수직평판에 충돌하는 축대칭 초음속 제트의 수치 연구

Numerical Simulation of Axisymmetric Supersonic let Impingement on a Flat Plate

초음속 노즐 뒤에서 형성되는 과소팽창 제트(Underexpanded jet)가 분사될 때 베럴 충격파(Barrel shock), 팽창과(Expansion fan), 마하 디스크(Mach disc), 제트 경계면(Exhaust-gas jet boundary), 그리고 반사 충격파(Reflected shocks)와 같은 구조의 풍격파 셀(Shock cell)이 연속적으로 나타난다. 이러한 충격파 셀은 난류 소산에 의해 희미해지며 거리가 멀어지면 사라진다. 과소팽창 제트가 수직 평판에 충돌하게 되면 챔버 압력 및 출구 마하수 등 여러 인자들에 따라 달라지는 복잡한 유동장을 형성하게 된다. 본 논문에서는 평판에 충돌하는 과소팽창 제트가 형성하는 유동장을 압축성 Navier-Stokes 방정식에 유한체적법을 적용하여 수치적으로 구한 해존 실험 데이터와 비교 검증하였다. 실험 데이터와 계산 결과의 압력구배 및 유동가시화 사진 비교 견과 노즐과 평판이 가까운 경우에 충돌제트유동을 잘 예측할 수 있었으며, 과소팽창비가 작을 때 과소팽창비에 따른 충돌제트 유동분포의 영향은 자게 나타남을 알 수 있었다.

When supersonic underexpanded jets are exhausted from the nozzle, complex shock cell configurations such as barrel shock, expansion fan, Mach disc, and exhaust-gas jet boundary are appeared repetitively. The shock cell is smeared by turbulence dissipation and disappeared in long distance from the nozzle. When underexpanded jet is suddenly impinged on a flat plate, it forms very complex flow structure. In this paper, we solve compressible Wavier-Stokes equation adapting finite volume method to obtain jet impingement flow structure and compare calculated data with experimental ones. It is shown that numerical simulation data are in good agreement with experimental one in a short distance between nozzle exit and flat plate and little influence of underexpanded ratio is appeared in jet impingement now distribution.