고차-고해상도 수치기법을 이용한 비행효과에 따른 초음속 제트 스크리치 톤 특성 연구

Abstract

발사체의 발사 순간에는 주변 유동장의 음압 변동을 유발하게 된다. 이러한 제트 소음은 발사체 구조물에 작용하여 피로 파괴 및 전자 장비의 오작동을 유발하게 된다. 음압은 발사체 동체에 음향 하중으로 작용하여 발사 실패의 주요한 원인으로 꼽힌다. 그러므로 발사 실패를 방지 하기 위해서는 정확한 제트 소음 예측이 중요하다고 할 수 있다. 일반적으로 음압은 유동에 비해 매우 작은 크기를 가진다. 따라서 소음의 발생 및 매커니즘을 모사하기 위해서는 고차 고해상도의 수치 기법이 요구된다. 여기서 격자의 크기는 가장 짧은 음파를 모사할 수 있게 설정이 되어야 하며 CAA에서는 다른 수치기법에 비해 고해상도 특성을 가진다. 본 연구에서는 공간에 대한 미분을 최적화된 집적 유한차분법을 이용하였으며 충격파와 같은 불연속적인 구간에서는 수치 안정성을 위해 ANAD 모델을 사용하였다. 또한 경계조건으로는 일반화된 특성치 경계조건을 부여하여 해석을 수행하였다. 먼저 자유 유동이 없는 경우에 대하여 스크리치 톤의 소음원의 위치 및 노즐 출구 근처에서의 피드백 과정을 모사하였다. 또한 스크리치 톤의 파장과 그 크기를 축대칭 모드가 나타나는 구간인 제트 마하수 1.08에서 1.20까지의 범위에서 수치해석을 수행하였다. 이 제트 마하수 범위에서는 축대칭 모드인 A1, A2모드가 나타나게 되며 A1모드에서 A2 모드로의 전환이 나타나는 시점을 관찰하였다. 또한 스크리치 톤의 피드백 과정은 노즐 출구 근처에서 발생하므로 노즐 벽의 두께의 영향을 다양한 두께에 대해서 수치해석 결과와 실험 및 다른 연구자들의 결과와 비교하였다. 비행 효과에 따른 스크리치 톤의 특성을 살펴 보기위해 자유 유동의 속도를 유동장에 부여 하였다. 다양한 자유 유동 속도에 대해 스크리치 톤의 주파수를 예측하고 이를 실험 결과와 비교 분석하였다. 자유 유동 속도에 따른 스크리치 톤의 유동장 및 소음장을 자유 유동 마하수 0에서 0.3까지 A1모드인 제트 마하수 1.10과 A2 모드인 1.15에 대해 해석을 수행하였다.