과소팽창하는 제트에 의해 기저면에 전달되는 압력 및 열전달량 특성에 관한 연구

Abstract

비행 중인 초음속 비행체의 노즐에서 나오는 유동이 과소 팽창할 때 기저면 주위에서는 자유류와 과소 팽창하는 제트 유동이 만나 복잡한 유동 현상이 발생한다. 본 연구는 이러한 상황에서 수치 해석을 통해 기저면 주위에서 발생하는 다양한 물리적 현상을 규명하고 이에 따른 기저 항력과 기저면으로의 열전달량 특성을 연구하였다. 기저면 직경, 동체의 길이와 같은 비행체 형상과 자유류 마하수, 배압비, 플룸 비열비와 같은 유동 조건이 기저 항력과 열전달량에 미치는 영향을 분석하였다. 노즐 출구의 크기가 고정이고 기저면 직경이 증가하면 기저 압력이 감소하고 열전달량도 감소한다. 동체의 길이가 증가하면 기저 압력이 증가하고 열전달량도 증가한다. 기준 형상에 대하여 자유류 마하수가 3, 4, 5인 경우에 대하여 수치 해석을 수행하였다. 자유류 마하수가 증가하면 기저 압력은 감소하지만 열전달량은 증가한다. 배압비는 제트 유동의 압력과 대기압의 비로 결정되며 배압비가 5, 20, 35, 50, 65인 경우에 대하여 연구하였다. 배압비가 증가하면 기저 압력이 증가하지만 열전달량은 감소한다. 플룸 비열비가 1.1, 1.2, 1.3, 1.4일 때의 기저 압력 및 열전달량 특성을 연구하였다. 플룸 비열비가 증가할수록 기저 압력은 감소하며 열전달량도 감소한다. 이와 같이 과소 팽창하는 제트에 의해 전달되는 기저 항력과 열전달량은 다양한 요인들에 의해서 영향을 받고 각 요인들이 영향을 미치는 물리적인 이유가 다르기 때문에 하나의 실험식이나 이론으로 정립될 수 없으며 새로운 초음속 비행체의 개발 시 이를 필수적으로 고려해야한다.

When the flow from the nozzle of a supersonic vehicle in flight highly underexpands, a complex flow phenomenon occurs due to the interaction of freestream flow and the underexpanded jet around the base. In this situation, this study attempted to identify physical phenomena and research the characteristics of base drag and heat transfer through numerical analysis. The effects of vehicle shape such as base diameter and fuselage length and flow conditions such as freestream Mach number, back pressure ratio and plume specific heat constant were analyzed. If the nozzle exit is fixed in size and the base diameter increases,the base pressure decreases and the heat transfer rate decreases. As the fuselage length increases, the base pressure increases and the heat transfer rate increases. In order to investigate the influence of freestream Mach, numerical analysis were performed for the Mach 3, 4, 5. As the freestream Mach number increases, the base pressure decreases but the heat transfer rate increases. The back pressure ratio is determined by the ratio of the jet pressure to the atmospheric pressure and the back pressure ratios were studied for 5, 20, 35, 50 and 65. As the back pressure ratio increases, the base pressure increases but the heat transfer rate decreases. The base drag and heat transfer rate characteristics of the plume specific heat constant ratios of 1.1, 1.2, 1.3 and 1.4 were studied. As the plume specific heat constant ratio increases, the base pressure decreases and the heat transfer rate decreases. Since the base drag and heat transfer delivered by underexpanded jets are influenced by various factors and the physical reasons for each of these factors are different. Therefore, they cannot be established by one empirical formula or theory. This must be taken into account during a new supersonic vehicle development.