[논문]150kW 아크제트 유동의 엔탈피 결정

나재정; 이정민

doi:10.5139/jksas.2013.41.7.547

150kW 아크제트 유동의 엔탈피 결정
Determination of Enthalpy in the 150kW Arc-Jet 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.41 no.7, 2013년, pp.547 - 551

나재정 (Agency for Defence Development) , 이정민 (Agency for Defence Development)

초록
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아크제트 유동에서 질량평균 및 중심영역 엔탈피 값을 실험적으로 구하였다. 실험에 사용된 아크제트는 150kW 휼스형으로 가스터빈 엔진 분출냉각 기술 연구를 위한 실험조건을 적용하였다. 질량평균 엔탈피 값은 5.5MJ/kg로 음속목유동 방법을 적용하여 구하였다. 중심영역 엔탈피 값은 14.3MJ/kg으로 열전달 방법을 적용하여 구하였다. 실험결과 아크제트 유동에서 중심영역 대비 질량평균 엔탈피 값의 비는 2.6으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Mass averaged and core enthalpy in the arc jet flow are obtained experimentally. The experiment is made for the 150kW Huels type arc-jet applying the test condition for the research of gasturbine engine injection cooling technique. The mass averaged enthalpy value determined by the sonic throat method is 5.5MJ/kg. The core enthalpy value determined by the heat transfer rate method is 14.3MJ/kg. Based on result of experiment, the ratio of the core to mass averaged enthalpies is 2.6.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 150kW 휼스형 아크제트 유동에서의 중심영역 및 질량평균 엔탈피와 그 비율을 실험적으로 구하였다. 실험조건은 현재 진행중인 가스터빈 엔진 분출냉각 기술 연구를 위한 실험 조건을 적용하였다.

가설 설정

q/q_i=0.99일 때를 열유속 측정 소자에서의 충분한 열입력 침투 조건으로 가정하여 응답시간 t_r=0.48s을 적용하였다.
음속목유동 방법에서는 아크제트 유동을 일차원, 경계층이 없으며, 유량은 밀도와 유속에 비례하는 것으로 가정한다. 밀도와 유속은 아크제트 내부 압력과 엔탈피의 함수로 엔탈피 2.
탐침을 사용한 정체점 측정조건은 x=0인 열유속 측정 소자 전면에서 일정한 열유속 q가 가해지는 공력가열 환경으로 열유속 측정 소자 내부 열분해 및 표면에서의 열화학반응에 의한 형상변화가 없는 일차원 고체로 가정하였다. 탐침 전면은 차가운 벽면온도 조건에 해당하므로 적용된 아크제트 노즐 출구 유동조건에서 복사에 의한 열전달량은 대류 열전달량에 비해 1% 이하로 예측되어 무시하였다.

제안 방법

이 경우 정체점에서의 밀도, 점성계수 및 경계층 속도구배를 충격파 영역의 비평형(non-equilibrium) 유동해석으로 구하여야 한다[7]. 그러나 본 논문에서는 해석적 방법이 아닌 측정 가능한 유동 변수로부터 엔탈피를 구하는 방법을 적용하였다. 측정된 열유속과 정체점 압력에 대한 중심영역 엔탈피 h_c는 다음과 같은 관계식을 사용하여 환산하였다[8].
동일한 아크제트 작동조건으로 3회 측정한 실험 데이터를 사용하여 엔탈피를 결정하였다. 실험 조건에서 작동기체 평균 유량은 10.
실험에 사용된 150kW 아크제트의 경우는 열평형 방법이 음속목유동 방법에 비해 최대 8%의 더 큰 오차를 갖는 것으로 알려져 있다[3]. 따라서 본 논문에서는 보다 정확한 음속목유동 방법에 의한 질량평균 엔탈피 측정값을 적용 하였다. 제시된 아크제트 작동조건에서 측정된 작동기체 유량, 아크실 내부 압력 및 노즐 목 직경으로부터 계산된 질량평균 엔탈피 평균값은 5.
아크제트 유동 중심영역 정체점에서 열전달율은 오직 유동 중심선에 따른 물성(properties)의 함수이다. 따라서 중심영역 엔탈피는 아크제트 유동 정체점에서 원형 디스크 형상의 구리 열량계(calorimeter)를 사용한 열전달 방법을 적용하여 열유속 q와 정체압력 p_t를 측정한 후 이를 환산하여 구한다.
분출냉각 기술 연구를 위한 150kW 휼스형 아크제트 시험 조건에서 실험을 통해 측정한 값들을 이용하여 중심영역 엔탈피와 질량평균 엔탈피 값을 구하였다. 질량평균 엔탈피 값은 5.
본 논문에서는 150kW 휼스형 아크제트 유동에서의 중심영역 및 질량평균 엔탈피와 그 비율을 실험적으로 구하였다. 실험조건은 현재 진행중인 가스터빈 엔진 분출냉각 기술 연구를 위한 실험 조건을 적용하였다. 사용된 150kW 휼스형 아크제트는 Fig.
정체점에서의 압력은 피토(pitot)관 형식의 탐침을 사용하여 측정하였다. 정체압 탐침의 직경은 열유속 측정 탐침과 동일하게 하여 탐침 전면 충격파 두께가 모두 동일하도록 하였으며, 열유속 측정 위치와 동일한 노즐 출구 10mm 지점에서 정체압을 측정하였다. 제시된 아크제트 작동 조건에서 평균 정체압력은 2.

대상 데이터

실험조건은 현재 진행중인 가스터빈 엔진 분출냉각 기술 연구를 위한 실험 조건을 적용하였다. 사용된 150kW 휼스형 아크제트는 Fig. 2에서 보는 바와 같다.
실험에 사용된 150kW 아크제트는 Fig.1 및 Fig. 2에서 보는 바와 같이 두개의 직렬 원통형 전후방 전극, 전극 사이에 위치한 와류 작동기체 유입실 및 축소 확대 노즐로 구성되어 있다. 길이 16.
3과 같은 원형 디스크 형상을 갖는 직경 5mm, 두께 10mm인 무산소동(oxygen free high conductivity copper) 열유속 측정 소자(slug) 장착한 탐침(probe)을 사용하였다. 탐침의 직경은 16.0mm이며 노즐 출구로부터 10mm 떨어진 지점에서 측정하였다. 열전대 접합 점은 디스크 뒷면 중심이고 디스크 측면과 뒷면은 세라믹 소재로 단열 처리하였다.

이론/모형

실험에 적용한 열유속 측정 방법은 소위 차가운-벽(cold-wall) 정체점 열전달량 측정방법[4]으로 Fig. 3과 같은 원형 디스크 형상을 갖는 직경 5mm, 두께 10mm인 무산소동(oxygen free high conductivity copper) 열유속 측정 소자(slug) 장착한 탐침(probe)을 사용하였다. 탐침의 직경은 16.
정체점에서의 압력은 피토(pitot)관 형식의 탐침을 사용하여 측정하였다. 정체압 탐침의 직경은 열유속 측정 탐침과 동일하게 하여 탐침 전면 충격파 두께가 모두 동일하도록 하였으며, 열유속 측정 위치와 동일한 노즐 출구 10mm 지점에서 정체압을 측정하였다.
휼스형 아크제트에서 질량평균 엔탈피는 아크제트 인가 전력과 냉각 손실을 측정한 후 열평형(heat balanced) 방법과 음속목유동(sonic throat) 방법을 사용하여 실험적으로 구할 수 있다. 중심영역 엔탈피는 아크제트 노즐 출구 유동 내 정체점(stagnation point)에서의 열전달 방법 혹은 충격파 후단의 복사(radiation) 강도를 측정 분석하는 분광분석(spectrometric) 방법을 사용하여 실험적으로 구할 수 있다.

성능/효과

02g/s이다. 아크 전류는 평균 364.3A로 일정하게 유지하였으며 측정된 전압 평균값은 396.4V로 아크제트 평균 전력(electric power)은 144.4kW이다. 측정된 아크전류와 전압의 표준편차는 각각 0.
3MJ/kg으로 나타났다. 아크제트 유동 구배를 정의하는 중심영역 대비 질량평균 엔탈피 비율은 2.6으로 환절-수축형 아크제트에 비해 65% 수준으로 낮은 값을 보여 시험부 유동 구배의 균질성 비교 면에서 보다 우수한 것으로 확인되었다.
정체압 탐침의 직경은 열유속 측정 탐침과 동일하게 하여 탐침 전면 충격파 두께가 모두 동일하도록 하였으며, 열유속 측정 위치와 동일한 노즐 출구 10mm 지점에서 정체압을 측정하였다. 제시된 아크제트 작동 조건에서 평균 정체압력은 2.0atm이며 표준편차는 0.02atm이다.
따라서 본 논문에서는 보다 정확한 음속목유동 방법에 의한 질량평균 엔탈피 측정값을 적용 하였다. 제시된 아크제트 작동조건에서 측정된 작동기체 유량, 아크실 내부 압력 및 노즐 목 직경으로부터 계산된 질량평균 엔탈피 평균값은 5.5MJ/kg이며 표준편차는 0.1MJ/kg이다.
6배 이다. 측정 결과는 중심영역과 질량평균 엔탈피의 비가 최대 4배에 이르는 환절-수축형 아크제트에 비해 65% 정도로 비교적 낮은 값을 보인다. 휼스형 아크제트가 환절-수축형 아크제트에 비해 아크 길이가 짧은 점을 고려하면 타당한 결과라 할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	분출냉각 기술 연구를 위한 150kW 휼스형 아크제트 시험 조건에서 측정한 중심영역,질량평균 엔탈피 값은 얼마인가?	분출냉각 기술 연구를 위한 150kW 휼스형 아크제트 시험 조건에서 실험을 통해 측정한 값들을 이용하여 중심영역 엔탈피와 질량평균 엔탈피 값을 구하였다. 질량평균 엔탈피 값은 5.5MJ/kg, 중심영역 엔탈피 값은 14.3MJ/kg으로 나타났다. 아크제트 유동 구배를 정의하는 중심영역 대비 질량평균 엔탈피 비율은 2.
	아크제트 유동 해석 혹은 시험평가에 있어 중요한 파라미터는 무엇인가?	아크제트 유동 해석 혹은 시험평가에 있어서 중요한 파라미터는 열, 화학 및 운동 에너지 량, 즉 유동 엔탈피(enthalpy) 값이다. 아크제트는 Fig.
	중심 영역 엔탈피는 어떻게 구할 수 있는가?	휼스형 아크제트에서 질량평균 엔탈피는 아크제트 인가 전력과 냉각 손실을 측정한 후 열평형 (heat balanced) 방법과 음속목유동(sonic throat) 방법을 사용하여 실험적으로 구할 수 있다. 중심 영역 엔탈피는 아크제트 노즐 출구 유동 내 정체점(stagnation point)에서의 열전달 방법 혹은 충격파 후단의 복사(radiation) 강도를 측정 분석하는 분광분석(spectrometric) 방법을 사용하여 실험적으로 구할 수 있다. 환절-수축형 아크제트의 경우 중심영역과 질량평균 엔탈피의 비는 최대 4배에 이를 수 있다고 알려져 있다[1].

참고문헌 (8)

Okuno, A. F., and Park C., "Stagnation-point Heat Transfer Rate in Nitrogen Plasma Flows; Theory and Experiment," ASME Journal of Heat Transfer, Vol. 92, No. 3, 1970, pp. 372-384.

상세보기
Winovich, W., "On the Equilibrium Sonic Flow Method for Evaluating Electric Arc Air Heater Performance," NASA TN D-2132, 1964.
Na J. J., "Operational Envelope of 150kW Huels Type Arc-Jet," KOSCO 33th Symposium, 2006.
ASTM E457-96, "Standard test Method for Measuring Heat-Transfer Rate Using a Thermal Ca- pacitance(Slug) Calorimeter," ASTM International, 2002.
Fay, J. A., and Riddell, F. R., "Theory of Stagnation Point Heat Transfer in Dissociated Air Flow," Journal of the Aeronautical Sciences, Vol. 25, No. 2, 1958, pp. 73-85.
Goulard, R., "On the Catalytic Recombination Rates in Hypersonic Stagnation Heat Transfer," Jet propulsion, Vol. 28, No. 11, 1958, pp. 737-745.

상세보기
Na J. J., "Determination of Stagnation Point Parameters in the Non-equilibrium Shock Flow", KSAS Conference, 2011.
Zoby, E. V., "Empirical Stagnation-Point Heat Transfer Relation in Several Gas Mixtures at High Enthalpy Levels," NASA TN D-4799, 1968.

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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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