[논문]가시화 기법을 사용한 자유낙하하는 반구모델의 자세각 및 항력계수 측정

송하균; 이성민; 이종국; 박기수

doi:10.5139/jksas.2017.45.8.619

가시화 기법을 사용한 자유낙하하는 반구모델의 자세각 및 항력계수 측정
Attitude Angle and Drag Coefficient Measurements of Free-Falling Hemisphere Using a Visualization Technique 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.45 no.8, 2017년, pp.619 - 626

송하균 (Korea Advanced Institute of Science and Technology) , 이성민 (Korea Advanced Institute of Science and Technology) , 이종국 (Agency for Defense Development) , 박기수 (Korea Advanced Institute of Science and Technology)

초록
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마하수 6 조건에서 반구 모델에 대해 자세각의 변화에 따른 항력계수를 연구하였다. 충격파 터널에서 실험이 진행되었으며 지지대 유동 간섭을 최소화하기 위해 자유낙하 기법을 사용하였다. 자유낙하하는 반구 모델의 자세와 항력계수를 측정하기 위해 계단식 모듈과 전자석을 이용한 자유낙하 기법을 구축하였고 초고속 카메라를 통한 shadowgraph 기법을 사용하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this work, the effect of attitude angle variation on drag coefficients of hemisphere in a Mach 6 flow has been investigated. Experiments were conducted in a shock tunnel and a free-falling technique was used to minimize flow disturbance by a sting. For attitude and drag coefficient measurements of a free-falling hemisphere, a free-falling technique based on a releasing mechanism with a stair-typed module and an electromagnet was developed. A shadowgraph technique was used for flow visualization using a high-speed camera.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 캡슐을 반구로 모델링하여 자세에 따른 공력 변화에 대한 기초적인 연구를 수행하였다. 자유낙하 가시화기법을 활용하여 반구 모델의 자세각을 결정하고 자유낙하 항력계수를 측정하였다.
초기 설정과 관계없이 pitch와 yaw가생성되어 시험부에서 변칙적인 자세를 이루게 된다. 자세제어가 되지 않더라도, 임의의 초기각이 존재하므로 자세에 따른 항력계수 경향성을 확인 하고자 하는 본 실험 목적에 영향은 없다.
재현성이 확보된 유동에서 임의의 자세에 따른 항력계수 경향성을 확인하는 기초연구로서 해당 결과는 신뢰성이 높은 결과로 판단된다. 자유낙하 가시화기법을 사용한 자세각과 공력특성의 관계에 대한 첫 번째 국내 연구로서 그 가능성을 확인하였다.

가설 설정

)를 유동과 물체 표면 접선의 사잇각(β)의 함수로 나타낸다[12]. 층류, 비점성 유동과 0의 배압 압력계수를 가정하는 Newtonian theory는 최대 압력계수 (C_p,max)를 2로 가정한다. Modified Newtonian theory는 충격파에 의해 감소하는 C_p,max를 고려하며 무딘 몸체에 적합하다.

제안 방법

동일한 지름 3 mm 반구 모델에 임의의 초기 자세각을 주어 실험하였다. 일관된 실험결과 비교를 위해 다수의 실험 결과 중 내경 90 mm 노즐 출구의 코어 중심으로부터 반지름 22.
이에 모델의 수직 움직임이 중력의 방향과 같은 본실험 조건에 따라 수정된 공식을 사용하였다(식 8). 또한 자세에 따른 앞면 면적의 변화를 고려하였다. 모델 수직 속력 그리고 중력가속도는 각각 v _m, 그리고 g로 표기하였다.
본 연구에서는, 전자석을 통해 자유낙하하는 모델을 구성하여 지지 장비에 의한 주변의 간섭을 방지하고, 시험부 외부에 초고속 카메라를 이용하여 모델의 움직임과 공력 특성을 측정하는 기법을 사용하였다[8]. 해당 기법을 통해 극초음속 환경에서 자유낙하하는 pitch와 yaw 등의 임의의 자세각을 갖는 물체의 공력특성 측정의 기초연구로서, 마하수 6 조건의 충격파 터널에서 반구모델의 자세각과 항력계수 측정을 수행하였다.
해당 기법을 통해 극초음속 환경에서 자유낙하하는 pitch와 yaw 등의 임의의 자세각을 갖는 물체의 공력특성 측정의 기초연구로서, 마하수 6 조건의 충격파 터널에서 반구모델의 자세각과 항력계수 측정을 수행하였다. 이를 통해, 자세각에 따른 항력계수 변화 경향성을 조사하고 이론값과 비교하였다.
Igra 등은 모델의 수직 움직임과 상대속도를 고려한 공식을 제시하였다[7]. 이에 모델의 수직 움직임이 중력의 방향과 같은 본실험 조건에 따라 수정된 공식을 사용하였다(식 8). 또한 자세에 따른 앞면 면적의 변화를 고려하였다.
본 연구는 캡슐을 반구로 모델링하여 자세에 따른 공력 변화에 대한 기초적인 연구를 수행하였다. 자유낙하 가시화기법을 활용하여 반구 모델의 자세각을 결정하고 자유낙하 항력계수를 측정하였다. 항력계수는 자세각과 함께 증가하는 경향을 보였으며, 자세각 0°에서 안정 균형이 확인되었다.
상부에 전자석(JL Magnet社 JL-8A, 최대흡착력 240 kgf)이 있고, 자력이 통하는 강철 플랫폼을 통해 철사 끝에 반구 모델을 탈부착하였다. 자유낙하 기법은 모델과 충격파 동시 도달을 맞추기가 까다로우므로, 본 플랫폼은 동기화 확률을 높이기 위해 총 8개의 모델을 동시에 자유낙하시키는 방식을 사용하였다. 모델을 부착하는 철 와이어를 통해 낙하 받음각 설정이 가능하다(Fig.
본 연구에서는, 전자석을 통해 자유낙하하는 모델을 구성하여 지지 장비에 의한 주변의 간섭을 방지하고, 시험부 외부에 초고속 카메라를 이용하여 모델의 움직임과 공력 특성을 측정하는 기법을 사용하였다[8]. 해당 기법을 통해 극초음속 환경에서 자유낙하하는 pitch와 yaw 등의 임의의 자세각을 갖는 물체의 공력특성 측정의 기초연구로서, 마하수 6 조건의 충격파 터널에서 반구모델의 자세각과 항력계수 측정을 수행하였다. 이를 통해, 자세각에 따른 항력계수 변화 경향성을 조사하고 이론값과 비교하였다.

대상 데이터

모델은 전자석을 이용한 자유낙하 기법을 사용하므로 강자성체로 선정되었다. 가시화 기법은 ms 단위의 짧은 정상류 환경에서 이동거리가 길수록 높은 정밀성을 보인다.
본 실험에서는 고엔탈피, 고마하수, 그리고 고레이놀즈수 유동형성이 가능한 충격파 터널(한국 과학기술원 항공우주공학과 K1 충격파 터널)을 사용하였다. 이는 총 길이 5.
본 실험의 shadowgraph 가시화 기법은 Fig. 3 과 같이 Z 타입으로 Laser Quantum Gem社 고출력 레이저, 두 평면거울, 두 오목거울, 그리고 Fastcam Mini Ux100 CMOS 고속 카메라로 구성 되었다. 카메라의 노출시간은 3.
실험 모델은 탄소강 S45C(0.45% 탄소, 0.25% 규소, 0.75% 망간, 0.03% 인, 0.35% 황, 0.2% 니켈, 그리고 나머지 철의 혼합물) 지름 3.000± 0.005 mm의 베어링 원구를 반으로 자른 반구이며, 질량은 0.055±0.005 g이다.
동일한 지름 3 mm 반구 모델에 임의의 초기 자세각을 주어 실험하였다. 일관된 실험결과 비교를 위해 다수의 실험 결과 중 내경 90 mm 노즐 출구의 코어 중심으로부터 반지름 22.5 mm 이내의 test rhombus에 위치한 세 경우를 각각 Case 1, Case 2, 그리고 Case 3으로 선정하였다.정상 유동 구간 동안 같은 순서대로 각각 12, 12, 그리고 13 장의 프레임이 찍혔으며 Fig.

데이터처리

모델의 속도(um) 및 가속도 값은 상용 Matlab 프로그램을 사용하여 구하였다.
식 10의 Newtonian theory와 modified Newtonian theory, 그리고 Henderson 등의 자세각 0° 반구에 대한 경험식 값을 나타냈다[1]. 항력계수 오차 계산은 error propagation을 사용하였고, 각 변수에 대해 95%신뢰도로 진행하였다[13]. Yaw의 가속도값의 경우, 적합곡선의 결정계수가 0.
5 픽셀의 오차를 가진다. 해당 이동거리 결과값에 대한 2차식 적합곡선의 미분을 통해 속도와 가속도가 계산되었다. 2차 이상 고차 다항식의 경우 결정계수가 감소하고 음의 항력이 계산되는 등의 불확실성이 확인되어 배제하였다.

성능/효과

6 m/s ² , 511 m/s ² , 그리고 –511 m/s ² 로 계산되었다. x방향 가속도가 z방향보다 최소 10배 높아 항력계수 결정에 x 방향 가속도의 영향이 더 높은 것이 확인되었다.
본 실험을 통하여 임의의 자세각을 가진 반구 모델이 마하수 6 유동에서 겪는 항력과 자세각 변화 경향성을 파악할 수 있었다. 추가적으로 더욱 신뢰도 높은 연구를 위한 두 가지 개선방안이 존재한다.
자유낙하 가시화기법을 활용하여 반구 모델의 자세각을 결정하고 자유낙하 항력계수를 측정하였다. 항력계수는 자세각과 함께 증가하는 경향을 보였으며, 자세각 0°에서 안정 균형이 확인되었다. 실험값은 modified Newtonian theory 와 오차범위 내에서 일치한다.

후속연구

Yaw와 pitch가 유사한 각도를 가질 때 자세각에 따른 공력 변화에 대한 정확한 정량적 분석이 어렵게 된다. Yaw와 pitch 를 독립적으로 제어할 필요가 있으며, 본 실험에서 사용된 실험 장비의 한계로 인한 낮은 재현성에 대해 추가적인 연구가 필요한 것으로 판단된다.
낮은 해상도와 프레임 수는 정확한 움직임과 자세각 결정을 제한하여 2차 이상의 고차원 곡선 근사가 힘듦으로 자세에 따라 즉각적으로 변화하는 가속도와 항력계수를 측정할 수 없다. 두 번째로, yaw와 pitch를 분리하고 초기 자세각을 제어하는 자세 제어 기술 개발 및 사용이다. Yaw와 pitch가 유사한 각도를 가질 때 자세각에 따른 공력 변화에 대한 정확한 정량적 분석이 어렵게 된다.
재진입 캡슐에 대한 기초 연구로서 반구 모델이 사용돼왔으며, 0° 받음각에 대한 실험적 연구가 수행되었고 마하수와 항력계수 관계에 대한 경험식이 유도 및 검증된바 있다[1]. 반면, 다양한 자세각에 대한 실험적 연구는 반구원통 모델에 대해 이루어졌을 뿐, 캡슐의 선두부를 모사하는 반구에 대한 연구는 추가 연구가 필요한 실정이다[2].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	충격파 터널의 항력계수 측정 방법을 시험 모델의 지지 장비와 관련하여 구분하시오	극초음속 환경은 고엔탈피, 고마하수 유동에 용이한 충격파 터널을 통해 모사할 수 있다. 충격파 터널의 항력계수(C D ) 측정 방법은 시험 모델의 지지 장비와 관련하여 크게 지지 구조물, 실 연결, 로봇팔, 그리고 센서가 내장된 모델의 자유낙하 등으로 구분된다. 스팅은 안정적이지만 후류에 영향을 주어 공력 측정에 오류가 발생한다[3].
	고 마하수 유동 환경에서 안정적인 자세 제어를 위해 어떠한 특성이 필요한가	재진입 캡슐은 고 마하수 유동 환경에서 자세 변동을 겪는다. 해당 환경에서 안정적인 자세 제어를 위해서 다양한 자세각(yaw, pitch, roll)에대한 공력 특성이 필요하다. 재진입 캡슐에 대한 기초 연구로서 반구 모델이 사용돼왔으며, 0° 받음각에 대한 실험적 연구가 수행되었고 마하수와 항력계수 관계에 대한 경험식이 유도 및 검증된바 있다[1].
	극초음속 환경은 무엇을 통해 모사할 수 있는가	극초음속 환경은 고엔탈피, 고마하수 유동에 용이한 충격파 터널을 통해 모사할 수 있다. 충격파 터널의 항력계수(C D ) 측정 방법은 시험 모델의 지지 장비와 관련하여 크게 지지 구조물, 실 연결, 로봇팔, 그리고 센서가 내장된 모델의 자유낙하 등으로 구분된다.

참고문헌 (14)

Henderson, C. B., "Drag Coefficients of Spheres in Continuum and Rarefied Flows," AIAA Journal, Vol. 14, No. 6, 1976, pp.707-708.

상세보기
Baer, A. L., VKF., and ARO, Inc., "Pressure Distributions on a Hemisphere Cylinder at Supersonic and Hypersonic Mach Numbers," AEDC-TN-61-96. Virginia: Armed Serviced Tecnical Information Agency.
Pick, G. S., "Sting Effects in Hypersonic Base Pressure Measurements," Washington, D. C.: Naval Air Systems Command.
Tuttle, S. L., and Simmons, J. M., "Hypersonic Drag Measurement in Free Piston Shock Tunnels," 11th Australasian Fluid Mechanics Conference, 1992.
Neely, A. J., West, I., Hruschka, R.. Mudford, N. R., and Park, G., "Determining Aerodynamic Coefficients From High Speed Video of a Free-flying Model in a Shock Tunnel," 28th International Congress on High-Speed Imaging and Photonics, Vol. 7126, 2009.
Hideyuki, T., Tomoyuki, K., Laurence, S., and Hannemann, K., "Free-flight Force Measurement Technique in Shock Tunnel," 50th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition, 2012.
Igra, O., and Takayama, K., "Shock Tube Sutdy of the Drag Coefficient of a Sphere in a Nonstationary Flow," 18th International Symposium on Shock Waves, 1992.
Park, J., Chang, W. K., and Park, G., "Free-fall Force Measurement in a Shock Tunnel," The Korean Society of Aeronautical and Space Sciences, Vol. 44, No. 6, 2016, pp.463-467.

원문보기 상세보기
Lee, S., Song, H., Lee, J. K., and Park, G., "Shock Tunnel Build-up and Flow Verification Considering Real Gas Effect," Military Science and Technology Conference, Daejeon: The Korea Institute of Military Science and Technology, 2016.
Gas dynamics calculator, http://silver.neep.wisc.edu/shock/tools/gdcalc.html, Wisconsin Shock Tube Laboratory(WiSTL), retrieved on October 18, 2016.
Oosthuizen, P. H., and Carscallen, W. E., Introduction to Compressible Fluid Flow, 2nd Ed., CRC Press, 2014, pp.115.
Anderson, J. D., Jr., Hypersonic and High Temperature Gas Dynamics, 2nd Ed., AIAA, Virginia, 2006, pp.54-63.
Moffat, R. J., "Describing the Uncertainties in Experimental Results," Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 1, No. 1, 1988, pp. 3-17.

상세보기
Bailey, A. B. and Hiatt, J., "Free-Flight Measurements of Sphere Drag at Subsonic, Transonic, and Supersonic and Hypersonic Speeds for Continuum, Transition and Near-Free-Molecular Flow Conditions," AEDC-TR-70-291, Arnold Engineering Development Center, 1971.

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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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