스크램제트 엔진 흡입구의 불시동 특성에 대한 수치적 연구 :Numerical Investigation of the Unstart Flow Characteristics in a Scramjet Engine Inlet

이재원

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이재원 (세종대학교, 세종대학교 대학원)

지도교수: 강상훈

발행연도: 2022

저작권: 세종대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수31

이 논문의 연구 히스토리 (7)

2022

스크램제트 엔진 흡입구의 불시동 특성에 대한 수치적 연구

이재원 기계공 2022.01 학위논문

2021

스크램제트 흡입구 버즈 현상에 대한 수치해석 연구

이재원 , 강상훈 한국추진공학회 학술대회논문집 2021.11 학술대회자료

스크램제트 엔진 흡입구의 Non-Oscillatory Unstarted Flow에 대한 유동특성 해석

이재원 , 이상곤 , 강상훈 한국추진공학회 학술대회논문집 2021.05 학술대회자료

2020

넓은 비행영역을 고려한 2D 스크램제트 흡입구 설계 방법

이재원 , 강상훈 한국추진공학회지 2020.12 학술저널

초기 압축각도에 따른 2D 스크램제트 흡입구의 성능평가

이재원 , 박현우 , 강상훈 한국추진공학회 학술대회논문집 2020.11 학술대회자료

2D 스크램제트 흡입구의 설계개선 및 성능평가

이재원 , 강상훈 한국추진공학회 학술대회논문집 2020.07 학술대회자료

받음각 변화를 고려한 스크램제트 흡입구 개념설계 및 성능예측 코드 개발

이재원 , 강상훈 한국항공우주학회 학술발표회 초록집 2020.07 학술대회자료

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스크램제트 엔진의 안정적인 작동을 위해서는, 흡입구 불시동 현상을 방지해야 한다. 이를 위해, 흡입구 불시동에 대한 유동 특성과 메커니즘을 파악하는 것이 필수적이다. 스크램제트 흡입구의 경우 다양한 요인에 의해 불시동이 발생하며, 각각의 유동 특성 또한 상이하다. 따라서, 본 연구에서는 전산해석을 이용하여 스크램제트 흡입구의 불시동 패턴 중, HOUF(High-amplitude Oscillatory Unstarted Flow)와 NOUF(Non Oscillatory Unstarted Flow)의 유동특성을 분석하고 이를 비교하였다. 해석결과, flap 각도가 최대각도 일 때 HOUF가 나타났으며, Flap 각도가 감소할수록 HOUF의 압력 진동 패턴에서 진폭과 진동 주파수가 점차 감소하는 경향성을 나타냈다. Flap 각도 감소에 따라 일정한 경향성을 나타내다가, NOUF(Non Oscillatory Unstarted Flow)의 압력 패턴이 나타났다. 각 불시동 현상에 대한 유동특성을 분석한 결과, 배압 상승, 역압력 구배로 인한 유동 역류, 역류로 인한 배압 해소, 유동의 재유입 현상이 공통적으로 나타나는 것을 확인하였다. HOUF의 경우 높은 배압으로 인해 역류 유동이 흡입구 외부까지 유출되어, 내부 압력이 자유류 수준까지 해소된 후, 유동이 재유입 되고, 압력이 상승하는 현상이 반복되는 주기성을 나타냈다. NOUF에서는 HOUF와는 달리 상대적으로 낮은 배압으로 인해 흡입구 외부로 배출되는 유동이 존재하지 않으며, 이로 인해 압력이 완전히 해소되지 않은 상태에서 압력이 다시 상승하였다. 또한 유동의 역류와 재유입이 반복되는 과정에서 상단 벽면의 박리영역이 불규칙하게 생성되거나 소멸됨으로써, 2 개의 압력 진동 패턴이 불규칙하게 나타났다. 이로 인해 NOUF의 압력 진동패턴은 비주기성을 나타냄을 확인하였다.

Inlet unstart in scramjet engines must be prevented for the stable operation of the engines. To prevent unstart, it is essential to understand the flow characteristics and mechanisms for the inlet unstart flow. In the scramjet inlet, unstart occurs due to various factors, and each unstart flow characteristics are different. Therefore, In this study, numerical study is performed, to analyze and compare the flow characteristics of HOUF(High-amplitude Oscillatory Unstarted Flow) and NOUF(Non Oscillatory Unstarted Flow) among the several unstart patterns. In the results, HOUF appeared when the flap angle was the maximum angle. As the flap angle decreased, the amplitude and oscillation frequency tended to gradually decrease in the pressure oscillation pattern of the HOUF. After showing a certain tendency, pressure pattern of NOUF(Non-Oscillatory Unstarted Flow) appeared. The results showed that the flow phenomenon of each unstart flow were similar, such as development of high-pressure regions, backflow by an adverse pressure gradient, relieving the high-pressure regions, and reentering flow to the downstream. In HOUF, due to the high back pressure in the downstream, the backflow escapes out of the inlet model. So the pressure decreased to the freestream pressure level, and the pressure increased, due to the re-entering flow. On the other hand, NOUF shows a relatively low back pressure compared to HOUF, and backflow does not escape out of the inlet model in the entire cycle. As a result, the back pressure did not decrease to the freestream pressure level, but decreased to a certain level and then increased again. In addition, in the process of repetitive backflow and reentering flow, the separation zone of the upper wall was arbitrary generated or disspated. For this reason, the pressure oscillation pattern of NOUF did not show periodicity, by appearing the two patterns randomly.

#Inlet Unstart #High-Amplitude Oscillatory Unstarted Flow #Non-Oscillatory Unstarted Flow #Back Pressure #Shock-Boundary Layer Interaction

제 1 장 서론 1
1.1 램/스크램제트 엔진 1
1.2 흡입구 시동 3
1.3 흡입구 불시동 5
1.4 연구배경 및 목적 7
1.4.1 연구배경 7
1.4.2 연구목적 11
제 2 장 수치해석 방법 12
2.1 지배방정식 12
2.2 수치해석 기법 14
2.2.1 시간차분법 14
2.2.2 공간차분법 15
2.3 난류 모델 18
2.4 열 물리학적 물성치 모델링 20
2.5 유입 경계층 유동 모델링 21
2.5.1 층류 경계층 21
2.5.2 난류 경계층 24
제 3 장 흡입구 시동 28
3.1 형상 및 해석조건 28
3.2 해석결과 및 분석 30
제 4 장 흡입구 불시동 : High-Amplitude Oscillatory Unstarted Flow 35
4.1 불시동 특성 분석(Domain 1) 35
4.1.1 형상 및 해석조건 35
4.1.2 해석결과 및 분석 37
4.2 불시동 특성 분석(Domain 2) 40
4.2.1 형상 및 해석조건 40
4.2.2 해석결과 및 분석 42
4.3 유입 경계층 유형에 따른 유동특성 변화 45
제 5 장 Flap 각도 변화에 따른 불시동 특성 50
5.1 Flap 각도 26˚ ～ 22˚ 50
5.1.1 형상 및 해석조건 50
5.1.2 해석결과 및 분석 52
5.2 Flap 각도 20˚ ～ 18˚ 57
5.2.1 형상 및 해석조건 57
5.2.2 해석결과 및 분석 58
제 6 장 흡입구 불시동 : Non-Oscillatory Unstarted Flow 62
6.1 형상 및 해석조건 62
6.2 기본 유동 메커니즘 63
6.3 비주기성에 대한 상세유동 분석 68
6.4 High-amplitude oscillatory unstarted flow와의 차이점 72
제 7 장 결론 76
참고문헌 80
Abstract 88

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