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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 성홍계
- 발행연도
- 2014
- 저작권
- 한국항공대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수1
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초음속 내부 유동에서 발생하는 충격파와 넓은 범위의 속도 그리고 복잡한 유동 구조해석을 위한 초음속 LES 기법을 제시하였다. 이 기법은 Favre 평균된 질량, 운동량, 에너지, 화학종 평형 방정식을 기반으로 하며, 초음속 유동의 압축성을 고려하기 위하여 압축성 Smagorinsky 아격자 모델을 적용하였다. 또한 벽면에서의 불균질성을 계산하기 위해 Van-Driest damping 함수를 이용하였다. 다양한 형상에서의 범용성을 위하여 정렬 격자에 대한 유한 체적 기법을 적용하였다. 공간에 대하여 2차 중심 차분법을 사용하고 시간에 대하여 2차 Runge-Kutta 기법을 사용하여 정확도를 확보하였다. 또한 연소기 내부에서는 초음속 주 유동 에서 벽면의 경계층까지 넓은 범위의 마하수가 동시에 존재하므로 계산의 수렴성을 증진 시키기 위하여 이중 시간전진 기법과 예조건화를 사용하였다.
본 연구의 모델 스크램제트 연소기에 장치된 쐐기형 분사기는 경사면에서 강력한 충격파를 발생시키며, 이 충격파는 연소실 벽과 유동의 구조에 따라 반사된다. 또한 이 과정에 경계층과의 상호작용에 의한 충격파의 굴절 및 경계층 거동의 변화도 나타나며, 쐐기 후방에서 와류의 발생과 분사 연료와 공기의 혼합 등 다양한 현상들이 동시에 존재하는 매우 복잡한 유동 구조가 존재한다. 이러한 다양한 물리적 현상들이 존재하기 때문에 초음속 LES의 검증에 적합한 문제라 할 수 있다.
LES를 이용한 쐐기형 연소기 유동 해석을 수행하였다. 충격파와 앞서 언급한 연소기 내부의 유동 구조가 잘 포획되었음을 확인하였고, 수치적으로 높은 정확도를 갖지만 초음속 유동 계산에서 안정성이 떨어지는 공간에 대한 중심 차분 기법을 적용하여 초음속 유동장에 존재하는 충격파의 비정상적 거동이 관찰되었으며, 주기성이 파악되어 쐐기 후방에서 발생하는 와류가 연소기 전체의 비정상 거동에 미치는 영향을 확인하였다.
초음속 연소기 내부에서 이루어지는 혼합 현상을 재현하기 위해서 모사 연료와 수소 분사에 대한 해석을 수행하였다. 모사 연료로 분사 된 질소 제트의 영향으로 쐐기 후방에서 와류가 더 작게 존재하게 되고 이로 인해 유동 구조의 변화가 관찰되었다. 와류의 영향으로 질소와 공기의 혼합이 활발하게 일어나는 것을 확인하였다.
연료로 수소를 분사하는 경우 질소보다 작은 몰질량의 영향으로 인해 쐐기 후방의 와류 구조가 변하는 것을 확인하였다. 쐐기 후방에서 과도하게 성장한 재순환 영역에 의한 국부적인 수소 기체의 누적과 수소-공기 혼합 특성을 파악하였고, 혼합 효율을 도입하여 정량적인 분석을 하였다. 또한 과도한 재순환 영역에 의해 연소기 내부의 충격파와 이의 반사로 인한 유동 구조가 약화됨을 관찰할 수 있었다.
본 연구의 초음속 LES의 경우 실험 결과와 비교하여 충격파-경계층 상호작용 구간과 재순환 영역에서 과도한 재현 특성을 가짐을 확인할 수 있는데, 이를 통해 앞으로 정확도 높은 초음속 LES를 개발하기 위하여 벽면 모델의 필요성을 확인하였다. 한편 연소기의 주유동과 관련된 초음속 유동의 물리적 현상들을 잘 포획하여 고속 내부 유동 해석 도구로써의 능력을 입증하였다.
본 연구의 모델 스크램제트 연소기에 장치된 쐐기형 분사기는 경사면에서 강력한 충격파를 발생시키며, 이 충격파는 연소실 벽과 유동의 구조에 따라 반사된다. 또한 이 과정에 경계층과의 상호작용에 의한 충격파의 굴절 및 경계층 거동의 변화도 나타나며, 쐐기 후방에서 와류의 발생과 분사 연료와 공기의 혼합 등 다양한 현상들이 동시에 존재하는 매우 복잡한 유동 구조가 존재한다. 이러한 다양한 물리적 현상들이 존재하기 때문에 초음속 LES의 검증에 적합한 문제라 할 수 있다.
LES를 이용한 쐐기형 연소기 유동 해석을 수행하였다. 충격파와 앞서 언급한 연소기 내부의 유동 구조가 잘 포획되었음을 확인하였고, 수치적으로 높은 정확도를 갖지만 초음속 유동 계산에서 안정성이 떨어지는 공간에 대한 중심 차분 기법을 적용하여 초음속 유동장에 존재하는 충격파의 비정상적 거동이 관찰되었으며, 주기성이 파악되어 쐐기 후방에서 발생하는 와류가 연소기 전체의 비정상 거동에 미치는 영향을 확인하였다.
초음속 연소기 내부에서 이루어지는 혼합 현상을 재현하기 위해서 모사 연료와 수소 분사에 대한 해석을 수행하였다. 모사 연료로 분사 된 질소 제트의 영향으로 쐐기 후방에서 와류가 더 작게 존재하게 되고 이로 인해 유동 구조의 변화가 관찰되었다. 와류의 영향으로 질소와 공기의 혼합이 활발하게 일어나는 것을 확인하였다.
연료로 수소를 분사하는 경우 질소보다 작은 몰질량의 영향으로 인해 쐐기 후방의 와류 구조가 변하는 것을 확인하였다. 쐐기 후방에서 과도하게 성장한 재순환 영역에 의한 국부적인 수소 기체의 누적과 수소-공기 혼합 특성을 파악하였고, 혼합 효율을 도입하여 정량적인 분석을 하였다. 또한 과도한 재순환 영역에 의해 연소기 내부의 충격파와 이의 반사로 인한 유동 구조가 약화됨을 관찰할 수 있었다.
본 연구의 초음속 LES의 경우 실험 결과와 비교하여 충격파-경계층 상호작용 구간과 재순환 영역에서 과도한 재현 특성을 가짐을 확인할 수 있는데, 이를 통해 앞으로 정확도 높은 초음속 LES를 개발하기 위하여 벽면 모델의 필요성을 확인하였다. 한편 연소기의 주유동과 관련된 초음속 유동의 물리적 현상들을 잘 포획하여 고속 내부 유동 해석 도구로써의 능력을 입증하였다.
목차
목 차요 약 i목 차 III그림목록 v표 목 록 viii기호목록 ix제 1 장 서론 11.1 연구 배경 11.2 연구 목적 5제 2 장 이론적 수식 62.1 지배방정식 62.2 난류항 정리 : Large Eddy Simulation (LES) 72.2.1 Filtering 과정 82.2.2 Filtered 지배 방정식 102.2.3 아격자 스케일 모델 112.2.3.1 SGS 응력모델 122.2.3.2 SGS 전엔탈피 모델 132.2.3.3 SGS 점성일 모델링 142.2.3.4 화학종 전달량 모델링 14제 3 장 수치 기법 153.1 수학적 방정식 153.2 공간 이산 : 유한 체적 접근법 163.3 시간 이산 173.4 공간 이산 203.5 병렬 계산 기법 213.5.1 Beowulf 클러스터 병렬 컴퓨터 213.5.2 데이터 분할과 메시지 전달 22제 4 장 결과 및 고찰 244.1 쐐기형 스크램제트 연소기의 물리적 형상 및 계산 영역 244.2 쐐기형 초음속 연소기 유동 특성 264.3 쐐기형 초음속 연소기 유동의 LES 비정상 해석 294.4 연료 분사에 따른 연소기 유동 분석 36제 5 장 결론 50참고 문헌 52Summary 55
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