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2차원과 3차원 아음속 공동 유동 특성에 대한 수치적 연구
NUMERICAL ANALYSIS OF TWO- AND THREE-DIMENSIONAL SUBSONIC TURBULENT CAVITY FLOWS 원문보기

한국전산유체공학회 2007년도 추계 학술대회논문집, 2007 Oct. 26, 2007년, pp.187 - 193  

최홍일 (조선대학교 항공우주공학과) ,  김재수 (조선대학교 항공우주공학과)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The flight vehicles have cavities such as wheel wells and bomb bays. The flow around a cavity is characterized as unsteady flow because of the formation and dissipation of vortices due to the interaction between the freestream shear layer and cavity internal flow, the generation of shock and expansi...

AI 본문요약
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제안 방법

  • 1은 공동유동 해석을 위한 3차원 격자계의 일부를 보여주고 있다. 공동 전후의 평판과 바닥 및 벽 부근에 격자를 충분히 밀집시켜 주었으며, 첫 격자점의 y+ F #는 약 0.01-1.5 정도로 벽함수를 사용하지 않고 직접 계산을 수행하였다. Abdol-Hamid, Lakshmanan and Carlson[12]의 연구에 의하면 큰 박리영역을 포함하는 유동에서 첫격자점의 ”가 10이하 이면 타당한 결과를 보여주는 것을 알 수 있다.
  • 적용하여 수치 계산을 수행하였다. 공동에서의 세장비와 폭비의 변화에 따른 소음발생, 원음장으로의 소음 방사를 수치적으로 직접 모사함으로써, 공동에서의 소음 발생 메커니즘을 이해하고, 세장비와 폭비의 변화가 소음 및 유동에 미치는 영향을 해석하였다. 수치기법은 4차 Runge-Kutta 시간적분법을 사용하였고, 공간적분은 van Leer의 한계치를 이용한 FVS(Flux Vector Split) 법을 사용하였다.
  • 이를 Rossiter 공식에 기초한 무차원진동수와 Ahuja & Mendoza[8]의 실험치 등으로 비교 검증하였으며, 2차원과 3 차원의 각기 다른 유동현상을 등압력선도와 등밀도 및 유선 도를 통하여 비교하였다. 공동유동의 주진동 주파수를 보기 위하여, FFT를 이용하여 SPL(Sound Pressure Level) 분석하였다. 압력파의 전파과정을 보기위하여 기준점의 주진동 압력변화와 기타영역의 압력변화 관계를 보여줄 수 있는 CPD(Conelation of Pressure Distribution) 분석을 수행하였다.
  • 단일공동 주위의 유동현상을 관찰하기 위하여 2차원과 3 차원으로 수치해석을 수행하였다. 공동의 유동계산을 위한 형상과 유동조건 모델은 Ahuja & Mendoza[8]의 실험 모델을 기본으로 하였으며, 공동의 깊이(D)는 5.
  • 비정상 Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS) 방정식과 fc-w 난류모델을 이용하여, 공동 주위의 점성에 의해서 유발되는 와류의 생성과 이동, 자유전단층의 진동에 의한 파의 생성과 소멸 등 공동유동의 특징을 실제 유동에 가깝게 모사하였다.
  • 공동유동의 주진동 주파수를 보기 위하여, FFT를 이용하여 SPL(Sound Pressure Level) 분석하였다. 압력파의 전파과정을 보기위하여 기준점의 주진동 압력변화와 기타영역의 압력변화 관계를 보여줄 수 있는 CPD(Conelation of Pressure Distribution) 분석을 수행하였다.
  • 유동특성의 분석은 뒷전 모서리 중앙(Z/D=l)점의 압력변화를 식(2)와 같은 FFT 분석을 이용한 SPL(Sound Pressure Level)분석으로 주진동 주파수를 구하였다. 주진동 주파수의 압력 파동전파 특성을 보기위하여 뒷전모서리 중앙점의 주진동 주파수와 나머지 영역의 주진동주파수와의 CPD(Conelation of Pressure Distribution)를 식(3)과 같이 분석했다.

대상 데이터

  • 계산에 사용된 모델은 마하수 0.53, 세장비(L/D)가 2.5, 3.5, 4.5, 폭비( 가 2이고, 레이놀즈수는 1.6X106이다. 주진동 주파수를 Rossiter's[3] 의 진동 모드에 의한 무차원 진동수(St)와 비교해본 결과 2차원과 3차원유동에서는 모드 1 과 2에 해당하는 주진동 주파수가 같이 나타나는 것을 알 수 있었다.

데이터처리

  • Fig. 11에 계산된 2차원과 3차원 무차원진동수(St)를 Ahuja & Mendoza[8] 실험치와 Rossiter[3] 의 실험식 결과와 비교하였다. 사용된 Rossiter[3]의 실험식은 다음과 같다

이론/모형

  • pc-cluster를 사용한 병렬처리기법이 사용되었다.
  • 1, 1/4, 1/6, 3/8c이다. 공간이산화는 2차 정밀도를 갖는 van Leer의 유량한계계수를 이용한 유량벡터분리(Flux Vector Split) 방법을 사용하였다. 수치계산은 20대의
  • 수치해석을 수행하였다. 공동의 유동계산을 위한 형상과 유동조건 모델은 Ahuja & Mendoza[8]의 실험 모델을 기본으로 하였으며, 공동의 깊이(D)는 5.08cm 이고, 마하수는 0.53인 아음속 유동에 대하여 계산을 수행하였다. 기본적인 유동 조건은 2차원과 3차원에 동일하게 부여하였으며 3 차원의 경우 폭비 2.
  • 난류모델은 Wilcox[10]의 k —3 모델을 사용하였으며, 난류 운동에너지 论와 비소산율 3를 특성속도와 길이에 의 해무 차원 화하여 Navier-Stokes식과 같은 보존형태로 일반좌표에 대해 쓸 수 있다. 이 모델은 원래 비압축성 유동 계산을 위해 개발되어 압축성유동에 확장 적용되었다.
  • 본 연구에서는 비정상, 압축성 2차원과 3차원 Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS)방정식에 k — w난류 모델을 적용하여 수치 계산을 수행하였다. 공동에서의 세장비와 폭비의 변화에 따른 소음발생, 원음장으로의 소음 방사를 수치적으로 직접 모사함으로써, 공동에서의 소음 발생 메커니즘을 이해하고, 세장비와 폭비의 변화가 소음 및 유동에 미치는 영향을 해석하였다.
  • 공동에서의 세장비와 폭비의 변화에 따른 소음발생, 원음장으로의 소음 방사를 수치적으로 직접 모사함으로써, 공동에서의 소음 발생 메커니즘을 이해하고, 세장비와 폭비의 변화가 소음 및 유동에 미치는 영향을 해석하였다. 수치기법은 4차 Runge-Kutta 시간적분법을 사용하였고, 공간적분은 van Leer의 한계치를 이용한 FVS(Flux Vector Split) 법을 사용하였다. 또한 계산의 정확도를 위해 물리적으로 타당하다고 알려져 있는 특성치 경계 조건(Characteristic Boundary Condition)[기을 사용하였다.
  • 시간이산화를 위하여, 외재적인 방법으로 4차의 정확도를 갖는 Runge-Kutta 4th 방법을 사용하였으며, 각 단계의 계수는 1, 1/4, 1/6, 3/8c이다. 공간이산화는 2차 정밀도를 갖는 van Leer의 유량한계계수를 이용한 유량벡터분리(Flux Vector Split) 방법을 사용하였다.
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