KR100550587B1

KR100550587B1 - 교육용 초음속 풍동장치

Info

Publication number: KR100550587B1
Application number: KR1020040052593A
Authority: KR
Inventors: 변영환; 이진호; 박중수
Original assignee: 건국대학교 산학협력단; 박중수
Priority date: 2004-07-07
Filing date: 2004-07-07
Publication date: 2006-02-10
Also published as: KR20060003629A

Abstract

본 발명은 비행체가 초음속으로 비행할 때 직면하는 조건과 유사한 상태의 유체흐름을 만들어서 실험모델의 주위로 불어주는 풍동 장치에 있어서: 고압의 유체가 저장된 유체저장탱크로부터 나온 유체의 흐름을 개폐하는 게이트밸브; 상기 게이트밸브의 후단 파이프 상에 설치되어 게이트밸브를 통과한 유체의 유량을 조절하여 일정압력으로 내보내주는 압력조절밸브; 상기 압력조절밸브의 후단에 형성되어 파이프로부터 나온 고속의 유체흐름을 팽창시켜 유속을 줄여주는 광각확산부; 상기 광각확산부의 후단에 형성되어 유동 중에 발생한 불균일한 유동분포를 균일 분포의 정상 유동으로 정류하는 정체실; 상기 실험모델이 장착되며 정체실로부터 들어오는 유체의 흐름을 증가시키거나 감소시켜 마하수를 조정함과 아울러 일정한 유체의 흐름이 통과되며 유동가시화 실험 및 압력감도와 미립자속도와 같은 실험을 수행하고 측정하는 노즐-시험부; 및 상기 노즐-시험부의 후단에 설치되어 유체흐름을 팽창시켜 유속을 아음속으로 감소시키는 확산부;를 구비하고, 기존의 초음속 풍동에 사용되어지는 대형-고가의 주요 장비들을 국산으로 대체하여 소형-저가의 실험용 초음속 풍동을 제작함으로써, 소형-저가이면서도 원하는 성능을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 제작비용을 대폭적으로 낮추어서 교육용으로도 상용화할 수 있는 교육용 초음속 풍동장치를 제공한다.

Description

교육용 초음속 풍동장치{SUPERSONIC WIND TUNNEL FOR EDUCATION}

도 1은 본 발명에 의한 교육용 초음속 풍동장치를 도시한 도면이고,

도 2는 본 발명에 적용된 압력조절밸브를 도시한 단면도이고,

도 3은 본 발명에 의한 풍동의 압력조절밸브 이후부터 노즐-시험부까지의 격자계를 나타낸 도면이고,

도 4a 및 도 4b는 본 발명에 의한 풍동의 압력조절밸브 이후부터 노즐-시험부까지의 정압분포 및 정압곡선을 나타낸 도면이고,

도 5a는 본 발명의 실시예에 의한 광각확산부와 정체실의 외형을 도시하였고, 도 5b는 광각확산부 내에 설치된 스프레더를 도시한 도면이고,

도 6은 본 발명의 실시예에 의한 노즐-시험부의 구성을 도시한 단면도이고,

도 7a 및 도 7b는 본 발명에 의한 노즐-시험부의 마하수 분포 및 온도 분포를 각각 나타낸 도면이고,

도 8a 및 도 8b는 본 발명의 시험부 전체를 도시한 분해도 및 조립 사진이고,

도 9a 및 도 9b는 본 발명의 확산부를 도시한 측면도 및 정면도이고,

도 10은 본 발명에 의한 시험부의 2차원 모델 유동 가시화를 나타낸 사진이 고,

도 11은 본 발명에 의한 시험부의 가스 제트분사 유동 가시화를 나타낸 사진이고,

도 12는 본 발명의 실시예에 의해 완성된 교육용 초음속 풍동장치를 나타낸 이미지 도면이고,

도 13a는 본 발명에 의한 정체실 정압 및 시험부에서의 정압측정 결과를 나타낸 그래프이며, 도 13b는 본 발명에 의한 정체실에서의 정압 및 시험부에서의 전압(Total Pressure)측정 결과를 나타낸 그래프이고,

도 14는 본 발명에 의한 축소/확대노즐부 및 시험부에서의 정압곡선을 비교하여 나타낸 그래프이고,

도 15는 본 발명에 의한 초음속 풍동설계 LabVIEW 프로그램을 나타낸 화면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100: 유체저장탱크 210: 고압튜브

250: 압력게이지 300: 파이프

400: 게이트밸브 500: 압력조절밸브

600: 광각확산부 650: 스프레더

700: 정체실 750: 압력센서

800: 노즐-시험부 810: 축소/확대노즐부

811: 축소/확대부블록(SUS) 815: 중공부

819: 제 1 노즐목 830: 시험부

831: 시험부블록(SUS) 835: 중공부(시험영역)

837: 광학창(Chemiglass) 850: 축소노즐부

851: 축소노즐부블록(SUS) 859: 제 2 노즐목

855: 중공부 880: 실험모델

890: 모델지지대 900: 확산부

본 발명은 초음속 풍동(風洞) 장치에 관한 것으로, 특히 비행체 및 Misslie 등이 초음속으로 비행할 때 직면하는 조건과 유사한 상태의 유체흐름을 만들어서 실험모델의 주위로 불어주는 교육용 초음속 풍동장치에 관한 것이다.

통상 유도무기나 항유체를 개발할 때 초기 비행체의 외형설계를 위하여 유체역학자료가 요구되며, 그 중 풍동시험이 중추적인 역할을 하게 된다.

초음속 풍동장치란 실험물체가 초음속으로 비행할 때 직면하는 조건과 유사한 상태의 흐름을 만들어서 물체 주위로 불어주는 장치이다.

일반적으로 초음속 풍동장치는 크게 연속식(Continuous Type)과 단속식(Intermittent Type)으로 구분되며, 단속식은 다시 불어내기식(Blowdown Type)과 빨아들이기식(Indraft Type) 및 압력 진공식(Pressure-Vacuum) 풍동으로 구분되며, 본 발명은 단속형 불어내기식 풍동에 관한 것이다.

기존에도 아음속 또는 초음속 풍동 장치가 개발되어 실험용으로 사용하고 있지만 그 실험모델이 장착되어 실험을 수행하는 시험부의 크기가 1m(폭)×1m(높이) 이상이 되는 경우가 대부분이다.

NASA의 소형 아음속 풍동 분류에도 포함되지 않는 최소형 풍동으로 제작한 풍동의 경우에도 시험부의 크기가 0.3m(폭)×0.3m(높이)을 가지며, 이와 같은 시험부를 갖는 풍동의 경우에도 전체 크기가 3.9m×1.1m×1.6m이나 되므로 교육용 또는 실험용으로서는 작지 않은 크기이다.

상기 풍동장치를 제작할 경우 시험부의 크기를 결정하는 것은 제작비용을 고려하는 데 있어서 가장 기본적인 사항이 되는 데, 즉 시험부가 커질수록 이에 비례하여 다른 모든 구성품들이 커지게 되고, 또한 풍동장치의 전체 크기가 커지게 되므로 각 구성품의 가격 또한 상당히 증가하게 된다.

이와 같은 크기를 갖는 풍동의 경우 소형의 풍동장치임에도 불구하고 이동하거나 설치하는 데 많은 어려움이 따르며, 제작비용도 상당히 많이 들어 교육용과 실험용으로 상용화하기에는 상당한 무리가 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 소형-저가이면서도 원하는 성능을 얻을 수 있는 교육용 초음속 풍동장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 시험부의 크기를 초소형으로 제작하여 초음속의 유동 실험을 수행할 수 있는 교육용 초음속 풍동장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 풍동장치의 제반 장비를 저가의 국산장비로 대체하여 국산화함으로써, 제작비용을 대폭적으로 낮추어서 상용화할 수 있는 교육용 초음속 풍동장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술적 수단은, 비행체가 초음속으로 비행할 때 직면하는 조건과 유사한 상태의 유체흐름을 만들어서 실험모델의 주위로 불어주는 실험용 풍동 장치에 있어서: 고압의 유체가 저장되는 유체저장탱크(100); 상기 유체저장탱크(100)와 연결된 파이프(300) 상에 설치되어 유체저장탱크(100)로부터 나온 유체의 흐름을 개폐하는 게이트밸브(400); 상기 게이트밸브(400)의 후단 파이프(300) 상에 설치되어 게이트밸브를 통과한 유체의 유량을 조절하여 일정압력으로 내보내주는 압력조절밸브(500); 상기 압력조절밸브(500)의 후단에 형성되어 파이프(300)로부터 나온 고속의 유체흐름을 팽창시켜 유속을 줄여주는 광각확산부(600); 상기 광각확산부(600)의 후단에 형성되어 유동 중에 발생한 불균일한 유동분포를 균일 분포의 정상 유동으로 정류하는 정체실(700); 상기 실험모델이 장착되며 정체실로부터 들어오는 유체의 흐름을 증가시키거나 감소시켜 마하수를 조정함과 아울러 일정한 유체의 흐름이 통과되며 유동가시화 실험 및 압력감도와 미립자속도와 같은 실험을 수행하고 측정하는 노즐-시험부(800); 및 상기 노즐-시험부 (800)의 후단에 설치되어 유체흐름을 팽창시켜 유속을 아음속으로 감소시키는 확산부(900);를 구비한 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 유체저장탱크(100)와 연결된 파이프(300)에 유체저장탱크(100) 및 유체흐름통로의 압력을 확인하기 위한 압력게이지(250)를 더 설치하는 것을 특징으로 한다.

상기 노즐-시험부(800)는, 사각 덕트(Duct) 형상의 내부 중공을 가지되 흐름의 속도를 증가시켜 주는 축소/확대노즐부(810); 상기 축소/확대노즐부의 중공과 연결되는 유선형의 내부 중공을 가지되 내부 중공에 장착된 실험모델(880)로부터 PIV, 제트 인젝션(Jet Injection) 실험 등 다양한 실험을 통해 각종 실험결과 데이터를 얻는 시험부(830); 및 상기 시험부의 내부 중공과 연결되는 중공을 가지되 시험부를 통과한 흐름의 유속을 감속시켜 주며 일측에 실험모델을 지지하는 모델지지대(890)가 장착된 축소노즐부(850);로 구성된 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 축소/확대노즐부(810)는 원하는 실험 조건에 따라 적절한 마하수의 노즐로 교체 가능하도록 구성하며, 상기 축소/확대노즐부(810)와 축소노즐부(850)에 노즐목(819, 859)을 각각 형성하되 상기 축소/확대노즐부(810)의 노즐목(819)은 축소노즐부(850)의 노즐목(819) 대비 그 높이(폭)가 대략 45% 내지 55% 정도로 형성하며, 상기 시험부블록(831)은 일측에 빛의 투과성이 좋은 케미글라스(Chemiglas)를 형성하여 PIV 실험이 가능하도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 광각확산부(600)의 내부에 유동의 고른 확산을 위하여 전 면적에 다수의 관통홀이 형성된 판구조의 스프레더(Spreader)를 설치하며, 상기 스프레더 (650)의 관통홀의 내경은 대략 1.35mm 내지 1.65mm이고, 스프레더(650)의 두께는 대략 1.8mm 내지 2.2mm로 형성한 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 정체실(700)의 내부에 난류의 정도를 줄이고 흐름의 균질성을 향상시키기 위하여 메시형 스크린(Mesh Screen)을 설치하며, 상기 스크린은 1인치당 메시수가 대략 19개 내지 25개이고, 선 직경은 대략 0.175mm 내지 0.215mm로 형성하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 살펴보고자 한다.

도 1은 본 발명에 의한 교육용 초음속 풍동장치를 도시한 도면으로, 유체저장탱크(100), 게이트밸브(400), 압력조절밸브(500), 광각확산부(600), 정체실(700), 노즐-시험부(800) 및 확산부(900)로 이루어져 있다.

상기 유체저장탱크(100)는 고압의 공기나 가스 등의 유체가 저장되도록 구성되어 있고, 게이트밸브(400)는 유체저장탱크(100)와 연결된 파이프(300) 상에 설치되어 유체저장탱크(100)로부터 나온 유체의 흐름을 개폐하는 볼 타입의 밸브로 이루어져 있고, 압력조절밸브(500)는 게이트밸브(400)의 후단 파이프(300) 상에 설치되어 게이트밸브(400)를 통과한 유체의 양을 조절하여 일정압력으로 내보내 주도록 구성되어 있고, 광각확산부(600)는 압력조절밸브(500)의 후단에 형성되어 파이프(300)로부터 나온 고속의 유체흐름을 팽창시켜 유속을 줄여주도록 구성되어 있고, 정체실(700)은 광각확산부(600)의 후단에 형성되어 유체흐름 중에 발생한 불균일한 유동분포를 균일 분포의 정상 유동으로 정류하도록 구성되어 있고, 노즐-시험부 (800)는 실험모델이 장착되며 정체실(700)로부터 들어오는 유체의 흐름을 증가시키거나 감소시켜 마하수를 조정함과 아울러 다양한 가시화 실험을 비롯해 압력과 속도를 측정하도록 구성되어 있고, 확산부(900)는 노즐-시험부(800)의 후단에 설치되어 유체흐름을 팽창시켜 유속을 아음속으로 감소시키도록 구성되어 있다.

즉, 본 발명에 의한 풍동장치는 마하수(Mach Number) 2.5정도의 단속적 불어내기식의 교육용 초음속 풍동으로 설계된 것으로, 풍동은 고압의 유체가 저장되는 유체저장탱크(100; Storage Tank)와, 상기 유체저장탱크(100)로부터 나온 유체의 흐름을 온/오프시켜 주는 고압의 게이트밸브(400; Gate Valve), 유동의 흐름을 조절하여 일정압력으로 내보내주는 압력조절밸브(500; Pressure Regulator Valve), 발생된 흐름의 유속을 줄여주는 광각확산부(600; Wide Angle Diffuser), 흐름의 속도가 최소인 정체실(700; Settling Chamber), 실험모델이 장착되며 정체실(700)로부터 들어오는 유체의 흐름을 증가시키거나 감소시켜 마하수를 조정함과 아울러 압력감도와 미립자속도를 측정하는 노즐-시험부(800; Nozzle-Test Section Part), 및 그리고 흐름을 팽창시켜 속도를 감속시키는 확산부(900; Diffuser) 등으로 구성되어 있다.

그리고, 상기 노즐-시험부(800)는 흐름의 속도를 증가시켜 주는 축소/확대노즐부(Laval Nozzle), 실험모델을 장착하여 초음속의 유체흐름이 실험모델에 미치는 영향이나 작용 등의 각종 데이터를 얻는 시험부(Test Section), 및 다시 흐름의 유속을 감속시켜 주는 축소노즐부(2nd Nozzle Throat)로 구성되어 있다.

상기의 구성 외에도 소음기(Silencer) 및 제습장치인 유체건조기(Air Drier) 를 더 설치하는 것이 바람직하나, 성능에 영향을 미치는 장치가 아니므로 생략하였다.

아울러, 초음속 풍동 설계용 LabVIEW 프로그램에 의해 여러 제약조건을 만족하는 최적의 설계치를 계산하였고, 그 결과 각 구성의 실시예에 따른 세부설계를 아래에서 설명하고자 한다.

먼저, 유체저장탱크(100)는 고압의 유체를 저장하는 부분으로 최대 허용압력 150bar인 일반 상용 유체탱크(40리터)를 2개 사용한다.

하지만, 실험 장치의 안전을 고려하여 유체저장탱크(100) 내의 최대압력은 130bar로 제한을 두는 것이 바람직하다.

유체저장탱크(100)의 밸브 부분은 충분한 유량확보 및 작동시간의 증가를 위하여 밸브 부분의 내경을 15mm로 확장시켜 유량의 단면적을 증가시키고, 유체저장탱크(100)는 내경이 20mm 내지 30mm이고, 최대 허용압력이 185bar이며, 그 길이가 0.4m 내지 0.6m인 고압튜브(210)를 통해 유체유입부의 파이프(300)와 연결하였다.

상기 유체유입부의 파이프(300)는, 내경이 35mm 내지 45mm이고, 길이는 대략 500mm인 스테인레스 파이프(300)와, T-커넥터(230), 엘보(Elbow) 커넥터(270)로 구성되어 있으며, 최대압력이 250bar인 압력게이지(250)를 파이프(300) 상에 설치하여 파이프를 통해 인가되는 유체의 압력을 확인할 수 있다.

그리고, 풍동을 작동시키는 게이트밸브(400)는 최대 허용압력이 대략 200bar이고, 내경이 대략 23.5mm인 볼 밸브 타입(Ball Valve Type)으로, 게이트밸브(400)는 풍동 장치를 작동시키기 전에 닫힌 상태를 유지하며, 일정 압력을 채운 후 순간 개방시켜 노즐-시험부(800)에서 필요한 마하수, 대략 마하 2.5를 얻을 수 있도록 하였다.

불어내기식(Blowdown Type) 초음속 풍동은 가동되는 동안에 정체실(700; Settling Chamber) 내의 압력이 일정하게 유지되어야 하는 데, 이는 노즐-시험부(800)에서 안정된 유동을 얻기 위해서이다.

이와 같이 정체실(700)의 압력을 일정하게 유지하기 위해 압력조절밸브(500)를 사용하여야 하며, 도 2에서 압력조절밸브(500)의 개략적으로 도시하였다.

즉, 상단의 볼트레버(520) 측에 소정의 토출압력 범위(0∼20bar)를 인가하면 설정된 출구 압력만큼 공기유입부(560)를 통해 유입된 고압에 의해 스프링(530)이 수축되어 하단의 통로개폐용 플러그(540)가 자동적으로 이동하여 플러그시트(550)로부터 이격되어 유체통로가 개방되며, 상기 제어압력에 따라 유체통로의 개구 면적이 조정되어 유체유입구(560)와 유체토출구(570)를 통해 흐르는 유량을 조절하게 되는 것이다.

본 발명에 의한 초음속 풍동은 제작비용 및 노즐부에서의 실험조건 등을 고려하여 유체토출구(570)의 직경이 20mm, 유체토출압력 범위 0∼40bar인 밸런싱 타입(Balancing Type)의 압력조절밸브(500)를 장착하였으며, 압력조절밸브(500)를 이용하여 정체실(700)의 압력을 조절할 수 있는 범위에 대해서는 전산유체역학 소프트웨어(CFD-FASTRAN)를 이용한 입체해석을 통하여 확인할 수 있다.

도 3은 압력조절밸브(500) 이후부터 시험노즐부(831)까지의 격자계를 나타낸 것으로, x, y, z방향으로 125×50×15인 격자계를 사용하였다.

본 발명에서는 수치해석을 통하여 압력조절밸브(500)의 유체토출구(570)의 압력에 대한 정체실(700)에서의 작동압력을 확인하였고, 계산결과로 주어진 노즐-시험부(800)의 마하수에 대하여 압력조절밸브(500) 이후의 토출압력 변화에 대하여 비교해 보았다.

도 4a 및 도 4b는 내경 20mm의 압력조절밸브(500) 이후의 토출압력이 8bar일 때 비점성 모델(Inviscid Model)로 계산한 3D 결과를 나타낸 것이다. 도 4a는 압력조절밸브(500) 이후부터 노즐-시험부(800)의 끝부분까지 벽면에서의 정압 분포도를 나타낸 것이며, 도 4b는 압력조절밸브(500) 이후부터 노즐-시험부(800) 끝부분까지의 벽면 중심선을 따른 정압곡선을 나타낸 것이다.

전산유체역학 소프트웨어(CFD-FASTRAN)의 해석결과를 통하여 정체실(700)에서 일정한 압력을 유지시킨다면 노즐-시험부(800)에서 마하수 2.5를 유지할 수 있다는 것을 확인할 수 있다. 따라서 압력조절밸브(500)의 사용 가능성을 확인하였을 뿐만 아니라 여러 운용 마하수 1.6 내지 3.5에서도 사용이 가능함을 알 수 있다.

아래 표 1은 전산유체역학 소프트웨어(CFD-FASTRAN)의 해석을 통하여 제작된 압력조절밸브(500)의 제원을 나타낸 것이다.

제 원	특 징
타입	밸런싱 타입
최대허용압력	150bar
입구직경	20mm
연결방식	플랜지
토출압범위	0bar 내지 40bar
출구직경	20mm

상기와 같은 압력조절밸브(500)는 직경 20mm의 밸런싱 타입으로 최대 허용압 력 150bar의 고압유체를 0bar 내지 40bar 이내의 범위로 압력을 조절하여 일정압력을 내보낼 수 있도록 제작된 것이다.

상기 압력조절밸브(500)를 통해 나온 압축유체가 파이프(300)로부터 정체실(700)까지 흐를 때 광각확산부(600)를 경유하게 되는 데, 광각확산부(600)는 유체저장탱크(100)로부터 나오는 고속의 유체흐름을 팽창시켜 속도를 감속시키고 정압(Static Pressure)을 회복하는 부분으로, 상기 광각 확산각을 45°내지 90°범위의 값을 갖도록 설계하였다.

도 5a는 본 발명의 실시예에 의한 광각확산부(600)와 정체실(700)의 외형을 나타낸 도면이고, 도 5b는 광각확산부(600) 내에 설치된 스프레더(650)를 도시하였다.

본 발명의 실시예에 의한 광각확산부(600)의 광각 확산각(2θ)은 45°, 광각확산부(600)의 길이는 222mm로 하였으며, 이러한 광각확산부(600)의 입/출구 면적비는 7.11로 설정하였다. 그리고 광각확산부(600) 내에는 강한 난류 및 불균일 유동이 발생하게 되므로 이를 제거하고 유동의 고른 확산을 위하여 광각확산부(600) 내에 스프레더(650; Spreader)를 설치하는 것이 바람직하다. 실시예에 의한 스프레더(650) 제원은 아래 표 2와 같다.

제 원	특 징
타입	Full Perforated Plate
앵글	2° = 90°
홀 사이즈	1.5mm
두께	2mm

상기 스프레더(650)는 표 2에 나타낸 바와 같은 전 영역에 걸쳐 다수의 관통 홀이 형성된 판구조(Full Perforated Plate)로서, 표 1에 한정되지는 않으며, 홀의 내경을 대략 1.35mm 내지 1.65mm로 형성하고, 두께를 대략 1.8mm 내지 2.2mm로 형성하는 것도 무방하다.

그리고, 정체실(700)의 모양은 일반적으로 원통형이며, 유동 중에 발생한 와동, 압력손실, 불균일 유동 분포 등을 균일 분포의 정상 유동으로 정류하여 노즐 축소부에 유입시켜 주는 역할을 한다.

초음속 풍동은 작동시 정체실(700) 내에서의 작동압력 측정을 위해 노즐-시험부(800)와 결합되는 플랜지 이전 부분에 압력센서(750)를 장착하여 정체실(700)에서의 시간에 따른 작동압력의 변화를 측정하도록 하는 것도 바람직하다.

또한, 초음속 풍동은 유체가 노즐을 통해 팽창되기 전에 난류의 정도를 줄이고 흐름의 균질성을 향상시키기 위하여 정체실(700) 내부에 스크린(미 도시)을 설치하는 것이 바람직한 데, 실험을 통해서 밝혀진 바에 의하면 난류의 감소는 스크린을 통한 압력감소의 함수로 표현된다. 상기 스크린(Screen)의 제원은 아래 표 3과 같다.

제 원	특 징
1인치당 메시수	22개
와이어 직경	0.195mm
견고성(Solidity)	0.303

상기 스크린의 제원은 표 1에 한정되지 않으며, 대략 1인치당 메시(Mesh)의 개수는 19개 내지 25개이고, 와이어의 직경은 대략 0.175mm 내지 0.215mm 정도이면 무방하다.

상기 광각확산부(600)와 정체실(700)을 통과한 유체는 노즐-시험부(800)로 유입되는 데, 노즐-시험부(800)는 도 6에 도시된 바와 같이 축소/확대노즐부(810), 시험부(830) 및 축소노즐부(850)로 구성되어 있고, 원하는 실험조건에 따라 마하수가 다른 축소/확대노즐부(810)를 교체하여 여러 마하수에 대한 실험이 가능하도록 하였다.

상기 노즐-시험부(800)는 도 6에 도시된 바와 같이 사각 덕트 형상의 내부 중공(815)을 가지되 흐름의 속도를 증가시켜 주는 축소/확대노즐부(810)와, 상기 축소/확대노즐부(810)의 중공(815)과 연결되는 유선형의 내부 중공(835)을 가지되 내부 중공(835)에 장착된 실험모델(880)로부터 각종 실험결과 데이터를 얻는 시험부(830), 및 상기 시험부(830)의 내부 중공(835)과 연결되는 중공(855)을 가지되 시험부(830)를 통과한 흐름의 유속을 감속시켜 주는 축소노즐부(850)로 구성되어 있다.

상기 노즐-시험부(800)의 축소/확대노즐블록(811)과 시험부블록(831) 및 축소노즐부블록(851)은 스테인레스(SUS) 재질로 형성되어 있으며, 시험부(830)의 일측 또는 양측에는 가시화실험을 위해 빛의 투과성과 내후성 및 견고성이 우수한 아크릴 재질의 케미글라스(Chemiglas) 또는 강화유리를 이용한 광학창(도 8a에 도시함)을 형성하였으며, 시험부(830)에서 압력감도표현(Pressure Sensitivity Paint; PSP), 미립자속도(Particle Image Velocimetry; PIV) 등과 같은 다양한 실험을 수행 가능하도록 설계하였다.

상기 축소/확대노즐부(810)는 Sauer's Method를 이용하여 설계하였고, 초음 속 풍동에 있어 핵심이 되는 노즐-시험부(800)는 버지니아 테크(Virginia Tech)의 초음속 풍동의 마하수 2.49의 노즐 윤곽(Contour)으로 설계하였다. 상기 시험부(830)에 장착되는 실험모델(880)은 축소노즐부(850)의 밑면에 설치된 모델지지대(890)에 고정되어 여러가지의 실험모델(880)의 장착이 용이하도록 설계하였다.

상기 축소/확대노즐부(810)의 제원은 아래 표 4와 같다.

제 원	특 성
축소부의 입구 면적	A1 = 30mm×213.2mm
축소부의 길이	L1 = 173.2mm
노즐목(819) 면적	A* = 30mm×13.3mm
축소비	CR = 16
축소부의 반경	rw = 49.9mm
확대부의 면적	A = 30mm×35.6mm
확대부의 길이	Le = 67.5mm
노즐 면적비	A/A* = 2.67

상기 노즐-시험부(800)는 축소/확대노즐부(810)와 축소노즐부(850)에 제 1 및 제 2 노즐목(819, 859)이 각각 형성되어 있는 데, 상기 표 4에서 보는 바와 같이 축소/확대노즐부(810)의 제 1 노즐목(819)은 30mm(길이)×13.3mm(폭)이고, 시험부(830)의 후단에 형성된 축소노즐부(850)의 제 2 노즐목(859)은 30mm(길이)×26.7mm(폭)으로서, 축소/확대노즐부(810)의 제 1 노즐목(819)이 축소노즐부(850)의 제 2 노즐목(859)보다 그 높이(폭)가 더 작은 것을 알 수 있다. 즉, 상기 축소/확대노즐부(810)의 노즐목(819)은 축소노즐부(850)의 노즐목(859) 대비 그 높이(폭)가 대략 45% 내지 55% 정도로 형성되어 있다.

본 발명에서는 시험부(830)를 마하수 2.5로 설계하였고, 시험부(830)의 노즐 형상에 대하여 여러 복잡한 유체역학적 문제들의 해석을 위하여 전산유체역학 소프 트웨어(CFD-FASTRAN)를 이용하여 입체해석을 수행하여 노즐 윤곽(Contour) 내의 유동장 해석 및 적합성을 확인하였다.

도 7a 및 도 7b는 내경 20mm의 압력조절밸브(500) 이후의 토출압력이 8bar인 조건에서의 축소/확대노즐부(810)에서의 전산유체역학 소프트웨어의 3D결과를 나타낸 것으로 점성 모델(880)(Turbulent Navier-Stokes)로 계산하였다.

즉, 도 7a는 마하수 분포도를 나타낸 것으로, 축소/확대노즐부(810)에서의 유동속도는 31m/s이며, 노즐목(819)을 음속으로 통과하면서 시험부(830)의 마하수 분포는 2.5정도로 형성되어짐을 알 수 있다.

도 7b는 축소/확대노즐부(810)와 노즐목(819), 그리고 시험노즐부(831)까지의 온도 분포도를 나타낸 것으로, 축소/확대노즐부(810)와 시험부(830) 사이의 노즐목(819)과 시험부(830)에서의 온도는 각각 220K, 130K로 나타났다.

전산유체역학 소프트웨어의 수치해석을 통하여 노즐 외형(Contour)의 적합성 및 실험부에서의 유동장 분포 등을 확인할 수 있다.

그리고, 축소/확대노즐부(810)의 후단에 위치한 시험부(830)는 블록의 양옆으로 광학창(837)을 형성함과 아울러 플랜지에 의해 축소/확대노출부(810) 및 축소노즐부(850)와 볼트 체결되도록 구성하였는데, 이러한 시험부(830)의 분해도 및 조립도는 도 8a 및 도 8b와 같다.

도 8a에서 보듯이 시험부(830)는 시험부블록(831)과, 시험부플랜지(833)와, 광학창(837)으로 이루어져 있고, 각 구성은 볼트로 체결되어 있다. 상기 시험부블록(831)도 실험목적과 관찰내용에 따라 스테인레스 재질이 아니라 강화유리 또는 케미글라스를 이용하여 제조할 수 있음은 당연하다.

여기에서 광학창(837)은 강화유리 또는 아크릴 재질로 형성할 수 있으며, 광학창(837)의 크기는 250mm×80mm이고, 그 두께는 12mm이다.

특히, 광학창(837)으로 빛의 투과성이 좋은 아크릴 재질의 케미글라스를 사용하는 것이 좋으며, 축소/확대노즐부(810)측에 형성된 노즐목(819)의 전/후 부분 및 시험부(830)의 실험영역인 중공부(835) 전체를 볼 수 있도록 형성하는 것이 좋다. 시험부(830)의 길이는 122.5mm이며 전후단의 축소/확대노즐부(810)와 축소노즐부(850) 사이의 플랜지에 각각 압력손실을 방지하기 위해 오링(O-Ring)을 삽입하는 것이 바람직하다.

마지막으로 노즐-시험부(800)의 후단에 위치한 확산부(900; Diffuser)는 도 9a의 측면도와 도 9b의 정면도와 같이 형성되어 있으며, 유체의 속도를 낮은 아음속으로 감속시켜 대기로 방출시키는 역할을 한다.

이러한 기능은 정체압력의 손실을 가능한 줄이면서 유동의 속도를 낮추고 이로 인해 작동시간(Run Time)을 더 증가시킬 수 있다.

상기 확산부(900)는 크게 시험부(830) 내의 초음속 흐름의 유속을 감속시켜 주는 축소노즐부(850)의 노즐목(859) 부분부터 흐름을 팽창시켜 속도를 감속시키는 확산부(900)로 구성되어 있다.

일반적인 축소노즐부(850)의 길이는 시험부(830)의 높이(h)에 대해 3 내지 10배(3 내지 10h) 이내이며, 본 초음속 풍동의 경우는 3.56배인 127mm로 설계하였다.

또한, 확산부(900)의 확산각은 대략 5°내지 7.5°이내의 값을 가지도록 설계할 수 있으나, 본 발명에서는 소음 및 진동을 고려하여 확산각을 5.5°로 설계하였으며, 그 길이는 대략 312mm이다.

이와 같이 구성된 초음속 풍동장치의 성능을 검증하는 실험을 수행하였는바, 성능검증 실험으로는 그림자 기법(Shadow graph)을 이용한 시험부(830)에서의 유동가시화 실험을 수행하였다.

실시예에서는 가시화 실험모델(880)을 편향각(Deflection Angle)이 15°가 되도록 황동으로 제작하였고, 케미글라스로 형성된 광학창(837)의 옆면에서 핀으로 고정시켰으며, 시험부(830)에서 실험모델(880)이 차지하는 면적비를 11.87%로 설계하였다.

이와 같이 설계한 후 그 가시화 결과는 도 10과 같다. 실험조건은 유체저장탱크(100; Storage Tank)의 압력이 130bar에서 20bar로 떨어질 때까지 작동시켰으며, 이때의 작동시간은 20sec정도로 하였다. 가시화 결과 실험모델(880; Wedge Model) 주위에서 압축충격파(Compression Shock Wave), 팽창파(Expansion Wave), 반사충격파(Reflection Shock wave), 경계층(Boundary Layer) 등을 확인할 수 있었으며, 작동시간동안 균일한 유동장이 형성되어짐을 알 수 있었다. 유동가시화를 통하여 확인한 충격파각은 37°로 선도에 의해 시험부(830)의 마하수는 2.5임을 알 수 있다.

그 외의 유동가시화 실험으로는 2차원 평판에서의 제트분사(Jet Injection) 유동 간섭현상을 다양한 작동 기체에 따른 유동가시화 실험을 수행하였고, 도 11은 시험부(830)의 마하수 2.5에서 제트분사압력(Jet Injection Pressure) 4.5MPa의 CO₂작동 기체의 가시화 결과를 나타낸 것이다.

도 12는 완성된 실험용 초음속 풍동을 나타낸 이미지 도면으로서, 실험장비의 전체 길이는 1.64m이고, 높이는 1.14m로 소형의 크기이며, 운용 가능한 시험부(830)의 마하수는 1.6 내지 3.5로 블록형 노즐 타입으로 설계되었다.

실험장비에 장착된 모든 장비는 국산의 저가 상용제품을 사용하여 제작단가를 낮춰 설계되었다.

그리고, 실험용 초음속 풍동의 성능검증 실험으로 시험부(830) 및 정체실(700)에서의 정확한 유동장 확인을 위하여 압력측정 실험을 수행하였는데, 각 부분별 압력측정 실험을 위한 장비로는 압력센서(KISTLER 4045A5, 4045A20)와 LabVIEW 소프트웨어를 사용하여 측정하였다.

정체압력 측정장치로는 유동방향에 직접 관의 개구(Open-Ended)를 향하게 두는 간단한 피토관(Pitot Tube)이다.

도 13은 정체실(700)에서의 정압(Static Pressure) 및 시험부(830)에서의 정압(Static Pressure) 및 전압(Total Pressure)을 측정한 결과이다. 풍동을 작동시키는 동안 정체실(700)에서 측정되어진 정압 결과는 도 13a에서와 같이 4.3bar 내지 4.1bar로 거의 일정한 압력 상태로 유지되고 있음을 확인하였다.

이때의 실험조건은 유체저장탱크(100)의 압력을 100bar에서 50bar까지 작동시켰으며, 작동시간은 4sec 내지 5sec 정도로 측정되었다. 그리고 시험부(830)에서 의 정압측정 결과는 0.39bar 내지 0.42bar의 범위로 풍동 작동시간 동안 매우 안정적이고 일정한 정압력이 형성되어짐을 확인하였다.

또한, 도 13b에서와 같이 시험부(830)에서의 전압측정 결과는 2.41bar 내지 2.45bar로 시간에 대해 거의 일정하게 측정되었다.

본 발명을 통하여 개발된 시험부(830)에서의 흐름교란(Flow Fluctuation)은 3% 이내로 극히 적게 측정되었으며, 이러한 정체실(700) 및 시험부(830)에서의 압력측정 결과를 통하여 시험부(830)의 유동성질(Flow Property)이 매우 안정적임을 확인할 수 있었다.

도 14는 축소/확대노즐부(810) 및 시험부(830)에서의 정압을 측정하여 전산유체역학 소프트웨어와 비교한 결과이다. 실험장비로 스캐니 밸브(Scani Valve)를 사용하여 0.5초 간격으로 22개의 압력공에 대한 압력측정을 수행하였다.

이때의 실험조건은 유체저장탱크(100)의 압력을 130bar에서 20bar까지 작동시켰으며 작동시간은 23sec로 측정되었다. 도 14의 실험 및 CFD-FASTRAN 결과 오차는 노즐목(819) 이전에서 오차범위는 최대 2.3%, 노즐목(819) 이후의 오차범위는 최대 0.1%로 축소/확대노즐부(810) 및 시험부(830)에서의 정압 측정 실험결과와 CFD-FASTRAN 해석 결과가 대체적으로 양호하게 일치함을 확인하였다.

이와 같이 본 발명에 의한 소형-저가의 실험용 초음속 풍동은 시험 중공부(835)의 크기가 30mm×35.6mm이며 작동시간은 23sec 내외로서 실험용으로 충분한 성능목표를 갖도록 하였으며, 시험부(830)에서 PSP, PIV, 제트 인젝션(Jet Injection)과 같은 다양한 실험이 가능하도록 설계하였다. 축소/확대노즐부(810)와 축소노즐부(850)는 블록교체형으로 장착되어지도록 하였으며 운용 가능한 시험부(830)의 마하수는 1.6 내지 3.5의 범위로 설계되었다.

초음속 풍동에 장착되어지는 고가의 장비는 일반의 상용제품으로 대체하여 제작단가를 낮추었으며, 이러한 실험용 초음속 풍동의 성능 목표와 기존 상용 제품과의 대체 가능성 확인 및 최적 설계치의 계산을 위하여 도 15와 같은 초음속 풍동 설계 LabVIEW 프로그램을 개발하였다. 개발된 초음속 풍동설계 LabVIEW 프로그램을 통하여 각 부분별 최적의 설계치 값을 계산하였다.

성능검증 실험으로는 2차원 Wedge 모델(880)을 사용하여 시험부(830)의 마하수(2.5)를 확인하였고, 정체실(700) 및 시험부(830)에서의 유동의 균일성 및 안정성에 대한 압력측정 실험을 수행하였다. 압력측정 실험결과 시험부(830)에서의 흐름교란(Flow Fluctuation)은 3% 이내로 매우 안정적인 유동장이 형성되어짐을 확인하였고, CFD-FASTRAN 결과와도 어느 정도 일치하는 경향을 보였다.

작동시간은 유체저장탱크 2개, 유체저장탱크의 압력 130bar의 실험조건에서 최대 24sec이며 과도시간은 0.35sec로 측정되었다.

본 발명을 통하여 단속적 불어내기식 초음속 풍동의 전체적인 설계 기술뿐만 아니라 버지니아 테크(Virginia Tech)와 같은 해외 연구소와의 기술교류를 통한 노즐설계 기술을 확보할 수가 있다.

상기에서 본 발명의 특정한 실시예가 설명 및 도시되었지만, 이에 한정되지는 않으며, 본 발명이 당업자에 의해 다양하게 변형되어 실시될 가능성이 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같은 변형된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망 으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명에 첨부된 청구범위 안에 속한다 해야 할 것이다.

따라서, 본 발명에서는 기존의 초음속 풍동에 사용되어지는 대형-고가의 주요 장비들을 국산으로 대체하여 소형-저가의 실험용 초음속 풍동을 제작함으로써, 이러한 초음속 풍동 설계기술을 중소기업으로 이전하여 저가로 대학에 보급하여 실험용 장비로도 활용할 수 있는 이점이 있다.

또한, 시험부가 커질수록 이에 비례해서 모든 구성품들이 더 커짐과 아울러 각 구성품들의 가격 또한 더 증가되므로 시험부의 크기를 초소형으로 축소함에 따라 제조단가를 대폭적으로 낮춤과 아울러 소형으로 제작하여 운반성과 활용성을 극대화시킬 수 있는 이점이 있다.

Claims

비행체가 초음속으로 비행할 때 직면하는 조건과 유사한 상태의 유체흐름을 만들어서 실험모델의 주위로 불어주는 풍동 장치에 있어서:

고압의 공기 또는 가스와 같은 유체가 저장되는 유체저장탱크;

상기 유체저장탱크와 연결된 파이프 상에 설치되어 유체저장탱크로부터 나온 유체의 흐름을 개폐하는 게이트밸브;

상기 게이트밸브의 후단 파이프 상에 설치되어 게이트밸브를 통과한 유체의 양을 조절하여 일정압력으로 내보내주는 압력조절밸브;

상기 압력조절밸브의 후단에 형성되어 파이프로부터 나온 고속의 유체흐름을 팽창시켜 유속을 줄여주는 광각확산부;

상기 광각확산부의 후단에 형성되어 유동 중에 발생한 불균일한 유동분포를 균일 분포의 정상 유동으로 정류하는 정체실;

상기 실험모델이 장착되며 정체실로부터 들어오는 유체의 흐름을 증가시키거나 감소시켜 마하수를 조정함과 아울러 일정한 유체의 흐름이 통과되며 유동가시화 실험 및 압력감도와 미립자속도와 같은 실험을 수행하고 측정하는 노즐-시험부; 및

상기 노즐-시험부의 후단에 설치되어 유체흐름을 팽창시켜 유속을 아음속으로 감소시키는 확산부;를 구비한 것을 특징으로 하는 교육용 초음속 풍동장치.
청구항 1에 있어서,

상기 유체저장탱크는 허용압력이 최대 150bar인 복수의 유체탱크를 파이프에 병렬 연결하여 사용하는 것을 특징으로 하는 교육용 초음속 풍동장치.
청구항 1에 있어서,

상기 유체저장탱크와 연결된 파이프는 내경이 35mm 내지 45mm이고, 최대 허용압력이 대략 300bar인 것을 특징으로 하는 교육용 초음속 풍동장치.
청구항 1에 있어서,

상기 유체저장탱크는 내경이 20mm 내지 30mm이고, 최대 허용압력 대략 185bar인 고압튜브를 통해 파이프에 연결된 것을 특징으로 하는 교육용 초음속 풍동장치.
청구항 1에 있어서,

상기 유체저장탱크와 연결된 파이프에 유체저장탱크 및 유체흐름통로의 압력을 확인하기 위한 압력게이지를 더 설치한 것을 특징으로 하는 교육용 초음속 풍동 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 게이트밸브는, 최대 허용압력이 대략 200bar이고, 내경이 대략 23.5mm인 볼 밸브 타입(Ball Valve Type)인 것을 특징으로 하는 교육용 초음속 풍동장치.
청구항 1에 있어서,

상기 광각확산부의 외형은 사각 DUCT 형상인 것을 특징으로 하는 교육용 초음속 풍동장치.
청구항 1에 있어서,

상기 광각확산부의 확산각은 45°내지 90°범위의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 교육용 초음속 풍동장치.
청구항 1에 있어서,

상기 광각확산부의 입/출구 면적비는 6배 내지 8배인 것을 특징으로 하는 교 육용 초음속 풍동장치.
청구항 1에 있어서,

상기 광각확산부 내부에 유동의 고른 확산을 위하여 전 면적에 다수의 관통홀이 형성된 판구조의 스프레더(Spreader)를 설치한 것을 특징으로 하는 교육용 초음속 풍동장치.
청구항 10에 있어서,

상기 스프레더의 관통홀의 내경은 대략 1.35mm 내지 1.65mm이고, 스프레더의 두께는 대략 1.8mm 내지 2.2mm인 것을 특징으로 하는 교육용 초음속 풍동장치.
청구항 1에 있어서,

상기 정체실 내부에 난류의 정도를 줄이고 흐름의 균질성을 향상시키기 위하여 메시형 스크린(Mesh Screen)을 설치한 것을 특징으로 하는 교육용 초음속 풍동장치.
청구항 12에 있어서,

상기 스크린은 1인치당 메시수가 대략 19개 내지 25개이고, 선 직경은 대략 0.175mm 내지 0.215mm로 형성한 것을 특징으로 하는 교육용 초음속 풍동장치.
청구항 1에 있어서,

상기 정체실은 사각 DUCT형의 형상이며, 전후단의 광각확산부와 노즐-시험부와 플랜지 결합되며 플랜지 사이에 기밀유지용 패킹을 설치한 것을 특징으로 하는 교육용 초음속 풍동장치.
청구항 1에 있어서,

상기 노즐-시험부는, 사각 DUCT 형상의 내부 중공을 가지되 흐름의 속도를 증가시켜 주는 축소/확대노즐부; 상기 축소/확대노즐부의 중공과 연결되는 유선형의 내부 중공을 가지되 내부 중공에 장착된 실험모델로부터 각종 실험결과 데이터를 얻는 시험부; 및 상기 시험부의 내부 중공과 연결되는 중공을 가지되 시험부를 통과한 흐름의 유속을 감속시켜 주는 축소노즐부;로 이루어진 것을 특징으로 하는 교육용 초음속 풍동장치.
청구항 15에 있어서,

상기 축소/확대노즐부는 원하는 실험 조건에 따라 적절한 마하수의 노즐로 교체 가능한 것을 특징으로 하는 교육용 초음속 풍동장치.
청구항 15에 있어서,

상기 축소/확대노즐부와 축소노즐부에 노즐목을 각각 형성한 것을 특징으로 하는 교육용 초음속 풍동장치.
청구항 15에 있어서,

상기 축소/확대노즐부의 노즐목은 축소노즐부의 노즐목 대비 그 높이(폭)가 대략 45% 내지 55%인 것을 특징으로 하는 교육용 초음속 풍동장치.
청구항 15에 있어서,

상기 시험부의 일측에 강화유리 또는 케미글라스(Chemiglas) 재질의 광학창을 형성한 것을 특징으로 하는 교육용 초음속 풍동장치.
청구항 15에 있어서,

상기 축소노즐부의 밑면에 실험모델을 장착하기 위한 모델지지대를 설치한 것을 특징으로 하는 교육용 초음속 풍동장치.
청구항 1에 있어서,

상기 확산부의 확산각은 대략 4°내지 8°의 범위로 형성한 것을 특징으로 교육용 초음속 풍동장치.