[논문]슬롯 각도에 따른 경계층 상호작용의 피동제어 성능 및 유동 구조 비교 연구

이훈식; 이재환; 김종인

슬롯 각도에 따른 경계층 상호작용의 피동제어 성능 및 유동 구조 비교 연구 원문보기

이훈식 (서울대학교 기계항공공학부) , 이재환 (서울대학교 기계항공공학부) , 김종인 (서울대학교 기계항공공학부)

슬롯판을 이용한 경사충격파와 경계층 간섭유동 제어에서, 슬롯의 각도를 바꾸어 가며 제어 성능을 비교하는 수치적 연구가 수행되었다. 기준이 되는 수직 슬롯, 각도를 달리한 6개의 case를 선정하여 하여 충격파 뒤에서 전압손실 및 경계층 안정성을 기준으로 제어 성능을 평가하였다. 수치해석 결과 모든 형상에 대해 제어하지 않은 상태보다 좋은 성능을 얻었다. 공력성능이 뛰어난 그룹과 그렇지 않은 그룹을 구분하여 슬롯과 공동 유동 구조를 분석하면서 경계층 불안정성을 야기하고 전압손실 감소에 영향을 미치는 것은 경계층과 충격파가 상호작용하는 영역에서 Vortex를 얼마나 제어할 수 있는지 여부임을 알 수 있었고, 이러한 Vortex를 얼마나 제어할 수 있는지에 따라 공력 성능이 결정됨을 파악할 수 있었다.

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문제 정의

하지만 선행 연구들은 슬롯의 각도가 미치는 효과에 대한 연구는 이루어지지 않았다. 따라서 본 연구에서는 슬롯의 각도의 차이에 따른 공동부의 제어 성능 및 경계층 안정성에 대해 분석하고 제어 성능을 좋게 만들기 위한 공동부의 유동 구조를 알아보는 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 공동형상의 슬롯각도를 바꾸어가며 충격파와 경계층의 상호작용의 유동구조를 비교 분석, 공동형상의 성능을 증가시키기 위한 유동구조의 경향성을 파악하였다. 본 연구에서 선정한 6가지 case에 대해 전압손실과 경계층의 안정성을 비교하였을 때, 전압손실이 작을수록 경계층이 안정성이 뛰어남을 확인할 수 있었으며 공력 성능이 좋은 그룹과 그렇지 않은 그룹으로 분류하여 충격파와 경계층이 상호작용 하는 부분의 유동 구조에 대해 파악하였다.

제안 방법

으로 지정하였으며 무차원화 하기 위해 풍동의 높이가 특성길이 1이 되도록 하였다. 격자 개수는 120000~150000개 수준을 유지하였고, 충격파와 boundary layer에서의 상호작용을 잘 모사하기 위해 입구와 출구에 비해 shock 근처에 격자를 조밀하게 하여 격자를 생성 했다. 마지막으로, 계산의 효율성을 위해 10개의 Multi-block으로 나누어 계산했으며, 피동제어를 하지 않는 baseline 모델 같은 경우 5개의 Multi-block으로 나누어 계산을 수행했다.
격자를 생성하기 전에 경계층을 잘 모사하기 위해 Viscous Grid Spacing Calculator[5]를 이용하여 y+=25 일 때 값을 이용하여 벽과의 최소거리를 1 × 10-5으로 지정하였으며 무차원화 하기 위해 풍동의 높이가 특성길이 1이 되도록 하였다.
경사충격파와 경계층의 상호작용을 발생시키기 위한 모델로 “슬롯 형상이 경사충격파와 간섭동의 피동제어에 미치는 영향에 관한 연구[2]”에서 사용된 모델(그림3)을 변형하여 수치해석 모델로 사용하였다.
또한, 전압손실을 구하기 위해 가중길이 평균을 사용하여 전압손실의 크기를 구하였다. 사용된 공식은 다음과 같다.
격자 개수는 120000~150000개 수준을 유지하였고, 충격파와 boundary layer에서의 상호작용을 잘 모사하기 위해 입구와 출구에 비해 shock 근처에 격자를 조밀하게 하여 격자를 생성 했다. 마지막으로, 계산의 효율성을 위해 10개의 Multi-block으로 나누어 계산했으며, 피동제어를 하지 않는 baseline 모델 같은 경우 5개의 Multi-block으로 나누어 계산을 수행했다.[그림6]
본 연구에서는 공동형상의 슬롯각도를 바꾸어가며 충격파와 경계층의 상호작용의 유동구조를 비교 분석, 공동형상의 성능을 증가시키기 위한 유동구조의 경향성을 파악하였다. 본 연구에서 선정한 6가지 case에 대해 전압손실과 경계층의 안정성을 비교하였을 때, 전압손실이 작을수록 경계층이 안정성이 뛰어남을 확인할 수 있었으며 공력 성능이 좋은 그룹과 그렇지 않은 그룹으로 분류하여 충격파와 경계층이 상호작용 하는 부분의 유동 구조에 대해 파악하였다. 공력 성능이 좋은 그룹의 경우 상호작용하는 부분에서 Vortex가 거의 생성되지 않았으며 공력 성능이 좋지 않은 그룹의 경우 Vortex가 크게 생성됨을 알 수 있다.
수치해석 결과를 통해 공력 성능 면에서 뛰어난 (A,B) 그리고 상대적으로 뛰어나지 않은 (C,D,E,F) 두 가지 그룹으로 나누어 분석해 볼 수 있다.
슬롯은 3개로 하였고 슬롯의 위치는 공동부의 양쪽 끝과 중간에 위치하도록 하였다. 슬롯의 크기를 정하기 위해, [3]에서 방법에 착안하여 baseline model의 간섭유동 앞 (x=-25mm)에서 측정된 경계층 두께를 이용해 슬롯의 길이를 정하였다(그림4).
슬롯의 여러 가지 각도에 따른 피동제어의 성능을 비교하기 위하여 다음과 같이 6개의 공동 모델을 설정하였다[표1]. 우선 각도가 어느쪽으로도 치우쳐져 있지 않은 공동모델 (A),[3]에서 제시한 각도 모델을 착안하여 안쪽, 바깥쪽으로 45도 기울어진 공동 모델 (B,C) , 그리고 편향된 슬롯의 각도를 갖는 공동 모델 (D,E,F) 총 6가지로 구성하였다.
유동 조건은 풍동 입구에서 마하수가 2.4가 되도록 지정 하였고, 레이놀즈 수는 “경사충격파 간섭유동의 피동제어에 관한 수치해석적 연구[3]”를 이용해 단위 길이당 5.7 × 107이 되도록 1.955 × 106으로 설정하였다.
유동 해석자로 정렬격자 기반 2차원 압축성 유동 소프트웨어인 정렬격자 기반 2차원 압축성 유동 범용 해석 SW(2D_Comp_P)를 사용했으며, 유동 해석으로는 Steady, Turbulent flow, 최대 iteration 횟수 100000, 오차범위1 × 10-5 , CFL 조건은 0.1로 설정하여 시뮬레이션을 수행하였다.
경사충격파와 경계층의 상호작용을 발생시키기 위한 모델로 “슬롯 형상이 경사충격파와 간섭동의 피동제어에 미치는 영향에 관한 연구[2]”에서 사용된 모델(그림3)을 변형하여 수치해석 모델로 사용하였다. 충격파 전후에 공동형상을 배치하기 위해 이론적인 계산을 통하여 공동부의 위치가 입사충격파가 공동부의 상류로부터 2/3지점이 되도록 배치하였고 충격파가 떨어지는 위치를 원점으로 지정하였다. 슬롯은 3개로 하였고 슬롯의 위치는 공동부의 양쪽 끝과 중간에 위치하도록 하였다.
[3]에 따르면 공동부의 성능을 비교하기 위해 충격파 전후의 전압손실을 비교하여 공동부의 성능을 파악하고 있다. 충격파 전후의 전압손실을 비교하기 위해서 원점을 기준으로 14.7mm 떨어진 위치에서 수직 방향으로 10000개의 data를 추출한 후 압력과 마하수를 이용해 전압을 구하였다.[그림7]

이론/모형

1로 설정하여 시뮬레이션을 수행하였다. Flux로는 AUSMPW+를 사용하였고, 제한자로는 Van Albada를 사용해 2차 정확도를 유지하여, boundary layer에서의 정확도를 유지시키고 시간 전진 기법으로는 LU-SGS, 난류 모델은 Menter turbulent model을 사용하였다.
따라서 경계층의 안정성을 분석하는 것은 피동 제어의 공력 성능을 비교하는데 유의미한 분석방법이 된다. 경계층의 안정성을 분석하기 위해 [4]에서 제시한 shape factor을 도입하여 분석한다. shape factor의 정의는

성능/효과

38%로써, 공동부를 이용해 경계층을 상호작용을 피동제어하는 것은 성능을 개선시키는데 유의미한 결과임을 알 수 있다. 각 슬롯각도에 따른 형상을 비교해 보았을 때는 슬롯이 수직으로 놓였을 때인 A가 5.38%로 공력 성능이 가장 뛰어남을 확인할 수 있고, 그 뒤로 B가 4.44%로 공력 성능이 좋음을 알 수 있다. 그리고 C,D의 경우가 성능면에서 가장 좋지 않은 모습을 보여주고 있다.
본 연구에서 선정한 6가지 case에 대해 전압손실과 경계층의 안정성을 비교하였을 때, 전압손실이 작을수록 경계층이 안정성이 뛰어남을 확인할 수 있었으며 공력 성능이 좋은 그룹과 그렇지 않은 그룹으로 분류하여 충격파와 경계층이 상호작용 하는 부분의 유동 구조에 대해 파악하였다. 공력 성능이 좋은 그룹의 경우 상호작용하는 부분에서 Vortex가 거의 생성되지 않았으며 공력 성능이 좋지 않은 그룹의 경우 Vortex가 크게 생성됨을 알 수 있다. 이는 Vortex가 main flow의 운동량 사용하기 때문에 main flow의 운동량의 손실로 이어지게 되며 전압손실이 및 경계층의 불안정성을 야기하게 된다.
이는 공동부를 달았을 때가 공동부를 달지 않았을 때보다 항상 공력 성능이 향상되는 것을 확인할 수 있다. 수치적으로 보자면, 최대 공력 성능이 5.38%로써, 공동부를 이용해 경계층을 상호작용을 피동제어하는 것은 성능을 개선시키는데 유의미한 결과임을 알 수 있다. 각 슬롯각도에 따른 형상을 비교해 보았을 때는 슬롯이 수직으로 놓였을 때인 A가 5.
나머지의 경우는 거의 비슷한 경계층 안정성을 보여줌을 알 수 있다. 전압손실에서와 마찬가지로 A가 가장 좋은 성능을 보여주고 있고 그 다음으로 B가 좋은 성능을 보여주고 있으며, 나머지의 경우 어떤 것이 공력 성능이 좋은지 판단하기 어렵다는 것을 확인할 수 있다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

Shock boundary layer interaction을 제어하기 위한 방법에는 무엇이 있는가?

Shock boundary layer interaction을 제어하기 위한 방법으로 능동제어와 피동제어가 있는데 능동 제어 방법의 경우 비행체의 중량이 증가하며 설계가 복잡해지는 큰 단점이 존재한다. 이러한 단점들을 극복하기 위해 최근에는 능동제어보다는 피동제어를 중심으로 연구가 이루어지고 있다.

Shock boundary layer interaction을 제어하는 방법 중 능동 제어 방법의 단점은 무엇인가?

Shock boundary layer interaction을 제어하기 위한 방법으로 능동제어와 피동제어가 있는데 능동 제어 방법의 경우 비행체의 중량이 증가하며 설계가 복잡해지는 큰 단점이 존재한다. 이러한 단점들을 극복하기 위해 최근에는 능동제어보다는 피동제어를 중심으로 연구가 이루어지고 있다.

경계층이 상호작용하는 부분의 Vortex를 제어하는 것이 공동형상의 성능을 결정하는 이유는 무엇인가?

본 연구에서 선정한 6가지 case에 대해 전압손실과 경계층의 안정성을 비교하였을 때, 전압손실이 작을수록 경계층이 안정성이 뛰어남을 확인할 수 있었으며 공력 성능이 좋은 그룹과 그렇지 않은 그룹으로 분류하여 충격파와 경계층이 상호작용 하는 부분의 유동 구조에 대해 파악하였다. 공력 성능이 좋은 그룹의 경우 상호작용하는 부분에서 Vortex가 거의 생성되지 않았으며 공력 성능이 좋지 않은 그룹의 경우 Vortex가 크게 생성됨을 알 수 있다. 이는 Vortex가 main flow의 운동량 사용하기 때문에 main flow의 운동량의 손실로 이어지게 되며 전압손실이 및 경계층의 불안정성을 야기하게 된다. 따라서 경계층이 상호작용하는 부분의 Vortex를 제어하는 것이 공동형상의 성능을 결정하게 될 것이다.

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