였다. 길이의 변수는 모델직경대비 8배의 길이 변화에도 성능의 차이가 없었다. 최종적으로 원뿔형 시험 모델의 형상 변수에 따른 성능 데이터베이스를 확보하였으며, 준 자유흐름식 고공환경 모사설비의 운용 가능한 범위를 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the cold test and the numerical analysis were carried out according to the shape parameters of the test model in order to confirm the operation range of high altitude environment simulation test facility for the supersonic vehicle. The blockage ratio, angle and length ratio were considered as the design parameters. The blockage rate is expected to be limited in the region of more than 40% due to the normal shock and expansion fan. It was confirmed that the angle of model should be selected at the size of 45 degrees or less due to the influence of the strong shock wave. There was no difference in performance between the lengths of 8 times the model diameter. Finally, we obtained the performance database according to the shape parameters of the conical test model and confirmed the operable range of the semi-freejet type high altitude environment simulation test facility.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 Fig. 1과 같이 초고속 비행체의 고공 환경 모사 시험 설비 설계/제작한 후 상온 시험을 통해 시험모델의 형상 변화에 따른 성능 특성을 살펴보고, 시험 설비 내부의 주요 유동패턴을 분석하기 위하여 수치해석을 진행하였다. 즉 고공환경 모사 시험 설비의 진공 챔버 압력 및 벽면압력분포를 상온시험과 수치해석 결과로 비교/분석하여, 시험 모델의 형상 변수에 따른 성능 변화 특성 등을 고찰하였다.
본 연구에서는 초고속 비행체를 시험하기 위한 고공환경모사 시험설비를 이용하여 상온시험 및 수치해석을 진행하였다. 그 결과 각각의 시험모델의 변수(폐색율, 각도, 길이)를 시험부 내부에서 변경하여 수행하였고, 이에 대한 결과를 정리하였다.

가설 설정

(2) 각도의 변수는 해당 마하수에 따른 시험모델의 최댓값이 존재한다. 본 연구에서는 45도의 각도 이상의 영역으로 실험을 하게 되면, 노즐유동의 교란으로 인하여 성능이 급격히 떨어질 것으로 판단된다.

제안 방법

본 연구에서는 초고속 비행체를 시험하기 위한 고공환경모사 시험설비를 이용하여 상온시험 및 수치해석을 진행하였다. 그 결과 각각의 시험모델의 변수(폐색율, 각도, 길이)를 시험부 내부에서 변경하여 수행하였고, 이에 대한 결과를 정리하였다.
4와 같이 지정하였고, 해석조건은 실험과 동일한 조건을 부여하였다. 디퓨저와 이젝터의 결합설비에서 디퓨저의 배압만 형성된다면, 전단의 유동에는 간섭이 미미함을 확인하였고, 이에 따라 수치해석의 단순 화를 위하여 외기영역을 설정하였다. 외기영역은 디퓨저 출구직경대비 가로 60배, 세로 30배로 선정하고 경계조건은 Far-field와 Pressure Outlet 조건을 부여하였다[7,8].
모델길이(Model length)는 시험부에서 운용되는 시험엔진/모델의 운용가능 길이를 확인하였다.
본 설비는 VAH(상온용)의 노즐 출구에서 시험부의 목표압력과 마하수를 구현하도록 설계되 었다. 진공압력을 구현하기 위한 장치로 초음속 디퓨저와 이젝터를 사용하였고, 디퓨저의 종류는 선행 연구를 참고하여 가공과 성능의 이점을 갖춘 STED(Second throat exhaust diffuser)를 설계 하였다[5].
초고속 고공환경모사 시험설비의 시험부 내부에는 시험 모델이 설치되는데, 이 시험 모델은 램이나 스크램제트 엔진의 구성품을 의미하며 편 의상 본 연구에서는 원추형 형상으로 선정하였다. 본 연구에서는 VAH와 증기발생기의 설비는 상온 유체를 사용하여 압력과 마하수를 구현하는 상온 시험용 노즐로 설계하였다.
디퓨저와 이젝터의 결합설비에서 디퓨저의 배압만 형성된다면, 전단의 유동에는 간섭이 미미함을 확인하였고, 이에 따라 수치해석의 단순 화를 위하여 외기영역을 설정하였다. 외기영역은 디퓨저 출구직경대비 가로 60배, 세로 30배로 선정하고 경계조건은 Far-field와 Pressure Outlet 조건을 부여하였다[7,8].
1과 같이 초고속 비행체의 고공 환경 모사 시험 설비 설계/제작한 후 상온 시험을 통해 시험모델의 형상 변화에 따른 성능 특성을 살펴보고, 시험 설비 내부의 주요 유동패턴을 분석하기 위하여 수치해석을 진행하였다. 즉 고공환경 모사 시험 설비의 진공 챔버 압력 및 벽면압력분포를 상온시험과 수치해석 결과로 비교/분석하여, 시험 모델의 형상 변수에 따른 성능 변화 특성 등을 고찰하였다.
본 설비는 VAH(상온용)의 노즐 출구에서 시험부의 목표압력과 마하수를 구현하도록 설계되 었다. 진공압력을 구현하기 위한 장치로 초음속 디퓨저와 이젝터를 사용하였고, 디퓨저의 종류는 선행 연구를 참고하여 가공과 성능의 이점을 갖춘 STED(Second throat exhaust diffuser)를 설계 하였다[5]. STED는 이차목으로 유입되는 유동면적인 수축비(Contraction ratio, A_d/A_d,st )가 중요한데, 위의 설비에서 설계된 디퓨저의 수축 비는 시험부에 삽입되는 모델의 면적(A_m)과 디퓨저의 운용 가능한 이차목 면적(A_st)을 고려하 여 수축비를 선정하였다[6].

대상 데이터

Figure 1은 설계된 초고속 추진기관의 고공환경 시험설비의 개략도 및 파트별 명칭을 정리하였으 며, 주요 부품으로는 VAH(Vitiated air heater), 시험부, 디퓨저, 증기발생기, 이젝터로 구성되어 있다. 초고속 고공환경모사 시험설비의 시험부 내부에는 시험 모델이 설치되는데, 이 시험 모델은 램이나 스크램제트 엔진의 구성품을 의미하며 편 의상 본 연구에서는 원추형 형상으로 선정하였다. 본 연구에서는 VAH와 증기발생기의 설비는 상온 유체를 사용하여 압력과 마하수를 구현하는 상온 시험용 노즐로 설계하였다.
해석을 위한 전처리 과정은 상용격자 생성프로 그램인 Gambit을 이용하여 약 7만~13만개의 격자를 생성하였다. 수치해석을 위한 프로그램은 Ansys Fluent V13을 이용하여 수치해석을 수행하였다.

이론/모형

해석을 위한 전처리 과정은 상용격자 생성프로 그램인 Gambit을 이용하여 약 7만~13만개의 격자를 생성하였다. 수치해석을 위한 프로그램은 Ansys Fluent V13을 이용하여 수치해석을 수행하였다. 각각의 경계조건은 Fig.
해석을 위하여 사용된 난류모델은 디퓨저의 내 부에서 초음속 유동장과 벽면에서의 점성효과를 잘 해석할 수 있는 k-w SST 모델을 사용하였 다.

성능/효과

(1) 폐색율의 변수는 노즐 유동의 면적과 교차 면적의 영향으로 판단이 되며, 설비운용을 위해서는 노즐의 유동 내부에 시험모델이 위치하여 팽창 팬의 역할을 최소화해야 한다. 본 연구에서 미루어 보면 폐색율 40% 이상의 영역에서는 목표 구현 조건을 이루기 힘들 것으로 판단된다.
(3) 길이의 변수는 충격파가 발생하거나 급격히 압력변화가 생기는 형상이 노즐 유동의 내부에 삽입되어 있다면, 길이 8D(시험부 최대 길이) 와 같이 설비의 성능에도 큰 영향을 미치지 않을 것으로 판단된다.
결과적으로 단순한 길이에 대한 영향보다는 각도와 노즐의 유동면적에 따른 영향이 시험부 내의 유동과 디퓨저의 성능에 영향을 미치는 것으로 판단된다.
7에서는 상온시험 과 수치해석의 벽면압력을 비교하여 나타내었다. 두 결과의 경향성은 유사하게 나타났고, 챔버압력의 경우 폐색율의 모든 케이스에서 목표조건과 유사하게 압력이 형성되는 것을 확인할 수 있다.
9 에서 볼 수 있다. 따라서 40% 이상의 영역에서는 노즐의 유동면적보다 커지게 되어 팽창 팬의 영향으로 압력이 크게 상승할 것으로 판단된다.
따라서 디퓨저의 시동을 돕는 조력역할로서 이젝터를 사용하여 충분한 배압(Pa )을 유지시켜 실험을 운용할 때 설계 시 동압력비를 보다 높은 수준에서 안정적으로 운용하였다.
(1) 폐색율의 변수는 노즐 유동의 면적과 교차 면적의 영향으로 판단이 되며, 설비운용을 위해서는 노즐의 유동 내부에 시험모델이 위치하여 팽창 팬의 역할을 최소화해야 한다. 본 연구에서 미루어 보면 폐색율 40% 이상의 영역에서는 목표 구현 조건을 이루기 힘들 것으로 판단된다.
(2) 각도의 변수는 해당 마하수에 따른 시험모델의 최댓값이 존재한다. 본 연구에서는 45도의 각도 이상의 영역으로 실험을 하게 되면, 노즐유동의 교란으로 인하여 성능이 급격히 떨어질 것으로 판단된다.
폐색율(Blockage ratio)은 노즐의 출구 면적의 크기에 따른 시험모델의 단면적의 비를 백분율로 정의한다. 폐색율의 변화로부터 시험부 내의 유동면적의 변화에 따른 압력구배를 확인하여 시험 모델의 운용 가능한 크기를 간접적으로 확인할 수 있다.

후속연구

이는 항공우주산업과 터보기계분야에서 가장 널리 채택되는 모델로서 역 압력구배에서 믿을 수 있는 결과를 보여주었다[8]. 따라서 노즐과 디퓨저 벽면, 모델을 통한 유동의 박리 등을 정확히 예측할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	폐색율(Blockage ratio)이란?	폐색율(Blockage ratio)은 노즐의 출구 면적의 크기에 따른 시험모델의 단면적의 비를 백분율로 정의한다. 폐색율의 변화로부터 시험부 내의 유 동면적의 변화에 따른 압력구배를 확인하여 시험 모델의 운용 가능한 크기를 간접적으로 확인할 수 있다.
	디퓨저의 시동 을 돕는 조력역할로서 이젝터를 사용한 이유는?	018)이 구현되도록 결정됨에 따라, 노즐에서 분사되는 전 압력(Total pressure, P0 ) 조건은 Table 1과 같이 결정된다. 전압력이 디퓨저의 설계 시동압력비 ((P0/P0)st) 조건보다 낮게 되면, 목표 진공환경 을 구현할 수 없게 된다. 따라서 디퓨저의 시동 을 돕는 조력역할로서 이젝터를 사용하여 충분한 배압(Pa )을 유지시켜 실험을 운용할 때 설계 시 동압력비를 보다 높은 수준에서 안정적으로 운용하였다.
	폐색율의 변화로 확인 할 수 있는 것은?	폐색율(Blockage ratio)은 노즐의 출구 면적의 크기에 따른 시험모델의 단면적의 비를 백분율로 정의한다. 폐색율의 변화로부터 시험부 내의 유 동면적의 변화에 따른 압력구배를 확인하여 시험 모델의 운용 가능한 크기를 간접적으로 확인할 수 있다.

참고문헌 (8)

Lee, Y. J., Kang, S. H., Oh, J. H. and Yang, S. S., "Development of the Scramjet engine Test Facility(SeTF) in Korea Areospace Research Institute," Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 14, No. 3, 2010, pp. 69-78.
Sung, H. G., Kim, I. S., Lee, K. J., Kim, K. M. and Lee, D. H. "Design Method and Preliminary Data Analysis of Subscale Direct-Connect Test Facility for Liquid Ramjet Combustor (I)," KSPE Conference, May 2003, pp. 59-63.
Lee, H. J., Lee, B. J., Kim, S. H. and Jeong, I. S., "Design/Construction and Performance Test of High-Speed Shock Tunnel Part II: Construction and Performance Test of High-Speed Shock Tunnel," Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 36, No. 4, 2008, pp. 321-327.

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Kim, M. H., Lee, M. Y. Kim, J. S., Choi, C. H., Seo, J. H., Moon, S. Y., and Hong, B. G., "Experimental Analysis of a Supersonic Plasma Wind Tunnel Using a Segmented Arc Heater with the Power Level of 0.4 MW," Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 41, No. 9, 2013, pp. 700-707.

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Kim, S. G., Moon, Y. W. and Seol, W. S., "Study on Liquid Rocket Engine High Altitude Simulation Test," KSPE Conference, November 2010, pp. 733-736.
Lee, S. M., Shin, D. H., Shin, M. G., Ko, Y. S., Kim, S. J. and Lee, J. M. "Performance study on the supersonic diffuser contraction ratio of high-altitude test facility for High-Speed propulsion," KSPE Conference, May 2017, pp. 1026-1030.
Yim, G. J., Kim, H. J., Ko, Y. S. and Kim, S. H. "A numerical study on performance characteristics of sub-scale ejector with cold gas," KSPE Conference, December 2013, pp. 253-258.
Kim, W. C., Yu, I. S., Kim, T. W., Park, J. S., Ko, Y. S. and Kim, M. S. "A study on performance characteristics of second throat exhaust diffuser with back pressure," The Korea Society of Mechanical Engineers, Vol. 41, No. 9, 2017, pp. 563-570.

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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].

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