고압력비의 다상 압축성 유동장 수치 해석 = Numerical Analysis for Compressible and Multi-Phase Flow Field with High Pressure Ratio

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, two-phase compressible flow fields of air-water are investigated numerically in the fixed Eulerian grid framework. This study performed numerical analysis of 1D and 2D inviscid fluid by tracing phase interface at the Eulerian grid framework. The phase interface is captured via volume fractions of each phase. A way to model two phase compressible flows as a single phase one is found based on an equivalent equation of states of Tait's type for a multi-phase cell. The equivalent single phase field is discretized using the Roe's approximate Riemann solver. Two approaches are tried to suppress the pressure oscillation phenomena at the phase interface; a passive advection of volume fraction and a direct pressure relaxation with the compressible form of volume fraction equation. The direct pressure equalizing method suppresses pressure oscillation successfully and generates sharp discontinuities, transmitting and reflecting acoustic waves naturally at the phase interface. In discretizing the compressible form of volume fraction equation, phase interfaces are geometrically reconstructed to minimize the numerical diffusion of volume fraction and relevant variables. In order to demonstrate the practical use of the present method, the motion of a projectile in a water-filled tube fired by the release of highly pressurized air is simulated presuming the flow field as a two dimensional one by the present method and a commercial code, FLUENT which allows compressibility for only one phase in multi-phase problem. The results show that FLUENT reveals unrealistic oscillation of pressure wave within liquid phase while the present method gives realistic speed of sound in both phases.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 1
• 1. 연구 배경 및 목적 1
• 2. 연구 동향 3
• 3. 연구 내용 및 범위 13
• II. 1차원 다상 압축성 유동장 수치 해석 18
• 1. 1차원 비점성-압축성 유동장 수치 해석 18
• (1) 1차원 비점성-압축성 유동장 지배방정식 18
• (2) Approximate Riemann Solvers 21
• 2. 1차원 등가단상 압축성 유동장 29
• (1) 등가 단상 상태 방정식 29
• (2) 1차원 등가 단상 압축성 유동장 지배방정식 32
• (3) 1차원 충격파 관 문제에서의 수치해석 결과 검증 37
• ① 수치해석 결과 Case 1 40
• ② 수치해석 결과 Case 2 46
• ③ 수치해석 결과 Case 3 50
• (4) 충격파 관 수치해석 결과로 본 수격현상 검증 52
• (5) 등가 단상 압축성 유동장 수치 해석 검증 57
• 3. 1차원 다상 압축성 유동장 62
• (1) 다상 압축성유동장 및 압력이완 62
• (2) 압축공기-물 충격파 관 유동 계산결과 67
• III. 2차원 다상 압축성 유동장 수치 해석 71
• 1. 2차원 등가 단상 압축성 유동장 71
• 2. 2차원 다상 압축성 유동장 및 압력이완 80
• 3. 상경계 기하적 재구성 및 다상유동 수치해석 알고리즘 84
• 4. 압축공기-물 이상 압축성 유동 수치 해석 90
• (1) 충격파 관 해석을 통한 수치 해석 검증 90
• (2) 2차원 압축공기-물 연계 시스템 수치해석 96
• IV. 결 론 110
• 참고문헌 113