Surrogate Model based Sensitivity Analysis and Design Study for High Efficiency Hypersonic Wind Tunnel Diffuser

Abstract

The operation of hypersonic wind tunnel (HWT) requires an excessive pressure ratio owing to the excess total pressure loss in the hypersonic environment. Therefore, designing a diffuser that can alleviate this total pressure loss by compressing the hypersonic flow efficiently is essential. However, research on the design of the HWT diffuser cannot be considered to have been sufficiently conducted, and the disclosure of the research have been limited. Conventional diffuser design methodologies use simplified analysis or rule of thumb, and in most cases, when designing a diffuser, simply referencing the existing diffuser shapes, or relying highly on the researchers know-how and insights. It can be said that the HWT diffuser derived in this way has a high risk of having too low efficiency or being inoperable. This study aimed to design an efficient HWT diffuser that enables HWT testing with a large blockage model with limited resources. The conventional consensus required a larger HWT for the test of the large blockage model, which will cause an exponential increase in cost. Therefore, through comprehensive diffuser design research, it was possible to design the diffuser shape that can test the large blockage model. Additionally, the study minimized the cost of constructing and operating a HWT by maximizing the diffuser efficiency. The efficient HWT diffuser was designed by using a design method that was more sophisticated than the conventional inefficient and high-risk design method. First, the fundamental characteristics of the HWT were analyzed through numerical analysis, and an innovative observation value helpful for effective diffuser design were proposed. After that, a parametric study based design study was conducted. The effect of each design variable on the diffuser efficiency was investigated, and a HWT diffuser that could be operable even in the presence of a test model with a large blockage ratio was designed. However, the parametric study based design method is inefficient in terms of time and resource because parametric studies must be repeatedly performed until the design requirements is fulfilled. Therefore, surrogate model based design study was conducted to resolve this inefficiency. First, a framework was established to analyze the diffuser design space systematically and efficiently. The framework consists of a DOE based analysis point sampler, an automated flow analysis and diffuser efficiency evaluation module, a kriging surrogate model generation module, and a sensitivity analysis module. Using this framework, the surrogate models were constructed and the entire design space of the HWT diffuser was quantitatively investigated via sensitivity analysis. Using the surrogate models, the HWT diffuser shape with higher efficiency than the parametric design method was effectively derived. In addition, considering the on-design condition of Mach 7 flow condition and off-design condition of Mach 4.7 simultaneously, a diffuser shape that can be operable with high efficiency under the wide range of flow conditions was derived. Finally, important design considerations obtained through this design are presented. Considerations included essential flow characteristics and guidelines to increase stability and efficiency of the HWT. The on-design flow conditions in this study are reservoir pressure of 28.6 bar, total temperature of 2,216 K, and hypersonic flow of 2 kg/s through a Mach 7 nozzle. This condition corresponds to a MW-class large-capacity HWT with a capacity of 13 MW. It is hoped that this study will be useful data when designing a diffuser in an environment where research on HWT diffusers is limited.

극초음속 및 고엔탈피 환경을 지상에서 모사하는 시험장치인 극초음속풍동 운용 시에는, 극초음속 영역에서의 과도한 전압력 손실로 인해 풍동 전후로 매우 높은 압력비가 요구된다. 따라서, 극초음속 유동을 효율적으로 압축하여 이러한 전압력 손실을 최소화하고 운용에 요구되는 높은 압력비를 완화시킬 수 있는, 즉 높은 효율을 가지는 디퓨저 설계가 매우 중요하다고 할 수 있다. 하지만, 극초음속풍동 디퓨저의 설계에 대한 연구는 충분히 이루어 졌다고 보기 힘들며, 연구 내용에 대한 공개도 보안상의 이유로 제한적으로 이루어진다. 기존의 디퓨저 설계 방법론 역시도 지나치게 간략화 된 분석이나 경험 법칙에 의존하며, 실제 디퓨저 설계 시에는 단순히 기존 디퓨저 형상을 참조하거나 설계자의 노하우에 크게 의존하는 경우가 대부분이다. 이렇게 도출된 극초음속풍동 디퓨저는 운용 불가하거나 운용이 가능하더라도 매우 낮은 효율을 보일 위험이 매우 높다고 할 수 있다. 본 연구의 설계 목표는 한정된 자원으로, 높은 폐색율을 가지는 모델의 풍동 시험을 가능하게 하는 극초음속풍동 디퓨저를 설계하는데 있었다. 기존의 방식은 큰 크기의 모델 시험을 위해서는 그에 상응하는 대형 극초음속풍동을 구축하는 것이었으나, 이러한 방식은 풍동의 구축 및 운용 비용을 기하급수적으로 증가시킨다는 문제가 있었다. 따라서, 심도 깊은 설계 연구를 통해 풍동의 크기를 증가시키지 않고도 큰 크기의 모델 시험이 가능한 디퓨저를 설계하였다. 게다가 디퓨저 효율을 극대화하여 극초음속풍동 구축 및 운용 비용을 최소화하였다. 본 연구에서는 기존의 비효율적이고 위험성이 높은 설계 방법보다 발전된 형태의 설계 방법을 활용하여, 정교하고 효율적인 극초음속풍동 디퓨저의 설계를 수행하였다. 먼저 극초음속풍동에 대한 주요 특성을 수치해석을 통해 분석하였고, 이를 통해 효과적인 디퓨저 설계에 도움이 되는 혁신적인 관찰 값을 제시하였다. 이후 파라메트릭 스터디 기반의 설계 연구를 수행하였는데, 각 설계 변수가 디퓨저 효율에 미치는 영향을 분석하고, 큰 폐색율을 가지는 시험모델이 존재하는 조건에서도 성공적으로 시험이 가능한 극초음속풍동 디퓨저를 설계하였다. 하지만, 파라메트릭 스터디 기반의 설계 방법은 설계 요구조건을 충족할 때까지 반복적으로 파라메트릭 스터디를 수행해야하기 때문에, 시간과 자원 소요 차원에서 효율적이라고 보기 힘들다. 따라서, 이를 보완하기 위해, 대체 모델 기반의 설계 연구를 수행하였다. 먼저 디퓨저 설계 공간을 체계적이고 효율적으로 분석할 수 있는 프레임워크를 구축하였다. 프레임워크는 실험계획법 기반 해석점 샘플러, 자동화된 유동 해석 및 디퓨저 효율성 평가 모듈, 크리깅 대체 모델 생성 모듈, 민감도 분석 모듈로 구성된다. 구축된 프레임워크를 기반으로 대체 모델 중 하나인 크리깅 모델을 생성하고, 극초음속 풍동 디퓨저의 전체 설계 공간을 민감도 분석을 통해 정량적으로 분석하였다. 대체모델을 이용해서 파라메트릭 기반의 설계 방법보다 높은 효율을 가지는 극초음속풍동의 디퓨저 형상을 효과적으로 도출할 수 있었다. 추가로, 실제 풍동은 넓은 운용범위를 가진다는 것을 반영하였다. 온-디자인 조건인 마하 7 유동조건과 오프-디자인 조건인 마하수 4.7을 동시에 고려하여, 넓은 범위의 유동 조건에서도 높은 효율로 시험이 가능한 디퓨저 형상을 도출하였다. 마지막으로, 이러한 설계언구를 통해 도출된 극초음속풍동 디퓨저 설계 시 주요하게 고려해야 하는 사항을 제시하였다. 본 연구의 온-디자인 유동 조건은 저기조 전압력 28.6 bar, 전온도 2,216 K이며, 마하 7 노즐을 통해 2 kg/s의 극초음속유동을 생성하는 조건이다. 이는 13 MW급 이상의 대용량 극초음속 풍동에 준하는 조건이다. 극초음속풍동 디퓨저 관련 연구가 제한적인 환경에서 본 연구가 디퓨저 설계 시 유용한 자료가 되기를 기대한다.