Numerical Investigations on Control of Turbulent Transition in Hypersonic Boundary Layer with Porous Surface

Abstract

극초음속 경계층에서의 층류-난류 천이는 비행체의 열적 및 공력 하에 큰 영향을 미치는 중요한 공기역학적 현상이다. 천이 시작과 함께 벽면 열유속과 점성 마찰이 급격히 증가하기 때문에, 난류 천이를 효과적으로 제어하는 것은 매우 중요하다. 본 학위논문에서는 다공성 표면을 이용한 극초음속 경계층 내 난류 천이 제어의 수치해석 연구를 진행하였다. 난류 천이 제어 연구를 수행하기에 앞서, 선형 안정성 이론(linear stability theory, LST)과 직접 수치해석(direct numerical simulation, DNS)을 결합하여 난류 천이 고충실도 수치해석 프레임워크를 구축하였다. LST를 통해 주요 불안정 모드를 도출하고 이를 DNS 입구 조건으로 부여함으로써, 정확하고 효율적으로 천이 과정을 모사할 수 있도록 하였다. 본 프레임워크를 콘 형상 위 극초음속 경계층 내 fundamental-breakdown 천이 시나리오에 적용하였다. DNS 결과는 불안정 모드의 성장, 와류 구조의 형성, 천이에 의한 열유속 증가, 난류로의 붕괴를 포함한 주요 천이 현상을 성공적으로 재현하였다. 본 연구에서는 충격파 포착 기법에서 기인하는 수치 점성이 천이 경계층에 미치는 영향을 분석하였고, 경계층 내부의 과도한 수치 점성은 천이 거동을 크게 변화시킬 수 있음을 확인하였다. 이러한 결과는 극초음속 경계층 난류 천이를 정확하게 예측하고 분석할 수 있는 고충실도 수치해석 프레임워크를 제공한다. 구축된 LST가 결합된 DNS 프레임워크를 기반으로, 다공성 표면을 이용한 난류 천이 제어를 수치적으로 연구하였다. 다공성 표면은 반사계수 모델을 이용하여 극초음속 경계층 내 주요 불안정성 중 하나인 맥 2차 모드의 감쇠를 최대화하도록 설계되었다. 본 연구에서는, 실제 제작 공정의 제약 조건을 반영하여 기존 연구에 비해 상대적으로 얕은 기공 구조를 갖도록 다공성 표면을 최적화하였다. 설계된 다공성 표면의 안정화 성능은 LST를 통해 평가되었으며, 넓은 주파수 범위에서 불안정 모드의 성장이 효과적으로 억제됨을 확인하였다. 다공성 표면에 의한 천이 지연은 구축된 LST가 결합된 DNS 프레임워크를 통해 분석하였다. 다공성 표면은 시간 영역 임피던스 경계조건을 이용하여 모델링되었다. 그 결과, 지배적인 불안정 모드의 억제가 비선형 모드 상호작용을 약화시켜 난류 천이를 효과적으로 지연시키는 것을 확인하였으며, 천이 지연으로 인해 벽면 열유속과 점성 마찰이 크게 감소하였다. 수치해석 결과는 본 연구 접근법의 신뢰성을 평가하기 위해 실험 데이터와 추가적으로 비교되었다. 이러한 결과는 얕은 다공성 표면이 극초음속 경계층에서 난류 천이를 제어하기 위한 효과적인 수동 제어 기법임을 보여준다.|Laminar-to-turbulent transition in hypersonic boundary layers is a critical aerodynamic phenomenon that significantly influences the thermal and aerodynamic loads on high-speed vehicles. The sharp increase in surface heat flux and skin friction following transition onset highlights the necessity for effective transition control. This thesis numerically investigates transition control in hypersonic boundary layers using porous surfaces. As a prerequisite for transition-control studies, a high-fidelity computational framework for hypersonic boundary-layer transition is first established by coupling direct numerical simulation (DNS) with linear stability theory (LST). The dominant instability modes in the boundary layer are identified using LST and introduced as inlet forcing in DNS, enabling high-fidelity and cost-effective simulation of transition. The framework is applied to a fundamental-breakdown transition scenario in a hypersonic boundary layer over a straight cone. The DNS successfully captures key transition features, including the growth of instability modes, the formation of vortical structures, the transition-induced heat-flux increase, and the breakdown to turbulence. The influence of numerical dissipation associated with shock-capturing methods on transitional boundary layers is also examined, demonstrating that excessive artificial dissipation within the boundary layer can significantly alter transition behavior. These results provide a high-fidelity computational framework for accurate prediction and analysis of hypersonic boundary-layer transition. Transition control using a porous surface is numerically investigated within the established computational framework. The porous surface is optimized using a reflection model to maximize the attenuation of the Mack second mode, one of the major instabilities in hypersonic boundary layers. In this study, practical fabrication constraints are incorporated into the design, resulting in a relatively shallow pore configuration compared to previous studies. The stabilization performance of the designed porous surface is evaluated using LST, showing effective suppression of instability modes over a wide range of frequencies. Transition delay is demonstrated within the LST-combined DNS framework. The porous surface is modeled using time-domain impedance boundary conditions to capture its acoustic response. It is demonstrated that suppression of the dominant instabilities weakens nonlinear modal interactions, leading to a significant delay of transition. The delayed transition results in substantial reductions in surface heat flux and skin friction. The computational results are further compared with experimental data to assess the reliability of the present approach. These findings demonstrate that porous surfaces provide an effective passive strategy for transition control in hypersonic boundary layers.