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가설 설정
- Meyer와 Paynter의 bleed 모델은 bleed가 일어나는 곳을 다공성 벽면(porous wall)으로 가정하고 국소(local) 흐름의 물성치와 porosity(φ), 그리고 sonic coefficient(Qsonic)를 이용하여 벽에 수직한 bleed 속도를 다음과 같이 계산한다.
제안 방법
- 2차원 압축성 유동을 해석할 수 있는 기존의 코드를 이용하여 축대칭 초음속 유동을 해석할 수 있는 축대칭 난류 압축성 solver를 개발하였다. 개발한 solver에 constant-pressure bleed 경계 조건을 적용하여 bleed 영역이 있는 초음속 흡입구의 수치 모사도 가능하도록 하였다.
- 개발된 코드를 이용하여 초음속 흡입관 유동의 수치 모사를 수행하였다. 수치 모사에 이용된 흡입구는 NASA Ames Reseach Center의 Sorenson과 Smeltzer[11].
- 2차원 압축성 유동을 해석할 수 있는 기존의 코드를 이용하여 축대칭 초음속 유동을 해석할 수 있는 축대칭 난류 압축성 solver를 개발하였다. 개발한 solver에 constant-pressure bleed 경계 조건을 적용하여 bleed 영역이 있는 초음속 흡입구의 수치 모사도 가능하도록 하였다. 범프 주변의 압축성 난류 유동과 bleed 영역과 경사 충격파가 혼재하는 평판위의 흐름을 해석하여 개발한 코드를 검증하였다.
- 개발한 solver에 constant-pressure bleed 경계 조건을 적용하여 bleed 영역이 있는 초음속 흡입구의 수치 모사도 가능하도록 하였다. 범프 주변의 압축성 난류 유동과 bleed 영역과 경사 충격파가 혼재하는 평판위의 흐름을 해석하여 개발한 코드를 검증하였다. 그리고 bleed 영역을 포함한 축대칭 초음속 흡입구 유동의 수치 모사를 통하여 초음속 흡입구 해석이 가능함을 확인하였다.
- 의 실험결과 및 Barakos et al.의 수치 해석결과와 속도 분포 및 난류 운동 에너지(Turbulent Kinetic Energy)의 분포를 비교하였다. 본 논문의 두 난류 모델의 수치 해석 결과가 실험 결과와 크게 차이가 없음을 확인할 수 있으며 타 수치 결과보다 실험 결과에 더욱 근접한 것을 볼 수 있다.
- 의 실험결과 및 Barakos et al[9].의 수치결과와 비교하였다. 축대칭 범프의 형상은 Fig.
- 축대칭 범프(bump) 주변의 천음속 흐름을 해석하여 적용된 축대칭 방정식과 난류 모델에 대해 검증하였으며 bleed 영역과 경사 충격파 간의 상호 작용이 있는 평판에서의 초음속 흐름을 해석하여 bleed 경계 조건에 대해 검증하였다. 이를 바탕으로 개발된 코드를 이용하여 축대칭 초음속 흡입관의 수치 모사를 수행하였다.
- 이에 본 연구에서는 압축성 유동의 지배 방정식인 RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes)와 2-방정식 난류 모델을 축대칭 형태를 이용한 기존의 2차원 코드를 축대칭 형태로 변환하고 bleed 경계 조건을 적용하여 초음속 유동의 해석이 가능한 코드를 개발하였다. 2-방정식 난류 모델에는 k–ω SST 모델과 q–ω 모델을 적용하였다.
- 2-방정식 난류 모델에는 k–ω SST 모델과 q–ω 모델을 적용하였다. 축대칭 범프(bump) 주변의 천음속 흐름을 해석하여 적용된 축대칭 방정식과 난류 모델에 대해 검증하였으며 bleed 영역과 경사 충격파 간의 상호 작용이 있는 평판에서의 초음속 흐름을 해석하여 bleed 경계 조건에 대해 검증하였다. 이를 바탕으로 개발된 코드를 이용하여 축대칭 초음속 흡입관의 수치 모사를 수행하였다.
데이터처리
- 개발된 코드에 적용한 bleed 경계 조건을 검증하기 위해 Willis et al[10].이 수행한 실험 결과와 속도 분포를 비교하였다. Willis et al.
이론/모형
- 개발된 축대칭 압축성 난류 해석 코드의 검증을 위해 축대칭 범프 주변의 흐름을 k–ω SST와 q–ω의 난류 모델을 이용하여 해석하였으며 Johnson et al[8].
- 본 논문에서는 Meyer와 Paynter[7].의 연구에서 제안한 constant-pressure bleed 모델을 적용하였다. Meyer와 Paynter의 bleed 모델은 bleed가 일어나는 곳을 다공성 벽면(porous wall)으로 가정하고 국소(local) 흐름의 물성치와 porosity(φ), 그리고 sonic coefficient(Qsonic)를 이용하여 벽에 수직한 bleed 속도를 다음과 같이 계산한다.
성능/효과
- 의 연구에서 주어진 bleed 공기실(plenum chamber)에서의 정압력을 이용하였다. 결과를 보면 각각의 경우에 대한 bleed양이 실험치와 잘 일치 하는 것을 볼 수 있으며 속도 분포 결과도 실험결과와 크게 다르지 않음을 확인할 수 있다.
- 범프 주변의 압축성 난류 유동과 bleed 영역과 경사 충격파가 혼재하는 평판위의 흐름을 해석하여 개발한 코드를 검증하였다. 그리고 bleed 영역을 포함한 축대칭 초음속 흡입구 유동의 수치 모사를 통하여 초음속 흡입구 해석이 가능함을 확인하였다. 차후 연구에서는 이를 이용하여 초음속 흡입구의 비정상 해석을 수행할 것이며 초음속 흡입구에서의 공기역학적 불안정성인 buzz등의 연구에 이용할 것이다.
- 의 수치 해석결과와 속도 분포 및 난류 운동 에너지(Turbulent Kinetic Energy)의 분포를 비교하였다. 본 논문의 두 난류 모델의 수치 해석 결과가 실험 결과와 크게 차이가 없음을 확인할 수 있으며 타 수치 결과보다 실험 결과에 더욱 근접한 것을 볼 수 있다.
- 7에 나타내었다. 본 연구의 결과와 실험치 및 수치해석 결과와 크게 차이가 없음을 확인할 수 있다.
후속연구
- 그리고 bleed 영역을 포함한 축대칭 초음속 흡입구 유동의 수치 모사를 통하여 초음속 흡입구 해석이 가능함을 확인하였다. 차후 연구에서는 이를 이용하여 초음속 흡입구의 비정상 해석을 수행할 것이며 초음속 흡입구에서의 공기역학적 불안정성인 buzz등의 연구에 이용할 것이다.
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