극초음속 경계층 천이 제어를 위한 표면 미세구조 신속 설계 방안 연구 = A Study on Rapid Design Strategies for Porous Surface for Hypersonic Boundary Layer Transition Control

국문 초록 (Abstract)

극초음속 비행체 표면에서 발생하는 마찰항력과 열전달은 비행체의 열공력성능과 임무 성능에 큰 영향을 주며, 이는 경계층의 상태와 밀접하게 연관되어 있다. 본 연구에서는 다공표면이 극초음속 경계층에 미치는 안정화 효과를 모사한 선행 연구를 기반으로 극초음속 경계층 천이를 제어하기 위한 필요한 신속 설계 기법을 구축하였다. 기존의 안정성 해석 결과를 기반으로 천이 위치를 예측하는 eN-Method에 기반하여 설계 변수 별 경계층 천이에 미치는 영향성을 분석하여, 적은 해석량으로 최적에 가까운 설계 결과를 예측하는 설계 방안을 확립하였으며, 데이터베이스와 심층신경망을 기반으로 기존의 안정성 해석 기반의 불안정성 예측에 비해 신속하게 다공표면 위의 경계층 불안정성을 예측하는 방안을 확인하였다. 위 두 가지 내용을 바탕으로 표면 미세구조를 신속하게 설계할 수 있는 예측 방안을 개발하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Hypersonic vehicles are significantly influenced by skin friction drag and aerodynamic heating generated along their surfaces, both of which are closely associated with the state of the boundary layer. Based on previous studies that demonstrated the stabilizing effects of porous surfaces on hypersonic boundary layers, this study establishes a rapid design methodology for controlling boundary layer transition in hypersonic flight. Using the e N
-method with conventional linear stability analysis results, the influence of key design parameters on transition characteristics was examined, enabling the development of a design approach that predicts near optimal configurations with a reduced computational cost. In addition, a fast prediction method for boundary layer instability over porous surfaces was constructed using a database driven deep neural network, offering significantly improved computational efficiency compared with traditional stability analysis based predictions. Integrating these two components, a rapid framework for designing porous surfaces for hypersonic boundary layer transition control was developed.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 1
• 1. 연구 배경 1
• 가. 연구의 필요성 1
• 나. 선행연구 3
• 2. 연구 목표 및 내용 4
• 가. 연구 목표 4
• 나. 연구 내용 4
• II. 이론적 배경 및 연구 방법 5
• 1. 선형 안정성 이론 5
• 2. 선형 안정성 방정식 6
• 가. 선형 교란 방정식 6
• 나. 선형 안정성 방정식 7
• 3. 다공표면 효과 모사 기법 9
• 4. 수치 해석 방법 12
• 가. 층류 유동장 해석 12
• 나. 행렬 고유치 문제 12
• 다. 안정성 해석 수행 방법 12
• 5. 반경험적 천이 지점 예측 기법 13
• III. 안정성 해석 결과 및 신속 설계 방안 탐색 14
• 1. 다공표면 설계 변수 식별 및 경계층 천이 위치 경향성 14
• 가. 다공표면 설계 변수 14
• 나. 경계층 천이 위치 경향성 탐색 조건 15
• 1) 유동 조건 15
• 2) 매끈한 표면에서의 안정성 해석 결과 16
• 3) 설계 변수 탐색 영역 16
• 다. 경계층 천이 위치 경향성 17
• 1) 다공표면 영역 : 다공표면 구간 길이 17
• 2) 다공표면 영역 : 다공표면 시작 위치 18
• 3) 기공 형상 19
• 2. 다공표면 신속 설계 방안 탐색 20
• 가. 다공표면 설계 기준 20
• 나. 다공표면 설계 방안 22
• 1) 설계 유동 조건 22
• 2) 1단계 : 안정화 목표 위치/주파수 선정 22
• 3) 2단계 : 설계 제약 조건 확인 24
• 4) 3단계 : 안정성 해석 수행 및 최종 형상 도출 24
• 다. 다공표면 설계 방안 검증 27
• IV. 신속 설계 방안 실용화를 위한 신층신경망 기반 예측 기법 구축 28
• 1. 불안정성 신속 예측 기법 도입 필요성 28
• 2. 다공표면 효과를 포함한 유동 안정성 데이터베이스 구축 29
• 가. 유동 조건 29
• 나. 교란 조건 30
• 다. 다공표면 형상 변수 31
• 라. 데이터베이스 구축 범위 및 간격 32
• 마. 무차원 변수 상사성 확인 33
• 바. 데이터베이스 구축 예시 33
• 3. 데이터와 심층신경망 기반 불안정성 예측 모델 개발 34
• 가. 심층신경망 모델 및 학습 환경 34
• 나. 최적 하이퍼파라미터 탐색 과정 35
• 1) 은닉층 수 35
• 2) 은닉층 별 노드 수 37
• 3) 활성화 함수 39
• 다. 최종 하이퍼파라미터 및 불안정성 예측 결과 41
• V. 결론 및 요약 44
• VI. Appendix 45
• 참고문헌 55