[논문 리뷰] Large- and small-amplitude shock wave oscillations over axisymmetric bodies in high-speed flow

Vaisakh Sasidharan, Subrahmanyam Duvvuri|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 20.

Computational Fluid Dynamics and Aerodynamics참고 문헌 13인용 수 17

한 줄 요약

이 실험적 연구는 맥쿼크 6에서 축대칭 원뿔형 몸체의 뾰족한 기저를 가진 초음속 유동에서 큰 진폭과 작은 진폭의 충격파 진동을 조사한다. 시간에 따라 해상도가 높은 슈라이렌 영상 기법을 사용하여, 원뿔 반각 (𝐿/𝑑) 과 기저 지름 (𝐷/𝑑) 으로 정의된 이중 매개변수 공간에서의 비정상 상태 경계를 그려내었으며, 난류층 불안정성과 분리된 유동 역학에 의해 유도되는 정상, 큰 진폭의 펄스형, 작은 진폭의 진동형 충격파의 구분되는 영역을 확인하였다.

ABSTRACT

The phenomena of self-sustained shock wave oscillations over conical bodies with a blunt axisymmetric base subject to uniform high-speed flow are investigated in a hypersonic wind tunnel at Mach number $M = 6$. The flow and shock wave dynamics are dictated by two non-dimensional geometric parameters presented by the three length scales of the body, two of which are associated with the conical forebody and one with the base. Time-resolved schlieren imagery from these experiments reveals the presence of two disparate states of shock wave oscillations in the flow, and allows for the mapping of unsteadiness boundaries in the two-parameter space. Physical mechanisms are proposed to explain the oscillations and the transitions of the shock wave system from steady to oscillatory states. In comparison to the canonical single-parameter problem of shock wave oscillations over spiked-blunt bodies reported in literature, the two-parameter nature of the present problem introduces distinct elements to the flow dynamics.

연구 동기 및 목표

• 축대칭 기저가 뾰족한 몸체를 둘러싼 고속 유동에서 충격파 비정상 상태를 조사하기 위해.
• 이중 기하학적 매개변수 공간에서 정상, 큰 진폭의 펄스형, 작은 진폭의 진동형 충격파 상태 간 경계를 그림내기 위해.
• 충격파 진동과 흐름 상태 간 전이를 이끄는 물리적 메커니즘을 규명하기 위해.
• 기존의 단일 매개변수 스피크드-뾰족한 몸체 문제를 더 복잡한 이중 매개변수 시스템으로 확장하기 위해.

제안 방법

• 마하 6의 초음속 풍동에서 실험을 수행하였으며, 자유류 레이놀즈 수는 7×10⁶ m⁻¹ 이다.
• 펄스형 다이오드 레이저(640 nm, 10 ns 펄스)와 고속 카메라(48,000~160,000 fps)를 사용한 시간에 따라 해상도가 높은 슈라이렌 영상 기법을 적용하였다.
• 기하학적 매개변수를 변화시켰다: 원뿔 길이 대 기저 지름 비율 (𝐿/𝑑) 과 기저 지름 대 원뿔 기저 지름 비율 (𝐷/𝑑), 각도 𝜃 는 15° 에서 45° 까지 변동하였다.
• 시간에 따른 슈라이렌 영상 시퀀스를 기반으로 흐름 상태를 정상, 펄스형(큰 진폭), 진동형(작은 진폭)으로 분류하였다.
• 5,000 프레임 시퀀스에서 평균 및 표준편차 강도 맵을 분석하여 비정상적인 충격파 및 난류층 역학을 시각화하였다.
• 실험 데이터 포인트를 기반으로 경험적으로 이중 매개변수 공간 내 흐름 상태 간 경계를 유추하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두 개의 독립된 기하학적 매개변수 (𝐿/𝑑 와 𝐷/𝑑) 는 축대칭 고속 유동에서 충격파 비정상 상태에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 큰 진폭의 펄스형 진동과 작은 진폭의 진동형 진동을 이끄는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 기하학적 매개변수를 변화시킬 때 정상 상태, 펄스형 상태, 진동형 상태 간 전이 과정은 어떻게 발생하는가?
• RQ4 난류층 불안정성과 분리 기포는 작은 진폭의 충격파 진동에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 원뿔 반각 (𝜃) 이 충격파 비정상 상태의 발생과 억제에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 마하 6에서 충격파 비정상 상태는 두 가지 형태로 관찰되며, 즉 큰 진폭의 펄스형과 작은 진폭의 진동형이며, 그 사이에는 정상 상태가 존재한다.
• 𝜃 = 25° 일 때, 𝐷/𝑑 ≈ 1.3 에서 펄스형에서 진동형으로의 전이가 발생하며, 이는 분리된 유동 영역의 성장/붕괴에서 난류층 불안정성에 의해 유도되는 비정상 상태로의 전환을 의미한다.
• 작은 진폭의 진동은 분리 충격파의 고주파 수문에 의해 유도되며, 이는 비정상적인 난류층 불안정성과 분리점의 전후 운동에 기인한다.
• 큰 진폭의 펄스형은 원뿔 표면 위에서 주기적으로 성장하고 붕괴되는 분리된 유동 영역에 의해 유도되며, 강한 전파된 충격파와 기저 상호작용과 관련이 있다.
• 원뿔 반각 (𝜃) 이 증가함에 따라 비정상 상태 영역이 좁아지며, 𝑀=6 일 때 𝜃 ≈ 25°–35° 이하에서는 비정상적인 정상 상태가 관찰되지 않는다.
• 𝜃 ≈ 45° 이상이 되면 충격파 비정상 상태가 멈추거나 매우 좁은 𝐷/𝑑 범위로 제한되며, 이는 약한 벽면 압력 기울기로 인해 불안정성 메커니즘이 억제됨을 시사한다.