[논문]초음속 노즐에서 발생하는 유동 이력현상에 대한 실험적 연구

남종순; 김희동

doi:10.6108/kspe.2012.16.2.058

초음속 노즐에서 발생하는 유동 이력현상에 대한 실험적 연구
Experimental Study on the Flow Hysteresis Phenomenon in a Supersonic Nozzle 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.16 no.2 = no.69, 2012년, pp.58 - 64

남종순 (안동대학교 대학원 기계공학과) , 김희동 (안동대학교 대학원 기계공학과)

초록
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유체 유동 시스템 내 히스테리시스 현상은 현재 다양한 산업 및 공학적인 응용분야에서 매우 빈번하게 발생되고 있으며, 이는 압력비 변화과정에서 주로 나타난다. 충격파를 포함한 초음속 노즐 유동장에서 히스테리시스 현상이 매우 발생하기 쉬우며, 이에 대한 물리적 유동특성에 대해서는 여전히 많이 알려지지 않았다. 본 연구에서는 노즐 압력비 변화에 따른 초음속 노즐내부 유동특성에 대해 조사하기 위해 실험적 연구를 수행하였다. 시간에 따른 노즐 벽압력 변화를 측정하기 위하여 다수의 압력변환기를 사용하였으며, 유동장의 가시화를 위해 나노스파크 쉴리렌 가시화 기법을 적용하였다. 연구 결과를 통해 히스테리시스 현상은 노즐의 기하학적 형상뿐만 아니라 시간에 따른 압력비 변화에 크게 의존함을 알았다.

Abstract ▼ AI-Helper

Hysteresis phenomena in fluid flow systems are frequently encountered in many industrial and engineering applications and mainly appear during the transient processes of change of the pressure ratio. Shock-containing flow field in supersonic nozzles is typically subject to such hysteresis phenomena, but associated flow physics is not yet understood well. In the present study, experimental work has been carried out to investigate supersonic nozzle flows during the transient processes of change in the nozzle pressure ratio. Time-dependent surface wall pressures were measured by a multiple of pressure transducers and the flow field was visualized using a nano-spark Schlieren optical method. The results obtained show that the hysteresis phenomenon is strongly dependent on the nozzle geometry as well as the time scale of the change of pressure ratio.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 초음속 노즐 내부에서 발생하는 유동 이력현상을 실험적으로 조사하기 위하여, 몇 가지 형태의 초음속 노즐을 설계 제작하여, 노즐 내부에서 발생하는 초음속 유동을 가시화하여, 이력유동의 특성을 측정하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 초음속 노즐 내부에서 발생하는 유동 이력현상을 실험적으로 조사하기 위하여, 몇 가지 형태의 초음속 노즐을 설계 제작하여, 실험을 수행하였다. 실험에서는 유동 이력현상을 발생시키기 위하여, 노즐 상류에 위치한 정체실의 압력의 시간변화를 전자제어밸브를 사용하여 정체실의 압력을 증가시키거나 감소시킬 수 있도록 하였다.

제안 방법

Figure 7은 Noz D의 가시화 결과이다. Noz D는 노즐 출구두께를 5mm로 제작하여, Noz C의 결과와 비교하였다. 이때 두 노즐의 설계마하수 및 노즐의 길이는 동일하게 제작하여, 노즐 출구의 두께가 유동 이력현상에 미치는 영향을 조사하였다.
그림의 횡축은 NPR을 나타내고, 종축은 L/D_t이며, 두 노즐에서 발생하는 유동 이력을 비교하였다. Noz E와 Noz F 두 노즐의 이력현상은 유사하게 나타났는데, 이러한 결과는 실험에서 변화시킨 노즐의 길이가 1 mm로 변화가 크지 않았기 때문이라고 판단된다.
6에 나타내었다. 그림의 횡축은 노즐의 NPR을 그리고 종축은 노즐 목으로부터 선두충격파까지의 거리 L을 노즐 목의 높이 D_t로 무차원화 하여 설계마하수에 따른 세 형태의 노즐에서 발생하는 유동 이력을 비교하였다. Noz A는 설계 마하수는 1.
노즐 벽면에서 발생하는 충격파와 경계층의 비선형 간섭현상으로 발생하는 이력현상은 노즐의 팽창비와 관련 있는데, 각 노즐은 상류 정체실의 압력 시간변화를 거의 동일하게 설정하여 설계마하수에 따른 이력현상을 조사하였다.
또 적용된 정체실의 압력 시간 변화를 정량화하기 위하여, 노즐 상류의 정체실 압력을 Po, 그리고 노즐 하류의 배압인 대기압을 Pb로 하여, 이들의 비를 노즐 압력비 NPR=Po /Pb로 정의하였다.
실험에서 압력 시간변화를 일정하게 유지하기 위해 노즐 상류에 위치한 정체실의 압력을 전자제어 밸브를 이용하여 조절하다.
본 연구에서는 초음속 노즐 내부에서 발생하는 유동 이력현상을 실험적으로 조사하기 위하여, 몇 가지 형태의 초음속 노즐을 설계 제작하여, 실험을 수행하였다. 실험에서는 유동 이력현상을 발생시키기 위하여, 노즐 상류에 위치한 정체실의 압력의 시간변화를 전자제어밸브를 사용하여 정체실의 압력을 증가시키거나 감소시킬 수 있도록 하였다. 이 때 노즐 내부에서 발생하는 초음속 유동을 가시화하고, 순간 벽면압력을 측정하여, 이력유동의 특성을 측정하였다.
실험에서는 유동 이력현상을 발생시키기 위하여, 노즐 상류에 위치한 정체실의 압력의 시간변화를 전자제어밸브를 사용하여 정체실의 압력을 증가시키거나 감소시킬 수 있도록 하였다. 이 때 노즐 내부에서 발생하는 초음속 유동을 가시화하고, 순간 벽면압력을 측정하여, 이력유동의 특성을 측정하였다.
이들 노즐은 동일한 유량조건을 얻기 위하여, 목 높이 Dt = 11.0 mm로, 그리고 노즐 목의 곡률반경 R=90mm로 동일하게 설계하였다.
Noz D는 노즐 출구두께를 5mm로 제작하여, Noz C의 결과와 비교하였다. 이때 두 노즐의 설계마하수 및 노즐의 길이는 동일하게 제작하여, 노즐 출구의 두께가 유동 이력현상에 미치는 영향을 조사하였다. NPR은 1.

대상 데이터

Noz E와 Noz F는 노즐의 설계마하수는 동일하지만, 길이를 Noz E는 54.6 mm로 하고 Noz F는 53.6 mm로 제작하여 실험을 하였다.
2에 도시한 바와 같은 전형적인 수축-확대 노즐을 설치하였다. 이러한 초음속 노즐들의 상세형상은 Table 1에 요약하였으며, 모두 6종류의 노즐을 설계/제작하여 실험에 사용하였다. 이들 노즐은 동일한 유량조건을 얻기 위하여, 목 높이 D_t= 11.
그러나 노즐출구의 높이 D_e와 노즐의 길이 L₁을 변화시켜, 설계마하수가 다른 노즐을 얻을 수 있었다. 한편 본 실험에서 사용한 노즐 대부분은 노즐의 출구의 두께(t)가 0에 가까운 매우 날카로운 노즐을 사용하였으나, 노즐 출구 두께가 유동 이력현상에 어떠한 영향을 미치는지 조사하기 위해, Noz D의 노즐은 출구두께를 5 mm로 제작하였다. 또 Noz E와 Noz F는 노즐의 설계마하수는 동일하지만, 길이가 다르도록 제작하였다.

이론/모형

위에서 기술한 초음속 노즐에서 발생하는 이력유동은 노즐 벽면에 설치한 다수의 정압공으로부터 순간압력을 측정하여 해석하였으며[1], 또 유동장을 정성적으로 조사하기 위하여 Nano-Spark광원을 장착한 쉴리렌 가시화기법을 이용하였다. 이 쉴리렌 장치는 정체실 상류의 전자제어 밸브로부터 전기적인 신호와 동기화되어 있어, 유동장을 순간적으로 가시화할 수 있다.

성능/효과

(1) 초음속 노즐에서 발생하는 고속 유동장은 NPR의 증가하는 과정과 감소하는 과정에 측정된 충격파의 위치나 형태가 다르다.
(3) 노즐 출구 두께는 난류전단층의 발달과 불안정성에 영향을 미쳐 유동이력 현상의 발생을 줄여준다. 그리고 다양한 노즐 길이에 대한 연구가 필요하다.
25까지의 범위에서 NPR을 변화 시켰다. 두 노즐의 내부 유동은 Noz A와 유사하게 나타나며, NPR의 증가과정과 감소과정에서 발생하는 이력현상 즉, NPR의 증가과정의 충격파와 감소 과정에서 발생하는 충격파의 위치나 형태가 동일한 NPR에서 상이하게 나타났고, 이때 발생하는 충격파는 설계마하수가 2.06인 Noz C에서 강하게 발생하였다.

후속연구

Noz E와 Noz F 두 노즐의 이력현상은 유사하게 나타났는데, 이러한 결과는 실험에서 변화시킨 노즐의 길이가 1 mm로 변화가 크지 않았기 때문이라고 판단된다. 향후 노즐 길이를 다양하게 변화시켜 노즐 길이가 이력현상에 미치는 영향에 대한 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유체 유동 시스템 내 히스테리시스 현상은 어떤 과정에서 주로 나타나는가?	유체 유동 시스템 내 히스테리시스 현상은 현재 다양한 산업 및 공학적인 응용분야에서 매우 빈번하게 발생되고 있으며, 이는 압력비 변화과정에서 주로 나타난다. 충격파를 포함한 초음속 노즐 유동장에서 히스테리시스 현상이 매우 발생하기 쉬우며, 이에 대한 물리적 유동특성에 대해서는 여전히 많이 알려지지 않았다.
	이력(Hysteresis)현상과 같은 과도과정에서 발생하는 유동현상에 대한 관심이 집중되는 까닭은 무엇인가?	일반적으로 이력(Hysteresis)현상은 유동을 구동하는 압력조건이 증가하는 과정과 감소하는 과정에 따라 유동장의 형태가 다르게 나타나는 것을 의미하며, 이러한 현상은 지금까지 단순히 발생하는 자연현상으로만 인식되어 왔다[1]. 그러나 최근 다양한 산업 응용에서 과도과정(Transient Process) 즉 정상상태로 도달하기까지의 과정에서 발생하는 유동장의 경계조건이 정상상태의 유동특성에 큰 영향을 미치게 되는 것이 알려지게 되면서, 과도상태의 유동현상에 대한 많은 관심이 집중되고 있다[2, 3].
	초음속 제트 유동의 특성은 제트 압력비변화에 어떤 영향을 받는가?	최근 연구에서 초음속 제트 유동의 경우, 제트 압력비가 증가하는 과정과 감소하는 과정에서 동일한 순간 압력비에서, 초음속 제트 유동의 특성은 전혀 다르게 나타난다는 것이 보고되어 있다[5]. 실제 이러한 유동 이력현상은 유체기계의 성능이나 수명 등에 큰 영향을 미칠 수 있음에도 불구하고, 그간 과도유동에 대한 연구결과는 찾아보기 드물다.

참고문헌 (6)

Matsuo S., Setoguchi T., Shiomi N., and Kim H. D., "Hysteretic Phenomena of Shock Waves with Asymmetric Characteristics in a Supersonic Nozzle," 11th Asian Symposium on Visualization, Niigata, Japan, ASV11-12-06, 2011
Yasunobu T., Matsuoka K., Kashimura H., Matsuo S., and Setoguchi T., "Numerical Study for Hysteresis Phenomena of Shock Wave Reflection in Overexpanded Axisymmetric Supersonic Jet," Journal of Thermal Science, Vol. 15, No. 3, 2006, pp.220-225

상세보기
Welsh, F. P., "Electron Beam Fluorescence Measurements of Shock Reflection Hysteresis in an Under-Expanded Supersonic Jet," Proceedings of the 21st International Symposium on Shock Waves, Vol. 2, Panther Publishing, Fyshwick, Australia, 1997, pp.863-868
Kim H. D., Kang M. S., Otobe Y., and Setoguchi T., "The Effect of Nonequilibrium Condensation on Hysteresis Phenomenon of Under-Expanded Jets," Journal of Thermal Science and Technology, Vol. 23, No. 3, 2009, pp.856-867
Irie T., Kashimura H. and Setoguchi T., "Hysteresis Phenomena of Mach Disk in an Underexpanded Jet," Bulletin of JSME, Vol. 702, No. 71, 2005, pp.412-419
Hadjadj A., "Numerical Investigation of Shock-Reflection Phenomena in Overexpanded Supersonic Jet," AIAA Journal, Vol. 42, No. 3, 2004, pp.570-577

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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