연소 및 추진 기관 공학 교육 과정의 일부로써 간단한 형태의 열기관인 감자총 (Potato Gun)의 제작, 시험 및 해석을 수행하였다. 정적 연소실의 화학 평형 해석을 이용하여 연소실의 압력을 계산하고, 팽창과정의 열역학 해석을 통하여 열에너지의 운동에너지로 변환되는 내탄도 과정을 계산하였다. 공기역학적 지식을 도입한 구형 탄도 궤적 해석을 통하여 비행거리를 추정할 수 있었으며, 이를 통하여 감자총의 에너지 변환 효율 및 혼합기의 당량비를 추정하였다. 본 과제는 재활용 자재를 이용하여 학부 수준에서 열-유체역학공학 지식을 활용하여 실습하고 학생들의 관심을 유발할 수 있는 적당한 예로 여겨진다.
연소 및 추진 기관 공학 교육 과정의 일부로써 간단한 형태의 열기관인 감자총 (Potato Gun)의 제작, 시험 및 해석을 수행하였다. 정적 연소실의 화학 평형 해석을 이용하여 연소실의 압력을 계산하고, 팽창과정의 열역학 해석을 통하여 열에너지의 운동에너지로 변환되는 내탄도 과정을 계산하였다. 공기역학적 지식을 도입한 구형 탄도 궤적 해석을 통하여 비행거리를 추정할 수 있었으며, 이를 통하여 감자총의 에너지 변환 효율 및 혼합기의 당량비를 추정하였다. 본 과제는 재활용 자재를 이용하여 학부 수준에서 열-유체역학공학 지식을 활용하여 실습하고 학생들의 관심을 유발할 수 있는 적당한 예로 여겨진다.
The "Potato Gun," a simple heat engine, is fabricated, tested and analyzed as a part of engineering education program of combustion and propulsion classes. Combustor pressure is predicted by the chemical equilibrium analysis of a constant volume combustor. Then, the internal ballistics, the conversi...
The "Potato Gun," a simple heat engine, is fabricated, tested and analyzed as a part of engineering education program of combustion and propulsion classes. Combustor pressure is predicted by the chemical equilibrium analysis of a constant volume combustor. Then, the internal ballistics, the conversion of thermal energy into the mechanical energy of a projectile, is predicted though the expansion process. The trajectory of a projectile is estimated by considering the aerodynamic effect around the spherical projectile. The energy conversion efficiency and the equivalence ratio of the fuel-air mixture could be estimated by the comparison of the experimental results and the theoretical prediction. The present work would be an example of attracting the interest of students for the application of the engineering principles at undergraduate level by recycling the waste materials.
The "Potato Gun," a simple heat engine, is fabricated, tested and analyzed as a part of engineering education program of combustion and propulsion classes. Combustor pressure is predicted by the chemical equilibrium analysis of a constant volume combustor. Then, the internal ballistics, the conversion of thermal energy into the mechanical energy of a projectile, is predicted though the expansion process. The trajectory of a projectile is estimated by considering the aerodynamic effect around the spherical projectile. The energy conversion efficiency and the equivalence ratio of the fuel-air mixture could be estimated by the comparison of the experimental results and the theoretical prediction. The present work would be an example of attracting the interest of students for the application of the engineering principles at undergraduate level by recycling the waste materials.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
부산대학교 항공우주공학과에서는 공학교육 인증 프로그램의 설계 교과인 4학년 연소공학 수업의 과제로써 감자총의 제작, 실험 및 해석을 수행하였다. 이를 통하여 감자총의 이론적, 공학적 특징을 정리할 수 있었으며, 그 결과를 정리하여 본 논문으로 작성하였다.
가설 설정
Mungan의 방법에서는 이론 해석을 가능하게 하기 위하여, 탄체 후방 연소 압력에 비하여 탄체 전방의 압력을 충분히 작다고 가정하여 무시하였으며,[4] 강내 마찰 손실도 학부 수준을 벋어난다고 여겨져 본 연구에서는 고려하지 않았다.
Figure 10에서 항력을 고려한 표준탄도이론을 구체화하기 위해서 몇 가지 가정이 필요하다.[6] 첫째로 탄체에 작용하는 외력은 중력과 항력이다. 항력은 압력중심에 작용하는 힘이지만 편주각Θ(물체의 운동방향과 물체 대칭축사이 각도)이 작을 때에는 항력으로 인하여 탄체에 걸리는 모멘트가 작기 때문에 이 모멘트는 무시한다.
따라서 이후의 팽창과정 해석에서는 연소 가스의 비열과 비열비를 위 범위의 중간 값인 30.4 kJ/kmol·K 와 1.27로 가정하였다.
둘째로 진공탄도를 고려할 때와 마찬가지로 중력가속도는 항상 평행하다고 생각한다. 셋째로 지구는 평탄하고 회전하지 않는다고 가정하며 대기는 표준대기라고 생각한다. 표준대기라 함은 바람이 없고 온도 및 밀도는 일정한 대기를 말한다.
항력은 압력중심에 작용하는 힘이지만 편주각Θ(물체의 운동방향과 물체 대칭축사이 각도)이 작을 때에는 항력으로 인하여 탄체에 걸리는 모멘트가 작기 때문에 이 모멘트는 무시한다. 즉, 항력은 탄체에 중심에 작용한다고 가정한다. 둘째로 진공탄도를 고려할 때와 마찬가지로 중력가속도는 항상 평행하다고 생각한다.
9는 이론 당량비 조건에서 강내 탄체의 위치, 속도, 가속도 및 탄체 후방의 압력 변화를 시간에 따라 나타낸 그래프이다. 참고로 구형 탄체가 총구(x=1 m)를 통과하는 순간과 탄체 후방의 압력이 대기압과 같아지는 순간을 표시하였으며, 충분히 긴 관을 가정하여 이론 계산을 수행하였다.
) 등이 95% 이상인 혼합연료이다. 헤어스프레이에는 연료 성분 및 기능 물질이 포함되어 있으나 각 성분의 정확한 성분비를 알 수 없고, 탄화수소 연료의 단위 질량당 열량은 대체로 비슷한 수준이므로 가장 큰 성분비를 가지고 있는 프로판으로 연료 성분을 단순히 가정하였다.
제안 방법
감자총의 탄체로는 “감자(potato)”를 비롯한 다양한 재료를 이용할 수 있으나, 보다 단순한 해석을 위하여 본 과제에서는 구형의 골프 공(golf ball)을 이용하였다.
본 과제에서는 PVC 관을 연결하는 형태로 감자총을 제작하였다. Fig.
본 논문에서는 일반적으로 취미활동으로 제작되는 감자총에 공학적 이론을 적용하여 성능 해석을 수행하였다. 본 연구에서는 정적 연소실의 화학 평형 해석을 이용하여 연소실의 압력을 계산하고, 팽창과정의 열역학 해석을 통하여 열에너지가 운동에너지로 변환되는 내탄도 과정을 계산하였다.
본 논문에서는 일반적으로 취미활동으로 제작되는 감자총에 공학적 이론을 적용하여 성능 해석을 수행하였다. 본 연구에서는 정적 연소실의 화학 평형 해석을 이용하여 연소실의 압력을 계산하고, 팽창과정의 열역학 해석을 통하여 열에너지가 운동에너지로 변환되는 내탄도 과정을 계산하였다. 아울러 공기역학적 지식을 도입한 구형 탄도 궤적 해석을 통하여 비행거리를 추정할 수 있었으며, 이를 통하여 감자총의 에너지 변환 효율 및 혼합기의 당량비를 추정하였다.
16과 같은 시험 장치를 구성하였다. 시험의 재현성을 위해 수평계를 이용하여 지면과 총구의 수평을 유지하였고, 발사대를 제작하여 지면에서부터 총구의 높이(h)를 7.2 cm로 유지하였다.
본 연구에서는 정적 연소실의 화학 평형 해석을 이용하여 연소실의 압력을 계산하고, 팽창과정의 열역학 해석을 통하여 열에너지가 운동에너지로 변환되는 내탄도 과정을 계산하였다. 아울러 공기역학적 지식을 도입한 구형 탄도 궤적 해석을 통하여 비행거리를 추정할 수 있었으며, 이를 통하여 감자총의 에너지 변환 효율 및 혼합기의 당량비를 추정하였다.
대상 데이터
본 과제에서 연료로 사용한 헤어스프레이는 액화 석유 가스(liquefied petroleum gas, LPG)를 주성분으로 하고 있으며, LPG는 프로판 (C3H8), 부탄 및 이소부탄 (C4H10) 등이 95% 이상인 혼합연료이다. 헤어스프레이에는 연료 성분 및 기능 물질이 포함되어 있으나 각 성분의 정확한 성분비를 알 수 없고, 탄화수소 연료의 단위 질량당 열량은 대체로 비슷한 수준이므로 가장 큰 성분비를 가지고 있는 프로판으로 연료 성분을 단순히 가정하였다.
감자총의 탄체로는 “감자(potato)”를 비롯한 다양한 재료를 이용할 수 있으나, 보다 단순한 해석을 위하여 본 과제에서는 구형의 골프 공(golf ball)을 이용하였다. 연료로는 실생활에 널리 이용되고 있는 헤어스프레이(hair-spray)를 사용하였다.
3은 연소실 내에 설치되어 있는 압전식 점화기의 사진이다. 연소실의 체적은 약 1.5 L이며 총신의 길이는 1.0 m, 감자총의 전체 길이는 약 1.4 m이다. 총 제작비용은 PVC 파이프 3종(연소실부, 총신부, 이음부)과 PVC 접착제 구입에 대략 2만원이 소요되었다.
4 m이다. 총 제작비용은 PVC 파이프 3종(연소실부, 총신부, 이음부)과 PVC 접착제 구입에 대략 2만원이 소요되었다.
이론/모형
)을 계산할 수 있다. 계산에는 로켓 개념 설계 등에 많이 이용되는 NASA CEA[3] 코드를 이용하였으며, 가연한계 범위에서 Tad와 Pad을 예측한 결과를 Fig. 4에 나타내었다. 이 결과로부터 얻어진 최대 및 최소 온도와 압력을 Table 2에 정리하였다.
구형 탄체의 총구속도(muzzle velocity)를 예측하기 위해 Mungan의 방법을 적용하여 강내 탄도 해석을 수행하였다[4]. 탄체의 총구속도는 탄체 후방의 연소가스의 내부 에너지 변화, du 가 탄체에 해준 일, dw 로 변환되는 에너지 보존법칙을 적용하여 예측할 수 있다.
성능/효과
본 실험의 결과는 이론 추정치 보다 대체로 긴 사거리를 보여 주며, 특히 Fig. 17에서 3,4의 경우를 보면, 최대 이론 사거리보다 더 긴 사거리가 나타남을 알 수 있다. 이는 표준 탄도 이론에서 고려하지 않은 추가적인 외력이 발생하였기 때문으로 여겨진다.
에너지 변환 효율은 탄체의 총구 운동에너지 (#)와 연소반응에 의한 열량 (Q = Uprod - Ureac)의 비로 정의된다. 이 결과에서 총구 속도는 이론 당량비 부근의 최대 연소 온도 조건에서 얻어지지만, 에너지 변환 효율은 대략 15 ~20 % 수준으로써, 희박 조건에서 높은 결과를 가짐을 알 수 있다. 이는 희박 조건일수록 전체 작동 유체 중 연료 성분이 작기 때문에 나타나는 자연스러운 결과이다.
Figure 15에 당량비 조건에 따라 표준 탄도 및 진공 탄도 해석에 의한 이론 사거리를 정리하였다. 이 결과에서 최대 사거리는 이론 당량비 조건에서 나타나며, 항력을 고려한 사거리는 진공탄도 사거리보다 전반적으로 1 m 내외, 평균적으로 약 4.7% 더 짧게 나타났다. Table 4 최소 및 최대 당량비 조건, 이론 당량비 조건 및 최대 온도 조건에서의 표준 및 진공 사거리를 정리하였다.
이상의 강내 탄도 해석 이론을 본 연구의 감자총에 적용하여 강내를 비행하는 구형 탄체의 가속도와, 속도, 위치를 예측할 수 있으며, 이를 통하여 강내의 비행 시간 및 에너지 변환 효율을 예측할 수 있다. Fig.
후속연구
본 연구결과로부터 감자총의 이론 해석 및 시험 과정은 공학 교육과정에서 학습한 지식과 도구를 이용하여 실험 결과를 충분한 정확도로 예측 가능함을 보여 주었고, 이론과 실험의 차이를 추론할 수 있는 추가적인 토의 및 연구 소재를 제공함으로써, 학부 수준의 열-유체역학 공학 지식을 활용하여 학생들의 관심을 유발할 수 있는 적당한 설계 과제로 여겨진다.
적은 비용으로 직접 제작하여 실험하여 볼 수 있다는 측면에서 감자총은 학생들의 흥미를 유발할 수 있는 유용한 학습 대상으로 여겨진다. 아울러 공학 교육 과정에서 습득한 학부수준의 지식을 활용하여 감자총의 성능 해석을 수행하고 실험 결과와 비교하여 봄으로써, 유용한 공학 도구를 활용한 설계 과정에 대한 경험을 가질 수 있을 것으로 여겨진다. 부산대학교 항공우주공학과에서는 공학교육 인증 프로그램의 설계 교과인 4학년 연소공학 수업의 과제로써 감자총의 제작, 실험 및 해석을 수행하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
화포는 어떤 열기관인가?
추진제의 화학 반응으로부터 얻은 열 에너지를 기체의 팽창과정을 통하여 비행체의 운동에너지로 변환하는 화포는 기계적으로 가장 간단한 형태의 열기관이다. 감자총(Potato Gun)은 가스 연료와 공기의 연소 과정에서 발생하는 열을 이용하여 물체를 고속으로 발사하는 장난감 수준의 장치이다[1].
화포의 작동 원리는?
추진제의 화학 반응으로부터 얻은 열 에너지를 기체의 팽창과정을 통하여 비행체의 운동에너지로 변환하는 화포는 기계적으로 가장 간단한 형태의 열기관이다. 감자총(Potato Gun)은 가스 연료와 공기의 연소 과정에서 발생하는 열을 이용하여 물체를 고속으로 발사하는 장난감 수준의 장치이다[1].
감자총의 열역학적 과정은 어떻게 나누어 해석할 수 있는가?
감자총의 열역학적 과정은 내연 기관의 발열 및 팽창과정과 유사하며, 크게 세부분으로 나누어 해석할 수 있다. 첫째는 연료와 공기의 연소에 의하여 압력이 상승하는 연소과정으로써, 연소공학 기초 이론을 통하여 연소 압력 및 시간을 예측할 수 있다. 둘째는 총신(gun barrel)부분에서 열역학적 팽창과정을 통하여 열에너지가 탄체(projectile)의 운동에너지로 변환되는 강내 탄도학(internal ballistics) 과정이며, 셋째는 총구(gun muzzle)에서 초기속도를 가지는 탄체의 운동방정식에 공기역학적 지식 등을 활용하여 비행 거리 등을 예측하는 강외 탄도학(external ballistics) 과정이다. 이러한 과정을 통해 감자총의 연소조건에 따른 이론적 사거리(range of fire or flight distance)를 예측할 수 있으며, 실제 시험으로 측정한 사거리와 비교하여 각 시험에 해당하는 연소조건을 역으로 추측해 볼 수 있다.
참고문헌 (7)
Pierson, H.M., and Price, D.M., "The Potato Cannon; Determination of Combustion Principles for Engineering Freshmen", Chemical Engineering Education, Spring, 2005 pp. 156-159.
Turns, S. R., "An Introduction to Combustion: Concepts and Applications", 3rd Ed., McGraw-Hill, 2012.
NASA CEA., http://www.grc.nasa.gov/WWW/C EAWeb/ceaHome.html.
Mungan, C.E., "Internal Ballistics of a Pneumatic Potato Cannon", Eur. J. Phys., 2009, pp.453-457.
Sasoh, A., Shinji O., and Kazuyoshi T., "Quantitative effects of projectile-launch tube wall friction on ballistic range operation." AIAA Journal, Vol.38 No.9, 2000, pp.1709-1715.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.