Abstract
A test section of a supersonic wind tunnel was designed for the analysis of flow characteristics over a backward-facing step with Mach 1.0 slot injection in a supersonic flow of Mach 2.5. The cavity flow of a high-speed vehicle is very complex at supersonic speed, so it is necessary to do experiments using supersonic wind tunnels to verify numerical analysis methods. The previous 2D symmetrical nozzle was replaced with an asymmetrical nozzle. The inviscid nozzle contour was designed using Method of Characteristics (MOC), and the boundary layer thickness correction was reflected by experimental data from the wind tunnel. The results were compared with a CFD analysis. The PID control system was changed to be based on the change of tank pressure. This improved the control efficiency, and the run times of supersonic flow increased by about 1 second. The flow characteristics over a backward facing step with slot injection were visualized by a Schlieren device. This equipment will be used for an experimental study of the film cooling effectiveness over a cavity with various velocities, mass flows, and temperatures.
본 연구는 마하수 2.5의 초음속 영역에서 마하수 1.0의 슬롯 분사가 있는 후향계단 형상에 대한 유동장 특성을 분석하기 위하여 초음속풍동 시험부를 설계, 제작하였다. 비행체가 고속으로 움직일 때 공동 주위의 유동은 매우 복잡하여 수치해석 결과를 검증할 초음속풍동 시험 자료가 필요하기 때문에 기존의 2차원 대칭형 노즐을 아랫면이 평판인 비대칭형 노즐로 수정하였다. 특성곡선해법을 이용한 비점성 노즐을 설계하고, 시험을 통해 얻은 경계층 두께를 노즐에 반영하여 보정한 기법을 C 언어로 프로그래밍하여 얻은 결과를 수치해석 결과와 비교하여 검증하였다. 슬롯 분사 시 지속적인 유동장 변화 분석을 위한 초음속 유지시간 확보를 위해 저장탱크의 압력 변화에 따른 PID 제어프로그램 수정으로 초음속 유동 유지시간을 약 5초에서 약 6초로 1초 정도 연장하여 제어 효율을 향상하였고, 슬롯 분사가 있는 후향계단에서의 유동장 변화를 슐리렌장치로 가시화하여 복잡한 유동장 특성을 확인하였다. 향후 슬롯 분사의 속도와 유량, 유동장의 온도를 변화하여 공동에서의 막냉각 효과 분석을 위한 장비로 사용할 계획이다.
