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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 이승수
- 발행연도
- 2014
- 저작권
- 인하대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수2
이 논문의 연구 히스토리 (6)
2013
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본 논문에서는 초음속 흡입구 주위에서 발생하는 버즈(buzz)라고 하는 진동 유동 현상에 대한 축대칭 및 3차원 수치모사에 관한 연구를 다루었다. 수치모사에는 비정상 난류 유동의 해석을 위해 축대칭 형태와 3 차원의 URANS(Unsteady Reynolds Navier-Stokes) 해석 프로그램을 다양한 난류 모델과 함께 사용하였다. 축대칭 해석에서는 20 Hz 정도의 낮은 주파수의 버즈부터 400 Hz에 이르는 고주파수 버즈에 대한 수치모사를 수행하였으며 이를 통하여 버즈에 대한 수치모사를 위한 수치적 조건들을 결정하는 과정을 체계적으로 정리하였다. 3차원 해석에서는 출구 형상 및 받음각이 버즈에 미치는 영향에 대해 살펴보았다. 이를 바탕으로 bleed가 버즈 방지와 흡입구의 성능에 미치는 영향에 대해서도 알아보았다.
축대칭 초음속 흡입구 주위의 유동에 대한 해석을 수행하였다. 먼저 Dailey의 흡입구 주위의 유동을 해석하여 압력 변화 및 버즈의 주파수가 실험 결과와 잘 일치하는 것을 확인하였으며, Dailey 타입의 버즈의 유동 현상에 대해 설명하였다. 이를 바탕으로 Nagashima의 흡입구에 대한 다각적인 해석을 수행하였다. 격자계, 이중 시간 적분법의 sub-iteration 수, 시간 적분 간격 등의 수치적 조건들에 따른 버즈 주파수의 수렴성 연구를 수행하였다. 이러한 수렴성 연구를 통해 수렴된 버즈 주파수를 얻기 위한 수치적 조건들을 결정할 수 있었다. 이를 바탕으로 저주파수 및 고주파수 버즈에 대한 수치모사를 수행하였다. 격자계 구성의 변화 없이 출구 넓이만 변화시켜 저주파수 버즈와 고주파수 버즈의 수치모사에 성공하였으며, 실험치에 가까운 버즈 주파수를 계산해 낼 수 있었다.
축대칭 해석에 기초하여 버즈에 대한 3차원 비정상 해석을 수행하였다. 먼저, 흡입구의 출구 형상이 버즈의 거동에 미치는 영향을 알아보기 위해 3 가지 출구 형상에 대한 해석을 수행하였다. 3 가지 형상 중에 두 가지는 축대칭 출구 형상이고, 나머지 하나는 몇 개의 구멍으로 구성된 출구 형상이다. 해석 결과에서 몇 개의 구멍으로 구성된 출구 형상의 해석이 실험치에 가장 가까운 결과를 보였다. 몇 개의 구멍으로 구성된 출구 형상을 이용하여 받음각이 0인 해석과 받음각이 4도인 해석을 수행하여 흡입구의 받음각이 버즈의 거동에 미치는 영향을 면밀히 검토하였다. 이를 통해 받음각이 흡입구에서 발생하는 버즈는 다양한 진동폭의 버즈 특성이 복합적으로 나타나는 것을 확인하였다.
마지막으로 bleed 모델을 이용하여 Nagashima의 흡입구에 bleed 영역을 설정하고 축대칭 수치모사를 수행하여 bleed가 버즈 방지에 미치는 영향과 흡입구의 성능 향상에 기여하는 바에 대해서 분석하였다. Bleed 모델의 정확성을 향상시키기 위해 bleed 영역이 있는 평판 문제에 대한 해석을 수행하여 기존의 bleed 모델의 문제점을 파악하고 bleed 모델의 데이터베이스를 보정하였다. 보정된 bleed 모델은 bleed 영역에 경사충격파가 입사하는 문제에 대해 해석을 수행하여 검증하였다. 보정된 bleed 모델을 이용하여 Nagashima 흡입구에 bleed 영역을 설정하고 수치모사를 수행하였다. 그 결과, bleed가 버즈 방지하고 흡입구의 성능을 향상시키는데 상당한 효과가 있음을 확인하였다.
축대칭 초음속 흡입구 주위의 유동에 대한 해석을 수행하였다. 먼저 Dailey의 흡입구 주위의 유동을 해석하여 압력 변화 및 버즈의 주파수가 실험 결과와 잘 일치하는 것을 확인하였으며, Dailey 타입의 버즈의 유동 현상에 대해 설명하였다. 이를 바탕으로 Nagashima의 흡입구에 대한 다각적인 해석을 수행하였다. 격자계, 이중 시간 적분법의 sub-iteration 수, 시간 적분 간격 등의 수치적 조건들에 따른 버즈 주파수의 수렴성 연구를 수행하였다. 이러한 수렴성 연구를 통해 수렴된 버즈 주파수를 얻기 위한 수치적 조건들을 결정할 수 있었다. 이를 바탕으로 저주파수 및 고주파수 버즈에 대한 수치모사를 수행하였다. 격자계 구성의 변화 없이 출구 넓이만 변화시켜 저주파수 버즈와 고주파수 버즈의 수치모사에 성공하였으며, 실험치에 가까운 버즈 주파수를 계산해 낼 수 있었다.
축대칭 해석에 기초하여 버즈에 대한 3차원 비정상 해석을 수행하였다. 먼저, 흡입구의 출구 형상이 버즈의 거동에 미치는 영향을 알아보기 위해 3 가지 출구 형상에 대한 해석을 수행하였다. 3 가지 형상 중에 두 가지는 축대칭 출구 형상이고, 나머지 하나는 몇 개의 구멍으로 구성된 출구 형상이다. 해석 결과에서 몇 개의 구멍으로 구성된 출구 형상의 해석이 실험치에 가장 가까운 결과를 보였다. 몇 개의 구멍으로 구성된 출구 형상을 이용하여 받음각이 0인 해석과 받음각이 4도인 해석을 수행하여 흡입구의 받음각이 버즈의 거동에 미치는 영향을 면밀히 검토하였다. 이를 통해 받음각이 흡입구에서 발생하는 버즈는 다양한 진동폭의 버즈 특성이 복합적으로 나타나는 것을 확인하였다.
마지막으로 bleed 모델을 이용하여 Nagashima의 흡입구에 bleed 영역을 설정하고 축대칭 수치모사를 수행하여 bleed가 버즈 방지에 미치는 영향과 흡입구의 성능 향상에 기여하는 바에 대해서 분석하였다. Bleed 모델의 정확성을 향상시키기 위해 bleed 영역이 있는 평판 문제에 대한 해석을 수행하여 기존의 bleed 모델의 문제점을 파악하고 bleed 모델의 데이터베이스를 보정하였다. 보정된 bleed 모델은 bleed 영역에 경사충격파가 입사하는 문제에 대해 해석을 수행하여 검증하였다. 보정된 bleed 모델을 이용하여 Nagashima 흡입구에 bleed 영역을 설정하고 수치모사를 수행하였다. 그 결과, bleed가 버즈 방지하고 흡입구의 성능을 향상시키는데 상당한 효과가 있음을 확인하였다.
목차
1. 서론 11.1 초음속 흡입구 11.2 초음속 흡입구 주위의 유동 41.2.1 초음속 흡입구 주위의 진동 유동 61.2.2 초음속 흡입구 주위의 버즈 방지 101.3 연구 개요 122. 지배 방정식 142.1 유동 지배 방정식 142.2 난류 모델 방정식 172.2.1 S-A 난류 모델 방정식 172.2.2 k-omega SST 난류 모델 방정식 192.2.3 q-omega 난류 모델 방정식 203. 수치 해석 기법 223.1 공간 이산화 기법 223.1.1 준이산화 방정식 223.1.2 비점성 유속 벡터의 계산 253.1.2.1 Roe의 근사 리만해 253.1.2.2 고차의 공산 이산화 기법 283.1.2.2.1 MUSCL 283.1.2.2.2 MLP3 293.1.3 점성 유속 벡터의 계산 303.2 시간적분법 323.2.1 이중 시간 적분법의 적용과 선형화 343.2.2 AF-ADI 373.3 S-A 난류 모델에 적용된 수치 기법 373.4 Bleed 모델 394. 2차원 비점성 정상 유동 해석 425. 축대칭 비정상 유동 해석 465.1 Dailey의 흡입구 475.1.1 Dailey의 Organ-pipe에서의 진동 유동 475.1.2 Dailey의 흡입구 535.2 Nagashima의 흡입구 615.2.1 수치 조건들에 따른 버즈 주파수의 수렴성 연구 645.2.1.1 출구에서의 유동 조건 결정 645.2.1.2 Sub-iteration 수의 결정 685.2.1.3 격자 수렴성 연구 725.2.1.4 격자와 시간 간격에 따른 수렴성 연구 775.2.1.5 수렴성 연구의 결과 검토 805.2.1.6 유동 조건과 격자계의 수정 815.2.2 저주파수 및 고주파수 버즈에 대한 수치모사 835.2.2.1 중앙 몸체가 없는 흡입구에 대한 수치모사 845.2.2.2 저주파수 버즈에 대한 수치모사 875.2.2.2.1 수렴성 연구 955.2.2.3 고주파수 버즈에 대한 수치모사 996. 3차원 비정상 유동 해석 1056.1 출구 형상에 따른 버즈의 특징 분석 1056.1.1 3가지 출구 형상 1056.1.2 해석 결과 비교 1096.2 받음각에 따른 버즈의 특징 분석 1186.2.1 받음각 0도에서의 해석 결과 1186.2.2 받음각 4도에서의 해석 결과 1227. 보정한 bleed 모델을 이용한 버즈 제어 1287.1 Bleed 데이터 베이스 보정 1287.1.1 기존 bleed 모델의 문제점 1297.1.2 마하수 보정 1347.1.3 외삽을 이용한 데이터베이스 확장 1367.2 보정한 bleed 모델의 검증 1397.3 초음속 흡입구 버즈 제어 1437.3.1 입출구비에 따른 초음속 흡입구의 성능 해석 1437.3.2 Bleed를 이용한 버즈 제어 1478. 결론 및 향후 과제 1559. 참고 문헌 158
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