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준-비정상해석 기법을 통한 초음속 유동 내 무딘 물체의 열응답 예측
배형모,김지혁,배지열,정대윤,조형희 한국전산구조공학회 2017 한국전산구조공학회논문집 Vol.30 No.6
본 논문에서는 과도한 계산용량이 필요한 초음속 비행체의 비정상 열응답 해석을 수행하기 위한 준-비정상해석 기법을 소개한다. 준-비정상해석 기법은 연성 연계 기법과 복합 열전달 해석기법을 통합한 방법으로 계산시간 단축시키면서 동시에 정확도를 향상시키기 위해 고안되었다. 또한 준-비정상해석 시, 해석 구간을 분할하기 위한 기준시간을 결정하는 알고리즘을 고안하여 준-비정상해석 기법의 정확도를 향상시키고자 하였다. 본 논문에서는 준-비정상해석 기법을 평가하기 위하여 가상의 비행 시나리오에서 열응답 해석을 수행하였으며, 비정상 해석 결과와 비교 검증을 수행하였다. 무딘 물체의 표면 온도 및 정체점의 온도를 통해 각각의 기법의 차이를 도출하였다. 비정상 해석을 통해 도출한 정체점의 온도와 준-비정상 해석을 통해 도출한 정체점의 온도 차이는 11.4% 이내로 높은 정확도를 확보함과 동시에 28배에 가까운 계산시간을 단축시켜 해석 기법의 효율성과 정확성을 확보하였다. In the boundary layer of supersonic or hypersonic vehicles, there is the conversion from kinetic energy to thermal energy, called aerodynamic heating. Aerodynamic heating has to be considered to design supersonic vehicles, because it induces severe heat flux to surface. Transient heat transfer analysis with CFD is used to predict thermal response of vehicles, however transient heat transfer analysis needs excessive computing powers. Loosely coupled method is widely used for evaluating thermal response, however it needs to be revised for overestimated heat flux. In this research, quasi-transient method, which is combined loosely coupled method and conjugate heat transfer analysis, is proposed for evaluating thermal response with efficiency and reliability. Defining reference time of splitting flight scenario for transient simulation is important on accuracy of quasi-transient method, however there is no algorithm to determine. Therefore the research suggests the algorithm with various flow conditions to define reference time. Supersonic flow field of blunt body with constant acceleration is calculated to evaluate quasi-transient method. Temperature difference between transient and quasi-transient method is about 11.4%, and calculation time reduces 28 times for using quasi-transient method.
공력가열되는 물체의 비정상 열응답 예측을 위한 해석기법 연구
배형모(Hyung Mo Bae),배지열(Ji-Yeul Bae),이연주(Yeonjoo Lee),함희철(HeeChul Ham),조형희(Hyung Hee Cho) 한국추진공학회 2015 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2015 No.11
초음속 혹은 극초음속 환경의 비행체는 공력가열 문제로 인하여 이를 대비한 열설계가 필수적이다. 열설계 시 CFD를 이용한 비정상 열응답 해석을 통해 비행체 표면에서 발생한 공력가열로 인해 침투된 열을 예측할 수 있다. 비정상 열응답 해석을 완전 비정상적 해석을 이용하여 수행할 경우 과도한 계산시간 요구되므로 일반적으로 초음속 혹은 극초음속 환경에서의 비정상 열응답 해석은 연성 연계 해석을 이용한다. 그러나 연성 연계 해석시 해석 구간의 기준이 되는 시간 전진폭을 결정하는 알고리즘은 현재 확립되어 있지 않는 상황이다. 따라서 본 연구는 무딘 물체의 정체점에서의 열유속을 이용하여 시간 전진 폭을 결정하는 방법을 고안하였다. 결정된 시간 전진 폭으로 준 비정상적 해석을 진행하였다. 완전 비정상 해석과 준 비정상 해석으로 해석 하였을 때 침투된 열의 양을 비교하였을 때 5 % 미만의 차이가 발생하는 것을 확인하였다. Aerodynamic heating problem is the major problem in hypersonic space shuttle. The Thermal response analysis using CFD is widely studied to predict heat which comes from harsh aerodynamic heating. Loosely coupled method is generally used for predicting thermal response considering computing power. Time step size has decisive effects on accuracy of numerical analysis in loosely coupled method, however there is no exact algorithm to determine time step size. The research suggests the method to determine time step size using heat flux at stagnation point. The difference between data from full-transient analysis and quasi-transient analysis using determined time step size is less than 5 %.
유한요소해석을 통한 쿼츠/페놀릭 5매 주자직 재료의 비등방 열전도도 평가
배형모(Hyung Mo Bae),배지열(Ji-Yeul Bae),배주찬(Ju Chan Bae),조형희(Hyung Hee Cho) 한국추진공학회 2016 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2016 No.5
섬유 복합재는 열전도도가 서로 다른 섬유와 충전제로 구성되어 있고, 이에 의해 비등방 열전도도를 지닌다. 비등방 열전도도는 소재의 설계에 있어 중요한 물리적인 특성으로, 수치해석을 통한 비등방 열전도도의 예측이 필요하다. 본 연구는 비등방 열전도도를 예측하는 해석기법을 확립하고, 기존에 공개되어있지 않은 쿼츠/페놀릭 5매 주자직의 열전도도를 도출하였다. 해석기법을 확립하기 위해 공개되어 있는 탄소/에폭시 평직 복합재의 열전도도의 실험값과 유한요소해석 결과와의 비교 검증을 수행하였고 유한요소해석 결과는 실험결과가 잘 일치함을 확인하였다. 검증된 유한요소해석 기법을 이용하여 실제 레이돔 제작에 사용되는 쿼츠/페놀릭 5매 주자직의 비등방 열전도도를 예측하였고, 섬유체적비가 복합재의 면외 방향 열전도도에 미치는 영향을 평가하였다. Fiber composites are composed of fiber and matrix, and it causes orthogonal thermal conductivity of materials. Evaluation of orthogonal thermal conductivity is important research with respect to thermal design of materials. The purpose of this study is to establish finite element method to expect orthogonal conductivity of fiber composite and to evaluate orthogonal conductivity of quartz/phenolic 5 harness satin. Validation between results of this study and results of precedent experiment is carried out, and the results have good agreement. Orthogonal conductivity of quartz/phenolic 5 harness satin is obtained and the effect of volume fraction of fiber is studied.