초음속 흡입구 내부 유동해석

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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.

 

1. 유동 불안정 현상에 대한 연구

 

해당 연구 분야에서는 초음속 공기흡입 엔진의 유동 불안정 현상에 대한 수치 시뮬레이션을 수행하고 해당 현상들의 물리적인 원인들을 파악하는 연구를 수행한다.

 

2. 다물리 현상 문제에 대한 연구

 

흡입구 내부에 주기적인 유동 교란이 주어진 경우 음향 고조파(Acoustic harmonics) 및 공명(Resonance) 문제가 발생하며, 이러한 현상은 엔진 구조물에 악영향을 미치는 원인이 된다. 이러한 현상은 유동의 불안정 현상과 더불어 구조적인 변형이 함께 나타나기 때문에 유체-구조 연동해석(Fluid-Structure Interaction)을 통한 연구를 수행한다.

 

3. 유동 제어 및 설계

 

유동 불안정 현상을 방지하고 흡입구 성능을 향상시키기 위해 블리드(Bleed)와 같은 유동제어 장치가 사용된다. 초음속 흡입구가 최적의 성능을 갖는 블리드 조건을 찾기 위해 최적설계 기법을 사용한 연구를 수행한다.

 

Fig. 1 램제트 엔진 도식도

 

 

Fig. 2 초음속 흡입구의 공력불안정 현상(흡입구 버즈 현상의 수치 시뮬레이션)

 

 

Fig. 3 블리드(Bleed) 유동제어 장치가 초음속 흡입구에 미치는 영향