고 엔탈피 풍동 디퓨저 설계 및 성능 평가

Abstract

본 연구는 수치해석을 통해 극초음속, 고엔탈피 유동 조건에서 운용 가능한 MW급 대용량 플라즈마 풍동 디퓨저의 형상 설계를 목적으로 수행되었다. 논문은 크게 설계변수 분석과 디퓨저 설계로 구성된다. 설계변수 분석에서는 설계변수를 다양하게 변화시키면서 유동해석을 수행하였다. 주요 설계변수는 디퓨저 목면적, 목길이, 축소부 각도, 확산부 각도이고, 이러한 설계변수 변화가 디퓨저 내부유동 및 압력회복에 미치는 영향에 대해 파악하고자 하였다. 이후 설계변수 분석을 통해 얻은 연구 결과를 바탕으로 최종 디퓨저 형상을 설계하였다. 디퓨저의 설계 부분에서는 디퓨저의 배압조건, 출구 온도 및 속도 등과 같은 설계 요구조건을 만족시키기 위해 수행 했었던 주요 과정에 대해 서술하였다. 이러한 과정을 통해 최종적으로 질량유량 2.07 kg/s, 압력 0.005 bar, 온도 253 K 그리고 마하수 7의 유입류 조건에서 운용 가능한 디퓨저 형상을 결정하였다.

This study was conducted to design a plasma wind tunnel diffuser operated in hypersonic and high enthalpy environment. The study consists of design variable analysis and diffuser design. In the design variable analysis, we conducted a great deal of numerical simulations, in which the design variable was changed in a wide range. The design variables were diffuser throat area, throat length, contraction angle and expansion angle, and the effect of the change of these variables was investigated. After that, we designed the final diffuser shape based on the results of the design variable analysis. This paper describes the major process to satisfy design requirements such as backpressure, exit temperature and exit velocity. The inflow conditions were Mach number 7, pressure 0.005 bar, temperature 253 K and mass flow rate 2.07 kg/s.