변형 격자기법을 이용한 합성 제트 주변 유동의 3차원 비정상 예조건화 난류 해석

Title
변형 격자기법을 이용한 합성 제트 주변 유동의 3차원 비정상 예조건화 난류 해석
Authors
유일용
Keywords
변형격자기법을이용한합성제트주변유동의3차원비정상예조건화난류해석
Issue Date
2011
Publisher
인하대학교
Abstract
합성 제트와 같은 MEMS 기술을 이용한 능동적 유동 제어 기법은 마이크로 시스템 산업의 발달과 더불어 군수 혹은 민수 산업 분야에 성공적으로 적용되어 왔다. 그러나 보다 강건한 제어 기술을 적용하기 위해서는 높은 레이놀즈 수의 비정상 박리 제어를 정확히 예측할 수 있는 수치 해석 기법의 개발이 필요하다. 따라서 본 논문은 3차원 압축성 URANS 기반의 예조건화 기법을 적용한 해석 프로그램의 개발에 관해 논하였다. 그리고 합성 제트의 작동 인자인 격막 운동을 모사하기 위해 변형격자 기법을 사용할 수 있도록 하였다. 해석 프로그램의 검증은 저속 유동장에서의 예조건화 기법 검증과 날개의 비정상 피칭운동에서의 변형격자 기법에 대한 검증으로 나누어 순차적으로 진행하였다. 그 결과 비점성, 점성 그리고 난류 유동장에서 풍동시험 결과 및 강체운동 결과와 비교하여 만족할만한 성능을 보였다. 그리고 계산에 사용한 합성 제트 유동장은 외부 유동의 상태에 따라 정지해 있는 유동, 난류 유동이 흐르고 있는 유동 그리고 박리되어 있는 유동장으로 구성하였다. 정지해 있는 유동장 문제에 사용한 제트 액추에이터는 측면에 설치되어 원형 격막이 주어진 진동수를 갖고 운동을 하고 있다. 나머지 두 문제의 액추에이터는 구부러지는 격막 위에 피스톤이 놓여있어서 위 아래로 강체진동 운동을 하게 된다. 변형격자 기법을 이용하여 이 3가지 문제에 대하여 변형에 따라 자동으로 격자가 적응하도록 하였고 기존의 경계조건 모형 방법과 비교하여 그 성능을 시험하였다. 또한 NASA Langley 워크숍에서 제공하는 풍동시험 결과와 비교 분석하였다. 합성 제트에 의해 발생하는 외부 유동장의 특징은 액추에이터의 흡입/분출 행정에 의해 분출구 근처에서 와류 쌍이 형성되어 하류로 흘러나가 소멸한다는 것이다. 이러한 정성적 특징을 변형 격자계를 사용하여 잘 포착할 수 있으며 정량적으로도 속도 성분의 크기, 분포 그리고 등고선 등의 형태로 풍동시험 결과와 비교하여 잘 일치하는 것을 확인하였다. 특히 액추에이터 내부 유동을 계산하여 경계조건 모형에서 볼 수 없었던 공동 내부의 와류 및 벽면의 전단층을 발견할 수 있었다. 그리고 분출구 근처에서의 속도 분포를 확인한 결과 격막 운동이 시작하면서 출구 주변에 속도의 균일성이 깨지는 것을 볼 수 있었다. 이러한 발견들을 통해 완전한 형상을 다룸으로써 보다 정확한 합성 제트 유동을 이해할 수 있었다.
Description
초록 ⅳ Abstract vi 목차 ix 그림 목차 xiv 표 목차 xxiii 기호 xxiv 1 서 론 1 1.1 유동 제어 1 1.1.1 유동 제어의 배경 1 1.1.2 유동 제어의 발전 2 1.1.3 유동 제어의 의미 및 방법 3 1.2 능동형 유동 제어 및 응용 6 1.2.1 MEMS 장치를 이용한 능동형 유동 제어 6 1.2.2 박리 제어 7 1.2.3 추력 방향 제어 8 1.2.4 삼각 날개에 발생하는 와류 제어 10 1.3 합성 제트 13 1.4 연구 개요 16 2 지배 방정식 18 2.1 URANS 방정식 18 2.2 난류 모델 방정식 19 2.2.1 Shear Stress Transport 난류 모델 20 2.2.2 Coakley의 난류 모델 23 2.3 국소 예조건화 기법을 적용한 URANS 방정식 25 3 수치 해석 기법 32 3.1 공간 이산화 기법 32 3.1.1 비점성 유속 벡터 수치 해석 기법 35 3.1.1.1 Roe의 근사 리만해 35 3.1.1.2 고차의 공간 이산화 방법 40 3.1.2 점성 유속 벡터 수치 해석 기법 41 3.2 시간 적분법 45 3.2.1 이중 시간 적분법 46 3.2.2 선형화 47 3.2.3 AF-ADI 49 3.2.4 시간 간격 결정 50 3.3 경계조건 51 3.3.1 점성 벽면 조건 52 3.3.2 미끄럼 경계조건 54 3.3.3 원방 경계조건 57 3.3.4 유입흐름 경계조건 64 3.3.5 격자 간 연결 경계조건 64 3.3.6 대칭 경계조건 65 3.3.7 주기적 경계조건 65 4 변형격자 구성방법 66 4.1 체적 계산 방법 66 4.2 기하학적 보존법칙 68 4.3 자동 격자 구성 69 4.3.1 선형 초월유한 보간법 70 4.3.2 격자 간격 조절 71 4.3.3 자동 격자 구성도 73 5 예조건화 적용 검증 74 5.1 정상 상태 계산 74 5.1.1 비점성 유동 해석 74 5.1.1.1 NACA0012 74 5.1.1.2 NACA65A006 비행체 77 5.1.2 점성 유동 해석 79 5.1.2.1 평판 위의 층류 유동 79 5.1.2.2 L자형 정사각형 덕트의 층류 유동 81 5.1.3 난류 유동 해석 83 5.1.3.1 L자형 직사각형 덕트의 난류 유동 83 5.2 비정상 상태 계산 87 5.2.1 Stoke's 문제 87 6 변형격자 적용 검증 90 6.1 NACA0012의 피칭 운동 91 6.2 F-5 날개의 피칭 운동 94 6.3 삼각 날개의 피칭 운동 102 7 합성 제트 유동 계산 110 7.1 정지해있는 외부 유동장에 합성 제트 적용 111 7.1.1 계산 조건 111 7.1.2 격막 운동 모사 114 7.1.2.1 액추에이터 모사 방법 114 7.1.2.2 원형 격막의 운동 116 7.1.3 해석 결과 121 7.2 난류 유동이 흐르는 외부 유동장에 합성 제트 적용 140 7.2.1 계산 조건 140 7.2.2 해석 결과 142 7.3 난류 유동이 박리되어 있는 외부 유동장에 합성 제트 적용 185 7.3.1 계산 조건 185 7.3.2 해석 결과 188 8. 결 론 203 9. 참고 문헌 206 부록
URI
http://dspace.inha.ac.kr/handle/10505/22803
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College of Engineering(공과대학) > Aerospace Engineering(항공우주공학) > Theses(항공우주공학 석박사 학위논문)
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