소형 초음속 연소실험장치를 위한 형상 천이 노즐 설계연구 :Design study of Shape Transition Nozzle for Lab-scale Supersonic Combustion Experimental Equipment

성부경

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자료유형: 학위논문

저자정보: 성부경 (부산대학교, 부산대학교 대학원)

지도교수: 최정열

발행연도: 2020

저작권: 부산대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수9

이 논문의 연구 히스토리 (5)

2020

소형 초음속 연소실험장치를 위한 마하 2 형상천이노즐 설계 및 고찰

성부경 , 최정열 한국추진공학회 학술대회논문집 2020.07 학술대회자료

소형 초음속 연소시험 장치를 위한 형상 천이 노즐 설계

성부경 , 황원섭 , 최정열 한국항공우주학회지 2020.03 학술저널

소형 초음속 연소실험장치를 위한 형상 천이 노즐 설계연구

성부경 항공우주공학과 2020.01 학위논문

2019

원형에서 사각형으로의 형상천이를 가지는 초음속 노즐 설계

성부경 , 황원섭 , 최정열 한국항공우주학회 학술발표회 초록집 2019.11 학술대회자료

2차원 MOC 기법을 이용한 3차원 초음속 형상 천이 노즐설계

성부경 , 황원섭 , 최정열 한국전산유체공학회 학술대회논문집 2019.10 학술대회자료

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극초음속 추진기관 연구를 위해서는 극초음속 조건에 해당하는 고엔탈피 유동을 공급할 수 있는 지상 시험장치가 필수적이다. 여러 가지 지상 시험장치 중 비용적, 효율적 요구 사항에 의해 실험실 규모의 소형 실험장치에는 연소식 공기가열기(Vitiation Air Heater, VAH)가 적합하다. 본 연구에서는 원형 단면의 연소식 공기가열기와 사각 단면의 초음속 연소기로 구성되는 소형 초음속 연소 실험장치를 직접 연결 방식으로 설계하기 위해 구조적 특성과 운용상 편의성 그리고 유동특성에 의해 요구되는 형상 천이 노즐을 설계하였다. 전산 해석은 3차원 보존 방정식에 난류 모델로는 Mentor’s Shear Stress Transport model을 사용하여 이상기체 상태의 공기에 대한 해석을 수행하였다. 축대칭 노즐의 MOC 설계는 Sivells의 방법과 Foelsch의 방법을 이용하였다. 통상 노즐의 형상 천이를 고려하기 위해 사용되는 streamline tracing을 사용하지 않고 간단한 방법으로 형상 천이를 도입하기 위해 축대칭(2차원) MOC 설계 노즐의 길이 방향 면적을 직접적으로 이용하여 3차원으로 확장하였다. 3차원 형상 천이 노즐의 경계층 보정에는 축대칭 노즐의 경계층 보정 결과를 그대로 이용하였으며 유효함을 확인하였다. 몇 가지 형상 천이율을 도입하여 형상 천이율에 따라서 경계층의 거동을 확인하였으며, 그 결과 형상 천이가 느릴수록, 즉 축대칭 노즐의 형상이 더 오래 유지될 때, 경계층이 얇게 발달하는 것을 확인하였다. 형상 천이율에 의한 경계층의 발달 정도의 차이는 크지 않았지만, 설계 마하수 2의 형상 천이 노즐에서는 일반적인 사각형 단면 노즐 출구에 발생하는 불규칙한 경계층 발달이 나타나지 않는 노즐을 설계할 수 있었다.

#Circular to Rectangular Shape Transition Nozzle #형상천이노즐 #CRST Nozzle #Method of Characteristics #특성곡성해법 #Boundary Layer Correction #경계층 보정 #Vitiation Air Heater #연소식 공기가열기 #VAH

1. 서 론 1
1.1. 연구 배경 1
1.1.1. 소형 스크램제트 연소 실험장치 구축 1
1.1.2. 3차원 형상의 노즐 설계 방법 4
2. 초음속 형상 천이 노즐 설계 5
2.1. 초음속/극초음속 노즐 설계 방법 5
2.1.1. Characteristic networking를 이용한 초음속/극초음속 노즐 설계:
Sivells Method 5
2.1.2. 대수방정식을 이용한 초음속 노즐 설계: Foelschs Method 9
2.1.3. 축대칭(2차원) 노즐의 경계층 보정 12
2.2. CRST 노즐 설계 절차 13
2.3. CRST 노즐 형상 및 격자 생성 14
3. 수치해석 기법 16
3.1. 2차원/축대칭 지배 방정식 16
3.2. 3차원 지배 방정식 18
3.3. 난류모델 20
3.4. 공간 차분법 22
3.4.1. Roe의 근사 Riemann 해법 22
3.4.2. 고차 정확도 공간차분 23
4. 설계 결과 분석 24
4.1. 각 설계방법에 따른 노즐 형상 및 유동특성 비교 24
4.2. 축대칭(2차원) 노즐 해석결과 26
4.2.1. Sivells Method 26
4.2.2. Foelschs Method 29
4.3. 2차원 격자 수렴도 분석 30
4.4. 3차원 격자 수렴도 분석 32
4.5. 3차원 해석결과 33
4.5.1. 형상 천이율에 따른 경계층 보정/무보정 해석결과 33
4.5.2. 설계 방법에 따른 경계층 보정/무보정 해석결과 33
4.5.3. 형상 천이율의 영향 34
4.5.4. CRST 노즐과 2차원 노즐의 유동특성 비교 36
4.6. 설계 마하수 5에서의 형상 천이 효과 비교검증 37
4.6.1. 축대칭 노즐 해석 37
4.6.2. 정사각형 단면 노즐 해석 37
4.6.3. CRST 노즐 해석 39
4.6.4. 사각 단면 노즐과 CRST 노즐의 경계층 발달 41
5. 결론 46
Appendix 1. Sivells 초음속 노즐 설계 프로그램 설계 마하수 유효범위 분석 50
Appendix 2. 축대칭 노즐과 CRST 노즐의 Mach wave 분포 비교 51

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