흡입구 형상에 따른 램제트 비행체의 공력/추력 복합 특성 해석 = Aerodynamic and Propulsion Analysis of Axisymmetric Ramjet Vehicles with Different Intakes

국문 초록 (Abstract)

표준 대기 상태에서의 고도 15km, 마하수 2.5에서 3.5의 범위의 운용 조건을 가진 램제트의 축대칭 및 3차원 전산 유체역학 해석을 수행 하였다. 초음속 램제트 비행체의 형상설계에서 확산기, 카울, 노즐 형상을 고정하고, 흡입구의 형상을 단일/ 이중/ 등엔트로피/ 오자이브 콘으로 변화시켰다. 수치해석에는 광범한 자유류 마하수 및 흡입구 형상, 후방 압력 조건 등에 따른 수렴성이 양호하여 본 연구와 같이 내부 및 외부 유동장을 통합하여 해석하는 목적에 적합한 상용 전산유체역학 프로그램인 Fluent 6.3을 사용하였다. 램제트 비행체 연소실에서의 복잡한 연소 화학식을 에너지 소스로 대체하여 실제 연소현상과 유사하면서도 수치적으로 단순한 연소 모델을 적용하였으며, 비열비와 열전도율 및 점성계수를 온도에 따른 함수로 작용하여 보다 실제에 가까운 해석을 수행하였다. 각각의 흡입구 형상에 대한 마하수에 따른 항력계수, 전압력 회복률, 압력 분포, 압축 효율 등을 해석하였고 에너지를 부가함에 따른 Nozzle 설계, 연소실 온도에 따른 비추력연료소모율(TSFC)을 해석 하였다. 흡입구 형상 중 등엔트로피 콘 형상에 대해 3차원 공력 해석을 수행하여 양력계수, 항력계수, 모멘트특성을 구하였으며 참고문헌의 실험 및 수치해석 결과와 정성적인 특성을 비교하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Aerodynamic and Propulsion Analysis of Axisymmetric Ramjet Vehicles with Different Intakes

Jung Jaekwon
Department of Aerospace Engineering
The Graduate School of
Sejong University

A computational investigation of aerodynamic and propulsion characteristics of ram jet vehicles has been performed under operational conditions of altitude at 15 km and Mach numbers from 2.5 to 3.5. Ram jet vehicles are of axisymmetric shape, based on a common design with the same capture ratio and nozzle throat area. Four vehicle designs with four different intake-spike shapes have been developed, fitted with single, double, isentropic, and ogive spike intakes, respectively. CFD program Fluent 6.3 has been utilized as the computational tool, to take advantage of its stable convergence over a wide range of free stream Mach number, and in complicated flow fields that comprise of internal flow and external flow. Energy source term has been successfully used to model the energy addition from combustion, providing a practical detour from the complex combustion phenomena. Specific heat and thermal conductivity models have been used to better reflect the property changes over temperature variations. In this study, drag coefficient, total pressure recovery ratio, and compression efficiency have been predicted from axisymmetric computations, along with prolulsion analysis. Furthermore, energy source model has been applied to design nozzle throat and to analyze TSFC characteristics of the designed ramjet vehicles. Three dimensional analysis has been performed to predict drag, lift, pitching moment characteristics of the axisymmetric vehicles at angle of attack. Theses results have been compared with existing research data, showing qualitative agreements.

목차 (Table of Contents)

• 논문요약 = 1
• 제1장 서론 = 2
• 1.1 연구 배경 및 개발의 필요성 = 2
• 1.2 램제트 엔진의 개요 및 특징 = 3
• 1.3 연구 목적 = 6
• 제2장 수치 해법 = 7
• 2.1 수치 해석 기법 = 7
• 2.2 경계조건 및 난류 모델 = 8
• 2.2.1 경계조건 = 8
• 2.2.2 난류 모델 = 8
• 제3장 해석 모델링 = 11
• 3.1 흡입구 모델링 = 11
• 3.1.1 스파이크 모델링 = 11
• 3.1.1.1 단일 콘 = 12
• 3.1.1.2 이중 콘 = 13
• 3.1.1.3 등엔트로피 콘 = 14
• 3.1.1.4 오자이브 콘 = 16
• 3.1.2 Cowl 모델링 = 17
• 3.2 연소기 모델링 = 17
• 3.2.1 비열 = 18
• 3.2.2 열전도율 = 19
• 3.2.3 점성계수 = 20
• 3.3 계산 격자 생성 = 21
• 제4장 수치해석 결과 (2차원 축대칭 유동) = 23
• 4.1 마하수에 따른 항력 계수 변화 = 23
• 4.2 마하수에 따른 분출항력 (Spillage Drag) = 24
• 4.3 마하수에 따른 전압력 회복율 = 27
• 4.4 마하수에 따른 압력비 = 31
• 4.5 마하수에 따른 압축 효율 = 32
• 4.6 연소에 따른 노즐 형상 설계 = 33
• 4.7 연소실 온도에 따른 TSFC = 35
• 제5장 수치해석 결과 (3차원 유동) = 36
• 5.1 격자 형성 = 36
• 5.2 속도 선도와 압력 분포 = 38
• 5.3 받음각에 따른 항력계수/ 양력계수/ 모멘트 특성 = 40
• 제6장 결론 = 43
• 참고문헌 = 45
• ABSTRACT = 47