Cavity flows are encountered in many aerospace applications. The most significant characteristic of the cavity flow is pressure fluctuation. These pressure fluctuation cause the damage on the structure and noise. Regardless of these disadvantage, the internal weapons bay has been applied to the stealth aircraft due to the various advantages. However, the pressure fluctuation can also influence the trajectory of the released store. Thus, understanding of aerodynamics characteristics inside weapons bay is essential to investigate on separation of the store in the cavity. Although many studies have been conducted, there have not been a substantial amount of studies on reducing the deviation of trajectory dependent upon the time of release, and studies that show the effect of the suppression devices on reducing the deviation of trajectory depending on the release points do not exist
Objective of the present study is understanding of flow characteristics inside the internal weapons bay and investigating the variation of the store trajectory depending on when the store is released. Final goal is reducing the pressure fluctuation and the deviation of trajectory depending on release time by using the steady-blowing. In the present study, numerical investigations of unsteady flow field in a three-dimensional weapons bay have been conducted by using a three-dimensional compressible flow solver based on unstructured meshes. The Weapons Internal Carriage and Separation (WICS) cavity bay with a length-to-depth ratio of 4.5 was chosen for the cavity geometry. The free-stream Mach number was 0.95 and the Reynolds number was 3.75ⅹ106. The unsteady turbulent flow over a rectangular cavity was simulated using the k-ω Shear Stress Transport (SST) and the Detached Eddy Simulation (DES) based on the k-ω SST.
It is shown that the unsteadiness inside the cavity was caused by detaching and reattaching processes of the shear layer, and the high frequency content was produced by the collision of the turbulence eddies with the aft wall that cause the random flows. The result of the SST-DES showed better agreement with the experiment at high frequency than that of k-ω SST. It is because the turbulence eddies can be well captured when using the SST-DES than using the k-ω SST.
When the store is located inside the cavity and at the shear layer, the surface pressure significantly changes along the surface of the store, whereas the pressure remains mostly unchanged when the store is located outside of the shear layer. Thus, it is presumed that the trajectory and the attitude of the store in free flight separation are affected by the changing aerodynamic loads in time.
The predicted store’s trajectory changed depending on the time of release. The overall flow characteristics inside the cavity determined the directivity of the store, and the instantaneous value of force and moment when the store separation is started cause the difference in trajectories depending on the time of release.
The steady-blowing mitigated the pressure fluctuation and stabilized the store separation. Further numerical studies on suppression devices for the larger effect are needed.
공동 유동은 주변의 다양한 분야에서 쉽게 볼 수 있는 유동 현상이다. 자동차의 선루프, 항공기의 랜딩 기어, 내부 무장창이 대표적인 예이다. 공동 유동의 가장 큰 특징은 압력 진동이다. 이러한 압력진동으로 인해 구조물 손상 및 소음 발생 등의 문제를 야기한다. 이러한 단점에도 불구하고, 내부 무장창은 무장을 내부에 장착하여 운용함으로써 공력 가열, 항력 및 레이더 피탐지 단면적 감소, 기동성 향상 등의 이점이 있어 오늘날 많은 항공기에 적용되어 운용되고 있다. 하지만, 가장 큰 문제는 무장 분리 시 무장 투하 궤적에도 영향을 주어 목표물에 정확하게 도달할 수 없게 된다는 것이다. 따라서 공동내부에서 일어나는 현상에 대한 정확한 이해가 필요하다. 따라서 공동 유동에 대한 특성을 파악하고 문제를 줄일 수 있는 연구에 대한 필요성이 대두되고 많은 연구자들에 의해 실험 및 수치해석이 진행 되어 왔다.
본 연구에서는 내부 무장창에서의 비정상 유동 특성이 분리운동에 끼치는 영향을 알아보기 위해 비정렬 격자기법을 이용하여 수치적 연구를 수행하였다.
무장 투하 시 무장창이 열리면 공동이 자유류에 노출되고, 이로 인해 전단층이 발생하게 되는데 공동 후미에서 전단층이 부착과 분리를 반복함에 따라 공동 내부에서 압력 진동이 발생하였다. 또한 난류 에디들이 공동 후면에 충돌함으로써 발생한 불규칙적인 유동으로 고주파수 영역의 압력 진동이 발생하였다. 따라서 난류 에디들을 얼마나 잘 모사하느냐가 고주파수 영역을 예측하는데 있어 중요한 요소이며, 난류 에디를 더 잘 모사하는 SST-DES기법이 k-ω SST모델보다 고주파수 영역을 정확하게 예측하였다.
무장이 포함된 경우, 무장창 내부에서는 무장의 영향으로 진동 폭은 약간 감소한 것을 확인 할 수 있었으나 무장창 외부에 위치했을 때 보다는 여전히 압력진동으로 인해 양력과 모멘트의 진동 폭이 크게 나타났다. 무장창에서 멀어질수록 이 폭은 줄어들어 압력 진동 영향에서 벗어난 것을 확인할 수 있었으며, 자유류의 영향으로 항력은 증가하였다.
내부 무장창에서 무장 분리 시 비정상 공력 특성에 의해 분리 시점에 따라 궤적이 달라지게 되어 정확성이 감소하게 된다고 알려져 있으며 실제 해석 결과도 같은 결과를 보였다. 분리 된 시점의 힘과 모멘트의 차이는 무장 분리 궤적의 차이를 야기하며, 고정된 무장 해석 시 나타난 유동장의 특성이 무장 운동의 방향성을 결정하는데 지배적인 영향을 끼쳤다.
압력 진동 감소를 위해 steady-blowing을 적용하여 해석을 수행하였으며, 그 결과 전단층의 진동이 상당히 감소함을 볼 수 있었으며, 그에 따라 압력 진동의 진폭도 줄어든 것을 확인할 수 있었다. 또, Steady-blowing을 적용함에 따라 분리 시점에 따른 궤적의 차이가 상당히 줄어드는 것을 확인 할 수 있었다.
