복잡한 노즐 개발을 위한 2D 특성 곡선법 (3)

2D MOC Tool Inputs
 
입력값을 자세히 설명하기 전에 치수에 대한 간략한 논의가 필요합니다. 곧 설명하겠지만, 모든 노즐 형상 입력값(길이, 면적 등)은 무차원화되었습니다. 평면 노즐의 경우 모든 길이는 노즐목 반의 높이(중심선에서 벽면까지의 거리)로, 축대칭 노즐의 경우 노즐목 반경으로 무차원화됩니다. 이는 코드의 출력 파일에도 적용됩니다. 코드는 다음과 같은 가정을 바탕으로 질유량, 추력 및 기타 치수 매개변수를 계산합니다. 축대칭 노즐의 경우 노즐목 반경은 1인치입니다. 평면 노즐의 경우 노즐목 반높이는 1인치이고 기준 폭은 12인치입니다. 평면 노즐에 대해 얻은 성능 수치는 전체 노즐의 절반에 대한 값입니다. 이는 SERN 노즐 성능 계산에 적용됩니다.

노즐 형상 입력

선택할 수 있는 노즐 형상은 축대칭형과 평면형 두 가지 유형이 있습니다.

 

노즐 유형 입력

이 2D MOC 도구는 네 가지 유형의 노즐을 해석할 수 있습니다. 노즐 유형을 선택하는 입력 화면은 그림에 나와 있습니다.

 
Perfect Nozzle
첫 번째 유형은 Perfect Nozzle입니다. 완벽한 노즐의 경우 출구면이 균일해야 합니다. 즉, 모든 출구 값(마하, 압력, 온도 등)이 모든 반경 방향 지점에서 일정해야 합니다. 또한 노즐 출구면에서의 유동 각도는 0.0도(완전 축류)입니다. 이러한 유형의 노즐은 일반적으로 균일한 유동이 시험에 필요하고 길이에 제약이 없는 풍동 시설에서 사용됩니다.
 
Rao Nozzle
두 번째 노즐 유형은 Rao Nozzle입니다. 이 노즐은 1950년대 후반 G.V.R. Rao의 연구에서 파생되었습니다. 이 연구에서는 주어진 출구 조건(마하수, 면적비 등)에 대한 최적 노즐 윤곽에 대한 수학적 분석을 개발했습니다. 최적 윤곽은 다양한 출구 조건에 따라 몇 가지 미묘한 차이가 있지만, 일반적으로 라오 노즐은 주어진 출구 조건에서 최소 길이의 노즐을 제공하며, 이 길이에서 출구 조건이 변경되면 성능이 저하됩니다. 예를 들어, 라오 해법에서 노즐 면적비가 4이고 최적 노즐 길이가 10인치라고 가정해 보겠습니다. 이는 노즐 길이가 10인치로 고정된 경우, 면적비가 3 또는 5인 노즐은 원래 면적비가 4인 노즐보다 추력이 낮다는 것을 의미합니다. 라오 방법에도 미묘한 차이가 있지만, 일반적으로 위의 내용은 성립합니다.

라오 방법의 기본 원리는 (배압이 0인 해를 얻기 위해) 다음 노즐 벽 출구 조건(점 E)이 성립하는 노즐 윤곽을 찾는 것입니다.

Set End Point Nozzles
세 번째 노즐 유형은 윤곽선이 명시적으로 설정된 노즐 출구 벽면을 통과하도록 합니다(끝점 설정 옵션). 이 유형의 노즐은 라오 노즐과 이상 노즐 해법에 의해 길이가 제한됩니다. 주어진 면적비 노즐의 경우, 라오 노즐은 최소 길이 노즐을, 이상 노즐은 최대 길이 노즐을 찾습니다. 끝점 설정 옵션을 사용하면 이 두 길이 사이의 모든 윤곽선을 찾을 수 있습니다. 선택한 길이가 라오 노즐 길이보다 작거나 이상 노즐 길이보다 크면 해법이 존재하지 않습니다. 끝점 설정 해법은 이상 노즐처럼 균일한 출구 유동장을 가질 필요가 없으며, 라오 노즐 출구 기준을 충족할 필요도 없습니다.
 
Cone/Wedge Nozzles
네 번째 유형의 노즐은 주어진 반각을 가진 원뿔/쐐기형 윤곽입니다. 축대칭 옵션을 선택하면 원뿔형이 계산되고, 평면 옵션을 선택하면 쐐기형이 계산됩니다.
 

노즐 설계 매개변수

설계 매개변수 섹션에서는 노즐 벽면 출구에서의 요구 조건을 설정합니다. 그림은 이 입력 화면의 캡처 이미지입니다. 이 매개변수는 다음과 같은 유형으로 설정할 수 있습니다.

• 마하 수
• 면적비: 출구 면적과 노즐목 면적의 비율
• 압력비: 노즐 전체 압력과 출구 정압의 비율
• 길이비: 노즐 길이와 노즐목 반경의 비율

 

유동 특성

이 입력값들은 노즐 솔루션의 초기 유동 특성을 정의합니다. 주어진 유동 특성 세트에 대해 사용자는 이러한 특성이 무엇을 나타내는지에 대해 두 가지 선택권을 갖습니다. 기본값은 전체 조건입니다. 이러한 전체 조건을 입력하면 도구는 솔루션을 시작할 노즐목 부근의 초기 데이터 라인을 계산합니다. '목 조건' 확인란을 선택하면 이러한 특성이 초기 데이터 라인의 유동 특성으로 사용됩니다. 또한, 목 조건을 선택하면 사용자가 유속을 입력해야 하는 '유속' 입력란이 활성화됩니다. 노즐 솔루션을 계산하려면 유속이 마하 1보다 커야 합니다.

 

목 형상 입력

이 입력은 그림에 나타낸 바와 같이 주어진 반지름을 가진 두 개의 호로 목 형상을 정의합니다. 이 입력값은 무차원이며 목 반지름(R*)으로 정규화됩니다. 상류 반지름 입력은 전체 유량 조건을 고려하여 초기 데이터 라인을 정의하는 데 사용됩니다. 하류 반지름은 초기 노즐 팽창 영역을 정의하는 데 사용됩니다.