[논문]동축류의 코안다 효과를 이용한 초음속 제트의 추력편향제어에 관한 실험적 연구

윤상훈; 전동현; 허준영; 성홍계; 이열

doi:10.5139/jksas.2012.40.11.927

동축류의 코안다 효과를 이용한 초음속 제트의 추력편향제어에 관한 실험적 연구
Experimental Study of Thrust Vectoring of Supersonic Jet Utilizing Co-flowing Coanda Effects 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.40 no.11, 2012년, pp.927 - 933

윤상훈 (한국항공대학교(원) 항공우주 및 기계공학과) , 전동현 (한국항공대학교(원) 항공우주 및 기계공학과) , 허준영 (한국항공대학교(원) 항공우주 및 기계공학과) , 성홍계 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부) , 이열 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부)

초록
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이차원 초음속 코안다 유동의 특성에 관한 실험적 연구가 진행되었다. 다양한 슬롯높이대 코안다 벽의 곡률반경 비 및 표면거칠기, 그리고 제트의 전압 변화에 대하여 충격파 구조 및 이력현상과 같은 코안다 유동의 특성이 유동가시화를 통하여 관찰되었다. 그 결과 초음속 코안다 제트의 이력현상은 코안다 표면거칠기의 영향을 받는 것으로 나타났다. 또한 강한 압축성 주제트의 추력편향제어를 위하여 이러한 동축류 코안다 유동이 적용되었고, 이 경우 유체역학적 추력제어의 성능은 코안다 플랩의 곡률반경에 대한 슬롯높이의 비 뿐만 아니라 주제트의 전압에 큰 영향을 받음이 확인되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The characteristics of two-dimensional supersonic coanda flow was experimentally investigated. For various ratios of slot height to coanda wall's radius of curvature, surface roughnesses, and jet stagnation pressures, the characteristics of the supersonic coanda flow such as shock structures and hysteresis were observed by flow visualization. It was found that the characteristics of hysteresis of the coanda jet was related to the surface roughness of the coanda wall. The study was further extended for application of the tangentially injected coanda jet to control co-flowing highly compressible main jet direction. It was noticed that the stagnation pressure of the main jet as well as the ratio of the slot height to coanda wall's radius of curvature wall was an influencing factor in the performance of the fluidic thrust vectoring method.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

과거의 코안다 유동특성에 관련된 연구결과[11-13]에서도 코안다 유동의 탈․부착에서 이력현상(hysteresis)이 존재함을 밝힌 바 있는데, 본 연구에서는 코안다 플랩의 표면조도가 이러한 이력현상에 미치는 영향을 살펴보았다. 다음 Fig.
따라서 본 연구에서는 과거의 연구범위를 확장하여 동축류 방식에서, 코안다 벽면 곡률반경에 대한 부유동 노즐높이의 비 및 주유동과 부유동의 압력변화 등이 주유동의 편향각에 미치는 영향을 유동가시화를 이용하여 살펴보았다.
본 연구에서는 단일 부노즐 유동의 코안다 효과에 관한 연구가 먼저 진행되었고, 이후 이러한 부노즐의 코안다 유동이 주노즐 유동의 편향특성에 미치는 영향이 관찰되었다. 코안다 유동 및 주유동의 추력편향 특성과 관련된 관계변수로는 주노즐의 전압(P_t1), 부노즐의 전압(P_t2), 노즐출구에 위치한 만곡면을 갖는 코안다 플랩의 곡률반경(R), 부유동 출구슬롯의 높이(s), 그리고 플랩의 산술평균조도(arithmetic mean roughness, Ra)등으로 설정되었다.

제안 방법

이때 운동량 플럭스 비는 #로 정의되며, 여기서 #와 V는 각각 노즐출구에서의 질량유량 및 평균유속을, 하첨자 1, 2는 각각 주유동과 부유동을 뜻한다. 관찰범위는 고정된 부유동의 전압 P_t2=200kPa에 대하여 주유동의 전압 P_t1이 250kPa에서 500kPa까지 변화되는 조건에서 수행되었다.
노즐 출구 후방유동에서 두 번째 충격파 셀(cell) 위치를 기준으로 주유동의 상하 제트경계를 유동가시화 영상에서 결정하고, 그 두 제트경계선의 평균선이 주유동 노즐의 중심축과 이루는 각도를 주유동의 편향각(deflection angle, Θ)으로 정의하였다.
두 개의 쉴러린 거울(직경 125mm, 초점거리=1000mm)과 두 개의 광학거울을 사용한 변형된 Z-형태 쉴러린 장치를 이용하여, 코안다 유동 및 추력편향된 주유동의 후방 유동가시화가 이루어졌다. 이를 위하여 순간펄스광원(Komi, 1∼10μs)과 CCD 카메라(Mightex, CCE-B013-6)를 함수발생기과 연결하여 동조시킨 후 연결된 컴퓨터를 이용하여 얻어진 영상을 저장 처리하였다.
곡면을 갖는 코안다 플랩의 경우에는 플랩을 회전함으로서 부노즐 출구높이(s)가 1mm에서 5mm 사이에서 연속적으로 조정이 가능하도록 설계되었다. 이때 만곡면을 갖는 코안다 플랩의 반경(R) 역시 플랩회전을 통하여 30mm와 40mm 사이에서 연속적인 조정이 가능하여 다양한 s/R 비(최소 0.06, 최대 0.17)를 실험에서 응용할 수 있도록 하였다.
6에 이력현상 특성그래프로 나타내었다. 이러한 이력현상 루프(loop)의 특성그래프는 참고문헌 (12)에서 제시되었던 방법인데, 본 연구는 여기에 플랩의 표면조도 영향을 추가하였다. 이때 Fig.
이를 위하여 순간펄스광원(Komi, 1∼10μs)과 CCD 카메라(Mightex, CCE-B013-6)를 함수발생기과 연결하여 동조시킨 후 연결된 컴퓨터를 이용하여 얻어진 영상을 저장 처리하였다.
저장된 압축공기(25atm, 3m³)가 실험실 내부의 전자식 압력조절장치(Tescom, ER 3000S1-1)에 의하여 유동전압이 약 3% 이내에서 일정하게 유지되는 조건에서 실험이 진행되었다. 주유동과 부유동의 정체실 압력(P_t1, P_t2)은 각각 독립된 압력 트랜스듀서에 의하여 5초간 측정되어 얻어진 50개의 데이터가 시간평균 되어 사용되었다(신뢰도 95%에서 표준편차 ±2.

대상 데이터

본 연구에서 응용된 초음속 노즐은 사각노즐이며, 주노즐의 폭은 40 mm, 높이는 12mm로(노즐출구 단면 종횡비=3.3:1, 주노즐 확산각 약 10°), 완전팽창시 출구에서의 마하수가 2.0가 되도록 설계되었다.
1에는 본 연구에 사용된 FTVC 실험장치의 개략도가 나타나 있다. 실험장치는 가운데에 위치하고 있는 주노즐을 사이로 노즐출구 상하부에 두 개의 부노즐이 구성되어 있고(Fig. 1에는 하단 하나만 제시), 부노즐 출구 하단에는 설치각도의 조정이 가능한 평면 또는 곡면을 갖는 코안다 플랩이 위치하도록 되어 있다.
주유동과 부유동의 정체실 압력(Pt1, Pt2)은 각각 독립된 압력 트랜스듀서에 의하여 5초간 측정되어 얻어진 50개의 데이터가 시간평균 되어 사용되었다(신뢰도 95%에서 표준편차 ±2.9%).

이론/모형

2에 나타나 있다. 여기서 Ra가 커질수록 조도는 증가함을 나타내고, 각 플랩 표면의 산술평균조도 측정에는 촉침법을 이용한 표면조도 측정기(Surfcorder SE1700)가 사용되었다.
주유동의 전압이 완전팽창 되는 경우보다 낮은 과대팽창 조건에서 실험이 진행되었고, 노즐 내부의 충격파 유/무 및 노즐 출구속도는 노즐 내부 1차원 유동관계식[14]을 사용하여 결정하였다. 이를 통하여 관찰된 모든 압력범위에서 주노즐의 내부유동은 쵸킹되어 있고 주노즐 확대부에 충격파가 존재하지 않음을 알 수 있었다.

성능/효과

(1) 단일 초음속 제트가 곡면형상의 플랩표면을 따라 나타나는 코안다 효과는 s/R이 작을수록 더 우수하다.
(2) 단일 코안다 제트의 플랩표면 탈․부착에는 이력현상이 있으며, 플랩의 표면조도의 영향을 받는다.
(3) 동축류 코안다 현상을 이용한 주유동의 추력편향 제어의 경우, 동일한 s/R에 대하여 운동량 플럭스 비의 증가는 주유동 편향각의 증가를 유도하였다.
(4) 운동량 플럭스 비에 대한 주유동 편향각의 변화기울기는 s/R이 커지면서 감소하고, 이에 따라 s/R이 작을 때 주유동의 편향각은 운동량 플럭스 비 변화에 보다 민감하다.
(5) 주유동의 팽창정도가 전체 추력편향 구조에 큰 영향을 미치고 있으며, 본 연구의 조건에서 초음속 동축류를 이용한 추력제어는 주유동이 과대팽창 되는 조건에서 가능함이 관찰되었다.
첫째, 동일한 s/R에 대하여 운동량 플럭스비의 증가는 주유동 편향각의 증가를 유도한다. 둘째, 운동량 플럭스 비에 대한 주유동 편향각의 변화기울기는 s/R이 커지면서 감소한다. 이는 s/R이 작아질 때 주유동의 편향각은 운동량 플럭스 비의 크기에 보다 민감하게 반응한다는 뜻이다.
따라서 본 연구의 실험조건에서는 s/R 비의 영향과 함께, 주유동의 압력크기(팽창 정도) 자체가 주유동의 편향효과 및 유동의 코안다 표면의 탈부착에 크게 관계하고 있음을 알 수 있다. 실제 추가된 주유동 및 부유동의 압력조합에서의 실험에서도 주유동의 압력이 어느 이상 커지면 s/R 비의 크기에 상관없이 부유동의 코안다 효과는 급속히 감소하는 경향을 관찰한 바 있으며, 이는 이러한 동축류를 이용한 추력제어방법은 주유동 제트가 과대팽창 되는 제한된 조건에서 적용 가능함을 나타낸다.
주유동의 전압이 완전팽창 되는 경우보다 낮은 과대팽창 조건에서 실험이 진행되었고, 노즐 내부의 충격파 유/무 및 노즐 출구속도는 노즐 내부 1차원 유동관계식[14]을 사용하여 결정하였다. 이를 통하여 관찰된 모든 압력범위에서 주노즐의 내부유동은 쵸킹되어 있고 주노즐 확대부에 충격파가 존재하지 않음을 알 수 있었다.
주유동과 부유동의 운동량 플럭스(momentum flux) 비가 주유동의 추력벡터 변화에 미치는 영향이 유동가시화 결과를 통하여 관찰되었다. 이때 운동량 플럭스 비는 #로 정의되며, 여기서 #와 V는 각각 노즐출구에서의 질량유량 및 평균유속을, 하첨자 1, 2는 각각 주유동과 부유동을 뜻한다.
7(c)에서 나타난 바와 같이 주유동의 압력이 P_t1=500kPa까지 올라가면 부유동의 코안다 효과는 거의 상실되고 주유동의 편향효과도 거의 관찰되지 않고 있다. 즉 s/R 비의 차이에 큰 상관없이, 주유동의 압력이 커짐에 따라 증가하는 주유동의 모멘텀으로 인하여 상대적으로 적은 모멘텀을 갖는 부유동의 코안다 효과는 크지 않음을 알 수 있다.
그러나 코안다 유동의 플랩 탈착 이후 압력비가 작아지면서 다시 유동이 플랩표면에 부착되기 시작하는 압력비의 크기는 표면조도가 커지면서 작아지는 것을 알 수 있다. 즉, 플랩의 표면조도가 커지면서 코안다 유동의 이력현상 루프(loop)의 폭은 더욱 커지는 것을 확인할 수 있다. Fig.
9에서 다음과 같은 내용을 관찰할 수 있다. 첫째, 동일한 s/R에 대하여 운동량 플럭스비의 증가는 주유동 편향각의 증가를 유도한다. 둘째, 운동량 플럭스 비에 대한 주유동 편향각의 변화기울기는 s/R이 커지면서 감소한다.

후속연구

17의 경우에서도 이러한 경향성이 약하게 나타나고 있다. 그러나 현재 관찰된 이력현상의 루프 폭은 Fig. 6(a)와 같이 그 폭이 작은 경우에는 압력측정의 오차범위(약 3%) 안에 있어 향후 추가적인 관찰 및 검증이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유체역학적 추력제어 방법이란 무엇인가?	이에 따른 이차원 노즐의 적용에 따라, 비행체의 추력제어를 위하여 기존의 기계적 추력제어 방법보다는 유체역학적 추력제어(Fluidic Thrust Vector Control, FTVC) 방법이 요구되고 있다. 여기서 유체역학적 추력제어 방법이란 부유동의 흐름을 이용하여 엔진노즐 출구의 주유동 방향을 제어하는 방법으로, 시스템 구조가 상대적으로 간단하여 엔진의 부피 및 중량을 줄일 수 있는 장점이 있다. NASA Langley Research Center의 연구자료에 의하면, 이러한 유체역학적 추력편향제어 기술의 적용으로 엔진 무게당 추력성능을 7~12% 정도 개선할 수 있고 또한 노즐수명 연장에 따른 37~53% 정도의 운용 비용 절감이 가능하다고 보고된 바 있다[1].
	충격파 제어방법의 단점을 보완하는 방법은 어떠한 것이 있는가?	이러한 단점을 보완하는 방법으로, 부유동의 코안다(coanda) 효과를 이용하여 주유동을 편향시키는 방법이 제안되고 있다. 이 방법은 다시, 부유동의 흡입으로 주유동 방향과 코안다 부유동 방향이 서로 반대되는 대향류(counterflow) 방법[5,6]과, 부유동의 분출방향이 주유동 방향과 일치되는 동축류(coflow) 방법[7-10]으로 나뉘어진다.
	유체역학적 추력제어 방법의 장점은 무엇인가?	이에 따른 이차원 노즐의 적용에 따라, 비행체의 추력제어를 위하여 기존의 기계적 추력제어 방법보다는 유체역학적 추력제어(Fluidic Thrust Vector Control, FTVC) 방법이 요구되고 있다. 여기서 유체역학적 추력제어 방법이란 부유동의 흐름을 이용하여 엔진노즐 출구의 주유동 방향을 제어하는 방법으로, 시스템 구조가 상대적으로 간단하여 엔진의 부피 및 중량을 줄일 수 있는 장점이 있다. NASA Langley Research Center의 연구자료에 의하면, 이러한 유체역학적 추력편향제어 기술의 적용으로 엔진 무게당 추력성능을 7~12% 정도 개선할 수 있고 또한 노즐수명 연장에 따른 37~53% 정도의 운용 비용 절감이 가능하다고 보고된 바 있다[1].

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