천이 영역 유동 해석을 위한 CFD/DSMC 혼합해석자의 연속체 단절 매개 변수에 관한 수치적 연구

Abstract

중/고고도에서 고속으로 비행하는 물체는 연속체 영역과 희박기체 영역이 공존하는 천이 영역이라는 환경에 직면하게 된다. 이러한 환경은 일반적인 연속체 영역에서와는 달리 매우 복잡한 물리적 현상을 수반하며, 일반적인 연속체 유동 해석에 사용되는 전산유체역학 기법만으로는 이 영역의 유동을 해석하는 데 한계가 있다. 이를 해결하기 위해 난수를 사용하는 표본 추출기법인 Monte Carlo 방법으로 분자의 운동을 직접 모사하는 직접모사법(Direct Simulation Monte Carlo, DSMC)이 희박기체 영역의 지배방정식인 Boltzmann 방정식의 해석 기법으로서 일반적으로 사용되고 있다. 그러나 DSMC 기법으로 천이 영역의 유동을 해석할 때, 천이 영역의 연속체 영역에서 해석을 수행하는데 시간이 오래 걸리는 단점이 있다. 수치계산 정확도 및 효율성을 고려하여 이러한 한계들을 보완한 Navier‒Stokes 방정식 해석 기법과 DSMC 기법의 혼합 유동 해석기법이 사용되고 있다. 혼합유동해석 기법을 적용하기 위해서는 해석 영역을 연속체 영역과 희박 기체 영역으로 분할되어야 하며, 이를 위해 연속체 단절 매개변수가 사용된다. 극초음속 천이 영역의 물체 주위 유동에 대해서 구배 국부 길이 기반의 누센수가 연속체 단절 매개 변수로 널리 사용되고 있다. 본연구에서는 극초음속 천이 영역에 고밀도 유동이 유입되는 환경에 대해서 CFD, DSMC, CFD/DSMC 혼합해석의 결과를 비교하여 구배 국부 길이 기반 누센수가 극초음속 천이 영역으로 분사되는 고밀도 제트에 대해서도 적절한 연속체 단절 매개변수임을 확인하였다.