초음속 흡입구 내부 유동해석

초음속 공기흡입 엔진 중의 하나인 램제트(Ramjet)엔진은 마하수 2 ~ 5 사이의 영역에서 비행하는 비행체에 사용되고 있다. 이러한 유형의 엔진은 초음속으로 유입되는 유동을 압축 및 감속시켜 아음속 상태로 연소실에 공급한다. 램제트 엔진은 별도의 압축기 없이 공기를 압축할 수 있기 때문에 가볍고 효율적인 엔진으로 각광받고 있다. 하지만 이러한 강점에도 불구하고 램제트 엔진의 내부 유동은 충격파/충격파, 충격파/경계층 상호작용으로 인해 복잡한 유동 특성을 갖게 되며, 특히 흡입구 버즈(Inlet buzz)라 불리는 충격파 진동을 수반한 유동 불안정 현상이 발생하기도 한다. 흡입구 버즈 현상은 엔진의 추력을 손실시키거나, 연소의 실패를 유발하고 심지어는 구조적인 손상과 같은 심각한 문제를 일으키기도 한다. 이러한 이유로 인해, 본 연구실에서는 초음속 흡입구 주변의 물리 현상을 이해하고 흡입구의 성능을 향상시키기 위한 다양한 연구들이 활발히 진행되고 있다.

Fig. 1. 램제트 엔진 도식도

I. Bleed를 이용한 유동 제어 연구

본 연구실에서는 초음속 흡입구의 유동 불안정 현상을 억제하고, 흡입구의 성능을 향상시키기 위해 블리드(bleed) 유동제어장치를 이용한 흡입구 유동제어 연구를 수행하고 있다. 해당 연구 분야에서 다루고 있는 블리드 유동제어 장치는 아래 그림과 같이 평판에 여러 구멍이 뚫려있는 다공성(porous) 형태를 갖고 있다. 벽면 근처의 경계층 유동은 경계층 외부 유동에 비해 낮은 운동량(momentum)을 갖고 있으며, 이러한 낮은 운동량의 유동이 블리드의 여러 구멍을 통해 빠져나감으로써 흡입구 내부 유동이 제어된다.

Fig. 2. 블리드 유동제어 장치 도식도

위 그림을 통해 알 수 있듯이, 일단 블리드 유동제어장치가 설치되고 나면 구멍의 개수나 간격, 위치 등의 요소를 변경하는 것은 매우 어렵다. 때문에 유동제어장치의 설치 전에 최적의 성능을 갖는 블리드 조건(너비, 위치, 흡입유량 등)을 찾는 것이 매우 중요하다고 볼 수 있다. 본 연구실에서는 외부압축 흡입구 (external-compression inlet) 형상을 선정하고, 램제트 엔진이 가속을 하는 마하수 구간에서 유동 불안정성을 억제하고 흡입구 성능을 증가시킬 수 있는 최적의 블리드 조건을 찾는 연구를 수행한 바 있다.

Fig. 3. 흡입구 흡입유량에 따른 전압력 회복률

위 그림은 마하수 1.8일 때 초음속 흡입구로 들어오는 흡입유량 대비 전압력 회복률을 보여주는 그래프이다. 전압력 회복률은 흡입구의 성능을 나타낼수 있는 대표적인 성능지표 중 하나이다. 위 그림에서 볼 수 있듯이, 동일한 입출구비(throttling ratio, TR)에서 비교해보면, 블리드 유동제어를 한 경우 흡입구로 들어오는 유량이 증가하고, 전압력 회복률 또한 증가하게 된다. 이는 블리드 유동제어를 하지 않은 경우보다 더욱 많은 유량을 더 높은 전압력 회복률로 엔진에 공급해줄 수 있다는 것을 의미한다. 또한 블리드 유동제어장치를 적용하지 않은 경우 입출구비가 2.41보다 낮아지면 유동이 불안정해지며 흡입구 버즈(inlet buzz) 현상이 발생하게 되는데, 블리드 유동제어장치를 적용하게 되면 흡입구 버즈와 같은 유동불안정 현상 없이 입출구비 1.14에 도달할 수 있다. 다시말해 엔진의 운용 범위(operating range)가 증가했다고 볼 수 있다. 아래 그림은 마하수 1.8, 입출구비 2.0일 때 시간에 따른 초음속 흡입구 주변 압력 변화를 나타낸 그림이다. 아래 그림에서 볼 수 있듯이, 블리드 유동제어를 할 경우 기존에 발생했던 흡입구 버즈 현상이 억제되어 안정적인 상태가 된 것을 확인할 수 있다. 블리드 유동제어 장치는 유량을 흡입하여 유동을 제어하는데, 충격파 후류의 고압의 유동을 흡입할 경우 유동제어장치 부근의 압력이 감소하게 된다. 이로 인해 충격파 후류 압력이 충격파를 충분이 밀어낼 수 없게 되며, 이로 인해 충격파가 더이상 전진하지 못하고 정지상태가 되어 흡입구 버즈현상이 억제되는 것이다.

Fig. 4. 블리드 적용으로 인한 흡입구 Buzz 불안정성 억제

결과적으로, 블리드 유동제어 장치로 인해 흡입유량이 증가하고 전압력 회복률이 증가하여 흡입구의 성능이 증가하였고, 기존에 흡입구 버즈가 발생했던 영역에서는 충격파의 이동을 억제함으로써 흡입구 버즈가 발생하지 않도록 하여 엔진의 운용 범위가 늘어나는 효과를 볼 수 있었다.

II. 초음속 흡입구 유동 불안정성 해석

초음속 흡입구 버즈 현상에 대한 물리적인 분석을 위해, 입출구비를 감소시키며 비정상 유동해석을 수행하고, 입출구비가 0인 상태에서 다시 입출구비를 증가시키며 유동해석을 수행하여 흡입구 버즈가 어떻게 발생하는지를 관찰하였다. 입출구비가 감소하는 경우, 특정 입출구비보다 감소하면 흡입구 버즈의 주진동수(dominant frequency)가 급증하는 버즈 천이(transition) 현상이 발생한다. 입출구비가 0인 상태에서 다시 입출구비를 증가시킨다면, 입출구비를 감소시킬 때와 반대로 주진동수가 감소하여 원래대로 돌아오는 것을 예상할 수 있지만 오히려 주진동수가 한번 더 급증하게 되는 현상을 확인하였다. 이는 선행 연구자의 실험에서도 관찰되었던 현상으로, 입출구비를 더욱 증가시키게 되면 결국 기존의 1차 모드 주진동수로 돌아오게 된다. 결과적으로, 아래 그림과 같이 입출구비를 감소시키는 경우와 증가시키는 경우 주진동수의 변화가 서로 다른 이력현상(hysteresis)가 발생하는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 5. 입출구비 증감에 따른 주진동수 이력현상 (hysteresis)