다공성 시험부 벽면을 갖는 천음속 가상풍동 구축 및 평가 = Construction and Evaluation of a Digital Transonic Wind Tunnel with Porous Type Test Section Walls

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 실험적으로 규명하는데 한계가 있는 천음속 풍동 내부의 유동 현상을 관찰 및 분석하기 위해, 다공성 시험부 벽면을 갖는 천음속 가상 풍동을 전산유체역학(CFD)으로 구축하고 그 유동 특성을 체계적으로 규명하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 국방과학연구소 삼중음속풍동 형상을 기반으로 비 통기형 시험부 벽면과 다공성 시험부 벽면을 직접 모사한 두 종류의 천음속 가상 풍동을 구성하고, 빈 풍동 조건에서 시험부 중심선 상의 유동 요소 분포 및 단면의 유동장을 분석하여 다공성 벽면 적용에 따른 경계층 폐쇄 효과 완화와 시험부의 유동 방향에 따른 일정한 유동장 형성 정도를 평가하였다.
다공성 시험부 벽면을 통한 유동 특성을 상세하게 규명하기 위해 다층적 분석을 수행하였다. 먼저 각 기공별 지나는 유동의 질량유량을 분석하여 시험부 벽면을 통과하는 유동 특성을 분류하고 시험부 유동 방향과 폭방향에 대한 질량 유량 유출량을 분석하여 시험부를 빠져나가는 유동의 공간적 분포 특성을 정략적으로 분석하였다. 이후 시험부를 빠져나가는 유동의 특성을 분석하고 다공성 시험부 벽면의 기공으로 인한 시험부 벽면의 국부적인 유동장 분석을 수행하기 위해 시험부 벽면 인근의 유동장 분석을 수행했으며, 마지막으로 시험부 벽면을 통과하는 유동 패턴에 따른 기공 내부 유동장 분석을 수행했다. 이를 통해 다공성 시험부 벽면의 특징적인 유동 특성을 식별하고 그에 대한 다공성 시험부 벽면의 기능을 확인하였다.
이러한 가상 풍동과 유동 패턴 분석 결과는 실제 풍동 시험 전에 시험부 내부 유동장을 예측하여 시험 조건과 플리넘 압력 설정을 선행 조정하는 데 활용될 수 있으며, 향후 천음속 풍동 설계 시 기공 배열·기공률·플리넘 용적 등의 설계변수를 최적화하고, 벽면 간섭 효과 보정 기법을 정교화하기 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study aims to systematically investigate flow phenomena inside transonic wind tunnels that are difficult to characterize experimentally by constructing a transonic digital wind tunnel with a porous test section wall using computational fluid dynamics (CFD) and clarifying its flow characteristics. To accomplish this, two types of transonic digital wind tunnels—one with a solid (non-ventilated) test section wall and another with a directly simulated porous test section wall—were constructed based on the geometry of the Agency for Defense Development's tri-sonic wind tunnel. Under empty wind tunnel conditions, the flow element distributions along the test section centerline and the flow field in cross-sections were analyzed to evaluate the mitigation of boundary layer blockage effect and the formation of uniform flow field in accordance with the test section flow direction when the porous wall is applied.
To elucidate the flow characteristics through the porous test section wall in detail, multi-level analysis was performed. First, the mass flow rate through each pore was analyzed to classify the flow characteristics passing through the test section wall, and the mass flow rate distribution in the streamwise and spanwise directions was analyzed to quantitatively characterize the spatial distribution of flow exiting the test section. Subsequently, the flow field near the test section wall was analyzed to examine the characteristics of flow exiting the test section and to perform local flow field analysis caused by the pores in the porous test section wall. Finally, the flow field inside the pores was analyzed according to the flow patterns passing through the test section wall. Through these analyses, the characteristic flow features of the porous test section wall were identified and the functions of the porous test section wall were confirmed.
The constructed digital wind tunnel and the flow pattern analysis results can be utilized for predicting the internal flow field of the test section prior to actual wind tunnel testing to advance the adjustment of test conditions and plenum pressure settings. Furthermore, these results are expected to serve as fundamental data for optimizing design parameters such as pore arrangement, porosity, and plenum volume in future transonic wind tunnel design, and for refining wall interference effect correction techniques.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구 배경 1
• 2. 선행 연구 4
• 3. 연구 목표 7
• Ⅱ. 수치해석 및 격자 작성 9
• 1. 삼중음속풍동 기반 가상풍동 모델 구축 9
• 가. 삼중음속풍동의 구성 및 작동 원리 9
• 나. 해석 형상 모델링 및 구성 11
• 2. 격자 작성 및 경계조건 지정 15
• 가. 격자 작성 및 구성 15
• 나. 경계조건 지정 및 적용
• 3. 유동 조건 및 해석 기법 17
• Ⅲ. 빈 풍동 해석 결과 분석 18
• 1. 시험부 내부 유동 분석 18
• 가. 벽면 유형에 따른 시험부 중심선 상 유동 특성 비교 18
• 나. 유동 균질성 평가 20
• 다. 시험부 유동장 분석 24
• 1) 마하수 컨투어 분석 24
• 2) 압력 컨투어 분석 26
• 2. 다공성 벽면을 관통하는 유동 패턴 분석 28
• 가. 개별 기공 단위의 유동 특성 분류 28
• 나. 유동 방향 및 횡 방향 질량유량 분포 특성 29
• 3. 다공성 벽면 인근 국부 유동 구조 분석 31
• 가. 순수 유출 기공 행의 압력장 및 유선 특성 31
• 나. 유동 유입 및 고착 상태 기공 행의 압력장 및 유선 특성 34
• 4. 다공성 벽면을 관통하는 유동 패턴별 기공 내부 유동 분석 37
• 가. 유동 유출 상태의 기공 내부 유동 분석 37
• 나. 유동 유입 및 고착 상태의 기공 내부 유동 분석 41
• Ⅳ. 결론 44
• 참고문헌 46
• Abstract 48