A computational study has been performed to examine the effects of catalytic walls on stagnation region heat transfer. Boundary Conditions for none, finite, and fully catalytic walls have been incorporated into a Multi-Block Compressible Navier-Stokes code, known as Eilmer3. Both chemical and thermal non-equilibrium effects were included. Flows over several blunt bodies model at 0 deg angle of attack were simulated by varying surface catalytic recombination rates. A full range of catalycities was explored in the context of a surface energy balance and a constant wall temperature assumption. Detailed information on species concentrations, temperature, and surface heat flux are presented. Comparison with experimental surface heat flux data obtained using a shock tube is also made. Using the data obtained in a shock tube experiment, the catalytic efficiency of copper oxide was about 0.005, while copper had an efficiency of about 0.07.
본 연구에서는 촉매벽 경계조건을 추가한 압축성 Navier-Stokes 코드를 이용하여 열화학적 비평형 유동장에서 촉매벽 효과가 정체점 근방의 열전달률에 미치는 영향에 대해서 살펴보았다. 촉매벽 경계조건으로는 noncatalytic, fully catalytic, finite-rate catalytic 벽 경계조건에 대해서, 촉매벽 반응이 무딘 물체 주위에 미치는 species 농도의 변화, 온도, 표면에서의 열전달률을 관찰하였다. 추가된 경계조건의 검증을 위해, 타 연구자들의 계산결과, 이론결과 및 비행실험 데이터가 존재하는 비행체에 대해서 해석을 수행하였으며 본 연구를 통해 추가된 경계조건이 타당하다는 것을 확인하였다. 촉매벽 효과가 커짐에 따라, 벽면 근처에서 원자들의 재결합이 활발하게 되며 이에 따라 확산 열전달률이 비행체 벽면의 총 열전달률에 미치는 영향이 커짐을 확인할 수 있었다. Noncatalytic 과 fully catalytic 벽 경계조건의 경우, 정체점에서의 열전달률을 정확하게 예측하지 못하였으며, 극초음속으로 비행하는 비행체 선두부를 효과적으로 설계하기 위해서는 finite-rate catalytic 의 영향에 대한 연구가 필요하다는 것을 확인할 수 있었다. 또한, O 원자의 다양한 벽면 재료에 대한 재결합 확률을 결정하기 위해 충격파관의 실험결과와 비교하였다. 본 연구에서 충격파관의 실험결과를 바탕으로 한 Cu와 CuO의 재결합 확률은 각각 0.07과 0.005이다.
