3차원 극초음속 흡입구 선두부 형상에 따른 흡입구 유동 특성 :Flow Characteristics of Three-Dimensional Hypersonic Inlet and Forebody Shapes

한송이

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자료유형: 학위논문

저자정보: 한송이 (건국대학교, 건국대학교 대학원)

지도교수: 박수형

발행연도: 2021

저작권: 건국대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수22

이 논문의 연구 히스토리 (4)

2021

3차원 극초음속 흡입구 선두부 형상에 따른 흡입구 유동 특성

한송이 항공우주정보시스템공학과 2021.01 학위논문

2020

3차원 스크램제트 흡입구의 선두부 형상에 따른 성능 분석

한송이 , 박수형 한국전산유체공학회 학술대회논문집 2020.10 학술대회자료

2019

스크램제트 선두부 형상에 따른 흡입구 성능 분석

한송이 , 박수형 한국추진공학회 학술대회논문집 2019.11 학술대회자료

2차원 극초음속 비행체의 비행 조건에 따른 흡입구 성능 연구

한송이 , 박수형 한국항공우주학회 학술발표회 초록집 2019.11 학술대회자료

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극초음속 흡입구의 설계 과정에 있어 성능을 예측하기 비교적 쉬운 2차원 흡입구와 달리 3차원 흡입구는 측벽, 선두부 형상 등과 같은 3차원 형상 요인들이 2차원 흡입구와는 다른 유동 구조를 형성하므로 정확한 성능 예측을 위해서는 전산해석이 필수적이다. 3차원 흡입구에서 발생하는 유동 현상 중 측벽이나 램프측면으로 빠져나가는 sides-spillage 현상은 흡입 질량 유량 및 질량포획률의 저하의 원인이 된다. 스크램제트와 같은 극초음속 공기흡입식 미사일에 있어 공기 흡입구의 성능은 엔진의 성능과도 직결된다. 따라서 목표 비행 성능을 달성하기 위해 sides-spillage와 같은 흡입구 성능 저하 요인을 최소화시키는 최적의 흡입구 형상 설계가 요구된다. 본 연구에서는 2차원 및 3차원 극초음속 혼합 압축형 흡입구에 대해 RANS 해석을 수행하고 흡입구의 유동 구조 및 성능을 분석하였다. 3차원 흡입구는 2차원 흡입구에 비해 저조한 흡입 성능과 추가적인 전압 손실이 발생하였으며 성능 저하의 원인이 3차원 형상 요인과 직접적인 관련이 있음을 확인하였다. 이를 바탕으로 램프 측면으로 유량이 유출되는 ramp sides-spillage 현상의 발생 원인을 분석하고 흡입구 선두부의 형상이 ramp sides-spillage와 흡입구 성능에 어떠한 영향을 미치는지 확인하기 위해 램프 수축률(ramp contraction ratio)에 따른 여러 흡입구 모델을 제작하여 성능 분석을 수행하였다. 해석 결과, ramp sides-spillage는 램프면과 기체 측면 간의 압력 구배로 인해 발생하며 선두부의 램프 수축률이 1에 가까워질수록 ramp sides-spillage로 인한 유량 손실이 증가하였다. 또한 ramp sides-spillage가 램프 표면의 유동을 빠져나가게 함으로써 압축 램프에 발생하는 충격파 각도를 변화시켜 내부 유로의 유동 구조에도 상당한 영향을 미치는 것을 확인하였다.

In the design process of the hypersonic inlet, Unlike the two-dimensional inlet, which is relatively easy to predict the performance, the three-dimensional shape factors such as sidewall and forebody shape form a flow structure different from that of the two-dimensional inlet, so computational analysis is essential for accurate performance prediction. The flow phenomena occurring at the three-dimensional inlet such as the sides-spillage leaking to the sidewall or the ramp side causes a decrease in inlet mass flow rate and mass capture rate. In hypersonic air-breathing missiles such as scramjet, the performance of the air intake is strongly related to the thrust performance of the engine. Therefore, to achieve the designed flight performance, an optimal inlet design is required that minimizes inlet performance degradation factors such as sides-spillage. In this study, RANS analysis was performed for the two-dimensional and three-dimensional hypersonic mixed-compression inlet and the flow structure and performance of the inlet were analyzed. The results found that the three-dimensional inlet has low mass capture ratio and additional total pressure loss compared to the two-dimensional inlet, and the cause of the performance degradation is directly related to the three-dimensional shape factor. Based on results, to analyze the cause of the occurrence of the ramp sides-spillage phenomenon that flows spillage to the side of the ramp, and to see how the inlet forebody shape affects the ramp sides-spillage and inlet performance, several inlet models were generated and inlet performance analysis was performed. As a result of the inlet forebody shape analysis, the ramp sides-spillage is caused by the pressure gradient between the ramp side and the airframe, and the mass flow loss due to the ramp sides-spillage increases as the ramp contraction ratio gets closer to 1.0. Also, the ramp sides-spillage changed the angle of the shock wave generated in the compression ramp by the flow spillage on ramp surface, thereby significantly affecting the flow structure of the inlet isolator.

#전산 유체 역학 #극초음속 유동 #스크램제트 흡입구 #이중 압축 램프 #Sides-spillage

제1장 서론 1
제1절 연구 배경 1
제2절 연구 목적 4
제2장 지배 방정식 및 수치 기법 5
제1절 지배 방정식 5
제2절 공간 이산화 기법 15
1. Roe’s FDS 기법 17
2. MUSCL 기법 18
가. Min-mod 제한자 18
3. 엔트로피 보정 기법 19
제3절 시간 전진 기법 20
제4절 경계 조건 23
제3장 극초음속 흡입구 유동 해석 25
제1절 해석 격자 정보 및 해석 조건 28
제2절 해석 결과 30
1. 극초음속 흡입구 유동 특성 분석 30
가. 2차원 유동 특성 30
나. 3차원 유동 특성 34
2. Ramp sides-spillage 현상 39
3. 2차원 흡입구와 3차원 흡입구 성능 비교 41
제4장 선두부 형상에 따른 극초음속 흡입구 유동 해석 47
제1절 측벽 모서리 형상에 따른 유동 해석 47
제2절 선두부 리딩 엣지 형상에 따른 유동 해석 52
1. 해석 격자 정보 및 해석 조건 52
2. 해석 결과 및 분석 52
제3절 선두부 램프 수축률에 따른 유동 해석 56
1. 해석 격자 정보 및 해석 조건 56
2. 해석 결과 및 분석 57
제5장 결론 63
참고문헌 65
국문초록 69

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