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문제 정의
- 본 연구에서는 제트소음의 유동 특성을 파악하기 위해 제트유동을 쉐도우 그래프 방법으로 가시화하여 유동 특성을 관찰하였다. 또한 쐐기를 유동장에 위치하여 충격파를 발생시켜 e-P -m 그래프를 이용하여 마하수를 측정하였다.
가설 설정
- 본 연구에서는 30°에서 120°까지 30°간격으로 측정된 데이터를 1/3 Octave band로 변환하여 비교하였다. 또한 예측 프로그램에서는 온도 변화와 밀도 변화는 없다고 가정을 하였고, 정지 상태 조건만 적용하여 결과를 얻었다.
제안 방법
- Table 2에서 보는 것과 같이 디자인 마하수 1.5와 1.7인 노즐에 대해 정체실 압력을 바꾸어가면서 마하수를 측정하였다. 완전 팽창조건이 되는 정체실 압력에서 각각의 노즐은 디자인 마하수보다 높게 측정된 것을 확인할 수 있었다.
- 또한 쐐기를 유동장에 위치하여 충격파를 발생시켜 e-P -m 그래프를 이용하여 마하수를 측정하였다. 그리고 정체실에서 측정된 전압과 피토튜브에서 측정된 전압을 이용해 마하수를 이론적으로 구하여 쉐도우 그래프에 의해 측정된 마하수와 비교하였다. 또한 자유유동의 소음을 측정하여 불완전 팽창인과대 팽창의 유동 특성에 따른 스크리치 톤 성분이 나타는 것을 관찰하였고, 여러 개의 마이크로폰을 이용하여 제트유동에 따른 방향성 및 소음 특성을 확인하였다.
- 노즐출구에서의 피토관을 이용해 전압(P02)과 정압(P2)을 측정하였다. 이때 유동이 아음속이면 측정된 전압 과 정압으로 식(1)을 이용하여 마하수를 계산할 수 있다.
- 아음속 유동의 경우에 정체실에서의 전압(Poc)과 노즐출구 에서의 전압(Rm)의 측정값이 같기 때문에 정체실과 노즐출구까지는 등 엔트로피 관계가 유지된다고 볼 수 있다. 따라서 초음속 유동에서도 등 엔트로피 관계에 의해 정체실에서의 전압(Poc)을 충격파 전의 전압(Poi)으로 간주하여 Po2/Por을 구하였고, 마하수Mi과의 관계식에서 마하수를 구 하였다.
- 프로그램에 사용된 입력값은 대기 온도(Ta), 대기 압력(Pa), 제트의 마하수(Mj), 비행조건인 경우에는 비행마하수와 엔진의 추력 및 질유량, 비행고도가 사용된다. 또한 노즐의 직경, 노즐출구에서 마이크로폰까지의 거리 및 밀도 변화(p j/Pa) 와 온도 변화(Tj/Ta) 의 정보를 이용해 1/3 Octave band의 스펙트럼을 예측하고 유동의 진행 방향을 기준으로 10°에서 170°까지 의 스펙트 럼을 예측한다.
- 본 연구에서는 제트소음의 유동 특성을 파악하기 위해 제트유동을 쉐도우 그래프 방법으로 가시화하여 유동 특성을 관찰하였다. 또한 쐐기를 유동장에 위치하여 충격파를 발생시켜 e-P -m 그래프를 이용하여 마하수를 측정하였다. 그리고 정체실에서 측정된 전압과 피토튜브에서 측정된 전압을 이용해 마하수를 이론적으로 구하여 쉐도우 그래프에 의해 측정된 마하수와 비교하였다.
- 그리고 정체실에서 측정된 전압과 피토튜브에서 측정된 전압을 이용해 마하수를 이론적으로 구하여 쉐도우 그래프에 의해 측정된 마하수와 비교하였다. 또한 자유유동의 소음을 측정하여 불완전 팽창인과대 팽창의 유동 특성에 따른 스크리치 톤 성분이 나타는 것을 관찰하였고, 여러 개의 마이크로폰을 이용하여 제트유동에 따른 방향성 및 소음 특성을 확인하였다. 마지막으로 가스터빈의 소음 스펙트럼 예측 프로그램인 ARP876D의 코드[기를 이용하여 측정된 소음 스펙트럼과 비교하여 예측코드의 적용 가능성을 확인하였다.
- 한 가지 마하수 조건에서 마이크로폰 2개를 이용하여 4번의 실험을 하였다. 마이크로폰은 70kHz범위의 1/4인치 피에조 타입의 마이크로폰을 사용하였고, 102kHz로 샘플링하여 50kHz까지의 스펙트럼을 관찰하였다. 실험 데이터 간의 비교를 위해서는 harming window를 사용하고, 100회 평균을 취한 narrow band spectrum 을 활용하였으며, ARP876D 와의 비교를 위해서는 1/3 Octave band spectrum 을 활용하였다.
- 마하수 1.5와 1.7의원추형 노즐을 설계 제작하고 피토튜브를 이용하여 마하수를 측정하였다. 아음속 조건에서 정체실의 전압과 노즐출구에서 피토관으로 측정한 전압이 같음을 확인할 수 있었고 등엔트로피 관계가 유지됨을 학인할 수 있었다.
- 본 연구에서는 30°에서 120°까지 30°간격으로 측정된 데이터를 1/3 Octave band로 변환하여 비교하였다. 또한 예측 프로그램에서는 온도 변화와 밀도 변화는 없다고 가정을 하였고, 정지 상태 조건만 적용하여 결과를 얻었다.
- 마이크로폰은 70kHz범위의 1/4인치 피에조 타입의 마이크로폰을 사용하였고, 102kHz로 샘플링하여 50kHz까지의 스펙트럼을 관찰하였다. 실험 데이터 간의 비교를 위해서는 harming window를 사용하고, 100회 평균을 취한 narrow band spectrum 을 활용하였으며, ARP876D 와의 비교를 위해서는 1/3 Octave band spectrum 을 활용하였다. 취득 데이터의 분석을 위해서는 NI사의 LabVIEW Sound & Vibration Tool Kit을 활용하였다.
- 이 압축 공기는 압력조절기에 의해 정체실에 유입되고 노즐을 통해 분출되게 된다. 이때 압력조절 기를 통해 정체실의 전압을 조절하면서 다양한 노즐출구의 마하수 조건을 만들 수 있도록 구성 하였다.
- 하지만 본 실험에서는 충격파전의 정압(P1)을 측정할 수 없기 때문에 참고문헌[이 에서와 같은 방법으로 마하수와 Ps/Rn의 관계를 이용하여 Fig. 2와 같은 관계를 구하였다.아음속 유동의 경우에 정체실에서의 전압(Poc)과 노즐출구 에서의 전압(Rm)의 측정값이 같기 때문에 정체실과 노즐출구까지는 등 엔트로피 관계가 유지된다고 볼 수 있다.
- 5m 높이에 위치하였고, 유동축으로부터 15。에서 120까지 15°간격으로 총 8지점에서 데이터를 획득하였다. 한 가지 마하수 조건에서 마이크로폰 2개를 이용하여 4번의 실험을 하였다. 마이크로폰은 70kHz범위의 1/4인치 피에조 타입의 마이크로폰을 사용하였고, 102kHz로 샘플링하여 50kHz까지의 스펙트럼을 관찰하였다.
대상 데이터
- 유동의 가시화를 위해 쉐도우 그래프 방법을 사용하였다. 광원은 연속 광원으로서 제논 램프를 사용하였고, e50mm의 블록 렌즈를 통과한 평행광은 050mm 오목렌즈에 반사되어 스크린에 상이 맺힌다. 이 상을 SRL 디지털카메라로 촬영하여 순간 촬영된 영상을 얻어 별도의 처리 없이 사용하였다.
- 실험에 사용된 노즐은 원추형 형태의 수축 확산 노즐로서 디자인 마하수가 1.5, 1.7인 두 가지 노즐을 사용하였고 주요 파라미터는 Table 1과 같다.
- 제트유동의 소음 측정은 마이크로폰 2개를 노즐 출구에서 Ima리, 지상에서 노즐 높이인 1.5m 높이에 위치하였고, 유동축으로부터 15。에서 120까지 15°간격으로 총 8지점에서 데이터를 획득하였다. 한 가지 마하수 조건에서 마이크로폰 2개를 이용하여 4번의 실험을 하였다.
- 프로그램에 사용된 입력값은 대기 온도(Ta), 대기 압력(Pa), 제트의 마하수(Mj), 비행조건인 경우에는 비행마하수와 엔진의 추력 및 질유량, 비행고도가 사용된다. 또한 노즐의 직경, 노즐출구에서 마이크로폰까지의 거리 및 밀도 변화(p j/Pa) 와 온도 변화(Tj/Ta) 의 정보를 이용해 1/3 Octave band의 스펙트럼을 예측하고 유동의 진행 방향을 기준으로 10°에서 170°까지 의 스펙트 럼을 예측한다.
데이터처리
- 실험 데이터 간의 비교를 위해서는 harming window를 사용하고, 100회 평균을 취한 narrow band spectrum 을 활용하였으며, ARP876D 와의 비교를 위해서는 1/3 Octave band spectrum 을 활용하였다. 취득 데이터의 분석을 위해서는 NI사의 LabVIEW Sound & Vibration Tool Kit을 활용하였다.
이론/모형
- 유동의 가시화를 위해 쉐도우 그래프 방법을 사용하였다. 광원은 연속 광원으로서 제논 램프를 사용하였고, e50mm의 블록 렌즈를 통과한 평행광은 050mm 오목렌즈에 반사되어 스크린에 상이 맺힌다.
성능/효과
- 7 노즐의 경우는 45°로 경사 충격파가 형성됨을 확인하였다. 그 결과 노즐#1은 마하수가 1.70, 노즐#2는 마하수가 1.86으로 피토관에서 측정된 마하수와 약 10% 정도의 차이가 발생하였으나, 이는 사진의 해상도가 높지 않아 발생하는 판독상의 오류에 기인하는 것으로 생각된다.
- 5에서 아음속과 초음속조건 둘 다 유동의 축에 가까운 30。에서 측정된 음압이 60; 90; 120°에서 보다 음압레벨이 강하게 나타나고 있다. 그러나 초음속 조건에서는 충격파가 존재하면서 15kHz 이상에서 스크리치톤이 형성되고 광대역 소음도 급격히 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한 이들 충격파 관련 소음은 주로>90° 방향으로 영향을 미침을 Fig.
- 아음속 조건에서 정체실의 전압과 노즐출구에서 피토관으로 측정한 전압이 같음을 확인할 수 있었고 등엔트로피 관계가 유지됨을 학인할 수 있었다. 그리고 쉐도우 그래프가시화 방법을 통해 노즐출구의 유동 특성을 관찰하였으며, 각 노즐의 완전 팽창이 유지되는 정체실의 압력조건 에서 노즐 출구에서는 과대팽창이 되는 것을 확인 할 수 있었다.
- 8은 노즐#2에서 측정된 결과로서 앞의 노즐 #1의 결과와 매우 유사한 경향을 보여주고 있다. 단지 설계 마하수 근처인 Mj=1.77 에서 Mj=1.46, 1.59에서 발생하였던 스크리치 톤 소음이 사라지고, 따라서 노즐#1의 동일마하수 조건에서의 OASPL 보다 감소함을 확인할 수 있다.
- 출구 마하수 변화에 따른 제트소음의 스펙트럼을 관찰한 결과 불완전 팽창의 제트유동에서 발생하는 광대역 중 격파 관련 소음과 스크리치 톤의 경향이 나타는 것을 확인할 수 있었다. 또한 이들 소음은 강한 방향성을 띤다는 것을 확인할 수 있었다. 아음속 조건에서는 큰 난류구조 에 의해 발생되는 난류 혼합소음이 흐름 방향으로 전파되기 때문에 약 30° 방향으로 OASPL이 높았으며, 반면 초음속조건에서는 상류 방향으로 전파되는 충격파 관련 소음의 영향으로。>90° 인 105; 120'에서 OASPL이 높게 측정되는 것을 확인하였다.
- 또한 자유유동의 소음을 측정하여 불완전 팽창인과대 팽창의 유동 특성에 따른 스크리치 톤 성분이 나타는 것을 관찰하였고, 여러 개의 마이크로폰을 이용하여 제트유동에 따른 방향성 및 소음 특성을 확인하였다. 마지막으로 가스터빈의 소음 스펙트럼 예측 프로그램인 ARP876D의 코드[기를 이용하여 측정된 소음 스펙트럼과 비교하여 예측코드의 적용 가능성을 확인하였다.
- 비교 결과 아음속 조건에서는 실험 결과와 비교적 유사한 경향성을 보이나 소음레벨에서는 큰 오차가 있음을 확인할 수 있었고 (Fig. 10, 12), 초음속영역의 스펙트럼의 경우(Fig. 11, 13)는 실험 결과와 예측 결과가 비교적 잘 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 차이점의 원인을 분석하기 위해서는 예측 프로그램에서 사용된 데이터베이스에 대한 분석이 필요하고, 이는 향후 본 연구에서 보완해야 할 과제이다.
- 7의원추형 노즐을 설계 제작하고 피토튜브를 이용하여 마하수를 측정하였다. 아음속 조건에서 정체실의 전압과 노즐출구에서 피토관으로 측정한 전압이 같음을 확인할 수 있었고 등엔트로피 관계가 유지됨을 학인할 수 있었다. 그리고 쉐도우 그래프가시화 방법을 통해 노즐출구의 유동 특성을 관찰하였으며, 각 노즐의 완전 팽창이 유지되는 정체실의 압력조건 에서 노즐 출구에서는 과대팽창이 되는 것을 확인 할 수 있었다.
- 7인 노즐에 대해 정체실 압력을 바꾸어가면서 마하수를 측정하였다. 완전 팽창조건이 되는 정체실 압력에서 각각의 노즐은 디자인 마하수보다 높게 측정된 것을 확인할 수 있었다. 이때 측정된 마하수로식(1)을 이용하여 충격파전의 정압(Pi)을 예상한 결과 1기압 보다 낮음을 알 수 있고, 이로부터 노즐출구에서 과대팽창 이 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
- 완전 팽창조건이 되는 정체실 압력에서 각각의 노즐은 디자인 마하수보다 높게 측정된 것을 확인할 수 있었다. 이때 측정된 마하수로식(1)을 이용하여 충격파전의 정압(Pi)을 예상한 결과 1기압 보다 낮음을 알 수 있고, 이로부터 노즐출구에서 과대팽창 이 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
- 제트엔진의 소음 예측 프로그램인 ARP876D 코드를 이용하여 1/3 Octave band에서의 스펙트럼을 예측하여 실험에서 측정한 스펙트럼과 비교한 결과 아음속 조건보다는 초음속 조건에서 잘 일치함을 확인하였다. 하지만 예측에 사용된 데이터에 대한 자료가 부족하였고, 고온의 연소개스를 사용하지 않고 실온의 공기를 사용함으로서 발생하는 문제 등으로 인하여 아직 정확한 결론을 도출하기는 이르며, 이에 대한 보완은 향후 연구과제로 미루어야 할 것이다.
- 출구 마하수 변화에 따른 제트소음의 스펙트럼을 관찰한 결과 불완전 팽창의 제트유동에서 발생하는 광대역 중 격파 관련 소음과 스크리치 톤의 경향이 나타는 것을 확인할 수 있었다. 또한 이들 소음은 강한 방향성을 띤다는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 11, 13)는 실험 결과와 예측 결과가 비교적 잘 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 차이점의 원인을 분석하기 위해서는 예측 프로그램에서 사용된 데이터베이스에 대한 분석이 필요하고, 이는 향후 본 연구에서 보완해야 할 과제이다.
- 제트엔진의 소음 예측 프로그램인 ARP876D 코드를 이용하여 1/3 Octave band에서의 스펙트럼을 예측하여 실험에서 측정한 스펙트럼과 비교한 결과 아음속 조건보다는 초음속 조건에서 잘 일치함을 확인하였다. 하지만 예측에 사용된 데이터에 대한 자료가 부족하였고, 고온의 연소개스를 사용하지 않고 실온의 공기를 사용함으로서 발생하는 문제 등으로 인하여 아직 정확한 결론을 도출하기는 이르며, 이에 대한 보완은 향후 연구과제로 미루어야 할 것이다.
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