유도탄 발사는 지상발사대나 항공기, 함정, 잠수함 등에서 다양한 형태로 이루어진다. 최근 함정에서 발사되는 유도탄은 수직발사체계 (VLS)를 이용하여 수직으로 발사되고있다. 유도탄을 수직으로 발사하면 함정의 자세와 무관하게 유도탄의 진행 방향을 설정할 수 있는 장점이 있다. 그러나 수직발사체계를 설계하는 과정에서 VLS 내부에 고온의 배기가스를 처리하는 어려움이 수반된다. 또한 수직발사체계를 설계하려면 VLS 내부의 화염유동구조와 충돌벽면의 내삭마 물질의 삭마량을 예측해야 한다. 초음속 제트 화염이 벽면에 충돌할 때 유동속도가 초음속에서 아음속으로 변하고 극심한 압력과 온도 변화를 동반한 강한 충격파가 발생된다.
본 연구에서는 CFDS 방법을 적용한 3차원 Navier-Stokes 전산프로그램을 이용하여 VLS 유동에 대한 수치적 연구를 수행한다. Roe의 플럭스 차분 분할방법의 일종인 CFDS 방법은 공력설계를 위한 공학해석 수단으로 개발되었고 또한 여러 복잡한 유동현상을 계산하여 그 유용성이 입증되었다. 또한 CFDS 방법은 Roe의 플럭스 분할을 근간으로 하기때문에 ‘carbuncle 현상’ 이라는 충격파 불안정성 문제를 내포하고있다. 초음속 충돌제트유동에서 강한 충격파가 발생되면 수치계산 과정에서 충격파 불안정 현상이 발생한다. 이러한 충격파불안정성 문제에 대해서 해석하고 그 치료방법을 제시하고자 한다.
일반적으로 널리 사용되는 고유치수정 (λ-fixing) 방법은 충격파 불안정 문제에 대해서 극초음속 무딘 물체 유동해석과 같은 2차원 유동에서는 효력이 있으나 3차원 유동에서는 해결책이 되지 못한다. 본 연구에서는 먼저 플럭스차분식를 플럭스와 수치점성항으로 분리하고 수치점성항에서 영에 가까운 고유치를 수정하여 비로서 이 충격파 불안정 문제를 해결하였다.
소형모터와 실물모터를 사용하여 노즐출구와 충돌면의 거리를 다양하게 변화시키면서 제트유동의 구조를 분류하였다. 수치적으로 계산된 압력을 실험치와 비교하여 수치계산 정확성을 검증하였다. 수치계산을 통해서 충돌벽면의 압력과 평판 충격파 (plate shock)가 진동하는 현상이 포착 되었으며 그 주파수는 10k Hz 이내였다. VLS 내부유동을 가시화 하고 유동해석 결과는 유도탄과 바닥면의 최적거리를 결정하는데 사용되었다. 화염배출구 (uptake)의 제작성 측면에서 두개 혹은 네개로 분리된 구조물로 변경되었다. 이들 각각에 대한 유동해석 결과는 하나로 구성된 화염배출구 유동해석결과와 비교할 때 전체적인 유동구조는 차이가 크지 않음을 알 수 있었다.
