The supersonic underexpanded jet flows impinging into obstacles are generally found to be extremely complex. They contain mixed subsonic and supersonic regions, regions of shear layer, possibly stagnation bubble, instances of major flow instabilities, elaborate interaction of shock waves and expansion waves, and various discontinuities consisting of barrel shock, jet boundary, Mach disc, contact surface, reflection shock, plate shock, and subtail shock, which all heavily depend on the various flow parameters such as nozzle reservoir conditions, jet exit conditions, nozzle-to-plate spacing, and plate inclination angle if the jet is three-dimensional.
The objective of this thesis is to gain an understanding of the flow structures developed by the impinging jet flow, especially the effects of various flow parameters mentioned earlier on the surface pressure and temperature, Both the cold and high-enthalpy (heated) jets are considered, with equilibrium high temperature effects for air by means of specific heat ratio and speed of sound given by the explicit polynomial functions of thermodynamic variables by Tannehill ＆ Mugge included in the latter, The jets considered are basically axisymmetric, but three-dimensional flows have been also investigated for the jets impinging into an inclined flat plate. Moreover the unsteady oscillation shock waves and jet structures have been considered for the jets impinging into a perpendicular plate and into a Hartmann-Spreger tube, and for the supersonic flow past a spike-tipped body.
In the case of the self-sustained oscillation of shock waves in the supersonic spiketipped body flow and in the impinging jet flow into a perpendicular plate, the shock wave instability initiated by the resonance of acoustic waves travelling back and forth between the reflecting surfaces, can be strongly coupled with the fate of the stagnation bubble, which is again fed by the shear layer impinging into a normal surface at a position near the reattachment point of the stagnation bubble. These mechanisms of shock wave instability have been found very common in the two apparently different supersonic flows, the spiketipped body flow and the impinging jet flow.
And detailed study on the structure and propagation of the unsteady complex shock and expansion waves in the combined jet-tube flow system developed by the impinging jet flow into a resonance tube, the so-called Hartmann-Sprenger tube, has led to a better understanding on the basic mechanism responsible for the intensive gas heating and pressure loading in the resonance tube.
Comparison with the existing experimental results over a broad range of data sets on wall pressure distribution and shock structures has led to the conclusion that the present inviscid numerical model based on the conservation-form Euler equations using a Total Variation Diminishing (TVD) scheme can offer relatively good prediction on the impinging jet flow.
장애물에 분사되는 초음속 젯트 흐름은 일반적으로 상당히 복잡한 유동장을 형성하는 것으로 알려져 있다. 그들은 아음속과 초음속 영역이 공존하고, 전단층(SHEAR LAYER)영역이 발생하며, 유동장의 불안정성이 존재 가능하고, 충격파와 팽창파가 발생하며 그들 상호간의 간섭이 일어나고, BARREL SHOCK, CONTACT SURFACE, JET BOUNDARY,MACH DISC,PLATE SHOCK, REFLECTION SHOCK, 그리고 SUBTAIL SHOCK 등 많은 불연속 면이 발생하는 등 상당히 복잡한 유동 구조를 형성하게 된다. 이러한 유동 구조는 노즐 저기조의 조건, 노즐 출구의 조건, 노즐 출구로부터 벽까지의 거리, 그리고 벽의 기울어짐 등 많은 변수들에 의해 또한 큰 변화를 보이게 된다.
본 논문의 목적은 이러한 과소 팽창된 초음속 젯트 흐름이 장애물에 분사되는 경우, 위에서 언급한 여러 유동 변수들에 따른 유동장의 영향, 특히 벽면에서의 압력과 온도를 예측하고자 하는 것이다. 열역학적 완전 기체인 경우의 젯트 유동과 고-엔탈피 젯트 유동의 두 가지 모델을 고려하였는데, 고-엔탈피 젯트 유동은 고온에서의 공기가 평형 상태를 유지한다고 가정함으로써 TA0NEHILL ＆ MUGGE 가 제안한 POLYNOMIAL CORRELATION 형태를 이용하였다.
젯트 흐름은 본질적으로 축대칭 관계를 형성하지만, 기울어진 벽면으로 분사되는 경우의 유동장 해석을 위하여 3차원 문제의 해석도 아울러 시도하였다. 또한, 벽면으로 분사되는 젯트 흐름과 HARTMANN-SPRENGER 관으로 분사되는 젯트 흐름, 그리고 SPIKE 를 가진 무딘 물체 주위의 초음속 흐름에서 발생하는 진동하는 충격파와 이에 수반되는 유동장의 비정상 움직임도 연구하였다. 초음속 흐름상에 위치하는 SPIKE를 가진 무딘 물체의 경우와 벽면으로 분사되는 젯트 흐름의 경우에 있어서, 음파의 공진에 의해 야기되는 충격파의 자체 진동(SELF-SUSTAINED OSCILLATION) 은 STAGNATION BUBBLE 이라는 회전 유동의 운명과 강력히 연결되어 있고, STAGNATION BUBBLE 은 다시 전단층에 의해 영향을 받게 된다. 이러한 충격파의 불안정구조는 명백히 다른 두 흐름, 즉, SPIKE 를 가진 무딘 물체 주위의 흐름과 벽면으로 분사되는 젯트 흐름에서 공통적인 성질을 가지고 있다.
HARTMANN-SPRENGER 관으로 분사되는 제트 흐름에서 나타나는 충격파의 자체 진동 현상에 관해서도 연구를 수행하였다. 젯트-관으로 인해 형성되는 복잡한 유동 구조와 관 안에서 일어나는 복잡한 현상, 즉, 충격파와 팽창파, 그리고 압축파의 발생과 구조, 그리고 역활등을 자세히 규명함으로써, HARTMANN-SPRENGER 관에서 발생하는 급격한 온도 상승과 압력 상승의 근본 구조를 이해할 수 있었다.
벽면으로 분사되는 젯트 흐름의 연구에서, TOTAL VARIATION DIMINISHING(TVD) 방법을 채택하여 보존 형태의 EULER 방정식을 수치 해석한 결과와 실제 실험과의 비교는 두 결과가 충격파 구조와 벽면에서의 압력분포, 그리고 STAGNATION BUBBLE의 발생과 소멸 등에서 잘 일치하고 있음을 보여 줌으로써, 본 논문에서 확보한 수치 기법이 실험을 보완할 수 있는 타당하고도 적절한 도구임을 제시하였다.
