다중 재진입 노즈콘의 열 보호를 위한 측면 단일 제트의 영향

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 6549(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

현재 고속 자동차의 발전을 위한 주요 과제는 공기 역학적 가열입니다. 본 연구에서는 고속 자동차의 열 보호를 위한 측면 제트의 적용에 대해 광범위하게 연구합니다. 측면 냉각수 제트의 시뮬레이션은 고속 조건에서 전산 유체 역학을 통해 수행됩니다. 공기역학적 가열을 줄이기 위한 최적의 제트 구성을 찾는 것이 이 연구의 주요 목표입니다. 냉각수 제트로 두 가지 다른 냉각수 제트(헬륨과 이산화탄소)를 조사하고 흐름 연구와 연료 침투 메커니즘을 완전히 제시합니다. 또한 다양한 구성에 대해 노즈콘 본체의 열 부하를 비교했습니다. 우리의 결과는 스파이크 끝 근처에 측면 제트를 주입하는 것이 선수 충격의 편향을 통해 본체의 열 보호에 효과적이라는 것을 나타냅니다. 또한, 확산도가 낮은 이산화탄소 제트는 다열 디스크를 갖춘 선수체를 심각한 공기역학적 가열로부터 보호하는 데 더욱 효과적입니다.

항공우주 및 자동차 분야에서 공기역학적 가열은 극초음속/초음속 흐름이 에너지 항1,2으로 변경되어 고체 근처에서 가열되는 과정으로 알려져 있습니다. 운동량을 열 에너지로 변환하는 것은 간단한 과정인 것처럼 보이지만 흐름에 미치는 영향은 매우 복잡합니다3,4,5. 공기역학적 가열 과정은 주로 고속 자동차의 노즈콘 근처에서 발생합니다. 이 프로세스는 고속 자동차에 매우 중요하며 화려한 가열로 인해 노즈콘 연소에 영향을 미칩니다6,7,8,9. 또한 공기역학적 가열로 인해 디지털 신호 전송 시 소음이 발생합니다. 이러한 공기역학적 가열의 불리한 점은 항공우주 및 자동차 엔지니어가 이 프로세스를 관리하도록 동기를 부여했습니다10,11,12.

공기역학적 가열로부터 노즈콘을 보호하는 몇 가지 기술이 있습니다. 공기역학적 가열 관리의 주요 과제는 항력13,14,15입니다. 실제로 항력 수준은 권장되는 기술로 유지되어야 합니다. 기계, 유체 및 에너지 장치의 세 가지 주요 기술이 이전 연구에서 조사되고 조사되었습니다. 이러한 기술에서는 자유 흐름이 본체에 부착되는 것을 방지하기 위해 스파이크, 냉각제 제트 및 에너지원이 각각 사용됩니다. 이러한 기술은 본체20,21,22로 유입된 후 메인 스트림의 온도를 효율적으로 낮출 수 있습니다. 그러나 이러한 기술의 주요 과제는 높은 항력이며 이는 이 분야에서 이 문제를 해결하는 연구자의 주제입니다23,24.

이들 방법 중 노즈콘 부근의 높은 열부하를 감소시키기 위한 주요 기존 기술은 스파이크(spike)이다25,26,27,28. 스파이크는 주 노즈콘29,30에서 주 초음속 흐름을 편향시키기 위해 노즈콘 끝에 위치한 길고 얇은 막대로 알려져 있습니다. 실용적인 방법으로 스파이크를 사용하는 것은 단순성 때문입니다. 게다가 초음속 공기 흐름이 스파이크에 의해 두 갈래로 갈라지기 때문에 이 기술에서는 항력이 감소합니다. 스파이크 팁의 모양과 스파이크 길이는 이 기술의 성능에 영향을 미치는 두 가지 효과적인 요소로 알려져 있습니다. 이전 연구33,34,35,36,37에서는 스파이크 적용으로 제한된 열 부하 감소가 보고되었지만 이 기술의 냉각 성능은 항력으로 허용되지 않는 것으로 나타났습니다. 따라서 조사에서는 기계적 기술의 이러한 결함을 보완할 수 있는 새로운 기술에 중점을 두었습니다. 이론적 접근41,42,43,44,45,46,47, 즉 전산유체역학 및 실험적 기법을 통해 연구원은 접근하기 어려운 조건48,49,50,51,52,53,54,55에서 조사를 개선할 수 있습니다. 따라서 이러한 기술은 엔지니어링 응용55,56,57,58,59,60,61에서 광범위하게 사용됩니다.