[논문]<tex> $25cm{\\times}20cm$</tex> 초음속 풍동 개발 및 시험 평가

김세환; 박지현; 이승복; 정인석; 이형진

문제 정의

본 연구에서는 서울대학교 항공우주추진연소 연구실에서 보유하고 있는 초음속 풍동이 가진 시험 모델 크기의 제약을 완화하기 위해 125 X 100 mm² 의 노즐 출구 단면적을 가진 새로운 초음속 풍동의 구성품 설계를 수행하였으며 이를 바탕으로 제작된 풍동의 성능 평가를 수행하였다.
본 연구에서는 현재 서울대학교 항공우주추진 연소연구실에서 설계 · 제작한 마하 2.5 초음속 풍동의 구성품 선정 및 형태에 대해 살펴보고 수치 해석을 통해 노즐의 유동 특성을 평가하였다.
Figure 3 에 나타난 바와 같이 높이가 일정한 상태에서 길이만 증가시키는 경우 경계층 성장으로 인하여 경사 충격파가 발생하고 출구 마하수가 감소하게 된다. 이에 본 연구에서는 주 시험부 유동의 교란을 최소화하기 위하여 시험부의 길이를 높이의 1.2배만큼 증가시킨 형태로 노즐을 제작하였다.

제안 방법

출구 면적과 마하수로부터 필요 유량을 결정하고 이로부터 정체실의 크기 및 배관의 크기를 도출하였다. 고압 공기를 저장하기 위한 저장 탱크는 운용 중인 압축기의 성능과 탱크의 배치 공간을 고려하여 3m³ 에 최대 40기압의 공기를 저장할 수 있도록 구성하였다.
초음속 풍동의 공기 공급기는 고압의 공기를 저장할 고압 탱크, 탱크에 압축된 공기를 공급해 줄 압축기, 공기 압축에 따라 생성된 수분을 제거하기 위한 드라이어로 구성된다. 고압 탱크에 실험에 필요한 압력까지 압축공기를 저장하면 게이트 벨브(삼성컨트롤벨브)를 열어주고 제어 벨브(Fisher)를 이용하여 정체실의 압력을 일정하게 유지하여 시험부에 유동을 공급하도록 한다.
구축된 초음속 풍동은 노즐 출구의 크기를 각 방향으로 2배씩 증가시킨 자유제트 형식의 시험부를 갖도록 설계되었다. 이와 함께 필요에 따라 노즐 출구 근방의 균일한 유동을 활용하기 위하여 노즐의 끝단을 일부 확장하여 시험부의 단면이 125X100 인 경우와 250X200 인 경우 모두 사용이 가능하도록 하였다.
또 시험 시작시 유동 공급을 위하여 짧은 시간 안에 벨브를 여닫을 수 있도록 구성하여야 한다. 본 시험 설비에서는 삼성컨트롤벨브(주)에서 제작한 게이트 벨브에 부스터를 추가 설치하여 벨브 개폐가 1초 내외에서 완료될 수 있도록 하였다.
이에 본 연구에서는 Sivells[6]등에 의해 연구된 MOC에 의한 형상 결정 및 경계층 보정을 통한 최종 형상 결정 기법을 이용하여 노즐을 설계하였다. 이 방법은 2차원 노즐, 3차원 노즐의 설계에 모두 활용될 수 있으나 본 연구에서는 노즐 유동 및 시험부의 가시화를 위하여 2차원 노즐로 설계하고 그 결과를 표 1에 나타내었다.
풍동의 시험부에 균일한 유동을 공급하기 위해서는 노즐 전방에 위치한 정체실의 압력이 일정하게 유지되어야 한다. 이를 위해 정체실과 게이트 벨브 사이에 Fig. 2의 (b)와 같은 제어 벨브를 설치하였으며 본 시험 설비에는 Fisher 사의 V200 볼 벨브에 DVC6020 컨트롤러를 장치하여 외부의 제어 신호를 통해 벨브를 구동하도록 하였다. 풍동의 운용 시간이 충분할 경우 정체실의 압력을 입력받아 벨브를 직접 컨트롤 하는 PID 방식이 주로 사용되나 현재 구성된 시스템은 구동 시간이 제한되어 있으므로 미리 선정된 프로파일에 따라 벨브의 동작이 이루어지는 순차적인 방식을 선정하였다.
풍동이란 비행체가 대기중에서 동작할 때 직면하는 조건과 유사한 상태의 유동을 지상에서 시험하기 위한 장비로, 모델을 시험부에 장착하고 일정한 속도로 바람을 불어줌으로써 상대적으로 모델이 비행하는 것과 동일한 효과를 얻는다. 이를 통해 모델에 작용하는 양력, 항력, 모멘트 등을 측정함으로써 개발/연구 중인 비행체의 성능을 예측하고 비행체 주위에서 나타나는 각종 공기역학적인 현상을 관찰할 수 있다. 특히 초음속 풍동의 경우 초음속 비행체에 작용하는 각종 공력 특성 및 성능 평가를 위한 기초 자료를 획득하고 이론 및 수치해석 결과를 검증하는데 필요한 공력 실험 자료를 얻을 수 있는 유일한 지상 시험 설비이다.
이에 본 연구에서는 Sivells[6]등에 의해 연구된 MOC에 의한 형상 결정 및 경계층 보정을 통한 최종 형상 결정 기법을 이용하여 노즐을 설계하였다. 이 방법은 2차원 노즐, 3차원 노즐의 설계에 모두 활용될 수 있으나 본 연구에서는 노즐 유동 및 시험부의 가시화를 위하여 2차원 노즐로 설계하고 그 결과를 표 1에 나타내었다.
구축된 초음속 풍동은 노즐 출구의 크기를 각 방향으로 2배씩 증가시킨 자유제트 형식의 시험부를 갖도록 설계되었다. 이와 함께 필요에 따라 노즐 출구 근방의 균일한 유동을 활용하기 위하여 노즐의 끝단을 일부 확장하여 시험부의 단면이 125X100 인 경우와 250X200 인 경우 모두 사용이 가능하도록 하였다. 특히 노즐의 확장 길이를 결정하기 위하여 노즐 출구 높이의 2배, 4배, 6배, 8배로 길이를 증가시키며 수치 해석을 수행하고 fig.
5로 하여 노즐을 설계하였다. 출구 면적과 마하수로부터 필요 유량을 결정하고 이로부터 정체실의 크기 및 배관의 크기를 도출하였다. 고압 공기를 저장하기 위한 저장 탱크는 운용 중인 압축기의 성능과 탱크의 배치 공간을 고려하여 3m³ 에 최대 40기압의 공기를 저장할 수 있도록 구성하였다.
이와 함께 필요에 따라 노즐 출구 근방의 균일한 유동을 활용하기 위하여 노즐의 끝단을 일부 확장하여 시험부의 단면이 125X100 인 경우와 250X200 인 경우 모두 사용이 가능하도록 하였다. 특히 노즐의 확장 길이를 결정하기 위하여 노즐 출구 높이의 2배, 4배, 6배, 8배로 길이를 증가시키며 수치 해석을 수행하고 fig. 3 에 2배 확장한 경우의 해석 결과를 나타내었다.
풍동 고압부의 압력 또는 고압 탱크의 부피가 증가할수록 풍동의 운용 시간 역시 증가하게 되나 고압 탱크의 관리 및 설치 공간에 제약이 있으므로 본 연구에서는 Fig. 2의 (a)와 같이 40 kg/cm2 의 공기를 저장할 수 있는 3m3 의 공기 탱크를 제작 · 설치하였다.
5배 증가시킨 새로운 초음속 풍동을 설계, 제작하였다. 풍동의 설계를 위하여 시험부의 크기를 결정하고 시험 마하수를 2.5로 하여 노즐을 설계하였다. 출구 면적과 마하수로부터 필요 유량을 결정하고 이로부터 정체실의 크기 및 배관의 크기를 도출하였다.
2의 (b)와 같은 제어 벨브를 설치하였으며 본 시험 설비에는 Fisher 사의 V200 볼 벨브에 DVC6020 컨트롤러를 장치하여 외부의 제어 신호를 통해 벨브를 구동하도록 하였다. 풍동의 운용 시간이 충분할 경우 정체실의 압력을 입력받아 벨브를 직접 컨트롤 하는 PID 방식이 주로 사용되나 현재 구성된 시스템은 구동 시간이 제한되어 있으므로 미리 선정된 프로파일에 따라 벨브의 동작이 이루어지는 순차적인 방식을 선정하였다.

대상 데이터

또한 벨브를 통과한 유동에 포함된 와류 등을 제거하여 노즐에 공급하는 유동을 균일하게 하기 위하여 내부에 타공판, 스프레더, 스크린 등의 난류 조절 장치를 설치하게 된다. 본 시험 장비에 설치된 정체실은 길이 1.3m 내경 340mm 로 내부에 3개의 타공판을 설치하고 기본 배관(100 mm)로부터의 확대부에 1개의 스프레더를 설치하였다.
2의 (a)와 같이 40 kg/cm² 의 공기를 저장할 수 있는 3m³ 의 공기 탱크를 제작 · 설치하였다. 탱크에 압축 공기를 공급하기 위한 압축기는 코더엔지니어링에서 제작한 3단 압축기인 LT-2116X 모델을 사용하였으며 저장 탱크에 40 kg/cm²의 공기를 충전하기 위해 약 4시간 정도 소요된다.

후속연구

설계된 초음속 풍동의 면적은 기존 풍동의 4배 이상이며, 현재 구동 테스트를 진행 중에 있다. 향후 실 구동 테스트를 거쳐 발견되는 문제를 수정하고 연구에 활용될 예정이다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

$25cm{\\times}20cm$ 초음속 풍동 개발 및 시험 평가
Development and Operating Test of the Supersonic Wind Tunnel with $25cm{\\times}20cm$ Test Section 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

후속연구

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

$25cm{\\times}20cm$ 초음속 풍동 개발 및 시험 평가 Development and Operating Test of the Supersonic Wind Tunnel with $25cm{\\times}20cm$ Test Section 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

후속연구

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

$25cm{\\times}20cm$ 초음속 풍동 개발 및 시험 평가
Development and Operating Test of the Supersonic Wind Tunnel with $25cm{\\times}20cm$ Test Section 원문보기

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper