[논문]마이크로 제트를 이용한 과소팽창 음속 제트에서의 소음저감

김진화; 김정훈; 유정열

doi:10.3795/ksme-b.2003.27.10.1472

[국내논문] 마이크로 제트를 이용한 과소팽창 음속 제트에서의 소음저감
Noise Reduction of an Underexpanded Supersonic Jet via Steady Blowing with Microjets 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.27 no.10 = no.217, 2003년, pp.1472 - 1479

김진화 (서울대학교 기계항공공학부) , 김정훈 (서울대학교 기계항공공학부) , 유정열 (서울대학교 기계항공공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

An attempt to reduce supersonic jet noise is carried out by using two steady microjets in a round jet. The jet is issued from a round sonic nozzle with an exit diameter of 10 mm. Two micro-nozzles with an inside diameter of 1 mm each are installed on the exit plane at an angle of 45 relative to the main jet axis. Far-field noise was measured at 40 diameters off the jet axis. The angle between a microphone and the jet axis is 30 or 90$^{\circ}$. For an injection rate of 4-6% of the main jet, screech tones were completely suppressed by the microjets. The reduction in the overall sound pressure levels were 2.4 and 2.7 dB for 90 and 30 measuring directions, respectively. However, the enhancement of mixing/spreading of the jet by the microjet was negligible. The reduction of noise is probably due to distorted shock cell structures and/or deformed large scale vortical structures by the microjets.

주제어

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문제 정의

소음원이 된다. 따라서 이 절에서는 마이크로 제트의 혼합 소음에 대한 영향을 주로 살펴 본다. 이 측정방향에서도 Mic 2로 측정한 소음/스펙트럼이 Micl 으로 측정한 것과 25kHz 이상의 고주파 영역에선 차이를 보이나, 전체소음에 기여는 미미하여 Mic 1 으로 측정한 것만 다룰 것이다.
이 연구의 목적은 마이크로 제트를 주제트 축에 일정한 각을 두고 분사하여 추진력의 손실을 최소화하면서 제트의 소음을 줄이는 것이다. 주제트로 정상적으로 분사된 마이트로 제트가 “유체 탭, , 과 같은 역할을 함으로써 소음이 저감될 것이라 예상되어 이 연구를 착수하게 되었다.
주제트로 정상적으로 분사된 마이트로 제트가 “유체 탭, , 과 같은 역할을 함으로써 소음이 저감될 것이라 예상되어 이 연구를 착수하게 되었다.

제안 방법

방법도 다양하게 연구 되었다. Davis⑺는 정상 (steady) 마이크로제트를 주제트 축에 직각 방향으로 분사하여 제트의 확산을 촉진하는 연구를 하였다. 소형 플루이딕 (fluidic)을 이용한 유동 및 소음제어가 Raman⑻에 의해 행해졌다.
& Davies Model 2520) 두개를 사용하여 측정하였다. 각 실험후 마이크로폰은 교정기를 사용하여 검정되었다. 원장소음은 주제트축과의 각이 30° 및 90。가 되고 주제트축에서 주노즐 지경의 40배 떨어진 위치에서 측정되었다 (Fig.
주제트의 질량유량에 대한 마이크로 제트의 질량유량비를 이후부터 분사율 (Mass faction)이라 부르도록 하겠다. 마이크로 제트의 분사율을 1-9% 범위에서 변화시키면서 실험을 하였다. 주제트의 이상 또는 완전팽창 마하수(Ideally/Fully Expanded Jet Mach Number, Mj) 는 1.
소형파이프 끝은 주노즐 출구면에 정렬하고 주노즐 축에 대해 45。가 되게 하였다. 마이크로 제트의 질량유량은 유량계과 압력계를 마이크로제트 상류에 설치하여 측정하였다. 주제트의 질량유량에 대한 마이크로 제트의 질량유량비를 이후부터 분사율 (Mass faction)이라 부르도록 하겠다.
마이크로제트를 과소 팽창된 제트에 분사하여, 소음저감 및 제트의 확산/혼합에 상당히 효과적인 기계적 탭과 같은 효과를 얻으려는 실험을 제트마하수 1.14, 1.3 및 1.5에서 수행하였다. 마이크로 제트는 정상상태로 주제트 축에 대해 45。로 분사되었다.
마이크로제트를 만들기 위해 내경 및 외경이 각각 1 및 1.5 mm인 두 개의 파이프를 주노즐 출구 면에 Fig. 2와 같이 마주보게 설치하였다. 소형파이프 끝은 주노즐 출구면에 정렬하고 주노즐 축에 대해 45。가 되게 하였다.
본 연구에서는 노즐에 공기를 연속적으로 공급하도록 실험장치가 설계되어졌다. Fig.
슐리렌 이미지를 통하여 마이크로 제트에 의한 분사가 주유동장에 미치는 영향을 조사하였다. 슐리렌 광원에서 나온 빛이 두 마이크로 노즐이 정렬된 방향의 직각으로 주제트를 통과할 때 (즉 Mic 1 위치에서 주제트 방향)의 슐리렌 이미지를 Fig.
나이프에 지는 유동과 수직방향으로 설치하여 주유동 방향으로 명암변화가 민감하게 하였다. 제트유동내의 전압 (total pressure) 변화는 직경 1.5 mm 인 피토튜브를 2차원 이송장치에 장착하여 측정하였다.

대상 데이터

제트의 원장소음은 1/4" 지향성 마이크로폰 (Larson & Davies Model 2520) 두개를 사용하여 측정하였다. 각 실험후 마이크로폰은 교정기를 사용하여 검정되었다.
제트의 발달은 슐리렌 장비를 이용하여 측정되었다. 이 장치 는 Cooke 사의 Model PalFlash 501 알곤 광원과, 초점거리 2 m 인 두 개의 포물면형 오목거울, 나이프 에지 및 KODAK 사의 Model ES- 1.0 8 bit 디지털 사진기로 구성되어있다. 나이프에 지는 유동과 수직방향으로 설치하여 주유동 방향으로 명암변화가 민감하게 하였다.

성능/효과

과소팽창된 음속노즐에서 Ibrahim et al.⑼은 정상 및 비정상 마이크로제트를 제트축에 직각으로 분사했을 때 혼합/확산이 증가하고 정상 분사인 경우 소음도 감소함을 보였다.
그러나 그림에는 단위 주파수당 크기로 변환된 값을 나타냈다. 노즐출구 상류의 플랜지와 같은 구조물의 영향을 평가한 결과 언급한 대로 흡음재로 덮었을 때 그 효과는 무시가능했다.
3) 및 6% (Mj= 1.14)일 때 전체소음크기가 90。방향에서 크게 감소하였고 스크리치도 억제되었다. 그러나 모든 마하수에서 분사량을 이 값 이상 증가 시켜도 추가적인 소음감소는 없었다.
이는 마이크로 제트가 강하지 못해주제트의 충격파구조를 변형하지 못하고 마이크로 제트와 주제트간의 소음발생관련 상호작용이 증가했기 때문으로 보인다. 분사율이 이것의 두배인 5.8%로 증가했을 때는 스크리치가 억제되었고 33kHz-53kHz 구간의 광역주파수 충격파 관련 소음 (broadband shock associated noise) 도 크게 감소하여 최대 감소량은 5.5 dB 정도였다. 분사율이 이 값 이상으로 증가해도 추가적인 효과는 없었다 Mic 2 로 스펙트럼을 측정했을 때 (나타내지 않았 -B-), 40 kHz 이상에서의 마이크로 제트와 주 제트 간의 상호작용에 의한 소음 증가로 인해 이 주파수 이상에서의 광역소음 감소량은 줄어 들었다.
시험한 모든 마하수에서 낮은 분사율에선 전체소음의 크기가 약간 증가하였으며, 분사율이 어느 값 이상으로 증가해도 추가적인 소음감소는 없었다. 따라서 각 마하수에서 적정 분사율은 마이크로 제트의 효과가 포화되는 점에서 정하는 것이 좋다.
6% 이상에서 IdB 정도 감소하였다. 플래핑 모드의 마하수 1.3 에선 Mic 1 및 2 로 측정된 전체소음 감소는 분사율 5.1% 이상에서 각각 1.2 및 3.4 dB 로 Mic 2 로 측정된 소음감소가 더 컸다. 헬리컬 운동을 하는 마하수 1.

참고문헌 (9)

Ahuja, K.K. and Brown, W.H., 1989, 'Shear Flow Control by Mechanical Tabs,' AIAA Paper 89-0994
Samimy, M., Zaman, K.B.M.Q., and Reeder, M.F., 1993, 'Effect of Tabs on the Flow and Noise Field of an Axisymmetric Jet,' AIAA Journal, Vol. 31, No. 4, pp. 609-619

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Raman, G., 1996, 'Screech Tones from Rectangular Jets with Spanwise Oblique Shock-Cell Structure,' AIAA Paper 96-0643
Samimy, M., Kim, J.-H., Clancy, P.S., and Martens, S., 1998, 'Passive Control of Supersonic Jets via Nozzle Trailing Edge Modifications,' AIAA Journal, Vol.36, No.7, pp.1230-1239

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Kim, J.-H. and Samimy, M., 1999, 'Mixing Enhancement via Nozzle Trailing Edge Modifications in a High Speed Rectangular Jet,' Physics of Fluids, Vol.11, No.9, pp.2731-2742

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Kerechanin Ⅱ, C. W., Samimy, M. and Kim, J.-H., 2001, 'Effects of Nozzle Trailing Edges on Acoustic Field of Supersonic Rectangular Jet,' AIAA Journal, Vol.39, No.6, pp.1065-1070

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Davis, M.R., 1982, 'Variable Control of Jet Decay,' AIAA Journal, Vol.20, No.5, pp.606-609

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Raman, G, 1997, 'Using Controlled Unsteady Fluid Mass Addition to Enhance Jet Mixing,' AIAA Journal, Vol.35, No.4, pp.647-656

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Ibrahim, M.K., Kunimura, R., and Nakamura, Y., 2002, 'Mixing Enhancement of Compressible Jets by Using Unsteady Microjets as Actuators,' AIAA Journal Vol.40, No.4, pp.681-688

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