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천음속 전투기 무장창 압력 진동의 수동 제어에 관한 수치해석 연구
Numerical Analysis on Passive Control of Pressure Oscillation inside Transonic Fighter Weapons Bay 원문보기

EDISON SW 활용 경진대회 논문집. 제2회(2013년), 2013 Apr. 17, 2013년, pp.387 - 392  

윤원혁 (서울대학교 기계항공공학부) ,  서강 (서울대학교 기계항공공학부) ,  김종암 (서울대학교 기계항공공학부)

초록
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본 연구에서는 천음속 전투기 무장창 내부의 압력 진동을 제어하기 위해 F-111의 무장창을 2차원 공동(Cavity)으로 모델링하고, EDISON_전산열유체 시스템을 활용하여 공동의 형상 변화에 따라 발생하는 유동 특성을 분석하였다. 최근의 전투기들은 항력 감소와 스텔스 기능을 위해 무기를 기체 안에 내장하는데, 덮개를 열 때 발생하는 공동 형상에 의해 강한 압력 진동이 유발된다. 이러한 진동은 무장창과 주변 기계 장치에 구조적 진동을 일으키고 고장 또는 파괴를 유발하므로, 근본적인 해결책이 필요한 중요한 문제이다. 본 연구에서는 진동의 원인이 되는 전단층(Shear layer) 불안정성을 해결하기 위해 기존에 연구된 형상(Leading edge extension 및 Ramp)과 본 연구에서 새로 제안한 Ramp extension을 적용해 보았다. 그 결과 압력 진동의 원인이 되는 유동 특성이 줄어들고 압력 진동 역시 감소했음을 관찰할 수 있었다.

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

제안 방법

  • EDISON_전산열유체 시스템을 활용하여 천음속 공동 유동 해석을 수행하였으며, F-111의 무장창 형상에 대해 다양한 유동 제어 방법을 적용하여 각 방법의 효과를 관찰 하였다. 초음속 영역과 달리 Leading edge extension은 천음속 영역에서 압력 진동 억제에 효과가 없었지만, Ramp와 Ramp extension은 효과를 가졌다.
  • 1은 검증에 사용된 격자이며 형상과 경계조건은 Punit Nayyar(1)를 참고하였다. 격자는 총 4개의 블록으로 구성하였고 경계조건으로 유동의 입구와 출구에는 각각 subsonic inlet, outlet BC(Boundary condition), 벽면에는 viscous adiabatic wall BC, 입, 출구 근처 벽면에는 symmetric BC, 원방에는 far field BC를 주었다. 또, 벽 근처의 경계층을 정확히 모사하기 위해 첫 번째 격자의 크기가 y + 1이 되게 하는 격자 크기를 선정하였다.
  • 계산을 통해 얻어진 압력 데이터를 후처리하여 압력 진동의 주진동수와 SPL을 계산하였다. 압력 데이터는 검증 케이스의 경우 공동 바닥의 x/L = 0.
  • 그러나 전투기가 고 기동 중일 때 보다 안정적인 유동 조건에서 무장창을 개방하고 무장을 투하하는 것이 정확하고 안전한 무장 사용에 유리하다. 따라서 본 연구에서는 그 조건을 순항 조건으로 가정하고 복잡한 설비와 에너지가 필요한 능동 제어 대신 수동 제어 방식을 선택하였다.
  • 격자는 총 4개의 블록으로 구성하였고 경계조건으로 유동의 입구와 출구에는 각각 subsonic inlet, outlet BC(Boundary condition), 벽면에는 viscous adiabatic wall BC, 입, 출구 근처 벽면에는 symmetric BC, 원방에는 far field BC를 주었다. 또, 벽 근처의 경계층을 정확히 모사하기 위해 첫 번째 격자의 크기가 y + 1이 되게 하는 격자 크기를 선정하였다.
  • 79)(6)의 앞전 형상을 변형시켰다. 먼저 선행 연구자들이 초음속 공동 유동 제어에 사용한 Leading edge extension과 Ramp를 적용했다. Leading edge extension은 앞전을 연장하여, 앞전에서 반사된 압축파가 전단층을 교란하지 못하도록 하는 방법이다.
  • 5에서는 유동을 효과적으로 제어하였다. 본 연구에서는 천음속 영역에 각각을 적용하고 두 방법을 결합한 Ramp extension을 사용해 보았다. 각 제어 방법에 대해 길이, 두께, 높이 등을 바꾸어 계산을 수행했고 기본적인 형상과 형상에 대한 정보는 Fig.
  • 유동 제어를 위해 F-111 공동(L/D = 6.79)(6)의 앞전 형상을 변형시켰다. 먼저 선행 연구자들이 초음속 공동 유동 제어에 사용한 Leading edge extension과 Ramp를 적용했다.
  • 주진동수를 얻기 위해 MATLAB의 이산 푸리에 변환을 이용하였으며, 각 진동수에서의 압력 진동 진폭을 알 수 있도록 푸리에 변환 결과를 적절히 정규화하였다.

대상 데이터

  • 계산을 통해 얻어진 압력 데이터를 후처리하여 압력 진동의 주진동수와 SPL을 계산하였다. 압력 데이터는 검증 케이스의 경우 공동 바닥의 x/L = 0.05 ~ 0.85인 9개 점, 유동 제어의 경우 x/L = 0.05 ~ 0.95인 10개 점에서의 값을 사용하였다. 또, 각 데이터의 무차원 시간 간격은 0.

데이터처리

  • 해석자의 검증을 위해 수치해석을 통해 얻은 압력 진동의 주진동수와 Rossiter 식을 비교하였다. Table.

이론/모형

  • 이 때 검증 케이스로 John Ross의 실험 결과(1)를 이용하였는데 L/D는 5였으며 실험 조건은 Table 1에 정리되어 있다. Fig. 1은 검증에 사용된 격자이며 형상과 경계조건은 Punit Nayyar(1)를 참고하였다. 격자는 총 4개의 블록으로 구성하였고 경계조건으로 유동의 입구와 출구에는 각각 subsonic inlet, outlet BC(Boundary condition), 벽면에는 viscous adiabatic wall BC, 입, 출구 근처 벽면에는 symmetric BC, 원방에는 far field BC를 주었다.
  • 또, 난류 모델은 k-ω SST 모델을 사용하였다.
  • 유동 해석에 사용된 flux scheme은 RoeM을 사용하였고 dual time stepping 기법을 사용해 비정상 유동을 계산하였다. 또, 난류 모델은 k-ω SST 모델을 사용하였다.
  • 1_P 해석자가 공동 유동 해석에 사용될 수 있음을 검증하였다. 이 때 검증 케이스로 John Ross의 실험 결과(1)를 이용하였는데 L/D는 5였으며 실험 조건은 Table 1에 정리되어 있다. Fig.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
전투기에 압력 진동이 미치는 악영향은? 그런데 공동 내부의 피드백 루프(Feedback loop)에 의해 자가 유지 되는 압력 진동(self-sustained pressure oscillation)은 소음, 진동으로 인한 주변 장치의 고장과 파괴를 일으키고 무장에 피칭 모멘트를 발생시킨다.(1) 따라서 압력 진동을 억제하는 많은 연구들이 선행되었다.
압력 진동의 제어 방법의 두가지는? 압력 진동의 제어 방법은 크게 수동 제어와 능동 제어로 나눌 수 있다.(2) 수동 제어는 추가적인 에너지원 없이 공동 형상 변화를 이용해 유동을 제어하며, 능동 제어는 에너지를 이용해 유동을 제어하는 방법이다.
압력 진동의 제어방법 중 수동 제어와 능동 제어란? 압력 진동의 제어 방법은 크게 수동 제어와 능동 제어로 나눌 수 있다.(2) 수동 제어는 추가적인 에너지원 없이 공동 형상 변화를 이용해 유동을 제어하며, 능동 제어는 에너지를 이용해 유동을 제어하는 방법이다. 수동 제어는 간단하며 큰 비용이 필요하지 않지만 능동 제어와 달리 설계 조건 이외의 유동에서는 같은 효과를 기대하기 어렵다.
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