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문제 정의
- 이러한 이유로 많은 연구자에 의해 경계층 천이 가시화 기법에 대한 방법론적 연구가 충분히 수행되었다. 그러나 국내에서는 관련 연구가 거의 수행된 바 없어 본 논문을 통해 간략히 소개하고자 한다. 보다 자세한 사항은 참고문헌[21] 등을 참조하길 바란다.
- 마하 7의 극초음속 유동 내 평판으로부터 돌출된 2차원형 돌출물 전면에서의 열유속 계측을 목적으로 일본 동경대학의 가시와 극초음속 풍동을 이용하여 실험적 연구를 수행하였다. 여러 실험적 제한 조건에 따라 평판의 길이가 다른 두 모델(평판 길이 165 mm, 320 mm)을 설계하고, 유입 유동 조건 및 돌출물의 형상은 동일하게 유지하여 세 가지 다른 돌출물 높이(18 mm, 12 mm, 6 mm)에 따른 공기역학적 특성과 공력가열에 의한 열전달 특성을 관찰하였다.
- 이에 마하 7의 극초음속 유동 내 평판으로부터 돌출된 2차원형 돌출물 전면에서의 열유속 계측을 목적으로 실험적 연구를 수행하였다. 언급한 바와 같이 돌출물 주위 유동 특성에는 여러 변수가 영향을 미치지만, 본 논문에서는 유입 유동 조건 및 돌출물의 형상은 동일하게 유지하고 돌출물 높이에 따른 특성만을 관찰하였다. 쉴리렌 이미지 기법을 이용한 유동 가시화를 통해 기본적 유동 특성을 관찰하였고, 돌출물 전면에 열유속 게이지를 이용하여 직접적으로 열유속을 측정하였다.
- 이에 마하 7의 극초음속 유동 내 평판으로부터 돌출된 2차원형 돌출물 전면에서의 열유속 계측을 목적으로 실험적 연구를 수행하였다. 언급한 바와 같이 돌출물 주위 유동 특성에는 여러 변수가 영향을 미치지만, 본 논문에서는 유입 유동 조건 및 돌출물의 형상은 동일하게 유지하고 돌출물 높이에 따른 특성만을 관찰하였다.
제안 방법
- 경계층 천이 가시화 실험은 유동 특성을 명확히 확인하고 그 결과를 상호 비교하기 위해 크게 두 경우로 나누어 수행되었다. 동일한 긴 평판 모델에 아무것도 부착하지 않은 경우와 강제적인 경계층 천이를 유발하기 위해 높이와 형상이 다른 2가지 트립 닷(trip dot)을 부착한 경우로 구분하여 실험을 수행하였다.
- 경계층 천이 가시화 실험은 유동 특성을 명확히 확인하고 그 결과를 상호 비교하기 위해 크게 두 경우로 나누어 수행되었다. 동일한 긴 평판 모델에 아무것도 부착하지 않은 경우와 강제적인 경계층 천이를 유발하기 위해 높이와 형상이 다른 2가지 트립 닷(trip dot)을 부착한 경우로 구분하여 실험을 수행하였다. 두 트립 닷은 평판 앞전으로부터 160 mm 지점에 Fig.
- 여러 실험적 제한 조건에 따라 평판의 길이가 다른 두 모델(평판 길이 165 mm, 320 mm)을 설계하고, 유입 유동 조건 및 돌출물의 형상은 동일하게 유지하여 세 가지 다른 돌출물 높이(18 mm, 12 mm, 6 mm)에 따른 공기역학적 특성과 공력가열에 의한 열전달 특성을 관찰하였다. 쉴리렌 기법을 이용한 유동 가시화를 통해, 박리 영역을 포함한 돌출물 주위의 기본적 유동 특성을 관찰하였고, Gardon 타입의 열유속 게이지를 이용하여 돌출물 전면에서 열유속을직 측정함으로써 그 특성을 파악하였다.
- 언급한 바와 같이 돌출물 주위 유동 특성에는 여러 변수가 영향을 미치지만, 본 논문에서는 유입 유동 조건 및 돌출물의 형상은 동일하게 유지하고 돌출물 높이에 따른 특성만을 관찰하였다. 쉴리렌 이미지 기법을 이용한 유동 가시화를 통해 기본적 유동 특성을 관찰하였고, 돌출물 전면에 열유속 게이지를 이용하여 직접적으로 열유속을 측정하였다. 본 연구 결과는 향후 고속 비행체 설계 시 돌출물 주위 열 유속 예측 및 관련 수치해석 연구결과의 검증 데이터로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 아조벤젠을 이용한 경계층 천이 가시화를 위한 실험은 긴 모델을 이용하여 수행되었다. 아조벤젠을 아세톤에 약 2:8의 비율로 용해시킨 후 압축 공기와 소형 페인트 분사기를 이용하여 실험 모델에 균일하게 분무하였다.
- 마하 7의 극초음속 유동 내 평판으로부터 돌출된 2차원형 돌출물 전면에서의 열유속 계측을 목적으로 일본 동경대학의 가시와 극초음속 풍동을 이용하여 실험적 연구를 수행하였다. 여러 실험적 제한 조건에 따라 평판의 길이가 다른 두 모델(평판 길이 165 mm, 320 mm)을 설계하고, 유입 유동 조건 및 돌출물의 형상은 동일하게 유지하여 세 가지 다른 돌출물 높이(18 mm, 12 mm, 6 mm)에 따른 공기역학적 특성과 공력가열에 의한 열전달 특성을 관찰하였다. 쉴리렌 기법을 이용한 유동 가시화를 통해, 박리 영역을 포함한 돌출물 주위의 기본적 유동 특성을 관찰하였고, Gardon 타입의 열유속 게이지를 이용하여 돌출물 전면에서 열유속을직 측정함으로써 그 특성을 파악하였다.
- 이에 두 제한 조건을 기준으로 앞전으로부터 돌출물까지 평판의 길이가 두 가지인 모델을; 모델 1)쉴리렌 가시화가 가능한 최대 경계층 두께를 갖는 짧은 모델, 모델 2)풍동 시험부 장착할 수 있는 최대 길이의 긴 모델, 다음과 같이 설계하였다.
- 따라서 일반적인 열유속 게이지의 직경을 고려하면 돌출물 자체를 경계층 내부에 잠기게 하는 것은 불가능하다. 이에 사용하고자 하는 열유속 게이지를 삽입할 수 있는 최소 높이 6 mm를 기준으로 돌출 물의 높이를 3단으로 조절할 수 있도록 하였다. 이와 같은 방법으로 설계된 실험 모델의 모습은 Fig.
- 평판의 길이를 결정한 후, 실험 변수로 작용할 돌출물의 높이를 결정하였다. 앞서 언급한 바와 같이 경계층 두께에 따라 돌출물 주위 유동 특성이 달라지므로, 경계층 두께를 예측하는 것이 필요하다.
대상 데이터
- 본 논문의 실험적 연구는 일본 동경대학의 가시와 캠퍼스에 설치되어 있는 극초음속 열풍동을 이용하여 수행되었다. 모든 실험의 풍동 운용 조건은 정체실의 정체 압력 950 kPa, 정체 온도 600 K로 설정하였다.
- 승화 방법에 흔히 사용되는 승화성 고체는 아조벤젠(Azobenzene, C12H10N2), 플루오렌(Fluorene, C6H4CH2C6H4), 나프탈렌(Naphthalene, C10H8) 등이며 용매로는 아세톤, 톨루엔, 에탄올 등이다. 본 연구에는 은색 실험 모델에 대해 흰색의 플루오렌이나 나프탈렌 보다 상대적으로 육안으로 잘 구분되는 갈색의 아조벤젠-아세톤을 사용하였다.
- 이에 본 연구에서는 열유속 게이지 (TG2000-0, Vatell, 미국, 최대 측정 범위 80 W/cm2, 응답속도 20 msec)를 사용하였다. 사용된 열유속 게이지는 Gardon 게이지 타입으로 묻혀 있는 동(copper)으로 된 열싱크(heat sink)와 얇은 콘스탄탄(constantan)의 막 및 열전대로 구성되어 있다. 이의 구성은 두 개의 구리-콘스탄탄 열전대 접합으로 나누어지며 하나는 막의 중심에 있고 다른 하나는 막과 열싱크 사이의 경계면에 있다.
- 평판에서의 경계층 천이 유무에 대한 가시화가 실험 목적이므로 돌출물은 장착하지 않고 실험이 수행되었다. 이 실험의 경우, 시험부의 측면 가시화 창은 쉴리렌 이미지를 얻는데 이용하였고, 시험부 윗면의 창이 경계층 천이 가시화를 위해 사용되었으며, 가시화 이미지는 비디오 카레라를 이용하여 촬영되었다. Fig.
- 전자의 경우, 센서의 응답 속도가 수 ㎲ 정도로 매우 빠르기 때문에 고속 유동 혹은 온도 변화가 빠른 영역에 적합하지만, 시험 시간이 긴 경우는 1차원 semi-infinite 가정이 더 이상 유효하지 않을 뿐 아니라 박막 게이지에 증착된 필름이 파괴되거나, 수 ㎛ 정도의 열전대의 접점이 떨어질 수 있기 때문에, 본 연구와 같이 시험 시간이 긴 연속식 풍동을 이용하는 경우는 적합하지 않다. 이에 본 연구에서는 열유속 게이지 (TG2000-0, Vatell, 미국, 최대 측정 범위 80 W/cm2, 응답속도 20 msec)를 사용하였다. 사용된 열유속 게이지는 Gardon 게이지 타입으로 묻혀 있는 동(copper)으로 된 열싱크(heat sink)와 얇은 콘스탄탄(constantan)의 막 및 열전대로 구성되어 있다.
- 자세한 세팅 방법은 참고 문헌 [21,22]를 참조하길 바란다. 직경 300 mm, 초점거리 4 mm인 1쌍의 오목 거울과 백색 광원의 제논 램프를 이용하였다.
이론/모형
- 쉴리렌 이미지 기법은 고속 유동을 가시화하기 위한 가장 일반적인 기법으로 유동장 내 밀도 구배가 나타난 지점을 정확히 파악할 수 있어 충격파나 팽창파 등 고속 유동 특성을 관찰하기 용이하다. 광학장치의 배열은 일반적으로 잘 알려진 Z-타입 세팅 방법을 적용하였다. 자세한 세팅 방법은 참고 문헌 [21,22]를 참조하길 바란다.
- 유동 가시화를 위해 쉴리렌 이미지 기법이 사용되었다. 쉴리렌 이미지 기법은 고속 유동을 가시화하기 위한 가장 일반적인 기법으로 유동장 내 밀도 구배가 나타난 지점을 정확히 파악할 수 있어 충격파나 팽창파 등 고속 유동 특성을 관찰하기 용이하다.
- 각 기법마다 각각의 장단점을 가지고 있으나, 승화성 고체를 이용하는 승화 방법은 특별한 별도의 장치를 요구하지 않으므로 손쉽게 고속 풍동에 적용할 수 있다. 이에 본 연구에서도 경계층 특성 파악을 위해 승화 방법을 적용하였다.
성능/효과
- (b) 긴 모델의 경우 11.3°로 돌출물의 높이와는 무관하게 모델별로 동일하게 측정되었다.
- 1)쉴리렌 가시화 이미지로부터 돌출물 전방에 박리 영역이 형성됨을 관찰할 수 있었다. 형성된 박리 영역은 돌출물의 높이가 클수록 그 크기가 증가하였다.
- 2)같은 높이의 돌출물이라 하더라도, 돌출물 전방에 발생되는 박리 영역의 크기는 평판의 길이가 길어질수록 크게 증가하는 특성을 보였다. 즉 돌물물이 위치하는 지점의 경계층 두께에 매우 민감한 것으로 판단된다.
- 3)돌출물의 높이가 18 mm인 경우, 시험 시간에 대한 평균으로 나타낸 열유속 값은 중부와 하부에 비해 상부에서 매우 크게 증가하였다. 상부에서 측정된 열유속 값은 중부나 하부의 약 10～15배 정도에 이른다.
- 4) 돌출물의 높이가 클수록, 그리고 돌출물이 위치한 곳의 경계층 두께가 클수록, 돌출물 전면에 공력가열에 의해 가해지는 열전달은 큰 것으로 측정되었다.
- (a) 짧은 모델의 경우, 돌출물 높이 18 mm, 12 mm, 6 mm에 대해 박리 영역이 시작되는 지점은, 돌출물 전면으로부터 각각 137 mm, 102 mm, 94 mm로 돌출물의 높이가 클수록 돌출물 전방의 박리 영역이 크게 발생하였다. 그러나 돌출물의 높이가 6 mm 간격으로 동일하게 작아졌음에도 불구하고, 돌출물의 높이가 작을수록 박리 영역의 크기가 감소하는 정도는 감소하여, 높이 12 mm와 6 mm의 경우 박리 영역크기의 큰 차이가 발생하지 않는 특징을 보였다. 이에 따라 박리 영역으로부터 발생하는 경사 충격파의 각도 역시 높이가 가장 큰 돌출물의 경우로부터 각각 25°, 22°, 21°로 감소하였으나, 12 mm와 6 mm의 경우 충격파 각의 차이가 크지 않았다.
- 형성된 박리 영역은 돌출물의 높이가 클수록 그 크기가 증가하였다. 그러나 돌출물의 높이가 어느 수준 이하이면, 동일한 돌출물의 높이차에 대해 돌출물 전방에 형성되는 박리 영역 크기의 차가 확연히 작아짐을 확인할 수 있었다.
- Figure 11로부터 동일한 평판의 길이에 대한 돌출물의 높이가 다른 경우, 즉 짧은 평판 모델의 돌출 물의 높이가 12 mm인 경우와 18 mm인 경우를 비교하면, 평판으로부터 동일한 위치 3 mm(H3)에서 측정된 열유속 값은 돌출물의 높이가 12 mm인 경우가 더 작았다. 또한 동일한 높이의 돌출물에 대한 평판의 길이가 다른 경우, 즉 긴 모델과 짧은 모델에 동일한 돌출물(높이 18 mm)의 실험 결과, 같은 위치(H2와 H3 지점)에서의 열유속 측정치를 비교하면, 긴 모델의 열유속이 보다 크게 측정되었다. 이와 같은 결과로부터 돌출물의 높이가 클수록, 그리고 돌출물이 위치한 평판의 길이가 길수록, 즉 돌출물이 위치한 곳의 경계층 두께가 클수록, 돌출물 전면에 공력가열에 의해 가해지는 열전달량은 큰 것으로 나타났다.
- 이 외 아조벤젠이 승화된 다른 영역은 발견되지 않았다. 이로부터 본 실험의 유동 상태는 층류이고, 높이 0.8 mm의 트립 닷을 이용하여도 경계층 천이가 발생하지 않음을 알 수 있었다. 이는 마하 6이상의 극초음속의 경우, 트립이 위치하는 지점의 레이놀즈수가 105 이상이더라도, 트립의 높이가 경계층 두께보다 작으면 경계층 천이 지점을 강제적으로 앞당기는데 도움이 되지 않는다는 기존의 연구결과[19]를 뒷받침한다.
- 또한 동일한 높이의 돌출물에 대한 평판의 길이가 다른 경우, 즉 긴 모델과 짧은 모델에 동일한 돌출물(높이 18 mm)의 실험 결과, 같은 위치(H2와 H3 지점)에서의 열유속 측정치를 비교하면, 긴 모델의 열유속이 보다 크게 측정되었다. 이와 같은 결과로부터 돌출물의 높이가 클수록, 그리고 돌출물이 위치한 평판의 길이가 길수록, 즉 돌출물이 위치한 곳의 경계층 두께가 클수록, 돌출물 전면에 공력가열에 의해 가해지는 열전달량은 큰 것으로 나타났다.
후속연구
- 돌출물 주위의 유동 특성을 파악하기 위한 실험적 연구를 수행하기 위해서는 유입 유동의 경계층 특성을 먼저 조사하여야 한다. 2.1에서 언급한 바와 같이 본 실험 조건의 유동은 층류 경계층을 가질 것으로 예측되지만, 이를 실험적 방법을 통해 명확히 검증하는 것이 필요하다. 실험을 통한 경계층 특성 파악은 경계층 천이에 대한 연구와 맥락을 함께 한다.
- 따라서 돌출물 전방의 박리 영역의 크기는 돌출물이 위치하는 지점의 경계층 두께에 상당히 민감함을 알 수 있다. 그러나 이 추론은 18 mm의 돌출물에서의 실험 결과로 보다 추가적인 실험 또는 수치해석 연구를 통해 보완할 필요가 있다고 판단된다.
- 이는 마하 6이상의 극초음속의 경우, 트립이 위치하는 지점의 레이놀즈수가 105 이상이더라도, 트립의 높이가 경계층 두께보다 작으면 경계층 천이 지점을 강제적으로 앞당기는데 도움이 되지 않는다는 기존의 연구결과[19]를 뒷받침한다. 높이가 0.8 mm보다 큰 트립 닷은 그 높이가 경계층 두께와 비슷하기 때문에 트립 닷 자체가 돌출물로 작용될 수 있으므로, 더 이상의 실험은 본 연구에 있어 의미가 없다고 판단되어 수행하지 않았다.
- 본 연구 결과는 향후 고속 비행체 설계 시 돌출물 주위 열 유속 예측 및 관련 수치해석 연구결과의 검증 데이터로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 또한 본 논문에서 제시한 실험 기법들은 향후 고속 유동에서의 열유속 측정을 위한 실험 기법에 대한 참고 자료로도 널리 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 본 논문의 연구 결과는 향후 고속 비행체 설계시 돌출물 주위의 열유속 예측 및 수치해석 결과의 검증 데이터로 활용될 수 있을 뿐 아니라, 고속 유동에서의 열유속 측정을 위한 실험 기법에 대한 자료로도 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 쉴리렌 이미지 기법을 이용한 유동 가시화를 통해 기본적 유동 특성을 관찰하였고, 돌출물 전면에 열유속 게이지를 이용하여 직접적으로 열유속을 측정하였다. 본 연구 결과는 향후 고속 비행체 설계 시 돌출물 주위 열 유속 예측 및 관련 수치해석 연구결과의 검증 데이터로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 또한 본 논문에서 제시한 실험 기법들은 향후 고속 유동에서의 열유속 측정을 위한 실험 기법에 대한 참고 자료로도 널리 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
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