[논문]저속풍동 시험부 속도교정에 관한 실험적 연구

오세윤; 이종건; 김성철; 김상호; 안승기

doi:10.5139/jksas.2012.40.3.230

초록
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본 연구의 목적은 풍동 시험부의 속도산출에 필요한 속도측정시스템용 교정계수를 실험적으로 결정하는데 있었다. 교정실험은 국방과학연구소 저속풍동에서 표준 피토관을 이용하여 수행되었으며 이때의 교정속도 영역은 약 10~100 m/s이었다. 풍동교정실험결과의 유효성 평가를 위해 기존의 교정계수 측정결과와의 비교검토를 수행하였으며, 기존 교정 결과들과 잘 부합됨을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this research is to determine the calibration constants of the wind speed measurement systems required to calculate the wind tunnel velocity in the test section. In the present work, the aerodynamic calibration tests of the test section were conducted in the Agency for Defense Develop...

The purpose of this research is to determine the calibration constants of the wind speed measurement systems required to calculate the wind tunnel velocity in the test section. In the present work, the aerodynamic calibration tests of the test section were conducted in the Agency for Defense Development's Low-Speed Wind Tunnel. The test speed ranged from 10 to 100 m/s with a reference pitot-static pressure probe. The validity of the calibration results was evaluated by comparing them with the previous calibration constants. The calibration results show that fair to good agreement is obtained with resonable accuracy.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

풍동교정에 대한 표준지침서로 널리 적용되고 있는 AIAA R-093-2003[1]에 따르면 풍동교정실험은 풍동실험설비가 기대대로 잘 동작하고 있는지 확인하거나 풍동유로 내부에 생긴 변동의 영향을 평가하여 관련 문제점들을 확인할 수 있도록 한다. 또한 풍동실험장치의 전반적인 데이터 품질을 평가하는데 필수적인 자료를 제공함으로써 풍동실험 데이터에 대한 통계적 프로세스 제어(statistical process control)가 가능하도록 하는 역할도 한다. 이러한 통계적 프로세스 제어를 위해서는 교정실험에 사용되는 측정기기용 교정기들에 대한 지속적인 교정이력 관리와 주요 풍동교정데이터에 대한 변동과 평균값들에 대한 추적 관리 및 통제 불가능 변동요인에 대한 식별과 제거가 반드시 필요하다.
본 논문에서는 국방과학연구소 저속풍동의 시험부 속도 산출용 교정계수(calibration constants)를 얻기 위해 수행하였던 시험부 교정실험과 관련 교정절차에 대해 기술하고 있다. 아울러 시험부 교정결과의 타당성 검증을 위해 기존 교정실험결과[2]와의 비교평가도 함께 수행하였다.

제안 방법

국방과학연구소 저속풍동용 시험부 속도측정 시스템의 신규 속도제어변수 설정을 위한 시험부 교정실험을 수행하였다. 풍동실험장치의 빈 시험부에서 직접 측정된 유동조건과 저속풍동설비에 설치되어있는 풍동 고유 측정장비 간의 상호 연관관계를 파악하여 풍동 속도제어시스템을 위한 새로운 교정계수를 획득하여 기존의 소형 풍동설비에 적용되는 피토관 장착 속도측정방식이 아닌 대형설비에 적용되는 정압 오리피스 속도측정방식 시험부의 속도교정 실험기법을 확립할 수 있었다.
풍동실험장치의 빈 시험부에서 직접 측정된 유동조건과 저속풍동설비에 설치되어있는 풍동 고유 측정장비 간의 상호 연관관계를 파악하여 풍동 속도제어시스템을 위한 새로운 교정계수를 획득하여 기존의 소형 풍동설비에 적용되는 피토관 장착 속도측정방식이 아닌 대형설비에 적용되는 정압 오리피스 속도측정방식 시험부의 속도교정 실험기법을 확립할 수 있었다. 또한 기존 교정계수와의 교차비교연구와 실험설계기법에 기반한 실험결과의 재현성 평가를 통해 시험부 교정결과의 타당성을 확인하였다. 향후 시험부 유동장 품질특성에 대한 추가적인 교정실험이 필요할 것으로 판단된다.
본 시험부 교정실험에서는 Fig. 5에서와 같이 빈 시험부에 설치한 표준 피토관 측정장비에서 측정되는 자유류의 유동조건과 풍동설비의 압력 측정시스템에서 측정되는 유동조건의 상호 연관 관계를 갖도록 한다. 국방과학연구소의 저속풍동의 경우 시험부의 속도는 시험부 속도제어기가 독립된 두 개의 압력측정 시스템(Line A, Line B)에서 획득된 센서신호로부터 산출하게 되며 압력측정시스템의 내부에 압력누설이 없는 정상적인 경우에는 한 개의 측정시스템만이 속도측정에 사용되며 나머지 다른 한 개는 예비시스템의 역할을 담당한다.
7에는 최소자승법을 통한 곡선적합 과정으로부터 산출된 k_p와 k_q 측정결과가 나타나 있다. 본 연구에서는 교정실험의 정밀도를 높이기 위해 실험순서를 랜덤화하여 각 속도별로 5회씩 반복하는 조건으로 총 110회의 풍동실험을 수행하였다. 산출된 기울기는 선형 곡선적합 후에 발생한 잔차의 표준편차(σ)가 ± 2σ 이상인 데이터를 측정자료의 배제과정[7]을 수행하여 잠재적인 배제점(outlier)으로 간주하여 제거한 후 재산출한 결과로 여기서 적색의 가는 실선은 95% 신뢰구간을 나타낸다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 국방과학연구소의 저속풍동(ADD-LSWT)(Fig. 3)은 측정부의 제원이 폭 3.0 m, 높이 2.25 m, 길이 8.75 m이며 수축비 9.0인 폐회로 단일순환식 풍동으로서, 최저속도 10 m/s에서 최고속도 120 m/s까지 변화시킬 수 있다[3-5]. 풍동 내부흐름의 난류도(turbulent level)는 시험부 중심에서 0.
시험부 속도교정실험에는 Fig. 4에서와 같은 길이 610 mm(24") 직경 8 mm(0.315")의 90도 꺾인 형태의 피토관(NPL Type with a modified ellipsoidanose, Airflow Development Ltd. of High Wycombe, England)[2]이 사용되었다.
저속풍동은 풍동유로, 모형지지부 시스템, 팬(fan) 구동시스템, 정밀이송장치, 냉각시스템 및 관련 보조시스템 등의 주요 부분으로 구성되어 있으며, 축류형 팬의 회전수를 조절하여 유속을 변화시킨다. 풍동제어와 자료획득을 위한 장치로는 ML350 G6 서버, Xw4600, Quantum 140 PLC 및 NEFF471 시스템이 사용되었다.

데이터처리

본 논문에서는 국방과학연구소 저속풍동의 시험부 속도 산출용 교정계수(calibration constants)를 얻기 위해 수행하였던 시험부 교정실험과 관련 교정절차에 대해 기술하고 있다. 아울러 시험부 교정결과의 타당성 검증을 위해 기존 교정실험결과[2]와의 비교평가도 함께 수행하였다.

이론/모형

풍동교정실험 측정결과에 대한 불확도 평가(uncertainty estimates)를 불확도 표준서인 AIAA Standard S-017A-1999[7]에 따라 수행하였다. Table 3에는 본 연구에서 산출한 시험부 속도 교정계수의 재현성 결과(각 10회 반복실험)를 보여주고 있다.

성능/효과

Table 4에는 본 연구를 통해 산출된 교정계수와 기존의 수락시험을 통해 설정된 교정계수결과가 함께 나타나 있다[8]. 결과로부터 대체로 기존 교정결과에 비해 기울기 값은 작아지고 평균값(절편)은 유사한 경향을 보였다. 이들 교정계수간의 차이를 속도로 환산하면 Table 4에서와 같이 약 0.
국방과학연구소 저속풍동용 시험부 속도측정 시스템의 신규 속도제어변수 설정을 위한 시험부 교정실험을 수행하였다. 풍동실험장치의 빈 시험부에서 직접 측정된 유동조건과 저속풍동설비에 설치되어있는 풍동 고유 측정장비 간의 상호 연관관계를 파악하여 풍동 속도제어시스템을 위한 새로운 교정계수를 획득하여 기존의 소형 풍동설비에 적용되는 피토관 장착 속도측정방식이 아닌 대형설비에 적용되는 정압 오리피스 속도측정방식 시험부의 속도교정 실험기법을 확립할 수 있었다. 또한 기존 교정계수와의 교차비교연구와 실험설계기법에 기반한 실험결과의 재현성 평가를 통해 시험부 교정결과의 타당성을 확인하였다.

후속연구

2에서와 같이 수축부의 입구(inlet)와 출구(outlet) 압력탭(pressure tap)에서 각기 두 쌍의 정압력이 감지된다. 본 연구에서 다루고자 하는 시험부 교정실험의 경우 먼저 시험부에서 직접 측정된 동압과 이에 상응하는 풍동유로 정체실의 수축부 입/출구에서 발생하는 압력강하(pressure drop)간의 상호관계와 시험부에서 측정된 정압과 수축부 출구 노즐부에서 측정된 정압과의 연관관계를 함께 파악해야만 한다. 풍동설비 정체실 수축부의 정압탭 데이터는 시험부에서 직접 측정된 동압과 정압에 대한 연관관계 교정실험을 통해 향후 풍동실험 중에 필요한 시험부의 상태(전압, 동압, 정압 및 속도 등)를 산출하는데 직접 활용되게 된다.
소형 풍동실험장치의 경우에는 시험부 상류에 속도 측정용 피토관을 직접 장착하여 사용하기도 하는데 이러한 속도측정시스템은 측정부 단면을 대표하는 평균적인 정압을 측정하는 대신에 피토관이 장착되는 특정부위 유선(streamline)의 전압력을 측정함으로서 속도측정의 대표성이 떨어지는 단점이 있으며 이러한 방식 또한 모형장착 부위인 시험부 중앙지점에 대해 본 연구에서와 같은 일련의 교정작업을 수행해야만 보다 정밀한 속도측정이 가능해 진다.
본 연구에서 다루고자 하는 시험부 교정실험의 경우 먼저 시험부에서 직접 측정된 동압과 이에 상응하는 풍동유로 정체실의 수축부 입/출구에서 발생하는 압력강하(pressure drop)간의 상호관계와 시험부에서 측정된 정압과 수축부 출구 노즐부에서 측정된 정압과의 연관관계를 함께 파악해야만 한다. 풍동설비 정체실 수축부의 정압탭 데이터는 시험부에서 직접 측정된 동압과 정압에 대한 연관관계 교정실험을 통해 향후 풍동실험 중에 필요한 시험부의 상태(전압, 동압, 정압 및 속도 등)를 산출하는데 직접 활용되게 된다.
또한 기존 교정계수와의 교차비교연구와 실험설계기법에 기반한 실험결과의 재현성 평가를 통해 시험부 교정결과의 타당성을 확인하였다. 향후 시험부 유동장 품질특성에 대한 추가적인 교정실험이 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	풍동실험장치란?	풍동실험장치(wind tunnels)는 항공기나 기타 여러 비행체의 공력성능연구와 비행체 설계개발에 필요한 공력특성 데이터를 제공하는 중요한 연구개발 요소 중의 하나이다. 근래 들어 실험대상이 장착되는 시험부(test section)내의 유동품질 특성에 관한 공기역학분야의 실험요구도가 크게 높아짐에 따라 풍동교정(wind tunnel calibration)[1]연구분야에 대한 중요성도 함께 높아지고 있다.
	풍동교정실험이란?	풍동교정실험이란 풍동시험부내의 어느 한 지점이나 실험모형이 위치할 수 있는 시험부내의 모든 대상 위치들에 대한 여러 가지 유동특성들의 평균적인 특성들을 평가하는 일련의 풍동실험행위로 정의할 수 있으며 크게는 시험부 교정(test section calibration)과 유동장 품질특성 측정(flow quality measurements)의 두 분야로 나눌 수 있다.
	풍동교정실험에 필요한 교정 데이터로 측정되어야 할 유동변수들은?	풍동교정실험에서 평가하는 주요 유동변수[1, 2]들로는 시험부의 전압력(total pressure, Pt∞), 정압력(static pressure, Ps∞), 동압력(dynamic pressure, q∞ ), 온도(total and static temperature, Tt∞, Ts∞) 및 시험부 속도(test section velocity, V∞ or Mach number)를 들 수 있으며, 실험 데이터의 보정(correction)을 위해 요구되는 시험부 길이방향 정압기울기(axial static pressure gradient or distribution)나 흐름각(flow angularity)도 유동변수로 간주되기도 한다. 이러한 유동변수들의 측정을 통해 마련된 적절한 교정 데이터가 없이는 정밀한 실험요구에 맞도록 운용하고자 하는 대상 풍동실험장치가 원활하게 동작할 수 없으므로 풍동교정용 데이터를 획득하는 교정실험은 시험부의 유동상태를 규정짓는 매우 중요한 풍동실험 요소 중의 하나라고 할 수 있다.

참고문헌 (10)

AIAA, 2003, "Recommended Practice - Calibration of Subsonic and Transonic Wind Tunnels," American Institute of Aeronautics and Astronautics, AIAA R-093-2003.
AIOLOS Engineering, 1998, "ADD Low Speed Wind Tunnel - Acceptance Test Program", AIOLOS Engineering Corporation, Report No. 4035/R140.
오세윤, 박금룡, 이종건, 안승기, "회전익 항공기 기체공력 특성에 관한 실험적 연구", 한국항공우주학회지, 제33권 9호, pp. 9-15, 2005. 9.

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오세윤, 안승기, 조철영, "단일영역 오차보간 모델을 이용한 5-Hole Probe의 교정", 한국항공우주학회지, 제34권 제5호, pp 30-38, 2006.

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오세윤, 김상호, 안승기, 조철영, 이종건, "스텔스 형상 공력특성에 관한 실험적 연구", 한국항공우주학회지, 제36권 10호, pp. 962-968, 2008. 10.

원문보기 상세보기
Barlow, J. B., Rae, W. H. Jr. and Pope, A., "Low-Speed Wind Tunnel Testing", 3rd ed., John Wiley & Sons, Inc., 1999.
AIAA, 1999, "Assessment of Experimental Uncertainty with Application to Wind Tunnel Testing", American Institute of Aeronautics and Astronautics Standard, AIAA S-017A-1999.
오세윤, 이종건, 김성철, 김상호, 안승기, "국방과학연구소 저속풍동 시험부 교정 연구", 2011 한국항공우주학회 추계학술대회, pp. 306-311, 2011. 11.
오세윤, 박승오, 안승기, "실험설계법 기반 풍동실험 시스템오차 감소방안", 한국항공우주학회 2007년도 추계학술발표회 논문집(I), pp. 117-122, 2007. 11.
오세윤, 박승오, 안승기, "실험설계법 기반 풍동실험 정밀도 향상방안", 한국항공우주학회 2007년도 추계학술발표회 논문집(I), pp. 123-127, 2007. 11.

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