충격파관에서 발생하는 충격파는 저압관단으로 전파하며, 관단에서 반사한다. 반사 충격파와 경계층의 간섭으로 반사 충격파에 분지가 발생하게 되고, 분지한 반사 충격파는 접촉면과 간섭하며, shock train이 발생하게 된다. 그러나 충격파관에서 발생하는 shock train 현상에 대한 연구는 미흡한 실정이다. 본 연구에서는 2차원 축대칭 충격파관을 사용하여 비정상, 압축성 Navier-Stokes 방정식을 적용한 수치해석을 수행하였으며, shock train의 상세한 특성을 조사하기 위하여, 고정된 압력비에서 충격파관의 길이 및 직경을 변화시켰다.
충격파관에서 발생하는 충격파는 저압관단으로 전파하며, 관단에서 반사한다. 반사 충격파와 경계층의 간섭으로 반사 충격파에 분지가 발생하게 되고, 분지한 반사 충격파는 접촉면과 간섭하며, shock train이 발생하게 된다. 그러나 충격파관에서 발생하는 shock train 현상에 대한 연구는 미흡한 실정이다. 본 연구에서는 2차원 축대칭 충격파관을 사용하여 비정상, 압축성 Navier-Stokes 방정식을 적용한 수치해석을 수행하였으며, shock train의 상세한 특성을 조사하기 위하여, 고정된 압력비에서 충격파관의 길이 및 직경을 변화시켰다.
A normal shock wave is initially formed in the shock tube that migrates towards the closed end of the tube, which, in turn, leads to the reflection of shock. Due to the interaction of the reflected shock with the boundary layer, bifurcation of the shock wave takes place. A shock train will be genera...
A normal shock wave is initially formed in the shock tube that migrates towards the closed end of the tube, which, in turn, leads to the reflection of shock. Due to the interaction of the reflected shock with the boundary layer, bifurcation of the shock wave takes place. A shock train will be generated after the bifurcated shock wave approaches the contact surface. Until now, only a few studies have been conducted to investigate this shock train phenomenon inside the shock tube. For the present study, a CFD analysis has been performed on a two dimensional axisymmetric model of a shock tube using unsteady, compressible Navier-Stokes equations. In order to investigate the detailed characteristics of the shock train phenomenon, quantitative studies have been performed by varying shock tube length, diameter under fixed diaphragm, and pressure ratio inside a shock tube.
A normal shock wave is initially formed in the shock tube that migrates towards the closed end of the tube, which, in turn, leads to the reflection of shock. Due to the interaction of the reflected shock with the boundary layer, bifurcation of the shock wave takes place. A shock train will be generated after the bifurcated shock wave approaches the contact surface. Until now, only a few studies have been conducted to investigate this shock train phenomenon inside the shock tube. For the present study, a CFD analysis has been performed on a two dimensional axisymmetric model of a shock tube using unsteady, compressible Navier-Stokes equations. In order to investigate the detailed characteristics of the shock train phenomenon, quantitative studies have been performed by varying shock tube length, diameter under fixed diaphragm, and pressure ratio inside a shock tube.
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문제 정의
본 연구에서는 에 도시한 차원 축대칭충격파관을 사용하여 수치해석을 수행하였다.충격파관은 고압관과 저압관 그리고 격막으로 구성된다.
본 연구에서는 충격파관에서 발생하는 ST의 발생 기구 및 유동장의 특성 그리고 충격파관의 길이나 직경이 ST에 미치는 영향을 조사하기 위하여 수치해석을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
가설 설정
유동은 1차원 비정상 압축성 유동으로 가정한다. 기체의 점성과 열전도 등을 무시할 수 있는 등엔트로피유동으로 가정하며, 충격파를 제외한 유동의 압력손실은 없다.또 격막의 파막은 순간적으로 이루어지며, 파막 과정에서 발생하는 과도적 현상 및 에너지 손실기구는 무시한다.
유동은 1차원 비정상 압축성 유동으로 가정한다. 기체의 점성과 열전도 등을 무시할 수 있는 등엔트로피유동으로 가정하며, 충격파를 제외한 유동의 압력손실은 없다.
제안 방법
고압관의 길이를500~1,500mm, 저압관의 .길이를 2,900~6,900mm, 직경을 9.5~24.7mm로 변화시켰다. 반사 충격파와 경계층의 간섭이 발생하는 벽면 주위의 유동을 정확히 예측하기 위하여 충격파관의 벽면과 양 끝단에 경계층 격자를 적용하였으며, 충격파관의 제원 변화에 따른 약 100,000~220,000개의 격자를 배치 하였다.
7mm로 변화시켰다. 반사 충격파와 경계층의 간섭이 발생하는 벽면 주위의 유동을 정확히 예측하기 위하여 충격파관의 벽면과 양 끝단에 경계층 격자를 적용하였으며, 충격파관의 제원 변화에 따른 약 100,000~220,000개의 격자를 배치 하였다.
본 연구는 문헌(12)의 후속 연구로 ST 현상의 발생 원인을 명확하게 하고 충격파관의 길이나 직경 등의 제원이 ST에 어떠한 영향을 미치는지 상세하게 조사하기 위하여 고정된 압력비 (P4/P1) 340에서 2차원 축대칭 충격파관을 사용하여 수치해석을 수행하였다.
9는 고압관 길이가 ST에 미치는 영향을 조사하기 위하여 저압관 길이를 6900mm로 고정시킨 후, 고압관의 길이를 500~1,500mm로 변화시킨 수치해석의 결과이다. 압력은 관의 벽면에서 측정하였다. 그 결과 3개의 case 모두 ST이 발생한 위치는 약 x/D=167관단으로부터 550mm로 아주 근접한 위치에서 발생하였으며, 압력 역시 거의 동일한 값을 보인다.
충격파관에서 발생하는 의 발생 기구를 조사 ST 하기 위하여 시간에 따른 반사 충격파와 접촉면 ,의 간섭 전 후의 유동 상태를 조사하였으며, Fig. 3 . (a) 에 도시하였다 그림 의 파동선도에서 t1∼2는 반사 충격파와 접촉면의 간섭 전, t3는 간섭 순간, t4∼5는 간섭 후의 시간이며 시간 은 충격파가 저압관단에서 반사한 순간으로부터 경과한 시간이다 그림 에서 .
충격파관의 직경이 ST에 미치는 영향을 조사하였다. Fig.
이론/모형
ANSYS-Fluent 15.0 소프트웨어를 사용하여 비정상 압축성 방정식을 유한 체적법 Navier-Stokes으로 이산화 하였다 경계조건으로 충격파관의 .상부와 양 끝단은 충격파관의 하부를 로 wall, axis 적용하였다 고압관의 초기 압력 저 .
를 적용하였다 경계층 유동을 적절히 예측하기 위하여 유동의 압축성을 고려한 SST k-ω난류 모델을 사용하였으며, Table 1의 7개case에 대한 수치해석을 수행하였다.
성능/효과
(1) 반사 충격파와 경계층의 간섭으로 분지한 반사 충격파는 접촉면과 간섭으로 반사 충격파의 강도가 급격히 증가한다. 이는 경계층을 벽면으로부터 광범위하게 박리시키며 ST의 발생을 야기한다.
(2) 고정된 저압관 길이에서 고압관 길이를 변화시켰을 때 고압관의 길이는 ST의 강도 그리고 ,발생 위치에 영향을 미치지 않는다. 또 저압관 길이가 짧을수록 ST은 관단과 더 인접한 위치에서 발생하였으며, 과잉 압력은 증가하였다.
(3)직경이 작을수록 ST의 과잉 압력은 감소하였으며, 관단과 더 인접한 위치에서 발생하였다.
(4) 반사 충격파의 강도가 강할수록 ST의 길이는 길어진다.
8 . P1.max는 영역에 ST서 선두 충격파의 과잉 압력, P6.max는 여섯 번째 충격파의 과잉 압력을 의미하며 접촉 지역과간섭이 진행될수록 각각의 충격파 즉 ST의 과잉 압력은 증가한다는 것을 알 수 있다.
압력은 관의 벽면에서 측정하였다. 그 결과 3개의 case 모두 ST이 발생한 위치는 약 x/D=167관단으로부터 550mm로 아주 근접한 위치에서 발생하였으며, 압력 역시 거의 동일한 값을 보인다. 이는 고압관 길이는 ST의 발생 위치와 유동장에 큰 영향을 미치지 않는다는 것을 의미한다.
10에는 고압관 길이를 1,500mm로 고정하여 저압관 길이 변화를 적용한 경우, ST에 미치는 영향을 조사하였다. 그림에서 저압관 길이가 짧을수록 ST의 과잉 압력은 더 크게 나타났으며,ST의 길이를 관찰해 보았을 때, 저압관 길이가 2,900mm, ST 인 경우의 길이는 약180mm, ST영역에서 충격파의 개수는 7개, 저압관 길이가 6,900mm인 경우 길이는 150mm, 약 개수는 6 개로 저압관의 길이가 짧을수록 ST의 길이는 길어졌으며 충격파는 더 많이 발생하였다 격막의 파막으로 발생한 충격파는 저압관내를 전파할시,충격파와 관벽에서 발생하는 마찰의 증가로 충격파 강도의 손실이 발생하게 되며 이는 저압관 길이에 따른 반사 충격파의 강도는 ST유동장에영향을 미친다는 것을 의미한다.
(2) 고정된 저압관 길이에서 고압관 길이를 변화시켰을 때 고압관의 길이는 ST의 강도 그리고 ,발생 위치에 영향을 미치지 않는다. 또 저압관 길이가 짧을수록 ST은 관단과 더 인접한 위치에서 발생하였으며, 과잉 압력은 증가하였다.
후속연구
(5) 본 연구의 수치해석 결과를 바탕으로, 현상에 영향을 미치는 충격파관의 압력비 등을 변화시켜 후속 연구를 수행할 예정이다.
저압관의 길이가 짧을수록, 그리고 직경이 클수록, 반사 충격파와 접촉면의 간섭은 강해지며 ST의 길이는 길어진다. ST의 길이에 비례하여 다수의 충격파개수가 증가할수록 전압의 손실은 증가하며 이러한 초음속 내부유동에서 고속의 흐름을 발생시키기 위해서는 ST의 제어 기구에 대한 연구 등 보다 많은 후속 연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
충격파관이 기체역학 고속유체공학 등의 분야에 사용되는 이유는 무엇인가
잘 알려진 바와 같이 충격파관은 구조가 매우 ,단순한 장치지만 그 내부에서 발생하는 유동장 ,은 비정상 파동현상과 점성 압축성 유동에 의하여 지배되므로 유동장의 특성을 이해하는 것이 ,쉽지 않다 그러나 충격파관은 보다 용이하게 충 .격파를 발생시킬 수 있어 간단하게 실험할 수 있으며 유동장의 재현성이 매우 높아 기체역학 고 , ,속유체공학 등의 분야에서 매우 다양한 용도로 활용되고 있다 따라서 이러한 충격파관을 이용 .하여 압축성 공학의 복잡한 유동현상을 연구하는 것은 매우 중요하다.
초음속 내부 유동에서 다수의 충격파는 무엇을 야기하는가
초음속 내부 유동에서 발생하는 충격파는 필연적으로 경계층과 복잡한 간섭을 일으켜 다수의 , 충격파(shock train(ST))가 형성되거나 충격파가 진동하게 된다. (1~6) 이러한 ST 현상은 유동 장치의 성능과 효율에 영향을 미치며, 전압의 손실 등을 야기한다, 종래 연구결과로부터,(7~11) 이러한 충격파와 경계층의 간섭현상은 충격파관(shock tube)에서도 발생한다는 것을 보고하였다. 충격파관의 끝단에서 반사하는 충격파가 상류쪽으로 거슬러 전파하는 경우, 벽면 경계층과 간섭을 하게 되어 ST이 발생하게 되며, 또 최근 김동욱 등(12)에 의하여 보고된 연구에 따르면, 반사 충격파가 접촉면을 통과하여 상류로 전파하는 경우, 접촉면 후방의 기류와 간섭하여 ST을 형성하게 된다는 것을 지적하였으나,(Fig.
초음속 내부 유동에서 발생하는 충격파는 어떻게 다수의 충격파, 충격파 진동을 형성하는가
초음속 내부 유동에서 발생하는 충격파는 필연적으로 경계층과 복잡한 간섭을 일으켜 다수의 , 충격파(shock train(ST))가 형성되거나 충격파가 진동하게 된다. (1~6) 이러한 ST 현상은 유동 장치의 성능과 효율에 영향을 미치며, 전압의 손실 등을 야기한다, 종래 연구결과로부터,(7~11) 이러한 충격파와 경계층의 간섭현상은 충격파관(shock tube)에서도 발생한다는 것을 보고하였다.
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