고차 중첩격자기법을 적용한 충격파/경계층 상호작용으로 인한 삭마 현상 분석

Abstract

본 연구의 핵심은 고차 중첩 격자 기법의 개발과 이를 적용한 극초음속 비행체 열보호시스템 삭마현상 연구이다. 극초음속 비행체는 극심한 공력가열 현상으로 인한 고온의 환경에 노출된다. 이러한 환경으로부터 비행체를 보호하기 위하여 열보호시스템을 사용하게 된다. 안전한 극초음속 비행체를 위해서는 이러한 열보호시스템의 설계가 중요하다. 이러한 열보호시시템의 설계을 위한 지상 실험은 비행체의 비행조건을 그대로 구현하는데 한계가 있기 때문에 현실적으로 쉽지 않다. 때문에 열보호시스템의 전산해석이 필요한 상황이다. 열보호시스템 중 많이 쓰이는 방식이 삭마재질의 열보호재를 사용하는 것이다. 삭마재는 고온환경에서 산화, 질화 촉매 재결합, 승화등의 흡열반응을 통하여 비행체를 공력가열 현상으로부터 보호한다. 열보호시스템의 신뢰성있는 설계를 위해서는 이러한 삭마현상의 정확한 예측이 필요하다. 본 연구에서는 극초음속 비행체 열보호시스템 삭마현상 연구를 위하여 비행체 주위의 비평형 유동장 해석을 위하여 고차의 해석기법으로 적용하여 보다 정확한 열전달량 예측을 수행하였고 삭마로 인한 형상변화를 보다 용이하게 해석에 반영하기 위하여 고차의 중첩격자 기법을 사용하였다. 삭마현상은 삭마 재질의 열보호시스템을 사용하고 삭마가 일어나기 위한 충분한 공력가열 현상이 일어나는 부분에서 부분적으로 발생하게 된다. 이러한 부분적인 삭마현상을 예측하기 위하여 중첩격자 기법을 적용하면 삭마가 발생하는 영역에서 부분적으로 밀집된 격자계를 사용함으로써 보다 정확한 삭마현상 예측이 가능하다. 또한 삭마로 인한 현상변화를 격자계에 보다 쉽게 반영할 수 있게 되어 양질의 격자계를 통한 해석이 가능해진다. 열보호시스템의 삭마현상을 정확히 예측하기 위해서는 우선적으로 열보호시스템 벽면에서의 열전달량을 정확히 예측하여야 한다. 이를 위해서는 벽면에서 고도로 밀집된 격자계를 필요로 하지만 이는 계산 효율을 나쁘게 만드는 요인이 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 극초음속 유동 해석 시 고차의 해석기법을 도입함으로써 상대적으로 적은 격자 밀집도에서도 정확한 해를 얻게 되어 계산효율을 향상시킬 수 있다. 이러한 고차 유동 해석 기법에 중첩격자 기법을 적용할 때 고차의 정확도를 유지하기 위해서 중첩격자의 내삽기법 또한 고차의 정확도를 가져야 한다. 이를 위해서 본 연구에서는 고차의 중첩격자 내삽기법을 개발하였다. 비행체가 공력 가열되어 삭마가 진행되면 초반 균일하지 못한 재질 또는 난류 천이 등의 영향으로 인하여 삭마현상이 불균일하게 발생한다. 이로 인하여 부분적으로 표면에 요철이 발생하고 이러한 형상 변화는 부분적으로 충격파가 발생시킨다. 이 때 표면에서는 충격파/경계층 상호작용으로 인하여 충격파가 경계층에 부딪히는 곳에서 부분적으로 공력가열이 심화되어 더 큰 열전달량이 발생하게되고 이 부분에서 삭마현상이 심해지게 된다. 이에 대한 정확한 물리현상 연구를 위하여 충격파/경계층 상호작용이 삭마현상에 미치는 영향을 분석하였다.