[논문]정상유동 장치에서 유동 특성 평가 방법에 대한 연구(4) - 유속분포(2)

박찬준; 성재용; 엄인용

doi:10.7467/ksae.2016.24.2.242

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This paper is the forth investigation on the evaluation methods of flow characteristics in a steady flow bench. In the previous works, it was concluded that the assumption of the solid rotation might cause serious problems and both of the eccentricity and the velocity profile distort the flow charac...

This paper is the forth investigation on the evaluation methods of flow characteristics in a steady flow bench. In the previous works, it was concluded that the assumption of the solid rotation might cause serious problems and both of the eccentricity and the velocity profile distort the flow characteristics when using the ISM at 1.75B plane. Also particle image velocimetry (PIV) measurement at this position showed that the real velocity profile was far from the assumption of ISM evaluation. In this paper, the planar velocity profiles were measure from 1.75B to 6.00B position by PIV and the characteristics were examined according to the valve angles and lifts for further investigations about the effect of the position on the velocity profile. The results show that $26^{\circ}$ valve angle is always an unique exceptional case in all aspects. If the valve angle is $21^{\circ}$ and below, the planar velocity profiles according to the lift and the position are similar to each other, however, the tangential velocity curves along with the radial direction have common tendencies up to $16^{\circ}$ angle. Also the well arranged swirl behaviors are generally observed at the position above 3.00B and the velocity contour lines come closer to the concentric circle as the valve lift increases. In addition, the gradient of tangential velocity along with the radial direction from the swirl center becomes stable and constant as the position goes downstream. Concurrently the velocity gradient is larger to the eccentric direction of the center. In the meantime the tangential velocity curves along with the radial direction are irregular and various at 1.75B, however, they become regular and reach higher level as the evaluation position goes downstream. At this time the curves of 4.50B are the best fitted to the ideal one. On the other hand in an exceptional case, $26^{\circ}$, the velocity contours are very complicated over 6mm valve lift regardless the position and the gradient increases to the opposite direction of the eccentric center. Also, 6.00B is a best fitting position in the geometrical cylinder center base. With respect to the swirl center, the distribution range of centers for 1.75B is different to that for the other positions and the eccentricities of this plane are larger regardless the valve angle. After 1.75B, there is no certain tendency in the center position change according to the valve angle and lift. Additionally, the eccentricities are not sufficiently small to neglecting the effect on ISM measurement.

주제어

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문제 정의

8) 따라서 평가위치와 밸브리프트에 따른 속도분포의 특성을 살펴보기로 한다.
본 논문은 이러한 평가 방법의 문제점을 검토하기 위한 일련의 연구 중 하나이다. 본 연구 이전에 정상유동 평가의 근간이 되는 강체회전 가정을 검토하였고,⁸⁾ 이어서 유속분포 1.
이러한 맥락에서 본 연구에서는 측정 위치 및 평가 방법에 대한 이후의 논의를 위해, 밸브 각도가 다른 네 가지 헤드를 대상으로 평가위치를 달리하며 PIV로 유속을 측정하고 분포상태를 비교한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
이상과 같이 밸브각도와 평가위치에 따른 유동특성의 변화를 살펴보았으며, 이러한 특성의 변화가 유동특성 평가에 미치는 구체적 영향에 대해서는 이후 논문을 통해 논의하겠다.

제안 방법

그리고 이러한 문제점들은 실제 정상유동의 구조 즉 속도분포가 정상유동평가의 가정인 강체회전에 부합하지 않기 때문에 발생하므로 입자영상유속계(PIV, Particle Image Velocimetry)를 정상유동장치에 적용하여 통상적인 정상유동실험 조건으로 유속분포를 측정하였다.
본 논문은 이러한 평가 방법의 문제점을 검토하기 위한 일련의 연구 중 하나이다. 본 연구 이전에 정상유동 평가의 근간이 되는 강체회전 가정을 검토하였고,⁸⁾ 이어서 유속분포 1.75B 평가위치에서 가정과 실제 속도분포 차이에 기인한 왜곡 현상을 분석하였다.⁹⁾
이전 연구에서는 1.75B에서 밸브각도 변화에 주목하여 평가하였는데, 본 논문에서는 향후 평가위치에 대한 새로운 제안을 위해 1.75, 3.00, 4,50, 6.00B에서 평가위치의 영향을 주로 살펴보기로 한다.

성능/효과

00B에 도달하면, 속도분포 등고선이 폐곡선 상태로 나타난다는 측면에서 스월이 정돈된 것으로 볼 수 있지만, 3 mm의 경우 역시 등고선이 매우 복잡함을 알 수 있다. 4.50B 이상에서 등고선의 복잡함은 다소 완화가 되고, 정돈 상태가 비교적 양호한 스월이 관찰되지만 다른 각도에 비해 스월의 편심이 크다.
그리고 이러한 문제점들은 실제 정상유동의 구조 즉 속도분포가 정상유동평가의 가정인 강체회전에 부합하지 않기 때문에 발생하므로 입자영상유속계(PIV, Particle Image Velocimetry)를 정상유동장치에 적용하여 통상적인 정상유동실험 조건으로 유속분포를 측정하였다. 그 결과 1.75B 위치에서 실제 속도분포 특성은 ISM 평가의 가정과 매우 다르다는 것을 확인하였다.¹⁰⁾
또한 현재 측정 방법을 사용하면 스월의 편심과 속도 분포는 모두 유동 특성을 왜곡시키지만 편심은 과소평가 쪽으로 그리고 속도분포는 과대평가 쪽으로 작용하고, 속도분포의 영향이 편심보다 훨씬 크고 지배적임을 논의하였다. 마지막으로 현재 통상적으로 사용하는 측정 위치에서 실제 속도분포 특성은 충격식 스월 측정기 평가의 가정과 매우 다르다는 것을 관찰하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	정상유동평가 방법은 어떤 장점이 있는가?	정상유동평가 방법은 기관의 내부유동 예측에 유용한 정보를 제공해 주는 매우 유효한 방법이다. 그러나 실제 사용에서 유동 특성에 대한 왜곡된 정보를 제공하는 경우가 있음에도 불구하고, 방법에 대한 검토는 거의 이루어지지 않았다.
	입자영상유속계를 사용한 이유는 무엇인가?	그리고 이러한 문제점들은 실제 정상유동의 구조 즉 속도분포가 정상유동평가의 가정인 강체회전에 부합하지 않기 때문에 발생하므로 입자영상유속계(PIV, Particle Image Velocimetry)를 정상유동장치에 적용하여 통상적인 정상유동실험 조건으로 유속분포를 측정하였다. 그 결과 1.
	스월 중심의 속도분포는 실린더 중심과 비교할 때 공통점과 차이점은 무엇인가?	먼저 평가위치가 하류로 갈수록 접선속도가 증가하는 것은 일치하지만 1.75 - 6mm에서 중심과 가까울 때는 상당히 높다가 외각에서 급속히 감소한다. 이것은 Fig. 4에서 관찰된 바와 같이 1.75 - 6mm에서 1/4분면에 치우쳐진 스월 거동이 존재하여, 실린더 중심을 횡단하는 하는 유동과 스월 중심을 기준으로 그 대각의 실린더 외각 유동이 강하게 나타나기 때문이다.

참고문헌 (10)

I. Y. Ohm and C. J. Park, "Effect of Fuel Stratification on Initial Flame Development: Part 1 - Without Swirl," Int. J. Automotive Technology, Vol.7, No.5, pp.519-526, 2006.
I. Y. Ohm and C. J. Park, "Effect of Fuel Stratification on Initial Flame Development: Part 2 - Low Swirl Condition," Int. J. Automotive Technology, Vol.9, No.6, pp.671-678, 2008.

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I. Y. Ohm and C. J. Park, "Effect of Fuel Stratification on Initial Flame Development: Part 3 - High Swirl Condition," Int. J. Automotive Technology, Vol.12, No.5, pp.653-660, 2011.

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M. G. Kang and I. Y. Ohm, "Effect of Intake Flow Control Method on Part Load Performance in SI Engine - Comparison of Throttling and Masking," Transactions of KSAE, Vol.22, No.2, pp.156-165, 2014.

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M. G. Kang and I. Y. Ohm, "Effect of Intake Flow Control Method on Part Load Performance in SI Engine(2) - EGR Characteristics and Comparison of Dilution Method," Transactions of KSAE, Vol.22, No.4, pp.121-130, 2014.

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J. B. Heywood, Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw-Hill, Int. Edn., Singapore, pp.343-345, 1988.
R. Stone, Introduction to Internal Combustion Engines, 2nd Edn., McGraw-Hill, Hong Kong, pp.183-185, 1992.
C. J. Park and I. Y. Ohm, "Study on Evaluation Method of Flow Characteristics in Steady Flow Bench(1) - Raising Issue," Transactions of KSAE, Vol.23, No.1, pp.88-96, 2015.

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C. J. Park and I. Y. Ohm, "Study on Evaluation Method of Flow Characteristics in Steady Flow Bench(2) - Comparison of ISM and PIV Measurement," Transactions of KSAE, Vol.23, No.1, pp.139-147, 2015.

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C. J. Park, J. Y. Sung and I. Y. Ohm, "Study on Evaluation Method of Flow Characteristics in Steady Flow Bench(3) - Velocity Profile(1)," Transactions of KSAE, Vo1.24, No.2, pp.169-182, 2016.

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