다상유동

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다상유동이란 가스, 액체, 고체상 중 두 상 이상이 존재하는 유동을 총칭하는 말로써, 터보 머신에서부터 비행체, 선박에 걸쳐 그 응용분야가 다양하여 최근 각광받고 있는 연구 분야이다. ASDL에서는 이 중 액체-기체상이 존재하는 비압축성/압축성 유동장에 대한 연구를 수행하고 있다.

 

공동현상(Cavitation)이란 그림 1과 같이 액체상으로 구성된 유동장에서 일어난 국부적인 압력 강하에 의해 압력이 포화 증기압 이하로 감소했을 때, 해당 영역에서 기체상이 형성되는 현상이다. 이러한 공동현상은 액체 로켓 엔진의 터보 펌프와 같이 회전하는 유체 기계나 수중에서 빠르게 이동하는 운동체에서 발생할 수 있다. 일반적으로 공동현상은 노즐에서 발생하는 경우 노즐목을 막아 유동의 흐름을 방해하기도 하고, 터보펌프에서 발생하는 경우 압력장의 섭동을 일으켜 기기의 구조적 손상을 일으키는 등 부정적인 효과가 나타나게 한다. 그림 2는 1/4 ogive caliber 형상의 물체가 수중에서 이동할 때 나타나는 공동현상을 수치적으로 해석한 것으로써 기체상의 부피비와 유선을 표현한 것이다.

 

 

Fig. 1 수중 공동현상의 발생 및 수치 해석 결과 (부피비 분포 및 격자)

 

일반적으로 극저온 유체는 공동현상은 상 경계면에서 온도효과와 유체 물성치의 급격한 변화로 인하여 공동의 특성이 작동유체가 물인 경우와는 다른 양상을 보이게 된다. 이 극저온 유체는 일반적으로 액체 로켓의 산화제로 이용되고 있으며, 극저온 유체의 공동현상에서 나타나는 온도효과에 대한 정확한 이해는 터보 펌프 설계에 중요한 부분이라 할 수 있다. 그림 3은 터보펌프의 인듀서에서 작동유체가 극저온 유체인 경우와 물인 경우에 대해 기체상의 부피비를 나타낸 수치해석 결과이다.

 

 

Fig. 2 터보 펌프 인듀서 블레이드 표면에서의 기체 부피비 분포 : 물(좌측), 액화수소(우측)

 

다상유동에 대한 해석적 연구는 공동현상 외에 수중에서의 폭발문제나 충격파와 기포 사이에서 발생하는 상호 작용 등 복잡한 유동현상에도 적용할 수 있다. 그림 4는 수중에서 폭발이 발생할 경우 폭발파가 수면과 만나면서 나타나는 복잡한 파 전달 특성을 수치적으로 모사한 것이다. 그림 5는 수중 충격파와 기포 간의 상호 작용을 해석한 것이다. 충격파가 기포와 만나면서 팽창파가 반사되고, 진행되던 충격파는 기포의 끝단에서 상 경계면을 만나 폭발파를 형성하는 과정을 보여준다.

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Fig. 3 수중 폭발문제에 대한 밀도 및 y방향 속도 분포 (좌측부터 t = 1.5, 2.0, 2.5)

 

 

Fig. 4 충격파와 기포 사이에서의 상호작용에 대한 수치해석 결과 : 압력 분포(좌측) 및 밀도 분포(우측)