초음속 화학반응유동의 수치적 연구

Abstract

비평형 화학반응을 동반한 초음속 점성유동장을 해석하기 위해 유동과 화학반응이 완전 결합된 형태의 Navier-Stokes방정식과 화학종 보존방정식을 새로운 조합으로된 LU-Factored Implicit Upwind-TVD Scheme 으로 계산하였다. 이 방법은 양성항의 Euler 항을 Harten-Yee 의 modified Upwind Scheme 으로 처리하고, 점성항은 중앙차분한다. 한편 음성항은 Steger-Warming Splitting 과 LU-인자분해기법으로 처리하고 있다. 유한체적법의 제어경계면에서 실제기체효과를 고려한 Roe 평균방법을 적용하였다. 화학반응을 위해 7-spcies, 8-step의 유한화학반응모델을 채택하고, Baldwin-Lomax의 대수적 와점성 난류모델을 사용하였다. 코드의 검증과 특성을 관찰하기 위하여 1)압축코너를 지나는 초음속 점성유동장, 2)수소와 공기가 예혼합되어 압축램프 덕트를 지날때 발생하는 점화현상, 3)초음속 유동장내에 유동의 수직방향으로 헬륨이 분사되어 일어나는 확산혼합 현상, 4)수소연료가 분사되어 연소가 일어나는 문제를 계산하였다. Scramjet 엔진의 후향계단 후류에서 수소 연료가 수직으로 분사되어 혼합 및 연소가 일어나는 문제를 계산하였다. 화학반응이 있는 경우와 없는 경우 및 분사구의 위치에 따라, 혼합 및 연소에 미치는 충격파와 점성 전단층 및 분사제트와의 상호작용에 관한 물리적 현상을 논의한다. 극초음속 영역에서의 외부연소현상 문제도 다루었다. 경사충격파의 충돌에 의한 경계층 박리와 그 때의 박리충격파 및 재순환영역의 역활을 정성적으로 검토한다.