Multi를 이용한 노즈콘 주변의 압축성 유동에 대한 수치적 조사

Aug 03, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 787(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

극심한 공기역학적 가열로 인해 스크램제트의 선수부 보호는 극초음속 비행에 매우 중요합니다. 현재 연구에서는 극초음속 비행 시 노즈콘을 보호하기 위한 새로운 냉각 시스템을 제안하고 연구합니다. 전산 유체 역학은 고속 조건에서 스파이크에서 방출되는 측면 및 축 방향 냉각제 제트의 시뮬레이션에 사용됩니다. 주요 목표는 노즈 및 스파이크 어셈블리의 효율적인 냉각을 위한 최적의 제트 위치를 찾는 것입니다. 두 개의 냉각제 제트(이산화탄소 및 헬륨)가 냉각 시스템 메커니즘에 미치는 영향이 완전히 조사되었습니다. 시뮬레이션을 위해 RANS 방정식은 종 수송 방정식 및 SST 난류 모델과 결합됩니다. 극초음속 비행에서 노즈콘을 보호하기 위한 효율적인 조건을 얻기 위해 두 가지 다른 제트 구성(축 디스크 위치)이 조사되었습니다. 우리의 결과는 노즈콘에 스파이크가 있으면 본체의 압력이 최대 33%까지 감소하고 공기 흐름의 편향으로 인해 최대 압력이 더 높은 각도로 이동한다는 것을 나타냅니다. 냉각수 디스크 제트(C2)가 55도 각도로 분사되면 최대 압력은 약 50% 감소합니다.

공기역학적 가열의 열 제어를 위한 냉각 시스템은 고속 차량 및 셔틀의 선수부 설계에 있어 주요 문제입니다. 이 문제에 대한 효율적인 해결책을 찾기 위해 상당한 노력이 이루어져 왔으며 이와 관련하여 몇 가지 실용적이고 이론적인 기술이 제안되고 조사되었습니다. 노즈콘 근처의 극초음속 흐름의 복잡한 특징은 이러한 제안된 기술3,4의 열 효율을 평가하는 데 중요한 과제입니다. 게다가, 공기 해리로 인한 충격의 생성은 노즈콘 부근의 유동 물리학의 복잡성을 심화시킵니다5.

선수체의 주요 개념은 항력 감소를 줄이는 것이므로 공기역학적 가열의 열 관리를 위해 이를 고려해야 하는 새로운 방법론이 있습니다. 실제로 효율적인 모델을 위해서는 열과 항력의 감소가 균형을 이루어야 합니다6,7. 스파이크의 기계적 장치는 극초음속 흐름에서 노즈콘의 열 감소를 위한 가장 일반적인 실제 모델입니다. 이 기술에서는 스파이크 끝 부분에서 흐름 분리가 발생하고 스파이크 근처에서 고온 영역이 생성됩니다8,9. 스파이크는 노즈콘에 가해지는 항력과 발열을 줄여주기 때문에 실제 응용 분야에서 널리 사용되고 실용적입니다. 충격의 형성과 열전달의 가치는 스파이크의 모양과 길이에 비례합니다10. 스파이크 앞쪽에서 발생하는 보우 쇼크의 강도와 상호 작용은 본체에 가해지는 열 부하에 중요합니다. 이전 연구에서는 이 기술의 최적 형상을 달성하기 위해 기계적 스파이크의 다양한 특성을 광범위하게 조사했습니다.

스파이크에 다중 행 디스크를 적용하면 스파이크의 열 성능도 향상됩니다14,15. 이 방법에서는 틈새에 재순환 흐름이 생성되어 스파이크 근처의 열 전달이 향상됩니다. 게다가 타격 충격의 편향은 디스크 크기를 통해 관리되며 이는 본체에 대한 활 충격의 편향을 피할 수 있습니다.

노즈콘에서 냉각수를 주입하는 것은 극초음속 차량의 선수체 열 보호를 위한 두 번째 기술로도 알려져 있습니다. 이 개념에서는 과도 제트가 방출되어 선수 충격파를 상류로 밀어냅니다. 게다가 냉각수의 온도가 낮으면 콘 근처의 가스 온도가 낮아지고 결과적으로 본체로의 열 전달이 감소합니다20,21. 또한, 2차 가스 주입에 따라 흐름의 열전도도(Cp)가 변화하는데, 이는 노즈콘 보호에도 효과적입니다. 이 접근 방식은 아직 실용적이지는 않지만 공기 역학적 가열 과정22,23,24을 통한 열 생산 메커니즘에 대한 중요한 데이터를 제공합니다.