Flow Characteristics of 2 Dimensional Supersonic Nozzle in Overexpanded Conditions

In the modern propulsion systems, requited thrust is obtained using a nozzle. Sometimes shock and induced boundary layer separation is generated in an over-expanded convergent-divergent supersonic nozzle. It occurs because the nozzle expansion ratio is too large for a given nozzle pressure ratio (NPR). This phenomenon can be explained that it redefines effective nozzle geometry, shorer nozzle geometry and lower pressure ratio, in a given pressure ratio. Numerical studies were conducted about a fixed geometry 2D nozzle in overexpanded condition and compared with Hunter's experimental result. For the numerical simulation of the supersonic nozzle, Navier-Stokes equations are considered and as a turbulent model, $\kappa$-$\varepsilon$ /$\kappa$-$\omega$ blended SST two equation turbulent model is used. The characteristics of $\lambda$-shape shock systems due to the interaction of shock and boundary layer was investigated in a low NPR. And the result of comparison of thrust value shows that a fixed geometry nozzle can cover required flight mission.

2차원 초음속 노즐의 과대팽창 유동 특성

추진기관은 노즐을 통해 추력을 발생하며 축소-확대 형상의 초음속 노즐에서는 노즐의 설계 팽창비가 내부 유동의 전압력과 배압의 압력비보다 매우 클 때 충격파의 발생과 함께 경계층 박리를 유발한다. 노즐 내부에서의 충격파 발생과 유동의 박리는 주어진 유동의 압력비에 가장 적합한 노즐형상을 구현하는 것으로 실제의 구조적 노즐의 형상보다 짧은 노즐에서 나타나는 유동과 같은 현상을 보인다. 수치 해석적 방법으로 고정된 형상의 2차원 노즐 내부의 충격파와 경계층 박리 현상에 관한 연구를 수행하였고 Hunter가 행한 실험적 연구와 비교하였다. 수치해석은 TVD 기법을 이용한 압축성 유체 해석 코드와 SST 2방정식 난류 모델을 이용하여 수행되었다. 낮은 압력비에서의 충격파와 경계층과의 상호작용에 의한 $\lambda$형태의 충격파 시스템을 잘 보여주고 있고 추력 값의 비교를 통해 고정된 형상의 노즐을 이용하여 필요한 운용범위를 충족할 수 있음을 알 수 있었다.