선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구를 통하여 소형-저가의 교육용 초음속풍동을 개발하였다. 개발된 교육용 초음속 풍동의 시험부 크기는 30mmx35.
- 본 연구에서는 소형-저가의 교육용 초음속 풍동을 설계하고, 이러한 초음속 풍동 설계기술을 중소기업으로 이전하여 저가로 대학에 보급하여 교육용 장비로 활용할 수 있도록 하였다. 이를 위해 제작비가 저렴한 단속적 불어내기식 (Intermittent Blowdown Type)으로 풍동을 설계하였으며, 기존의 초음속 풍동에 사용되어지는대형-고가의 주요 장비들을 국산의 소형-저가로 대체하여 제작단가를 낮추었다.
- 본 연구에서는 수치해석을 통하여 유량조절 밸브의 토출부 압력에 대한 정체실에서의 작동압력 을 확인하였고 계산결과로 주어진 시험부 마하수에 대하여 유량조절밸브 이후의 토출압력 변화에대하여 비교해 보았다.
- 1은 초음속 풍동의 설계순기를 나타낸 것이다. 본 연구에서는 이러한 초음속 풍동의 설계 순기를 바탕으로 초음속 풍동 설계 LabVIEW 프로그램을 개발하였다. 그리고 개발된 초음속 풍동 설계 LabVIEW 프로그램을 통하여 원하는 성능 목표를 만족하고 기존의 상용제품의 대체 가능성확인 및 각 부분별 최적의 설계치 값을 계산하고구체적인 도면화 작업을 수행하였다.
- 본 연구에서는 초음속 풍동 설계를 위한 LabVIEW 프로그램을 개발하였으며, 이로부터 여러 제약 조건을 만족하는 최적의 설계치 값을 계산하였다. 이외에도 초음속 풍동의 전반적인 설계기술을 확보하였고, 해외(Virginia Tech : 미국) 기술교류를 통하여 초음속 풍동의 핵심기술인 노즐 설계기술을 확보하였다.
- 풍동 시험부가 커질수록 이에 비례해서 모든 구성품들이 더 커지고 따라서 각 구성품들의 가격 또한 더 증가된다. 시험부가 큰 풍동에서 실물 크기와 유사한 크기의 실험모델로 실험을 수행하면 더욱 실제현상과 흡사한 시 험조건을 만들어 낼 수 있겠지만 본 연구의 목적은 소형-저가의장비인 교육용 풍동이기 때문에 본 연구에서는풍동 시험부의 크기, 운용 마하수 및 기존 상용제품의 대체 가능성등을 고려한 최적 설계를 수행하여 연구목적에 맞는 풍동을 설계하였다. Fig.
제안 방법
- 15는 축소-확대 노즐부 및 시험부에서의정압을 측정하여 CFD-FASTRAN과 비교한 결과이다. CFD-FASTRAN 운용 시 벽면온도조건은 Adiabatic wall 조건을 주었고 실험장비로 스캐니 밸브(Scani Val.,e)를 사용하여 0.5초 간격으로 22개의 압력공에 대한 압력측정을 수행하였다. 이때의 실험조건은 공기저장탱크의 압력을 130bar에서 20bar까지 작동시켰으며 작동시간은 23초로 측정되었다.
- 압력측정 실험을 수행하였다. 각 부 분별압력측정 실험을 위한 장비로는 압력센서 (KISTLER 4045A5, 4045A20)와 LabVIEW 소프트웨어를 사용하여 측정하였다.
- 5m의 고압튜브와 연결하여 공기 유입부 파이프와 연결하였다. 공기 유입부의 파이프는 내경 $=40mm, 길이 500mm의 SUS 파이프와 T 연결관, L 연결관을 사용하여제작하였으며 최대압력 250bar의 압력 게이지를설치하여 공기저장탱크 및 공기 유입부의 압력을확인할 수 있도록 하였다.
- 공기저장탱크에 압력을 채우는 방법은 2가지의 방식을 고려하여 설계하였다. 첫 번째 방식은 일반 상용의 고압 저장용기를 구입하여 압력을 채우는 방식이며, 두 번째 방식은 압축기 (Compressor)와 공기여과기(Air Filter)를 사용하여 압력을 채우는 방식으로 설계되었다.
- 본 연구에서는 이러한 초음속 풍동의 설계 순기를 바탕으로 초음속 풍동 설계 LabVIEW 프로그램을 개발하였다. 그리고 개발된 초음속 풍동 설계 LabVIEW 프로그램을 통하여 원하는 성능 목표를 만족하고 기존의 상용제품의 대체 가능성확인 및 각 부분별 최적의 설계치 값을 계산하고구체적인 도면화 작업을 수행하였다.
- 크게 3부분으로 설계되었다. 그리하여 원하는 실험 조건에 따라 마하수가 다른 축소-확대 노즐 블록(Nozzle Block)을 교체하여 여러 마하수에 대한 실험이 가능하도록 하였다. Fig.
- 이외에도 초음속 풍동의 전반적인 설계기술을 확보하였고, 해외(Virginia Tech : 미국) 기술교류를 통하여 초음속 풍동의 핵심기술인 노즐 설계기술을 확보하였다. 노즐부는 블록 교체형으로 설계하여 여러 시험 마하수에 대해 실험이 가능하도록 설계하였다. 또한 본 연구에서 완성된 교육용 초음속 풍동(M=2.
- 6mm이며 작동시간은 23초 내외로, 시험부에서 PSP, PIV, Jet Injection과 같은 다양한 실험이 가능하도록 설계하였다. 노즐은 블록교체 형으로 장착되어지도록하였으며 운용 가능한 시험부 마하수는 M=2.0~ 3.5의 성능범위로 설계되었다.
- 노즐부는 블록 교체형으로 설계하여 여러 시험 마하수에 대해 실험이 가능하도록 설계하였다. 또한 본 연구에서 완성된 교육용 초음속 풍동(M=2.5)을 이용하여 유동가시화 실험, 정체실에서의 작동압력 측정 및 시험부의 정압-전압력 측정 등의 성능검증실험을 수행하여 시험부 마하수 및 유동 안정성, 작동시간(Run Time) 등에 대해 확인하였다.
- 5 Nozzle Contour 로 설계하였다. 모델 고정 장치는 시험부 블록아랫면과 2nd 노즐 블록 밑면에 고정되어 여러가지의 실험모델 장착이 용이하도록 설계하였다 [2]. 자세한 2D 축소-확대 노즐부의 제원 및 기호는 다음과 같다.
- 보통 초음속 풍동의광각 확산각은 45-90° 범위의 값을 갖는다[2]. 본 교육용 초음속 풍동 시스템은 확산각 20=45°, 확산부 길이는 222nim로 하였으며 이러한 확산부의 입.출구 면적 비는 7.
- 본 교육용 초음속 풍동 실험장치의 시험부는노즐 블록의 양옆으로 광학창 블록 및 플랜지에의해 볼트 체결되도록 설계하였다.
- 본 교육용 초음속 풍동은 제작비용 및 시험부에서 실험조건 등을 고려하여 토출구의 직경 4) =20mm인 Balancing Type의 압력조절밸브를 장착하였으며, 압력조절밸브를 이용하여 정체실 압력을 조절할 수 있는 범위에 대해 CFD-FASTRAN 3D 해석을 통하여 확인하였다. Fig.
- 본 교육용 초음속 풍동의 노즐부 블록은 축소- 학대 노즐 블록, 시험부 블록, 2nd 노즐 블록으로 크게 3부분으로 설계되었다. 그리하여 원하는 실험 조건에 따라 마하수가 다른 축소-확대 노즐 블록(Nozzle Block)을 교체하여 여러 마하수에 대한 실험이 가능하도록 하였다.
- 본 교육용 초음속 풍동의 성능검증 실험으로시험부 및 정체실에서의 정확한 유동장 확인을 위하여 압력측정 실험을 수행하였다. 각 부 분별압력측정 실험을 위한 장비로는 압력센서 (KISTLER 4045A5, 4045A20)와 LabVIEW 소프트웨어를 사용하여 측정하였다.
- 본 연구에서는 성능검증 실험으로 그림자 기법 (Shadowgraph)을 이용한 시험부에서의 유동가시화 실험을 수행하였다. 가시화 실험 모델은 Wedge 형상과 Cone 형상이고 모델 앞부분의 Deflection Anglee 각각 15 ° (Wedge), 11 '(Cone)이다.
- 본 연구에서는 시험부 마하수 2.5로 설계된 노즐 형상에 대하여 CFD-FASTRAN 3D 해석을 수행하여 Nozzle Contour 내의 유동장 해석 및 적합성을 확인하였다. Fig.
- 본 초음속 풍동은 작동 시 정체실 내에서의작동압력 측정을 위해 수축부와 결합되는 플랜지이전 부분에 압력센서를 장착하여 압력변화를 측정하도록 하였다. Fig.
- 성능검증 실험으로는 2차원 Wedge 모델을 사용하여 시험부의 마하수 (M=2.5) 를 확인하였고, 정체실 및 시험부에서의 유동의 균일성 및 안정성에 대한 압력측정 실험을 수행하였다. 압력측정 실험결과 시험부에서의 전압이 1%의 오차율을 확인하였고 CFD-FASTRAN 결과와도 어느정도 일치하는 경향을 보였다.
- 7은 노즐 블록 구성도 및 형상을 나타낸 것이다. 시험 부 블록은 SUS 블록과 빛의 투과성이 좋은 케미글라스(Chemiglas) 블록을 사용하여 PSP, PIV 실험 등과 같은 다양한 실험이 가능하도록 설계하였다.
- 5로 블록형 노즐 타입으로 설계가 되었다. 실험장비에 장착된 모든 장비는 저가의 국산 상용제품을 사용하여 제작단가를 낮춰 설계되었다.
- 9와 같다. 여기서 광학창 크기는 250mmx80mm, 두께 12mm의 빛의 투과성이 좋은 케미글라스를사용하였으며, 노즐 목(Nozzle Throat) 전·후 부분 및 시험부 전체를 볼 수 있도록 설계하였다. 시험부의 길이는 122.
- 이를 위해 제작비가 저렴한 단속적 불어내기식 (Intermittent Blowdown Type)으로 풍동을 설계하였으며, 기존의 초음속 풍동에 사용되어지는대형-고가의 주요 장비들을 국산의 소형-저가로 대체하여 제작단가를 낮추었다. 풍동 시험 부의 크기를 결정하는 것은 풍동 설계시 제작비용을 고려하는데 있어서 가장 기본적인 고려사항이 된다.
- 이외에도 초음속 풍동의 전반적인 설계기술을 확보하였고, 해외(Virginia Tech : 미국) 기술교류를 통하여 초음속 풍동의 핵심기술인 노즐 설계기술을 확보하였다. 노즐부는 블록 교체형으로 설계하여 여러 시험 마하수에 대해 실험이 가능하도록 설계하였다.
- 방식을 고려하여 설계하였다. 첫 번째 방식은 일반 상용의 고압 저장용기를 구입하여 압력을 채우는 방식이며, 두 번째 방식은 압축기 (Compressor)와 공기여과기(Air Filter)를 사용하여 압력을 채우는 방식으로 설계되었다.
- 단, 본 연구과제에서는 제작비 절감을 고려하여 소음기 (Silencer) 및 제습장치인 공기건조기(Air Drier) 에 관한 설계는 제외하였다. 초음속 풍동 설계 LabVIEW 프로그램에 의해 여러 제약 조건을 만족하는 최적의 설계치 값을 계산하였고 그 결과각 구성부의 세부설계 내용은 다음과 같다.
대상 데이터
- 5mm의 Ball Val.,e Type의 일반 상용제품을 사용하였다. 고압 밸브는 본 실험 장치를 작동시키기 전에 닫힌 상태를 유지하며, 일정 압력을 채운 후 순간 개방 시켜 풍동 시험부에서 유동 마하수(M=2.
- 실험을 수행하였다. 가시화 실험 모델은 Wedge 형상과 Cone 형상이고 모델 앞부분의 Deflection Anglee 각각 15 ° (Wedge), 11 '(Cone)이다. 재질은 황동으로 제작되었으며 케미글라스(Chemiglas)로된 광학창 옆면에서 핀으로고정시켰다.
- 개발하였다. 개발된 교육용 초음속 풍동의 시험부 크기는 30mmx35.6mm이며 작동시간은 23초 내외로, 시험부에서 PSP, PIV, Jet Injection과 같은 다양한 실험이 가능하도록 설계하였다. 노즐은 블록교체 형으로 장착되어지도록하였으며 운용 가능한 시험부 마하수는 M=2.
- 공기저장탱크는 고압의 공기를 저장하는 부분으로 최대허용압력 150bar의 일반 상용 고압 저장용기(40 리터) 2개를 사용하였다. 단, 실험 장치의 안전을 고려하여 공기저장탱크 내의 최대압력은 130bar로 제한을 두었다.
- 여기서 광학창 크기는 250mmx80mm, 두께 12mm의 빛의 투과성이 좋은 케미글라스를사용하였으며, 노즐 목(Nozzle Throat) 전·후 부분 및 시험부 전체를 볼 수 있도록 설계하였다. 시험부의 길이는 122.5mm이며 블록 사이에는 압력손실 방지를 위해 O-Ring을 삽입하였다.
- 13은 완성된 교육용 초음속 풍동의 사진을 나타내고 있다. 실험장비의 전체 길이는 1.64m이고 높이는 1.14m로 소형의 크기이며, 운용 가능한 시험부 마하수는 2.0~3.5로 블록형 노즐 타입으로 설계가 되었다. 실험장비에 장착된 모든 장비는 저가의 국산 상용제품을 사용하여 제작단가를 낮춰 설계되었다.
- 압력조절 밸브는 직경 20mm의 Balancing Type으로 최대허용압력 150bar의 고압공기를 0~40bar 이내의 범위로 압력을 조절하여 일정압력으로 내보낼 수 있는 밸브를 사용하였다.
- 가시화 실험 모델은 Wedge 형상과 Cone 형상이고 모델 앞부분의 Deflection Anglee 각각 15 ° (Wedge), 11 '(Cone)이다. 재질은 황동으로 제작되었으며 케미글라스(Chemiglas)로된 광학창 옆면에서 핀으로고정시켰다. 시험부에서 모델이 차지하는 면적 비는 Wedge의 경우 11.
이론/모형
- 5로 설계된 노즐 형상에 대하여 CFD-FASTRAN 3D 해석을 수행하여 Nozzle Contour 내의 유동장 해석 및 적합성을 확인하였다. Fig. 8은 내경 20mm의 압력조절 밸브 이후의 토출압력이 8bar인 조건에서의 축소-확대 노즐부에서의 CFD-FASTRAN 3D 결과를 나타낸 것으로 난류 점성 모델(Turbulent Navier-Stokes)로 계산하였다. Fig.
- 본 초음속 풍동의 노즐 축소부는 Sauers Method(수축부의 곡률반경에 대한 노즐 목에서의 Sonic Line의 형성 지점과 형성된 형상에 대한 도시법)를 이용하여 설계하였다[5]. 초음속 풍동에 있어 핵심이 되는 노즐부 부분은 Virginia Tech 초음속 풍동의 Mach 2.
성능/효과
- 8(b)는 노즐 축소부와 노즐 목, 그리고 시험 부까지의 온도 분포도를 나타낸 것으로 노즐 목과 시험부에서의 온도는 각각 220K, 130K로 나타났다. CFD-FASTRAN 수치해석을 통하여 Nozzle Contour의 적합성 및 실험부에서의 유 동장 분포등을 확인할 수 있었다.
- 5(b)는 압릭조절밸브 이후부터 시험부 끝부분까지 유동의 경로에 따른 초음속 풍동 내부 수직벽면에서의 정압곡선을 나타낸 것이다. CFD-FASTRAN 해석결과를 통하여 정 체실에서 일정한 압력을 유지시킨다면 시험부에서 M=2.5를 유지할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 압력조절밸브의 사용 가능성을 확인하였을 뿐만 아니라 여러 운용 마하수 (M=2.
- 이때의 실험조건은 공기저장탱크의 압력을 130bar에서 20bar까지 작동시켰으며 작동시간은 23초로 측정되었다. Fig. 15의 실험 및 CFD- FASTRAN 결과 오차는 노즐 목 이전에서 오차범위는 최대 2.3%, 노즐 목 이후의 오차범위는 최대 0.1%로 노즐부 및 시험부에서의 정압 측정실험 결과와 CFD-FASTRAN 해석 결과가 대체적으로 일치함을 확인하였다.
- 실험조건은 Storage Tank의 압력이 130bar에서 20bar 로 떨어질 때까지 작동시켰으며 이때의 작동시간은 약 23초 정도 측정되었다. 가시화 결과 쇄기 모델(Wedge Model) 주위에서 압축 충격파 (Compression Shock Wave), 팽 창파(Expanstion Wave), 반사충격파(Reflection Shock wave), 경계층(Boundary Layer) 등을 확인할 수 있었으며작동시간동안 균일한 유동장이 형성되어짐을 확인하였다. 유동가시화를 통하여 확인한 충격파각은 37° 로 0 - # - M 선도에 의해 시험부의 마하수는 2.
- 5를 유지할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 압력조절밸브의 사용 가능성을 확인하였을 뿐만 아니라 여러 운용 마하수 (M=2.0~3.5)에서도 사용 가능함을 확인하였다.
- 본 교육용 초음속 풍동 개발을 통하여 소형-저가의 초음속 풍동 개발 및 설계기술을 확립할 수 있었으며, 저가의 국산 상용 부품의 사용 가능성을 확인할 수 있었다.
- 본 연구를 통하여 단속적 불어내기식 초음속풍동의 전체적인 설계기술 뿐만 아니라 외국대학 (Virginia Tech.)과의 기술교류를 통한 노즐 설계기술을 확보할 수 있었다.
- 5) 를 확인하였고, 정체실 및 시험부에서의 유동의 균일성 및 안정성에 대한 압력측정 실험을 수행하였다. 압력측정 실험결과 시험부에서의 전압이 1%의 오차율을 확인하였고 CFD-FASTRAN 결과와도 어느정도 일치하는 경향을 보였다. 작동시간은 공기저장탱크 2개, 저장탱크압력 130bar의 실험조건에서 최대 23초이며 과도시간은 0.
- 압력측정 실험결과 시험부에서의 전압이 1%의 오차율을 확인하였고 CFD-FASTRAN 결과와도 어느정도 일치하는 경향을 보였다. 작동시간은 공기저장탱크 2개, 저장탱크압력 130bar의 실험조건에서 최대 23초이며 과도시간은 0.35초로 측정되었다.
- 초음속 풍동에 장착되어지는 고가의 장비는일반의 상용제품으로 대체하여 제작단가를 낮추었으며, 이러한 교육용 초음속 풍동의 성능 목표와 기존 상용 제품과의 대체 가능성 확인하였다.
후속연구
- 향후 연구계획으로는 PSP 기법을 적용한 축소 -확대 노즐부 및 시험부 전체에 대한 정압 측정, 정체실 및 시험부에서의 온도측정, PIV 실험 등의 응용연구가 필요하며, 초음속 풍동을 운용하는 가운데 대두되는 문제점을 개선할 예정이다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.