Numerical Investigation of Transonic Buffet on a Hammerhead Payload Fairing = 해머헤드형 발사체 페어링의 천음속 버펫 현상에 관한 수치해석 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The hammerhead payload fairing, characterized by a diameter larger than that of the booster stage, is widely adopted in modern launch vehicles to accommodate large satellites; however, the geometric discontinuity at the boattail section induces massive flow separation and shock-boundary layer interaction in the transonic regime, leading to a severe aerodynamic instability known as transonic buffet. In this study, numerical simulations were performed to investigate the unsteady flow physics of the transonic buffet and to analyze the effects of geometric parameters using the Improved Delayed Detached Eddy Simulation method based on the Spalart-Allmaras turbulence model. Initially, a sensitivity analysis of flux limiters was conducted to establish an optimal numerical framework, confirming that the Van Leer limiter effectively balances numerical stability with the resolution of turbulent shear layers. The validity of the numerical setup was verified by comparing the surface pressure statistics with NASA Model 11 wind tunnel data, which successfully reproduced the peak pressure fluctuations at the reattachment point. Subsequently, a parametric study was conducted by varying the boattail angle and the fairing cylinder length to elucidate their impact on the spatiotemporal dynamics of the buffet. The analysis of the boattail angle revealed a saturation phenomenon where, beyond a critical steepness, the flow physics becomes dominated by free shear layer dynamics, resulting in buffet characteristics almost identical to the baseline configuration. Furthermore, the investigation into the cylinder length demonstrated that extending the cylinder acts as a damping mechanism, reducing the magnitude of pressure fluctuations through frictional dissipation without altering the fundamental buffet frequency or the dominant spatial mode shapes identified by Dynamic Mode Decomposition. These findings provide physical insights into the feedback loop of the buffet phenomenon and suggest that extending the payload cylinder can be an effective strategy to mitigate vibration levels without the risk of shifting the aerodynamic forcing frequency into a new structural resonance band.

국문 초록 (Abstract)

발사체 부스터보다 직경이 큰 해머헤드형 페어링은 대형 위성 탑재를 위한 공간 효율성 측면에서 널리 채택되고 있으나, 천음속 비행 구간에서 보트테일 구간의 급격한 형상 변화로 인해 대규모 유동 박리와 충격파-경계층 간섭이 발생하며 천음속 버펫이라는 공력 불안정 현상을 야기한다. 본 연구에서는 Spalart-Allmaras 난류 모델 기반의 IDDES 기법을 이용하여 천음속 버펫의 비정상 유동 물리와 형상 변수에 따른 영향을 수치적으로 해석하였다. 우선, 수치해석 기법 정립을 위해 플럭스 리미터에 대한 민감도 해석을 수행하였으며, Van Leer 리미터가 수치적 안정성과 난류 전단층의 해상도 사이의 균형을 유지하는 데 효과적임을 확인하였다. NASA Model 11 풍동 실험 데이터와의 비교를 통해 표면 압력 통계치 및 재부착 지점에서의 압력 섭동 피크를 성공적으로 모사하여 해석 기법의 타당성을 검증하였다. 이후 보트테일 각도와 페어링 실린더 길이를 변수로 하는 파라메트릭 연구를 수행하여 각 변수가 버펫의 시공간적 동특성에 미치는 영향을 분석하였다. 보트테일 각도에 대한 연구 결과, 특정 각도 이상에서는 유동장이 자유 전단층의 동특성에 의해 지배되면서 버펫 특성이 기준 형상과 거의 동일해지는 포화 현상이 발생함을 확인하였다. 또한, 실린더 길이 변화에 대한 연구를 통해 실린더 길이의 연장이 압력 섭동의 크기를 감소시키지만, 동적 모드 분해를 통해 규명된 지배적인 공간 모드 형상이나 버펫 주파수에는 영향을 주지 않음을 확인하였다. 본 연구의 결과는 버펫 현상의 메커니즘에 대한 물리적 이해를 제공함과 동시에, 진동 수준을 완화할 수 있는 설계 전략에 대한 기초 자료를 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• Chapter 2. Numerical methods 7
• 2.1 Governing equations 7
• 2.2 Turbulence model 9
• 2.3 Computational domains 11
• 2.4 Data analysis methods 16
• Chapter 3. Results and discussion 19
• 3.1 Validation against experimental data 19
• 3.2 Spectral and modal analysis 24
• 3.3 Effects of geometric parameters 29
• Chapter 4. Conclusion 39
• Bibliography 41
• Abstract in Korean 46