Numerical Study on Plenum Mixing Chamber and Diffusers of Arc-Heated Wind Tunnel and Predicting Correlation between Arc-Heater Parameters using Multi-Layer Perceptron

Abstract

초고속 비행체, 재진입 비행체의 내열 소재 및 열 보호 시스템 연구에 필수적인 지상 시험 장비로는 아크 플라즈마를 이용하여 고엔탈피 유동을 모사하는 아크 가열식 풍동이 있다. 아크 가열식 풍동은 유인 우주선의 안정성 확보를 위해 50년대부터 연구가 수행되어 미국, 유럽, 러시아 등 항공우주 선진국에서는 다양한 규모의 장치를 구축하여 현재까지 사용하고 있다. 그러나 국내에는 아크 가열식 시험 장비가 매우 부족한 상황이며, 구축 비용의 절감을 위해 현존하는 연구시설의 기존 인프라를 이용한 장치의 구축이 요구된다. 국외의 시험장비들 또한 다른 행성으로의 재진입 연구를 수행하기 위해 개선이 지속적으로 필요한 상황이다. 따라서 본 연구는 아크 가열식 풍동의 설계, 개선 및 확장에 유용하게 적용할 수 있는 전산 해석 프로그램, 구성요소의 형상 설계 및 분석, 인공신경망 모델을 이용한 성능 해석 연구를 수행하였으며, 그 내용은 다음과 같다.

1. 해석 코드 개선 및 검증 아크히터 해석용 코드인 ARCFLO4를 아크 가열식 풍동장치 전체 시스템의 유동 해석을 위한 코드로 개선하고 검증하였다. 고압, 고온, 저속의 열적/화학적 평형 아크 플라즈마 해석을 위해 개발된 ARCFLO4 코드를 아크 가열식 풍동의 초음속/극초음속 영역의 유동 해석이 가능하도록 열역학적 변수와 전달계수의 계산 영역을 확장하였다. 또한, 시험장치의 비정상 해석을 위해 dual time stepping 시간 전진기법을 도입하였다. 개선된 유동 해석 코드는 JAXA 0.75 MW 아크히터, NASA Ames 20 MW IHF 아크히터, 그리고 NASA Langely의 마하4.9, 마하6 노즐의 유동 해석 결과와 실험 값을 비교하여 검증하였다.

2. 플레넘 혼합실과 디퓨저의 새로운 형상 제안 및 특성 분석 아크히터와 노즐 사이에 플레넘 혼합실이 있는 경우, 혼합실 내부의 유동 변화에 대한 아크 플라즈마의 안정성을 보장하기 위해 히터 노즐을 사용한 형상을 제안하였다. 히터 노즐에 의한 질식효과로 플레넘 혼합실 내부의 유동이 변화하여도 상류인 아크히터 내부 유동에 변화가 없음을 확인하였으며, 고온의 히터 유동과 상온의 추가 유입 유동의 혼합이 더 빠르게 발생하는 것을 알 수 있었다. 디퓨저에 대한 수치해석 연구는 대표적인 디퓨저 형상인 중심체형 디퓨저와 2차목 원통형 디퓨저에 대한 유동 해석을 수행하여 각 형상에 대한 장점과 단점을 분석한 후, 효율이 높은 디퓨저 형상을 제안하였다. 새로운 디퓨저의 경우, 중심체가 아음속 영역에 위치하여 디퓨저 효율은 유지되고 중심체에 의한 냉각면적 증가로 출구의 유동 온도가 가장 낮음을 확인하였다.

3. 멀티 레이어 퍼셉트론 모델을 이용한 아크히터 변수 간 상관관계 예측 인공 신경망 모델인 멀티 레이어 퍼셉트론을 이용하여 시험 장치의 성능 예측을 위한 코드를 개발하였다. 세그멘트형 아크히터들의 전산 해석 결과를 이용하여 데이터 베이스를 구축하고 유동 분석을 통해 주요 설계 인자를 선정하여 학습을 수행, 아크히터 변수 간의 상관관계 예측이 가능하도록 하였다. 멀티 레이어 퍼셉트론 모델의 검증을 위해 현존하는 소형, 중형, 대형 아크히터의 성능 변수인 압력, 아크 전압, 엔탈피, 효율을 예측하고 실제 실험값과 비교하였다.

An essential ground test facility for research on heat-resistant materials and thermal protection systems of hypersonic flight vehicles and re-entry vehicles is an arc-heated wind tunnel that generates high enthalpy flow using arc plasma. Research on the arc-heated facilities has been conducted since the 1950s to secure the safety of manned spacecraft, and advanced countries in aerospace industries such as the United States, Europe, and Russia have built facilities of various sizes and have been using them until now. However, few arc-heated wind tunnels exist in the Republic of Korea; therefore, it is required to build a new facility, and upgrade the exist facility using the infrastructure of research institute reducing construction costs. In addition, overseas facilities are also constantly in need of improvement to conduct re-entry research on other planets. Therefore, in this study, to be useful in the design, improvement, and expansion of arc-heated facilities, studies on a computational analysis program, preliminary configuration design, and performance analysis studies using an artificial neural network model are conducted. The specific contents are as follows.

1. Improve and validate flow analysis program The ARCFLO4, a code for an arc-heater analysis, is improved, verified, and validated as an analysis code for an entire arc-heated wind tunnel. The ARCFLO4 code for high-pressure, high-temperature, and low-velocity thermal/chemical equilibrium arc plasma analysis has been improved by expanding the computation region of thermodynamic properties and transfer coefficients to enable flow analysis in the supersonic/hypersonic region of arc-heated wind tunnels. In addition, the dual time stepping time integration method for unsteady flow analysis is adopted. The improved flow analysis program is verified and validated by comparing the numerical results and experimental values of the JAXA 0.75 MW arc-heater, NASA Ames 20 MW IHF arc-heater, and NASA Langleys Mach 4.9 and Mach 6 nozzles.

2. Configuration proposal and flow analysis on plenum mixing chamber and diffuser A plenum mixing chamber with a heater nozzle was proposed to ensure the stability of the arc plasma according to the flow change inside the chamber when there is additional flow injection into the chamber. Even if the flow inside the plenum mixing chamber changes, it was confirmed that there is no flow change inside the arc heater due to the choking effect by the heater nozzle, and it was found that the mixing of the high-temperature heater flow and the room-temperature additional flow occurred in shorter length. In the numerical study on the diffusers, flow analysis was performed on the representative diffuser types; the center-body diffuser and the second throat cylindrical diffuser, and after identifying the advantages and disadvantages of each type, a novel diffuser configuration was proposed. In the case of the novel diffuser that the center body is located in the subsonic region, it was confirmed that the diffuser efficiency was maintained and the flow temperature at the exit was the lowest due to the increase in the cooling area.

3. Predicting correlation between arc-heater parameters using multi-layer perceptron A code for predicting the performance of an arc-heated wind tunnel is developed using the multi-layer perceptron model. Databases were built using the numerical results of segmented arc-heaters, and major design variables were selected through flow analysis; then training was performed to predict the correlation between arc heater parameters. For verification of the multi-layer perceptron model, the predicted pressure, arc voltage, enthalpy, and efficiency, which are performance parameters of arc-heater, are compared with experimental values of existing arc-heaters in various sizes