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문제 정의
- 것이다. 또한 평균속도 및 제트중심속도 그리고 난류강도에 대한 정량적인 데이터를 제시하고 열전달과의 상호연관성을 규명하는 데에 중점을 두었다. 충돌지역의 온도를 측정하기 위해서 정확도가 높은 액정을 사용하였으며, 축 방향의 평균 유속 및 난류량을 측정하기 위해서 단일채널 열선풍속계를 사용하였다.
- 본 연구의 목적은 맥동이 존재하는 축대칭 충돌제트의 유동가시화를 통해 유동구조에 대한 이해를 증진하고 충돌면에서의 열전달특성을 분석하는 것이다. 또한 평균속도 및 제트중심속도 그리고 난류강도에 대한 정량적인 데이터를 제시하고 열전달과의 상호연관성을 규명하는 데에 중점을 두었다.
제안 방법
- 축 대칭 수축노즐에서 발생한 맥동을 포함한 제트가 균일 열유속으로 가열되는 평판에 충돌할 때 열전달계수를 측정하기 위하여 맥동의 주파수와 노즐출구와 충돌면사이의 거리를 변화시키며 벽면에서의 온도(Tw), 대기의 온도와 동일하게 조정된 제트의 출구온도(弓) 및 가열판에 가해진 열유속 ( q" = EH A )을 측정하였고 복사에 의한 열손실 #을 보상하였다. 충돌면의 누셀수와 제트의 레이놀즈수는 노즐 출구에서 열선풍속계로 측정한 속도의 면적평균값(Uavg)과 노즐 출구직경(D)을 사용하여 다음과 같이 정의하였다.
- 촬영은 소량의 광량을 증폭시킬 수 있는 ICCD 카메라와 프레임 그래버를 사용하여 순간의 화상을 컴퓨터에 저장하였다. ICCD 카메라의 트리거와 노출시간은 직류 모터의 인코더신호를 디지탈 시그날 딜레이어에 연결하여 조정하였으며, 맥동주기에 따라서 적절히 변화시켜 사용하였다.
- 균일 열유속으로 가열하였다. 가열 후 온도에 따라서 액정의 색상이 나타나며, 모든 데이터가 안정된 후, CCD 카메라를 사용하여 화상을 촬영하였다. 액정의 색상을 온도로 환산하기 위해서 디지털 화상처리장치를 사용한다.
- 1 은 본 연구에서 사용한 실험장치의 개략도이다. 공기를 발생시키기 위해서 5 마력 원심 송풍기를 사용하였고 송풍기의 유량은 인버터로 조정하였다. 원심송풍기에서 발생한 공기는 내경이 52.
- 공기의 유량을 측정하기 위해서 스텐레스관에 얇은 평판 형태의 오리피스 유량계를 장착하였으며, 열교환이 이루어진 후 제트와 대기의 온도를 측정하기 위해서 Copper-Constantan 열전대와 저항온도계를 각각 사용하였다. 온도 데이터는 GPIB 를 통하여 IBM-PC 에 연결된다.
- 이 장치는 CCD 카메라, 칼러프레임그레버(DT2871)와 IBM-PC 로 구성된다. 광원은 발열이 작고 조도가 큰 150 W의 할로겐광원(HQI)을 좌우에 각각 한 개씩 사용하며, 복사에 의한 영향을 최소화하였다.
- 변화를 분석하였다. 교정과정에서 광원의 위치 및 각도와 카메라의 위치 및 각도는 실제의 실험과 동일하게 수행하였고 색상(Hue)과 온도와의 상관관계를 1 차식으로 구하여 사용하였다.
- 열선풍속계와 고속의 자료 처리장치를 사용하여 유동측정을 수행하였다. 맥동이 존재하는 유동은 직류모터의 인코더신호를 사용하여 하나의 주기를 100 등분하고 각 간격에 서 얻어진 데이터들을 하나의 위상 값으로 평균하였다. 안정된 자료를 얻기 위해 500 개 이상의 주 기를 획득하여 위상평균과 시간 평균된 속도를 계산하였다.
- 본 연구에서는 맥동이 존재하는 축 대칭 충돌제트에서 열선풍속계 및 TLC 기법을 사용하여 유동가시화, 유속측정 및 열전달 실험을 수행하였고 다음과 같은 결과를 얻었다.
- 실험조건으로 제트 레이놀즈수 20000 을 기준으로 맥동주파수 f 는 0, 10, 20 Hz 로 변화시켰고 노즐과 가열판 사이의 거리에 대한 영향을 살펴보기 위해 무차원된 거리의 변화(加 = 2, 10)를 고려하여 실험을 수행하였다. 열선풍속계와 고속의 자료 처리장치를 사용하여 유동측정을 수행하였다.
- 맥동이 존재하는 유동은 직류모터의 인코더신호를 사용하여 하나의 주기를 100 등분하고 각 간격에 서 얻어진 데이터들을 하나의 위상 값으로 평균하였다. 안정된 자료를 얻기 위해 500 개 이상의 주 기를 획득하여 위상평균과 시간 평균된 속도를 계산하였다.
- 액정의 색상변화는 정확하게 같은 온도에서 같은 색상이 재현되는 특성을 나타내지만 광원의 위치와 각도 및 카메라의 위치와 거리에 따라서 다른 특성을 보이므로 이를 온도측정에 사용하기 위해서는 매우 엄정한 교정을 행해야 한다’ 액정을 교정하기 위하여 구리각주(600 mm × 50 mm × 20 mm)의 표면에 실제의 실험과 동일한 방식으로 액정과 검정페인트를 도포한 후 금도금 필름을 부착 하였으며, 각주의 양단에 2 개의 항온조를 사용하여 1 차원의 온도 구배를 생성한 후, CCD 카메라와 디지털 영상처리장치를 사용하여 온도에 따른 색상 변화를 분석하였다. 교정과정에서 광원의 위치 및 각도와 카메라의 위치 및 각도는 실제의 실험과 동일하게 수행하였고 색상(Hue)과 온도와의 상관관계를 1 차식으로 구하여 사용하였다.
- 실험조건으로 제트 레이놀즈수 20000 을 기준으로 맥동주파수 f 는 0, 10, 20 Hz 로 변화시켰고 노즐과 가열판 사이의 거리에 대한 영향을 살펴보기 위해 무차원된 거리의 변화(加 = 2, 10)를 고려하여 실험을 수행하였다. 열선풍속계와 고속의 자료 처리장치를 사용하여 유동측정을 수행하였다. 맥동이 존재하는 유동은 직류모터의 인코더신호를 사용하여 하나의 주기를 100 등분하고 각 간격에 서 얻어진 데이터들을 하나의 위상 값으로 평균하였다.
- 충돌지역의 온도를 측정하기 위해서 정확도가 높은 액정을 사용하였으며, 축 방향의 평균 유속 및 난류량을 측정하기 위해서 단일채널 열선풍속계를 사용하였다. 전단충 주위에서 발생되는 원환보텍스의 거동 및 충돌벽면 주위에서 발생되는 링 형태의 벽에디(wall eddy)의 거동특성을 파악하기 위해서 포그(fog)발생기를 사용하여 유동을 가시화하였고 노즐과 충돌면사이의 거리(H/D) 그리고 맥동주파수 등의 변화에 따른 유동 및 열전달 특성에 대한 정량적 자료를 제시하였다.
- 전원을 공급하기 위해 금코팅면의 양단에 은으로 만들어진 접착제를 사용하여 구리전극을 부착하였으며, 직류 전원공급기를 사용하여 금도금된 필름을 균일 열유속으로 가열하였다. 가열 후 온도에 따라서 액정의 색상이 나타나며, 모든 데이터가 안정된 후, CCD 카메라를 사용하여 화상을 촬영하였다.
- 제트의 축 방향 평균속도와 난류량을 측정하기 위해서 단일채널 열선풍속계를 사용하였다. 또한 유동가시화를 위하여 송풍기의 입구에 포그발생기를 설치하였으며, 광원으로는 200 mW 의 아르곤이 온 레이저를 사용하였다.
- 또한 유동가시화를 위하여 송풍기의 입구에 포그발생기를 설치하였으며, 광원으로는 200 mW 의 아르곤이 온 레이저를 사용하였다. 촬영은 소량의 광량을 증폭시킬 수 있는 ICCD 카메라와 프레임 그래버를 사용하여 순간의 화상을 컴퓨터에 저장하였다. ICCD 카메라의 트리거와 노출시간은 직류 모터의 인코더신호를 디지탈 시그날 딜레이어에 연결하여 조정하였으며, 맥동주기에 따라서 적절히 변화시켜 사용하였다.
- 또한 평균속도 및 제트중심속도 그리고 난류강도에 대한 정량적인 데이터를 제시하고 열전달과의 상호연관성을 규명하는 데에 중점을 두었다. 충돌지역의 온도를 측정하기 위해서 정확도가 높은 액정을 사용하였으며, 축 방향의 평균 유속 및 난류량을 측정하기 위해서 단일채널 열선풍속계를 사용하였다. 전단충 주위에서 발생되는 원환보텍스의 거동 및 충돌벽면 주위에서 발생되는 링 형태의 벽에디(wall eddy)의 거동특성을 파악하기 위해서 포그(fog)발생기를 사용하여 유동을 가시화하였고 노즐과 충돌면사이의 거리(H/D) 그리고 맥동주파수 등의 변화에 따른 유동 및 열전달 특성에 대한 정량적 자료를 제시하였다.
대상 데이터
- 또한 유동가시화를 위하여 송풍기의 입구에 포그발생기를 설치하였으며, 광원으로는 200 mW 의 아르곤이 온 레이저를 사용하였다. 촬영은 소량의 광량을 증폭시킬 수 있는 ICCD 카메라와 프레임 그래버를 사용하여 순간의 화상을 컴퓨터에 저장하였다.
- 실험에 사용한 가열판으로 가로 300 mm, 세로 300 mm 의 금도금된 필름을 사용하였다. 금도금 아래 에어브러쉬(air brush)를 사용하여 Hallcrest 사에서 제작한 변색구간이 1 ℃인 액정(R35C1W)과 검정페인트를 차례로 일정하게 코팅한 후 양면테이프로 50 mm 의 두께를 가진 스티로포움으로 단열된 렉산판(400 mm × 400 mm) 위에 부착하였다.
성능/효과
- (1) 맥동이 존재하는 경우, 노즐출구에서의 난류 강도가 크게 증가하였다. 맥동주파수의 증대는 노즐 출구에서의 공기 혼입을 조기에 생성시켰으며 맥동에 의한 보텍스 생성은 유속이 증감하는 구간에서 크게 발생하였다.
- (2) 노즐과 충돌면 사이의 거리가 작은 경우에서는 맥동주파수의 증가에 따라 난류량의 증대와 보 텍스 유동에 의해 정체점의 열전달률이 최대 30 % 까지 증가하였다. 또한 H/D = 2 인 경우 반경 방향에서 발생하는 정점은 유동가속효과 및 난류로의 천이효과에 의해 발생하며 맥동이 주어지는 경우 정체점 근처 영역(切 < 0.
- (3) H/D = 10 의 경우 /〃£) = 2 의 경우와 달리 두 개의 정점이 나타나지 않으며 반경방향에 따라 점진적으로 감소하는 경향을 보이고 있다. 또한 맥동주파수가 증가함에 따라 충돌면에서의 열전달이 크게 증가됨을 볼 수 있다.
- 맥동이 없는 경우와 비교할 때 전단층에서 보텍스의 생성이 크고 활발하게 일어났고 포텐셜 코어 영역의 두께가 시간에 따라서 변화됨을 볼 수 있다. 결과적으로 코어영역과 보텍스와의 상호 작용으로 인해 공기혼입 (air entrainment)이 정상유동에 비해 활발하게 발생될 것으로 판단된다.
- 우선 맥동주파수가 증가함에 따라 정체점(r/D = 0)에서 열전달계수가 증가하고 있음을 볼 수 있다. 맥동 주파수가 20 Hz 로 증가함에 따라 정체점 근처에서의 열전달은 정상상태의 누셀수보다 30 % 높게 얻어져 매우 큰 폭으로 증가하였다. 이러한 현상은 Fig.
- 9 는 H/D = 10인 경우 벽면 근처 영역(x/D = 9)에서 맥동주파수의 유·무에 따른 축 방향 평균속도 분포를 나타낸다. 제트 중심영역의 평균속도는 맥동의 유·무에 관계 없이 거의 동일한 결과를 보여주는 반면 반경방향으로 갈수록 맥동이 존재하는 경우의 평균속도가 맥동이 없는 경우보다 크게 나타남을 볼 수 있다. 실제로 r/D = 1.
후속연구
- 이러한 결과는 전향영역에서 발생되는 유동가속이 상대적으로 작기 때문이 다. 따라서 충돌거리가 작은 경우는 주어진 맥동의 주파수의 변화를 통해 보다 효과적인 열전달을 일으킬 수 있으며 맥동은 정체점 주위의 열전달을 증대시킬 뿐만 아니라 실제 산업에서 사용 시 중요한 문제가 되는 균일 열전달 제어 등과 같은 부분에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
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