KR20190098415A

KR20190098415A - 유체 정류 기능이 향상된 풍동실험장치

Info

Publication number: KR20190098415A
Application number: KR1020180018342A
Authority: KR
Inventors: 김상일; 김기대; 이우용; 김동욱; 오현기; 이상빈; 임명균; 승삼선
Original assignee: 강원대학교산학협력단
Priority date: 2018-02-14
Filing date: 2018-02-14
Publication date: 2019-08-22

Abstract

본 발명은, 유체 정류 기능이 향상된 풍동실험장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 송풍기와, 확대부, 정류부, 교축부 및 측정부로 구성된 풍동(wind tunnel)을 포함하는 풍동실험장치로서, 정류부는, 유체를 정류시키기 위해 전후 순차적으로 배치되는 메쉬(mesh) 형태의 정류망, 복수의 타공판 및 허니컴 구조물을 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 정류 기능이 향상된 풍동실험장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 풍동 정류부에서 유체의 흐름 및 유속이 균일화 됨으로써, 유체의 압력손실이 낮아지고, 이로 인해 풍동 측정부에서의 유체의 난류도가 최소화되는 효과가 있다.

Description

유체 정류 기능이 향상된 풍동실험장치{Wind tunnel testing apparatus with a improved fluid rectifier}

본 발명은, 풍동실험장치에 관한 것으로, 특히 유체의 흐름 및 유속을 균일하게 구현할 수 있는 유체 정류 기능이 향상된 풍동실험장치에 관한 것이다.

풍동실험장치는 균일한 공기의 흐름을 인공적으로 만들어, 흐름이 물체에 미치는 영향이나 흐름 속의 물체의 운동, 흐름 속에 놓인 물체로 인한 흐름의 변화 등을 조사하는 장치이다. 즉, 풍동실험장치는 공기가 흐르는 현상이나 공기의 흐름이 물체에 미치는 힘 또는 흐름 속에 있는 물체의 운동 등을 조사하기 위해 인공적으로 공기가 흐르도록 만든 장치이다.

이러한 풍동실험장치는 실물을 사용해 직접 측정하는 것에 비해 모형을 계통적으로 변화시킬 수 있으므로, 저렴하고 안전하게 그리고 쉽게 여러 경우로 실험할 수 있다.

초기에는 항공기의 설계와 연구에 사용되다가 지금은 자동차, 철도차량, 자전거 및 선박 등의 설계, 고층빌딩, 탑 및 교량 등 구조물에 대한 바람의 영향, 산악으로 인해 발생하는 난기류의 해석 등의 용도로 활용되고 있다.

예를 들면, 항공기 분야에서는 항공기의 축척모형 또는 실제 기체를 그대로 사용하여, 양력, 항력 및 모멘트 등 기체에 작용하는 공기의 힘을 측정하고, 또 날개 또는 각종 날개 형태의 공기역학적 특성을 측정한다.

이렇게 풍동실험장치는 항공기나 자동차의 공기저항을 알아본다든지, 공기역학적으로 가장 적합한 모양을 정하기 위한 실험에 사용되며, 실물을 닮은꼴로 축척한 모형을 써서 실험하는 수가 많은데, 실물의 자동차나 항공기로 그대로 실험할 수 있는 대형의 풍동 장치도 있다.

또한, 초음속 항공기, 로켓 및 스페이스 셔틀 등의 실험에는 초음속풍동이 쓰이고, 고층 건축이나 산의 주위의 바람의 상태, 굴뚝에서의 연기의 확산 등 건축, 기상 및 공해의 분야의 실험에도 쓰이고 있다.

한편, 일반적으로, 유체공학의 풍동실험에 있어서 유속과 온도를 측정하는데 필요한 장비가 열선 프로브이다. 열선 프로브를 이용한 유속 측정은, 풍동 측정부에 실험 물체를 삽입한 후, 후류 또는 물체 주변의 원하는 지점의 유속을 측정한다.

하지만, 열선 프로브는 약 0.01mm 의 가는 텅스텐 와이어로 되어 있기 때문에 작은 충격에도 쉽게 끊어지고, 내구성이 약해서 자주 교체를 해야 하는 단점이 있다.

이러한 열선 프로브를 교체할 경우, 열선 프로브마다 유속변화에 대한 특성이 변하므로 열선 프로브를 교정하는 사전 실험을 반드시 행해야 하는데, 열선 프로브 교정기의 가격이 고가여서 열선 프로브를 교정하는데 있어 매우 어려운 문제가 있다.

그리고, 종래의 풍동실험장치는, 풍동 측정부의 난류도에 가장 큰 영향을 미치는 풍동 정류부의 구조상 정류부에서의 유체의 압력손실이 지나치게 높은 문제가 있다,

또한, 풍동 내에서의 유체의 흐름이 균일하지 못하고, 유속이 불규칙하여 풍동 측정부의 난류도가 지나치게 높기 때문에 풍동으로서 가져야 할 중요한 조건인 균일한 유속의 재현이 불가능한 문제가 있다.

한국 등록특허공보 제10-1462807호(2014년 11월 24일 공고)

상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 과제는, 유체의 압력손실 및 난류도를 최소할 수 있는 유체 정류 기능이 향상된 풍동실험장치를 제공하는 데 있다.

상기 과제를 달성하기 위해 안출된 본 발명은, 유체 정류 기능이 향상된 풍동실험장치로서, 송풍기와, 확대부, 정류부, 교축부 및 측정부로 구성된 풍동(wind tunnel)을 포함하는 풍동실험장치로서, 상기 정류부는, 유체를 정류시키기 위해 전후 순차적으로 배치되는 메쉬(mesh) 형태의 정류망, 복수의 타공판 및 허니컴 구조물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 타공판은, 제1 타공판 및 상기 제1 타공판의 후방에 배치되며, 제1 타공판에 형성된 홀의 직경 보다 더 작은 홀이 형성된 제2 타공판을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제1 타공판에 형성된 홀의 직경은 약 15mm 이고, 상기 제2 타공판에 형성된 홀의 직경은 약 10mm 인 것을 특징으로 한다.

상기 측정부에는, 유체의 유속을 측정하는 열선 프로브(hot wire probe)가 설치된 것을 특징으로 한다.

상기 정류부에는, 유체의 압력손실을 측정하는 니플(nipple)이 설치된 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 풍동 정류부에서 유체의 흐름 및 유속이 균일화 됨으로써, 유체의 압력손실이 낮아지고, 이로 인해 풍동 측정부에서의 유체의 난류도가 최소화되는 효과가 있다.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유체 정류 기능이 향상된 풍동실험장치를 나타낸 외부 사시도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유체 정류 기능이 향상된 풍동실험장치에서 정류부의 내부를 나타낸 단면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유체 정류 기능이 향상된 풍동실험장치에서 정류부의 내부를 나타낸 사시도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 유체 정류 기능이 향상된 풍동실험장치의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유체 정류 기능이 향상된 풍동실험장치를 나타낸 외부 사시도이고, 도 2는 풍동실험장치에서 정류부의 내부를 나타낸 단면도이고, 도 3은 정류부의 내부를 나타낸 사시도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유체 정류 기능이 향상된 풍동실험장치는, 송풍기(100)와, 확대부(210), 정류부(220), 교축부(230) 및 측정부(240)로 구성된 풍동(wind tunnel)(200)을 포함하는 구성요소로 이루어지며, 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.

송풍기(100)는, 풍동(200)의 전단부에 연결되며, 외부 공기를 강제 흡입하여 풍동(200) 내부로 일정한 풍속의 공기를 제공한다. 이때, 송풍기(100)에 구비된 회전팬의 회전수를 제어하여 자유로운 유속의 재현을 가능하게 하는 인버터(110)가 더 구비될 수 있다.

풍동(200)은, 길이방향을 따라 차례로 배치되는 확대부(210), 정류부(220), 교축부(230) 및 측정부(240)로 이루어진다.

확대부(210)는, 송풍기(100)의 토출측에서 부터 후방으로 갈수록 단면이 점차 확대되는 구조로 이루어져 송풍기(100)에 의해 흡입되는 공기의 유속을 감속시키는 역할을 한다.

정류부(220)는, 확대부(210)를 통해 감속된 상태로 유입되는 불규칙한 공기의 흐름을 정류시키는 역할을 하며, 확대부(210)와 연이어 이어지면서 확대부(210)의 확대된 단면으로 일정거리의 직선 구간을 유지하는 구조로 이루어진다. 이때, 정류부(220)의 후단측에는 유체의 압력손실을 측정하는 니플(nipple)(231)이 설치된다.

교축부(230)는, 정류부(220)의 후단측에서부터 연이어 이어지면서 후방으로 갈수록 단면이 점차 축소되는 구조로 이루어지며, 정류부(220)를 통해 정류된 공기의 밀도를 증가시키는 역할을 한다.

측정부(240)는, 교축부(230)를 통해 밀도가 증가된 공기가 배출되되, 정류부(220)를 통해 공기의 흐름 및 유속이 균일하게 재현되어 유체공학실험이 수행된다. 이때, 측정부(240)에는 공기의 유속 및 온도를 측정하는 열선 프로브(hot wire probe)(241)가 설치된다.

한편, 정류부(220)는, 공기를 정류시켜 측정부(240)에서 유속이 균일하게 분포되도록 해주는 수단으로, 정류망(221), 타공판(222) 및 허니컴 구조물(223)을 포함한다. 여기서, 정류망(221), 타공판(222) 및 허니컴 구조물(223)은 전후 순차적으로 배치되어 공기를 정류시키는 역할을 한다.

정류망(221)은, 메쉬(mesh) 형태로 이루어지며, 구조적 특성상 천공률이 높기 때문에 정류망(221)을 통과하는 공기 덩어리를 미세하게 쪼갤 수 있다. 이러한 정류망(221)으로 인해 정류부(220)에서 공기의 압력손실이 줄어들고, 공기의 흐름이 미세하게 교정된다.

타공판(222)은 복수로 이루어져 각 타공판(222a, 222b)은 마주보면서 서로 나란하게 배치된다. 여기서, 타공판(222)은 다수의 홀이 형성되어 있는 판 형태이며, 전후 일정한 간격을 두고 배치되는 앞뒷쪽의 타공판(222)은 서로 다른 직경의 홀이 형성된다.

예를 들면, 앞쪽의 타공판(222a)에 형성된 홀의 직경은 약 15mm 정도로 이루어질 수 있고, 뒷쪽의 타공판(222b)에 형성된 홀의 직경은 약 10mm 정도로 이루어질 수 있다.

타공판(222)은 정류망(221) 보다 천공률이 낮은데 반해 공기의 흐름을 잠시 체류시켜 공기의 유속을 낮추게 한다.

허니컴 구조물(223)은, 그 단면이 6각의 벌집모양으로 공기가 통과할 수 있는 다수의 격자형 통로를 가지는 사각의 격자형 구조체이다, 그리고, 공기의 진행 통로의 길이는 약 10cm 이며, 전체 단면이 동일한 크기로 분할되어 있어 공기의 흐름을 균일하게 분산 및 분포될 수 있게 한다.

본 발명에서는 아래의 [표]과 같이, 홀의 직경이 각각 약 15mm, 10mm 인 타공판들과, 메쉬 형태의 정류망과 허니컴 구조물을 마련한 다음, 정류부에서의 전후 배치 순서를 조합하여 최적의 값을 도출하기 위해 열선 프로브의 전압을 측정해주는 프로그램을 이용하여 실험을 실시하였다. 또한, 정류부에서의 손실 압력을 측정하였다.

배치 순서	전압 전체 표준편차의 최고값	손실 압력 전체의 최고값
15mm 타공판 → 10mm 타공판 → 정류망 → 허니컴 구조물	0.004230129	5.013333333
	전압 전체 표준편차의 최저값	손실 압력 전체의 최저값
	0.004071501	4.773333333
	전압 전체 표준편차의 평균값	손실 압력 전체의 평균값
	0.00412369	4.921333333

배치 순서	전압 전체 표준편차의 최고값	손실 압력 전체의 최고값
정류망 → 15mm 타공판 → 10mm 타공판 → 허니컴 구조물	0.004131368	4.68
	전압 전체 표준편차의 최저값	손실 압력 전체의 최저값
	0.003910522	4.366666667
	전압 전체 표준편차의 평균값	손실 압력 전체의 평균값
	0.004023666	4.548

[표 2]의 실험 결과에서와 같이, 배치 순서는, 전압 전체 표준편차의 평균값인 0.004023666과 손실 압력 전체의 평균값인 4.548을 통해 정류망→15mm 타공판→10mm 타공판→허니컴 구조물의 배치 순서가 가장 최적인 것을 알 수 있다.

따라서, 풍동(200)의 내부로 유입되는 공기는 천공률이 높은 메쉬 형태로 이루어진 정류망(221)을 통과하면서 공기의 흐름이 미세하게 교정되어 정류부(220)의 압력손실이 줄어들고, 균질한 공기의 흐름이 유도되며, 직경을 달리하는 홀을 가지는 앞뒤 2개의 타공판(222)에 의해 정류부(220) 내에서 잠시 체류된 후 보내지게 되고, 계속해서 뒷쪽의 허니컴 구조물(223)의 각 격자형 통로를 거치면서 고르게 분산되므로서, 측정부(240)에서는 유속의 균일한 분포가 이루어지고, 측정부(240)에서의 공기의 난류도를 약 3% 미만, 바람직하게는 약 1% 미만으로 최저로 낮출수 있는 것이다.

이상에서는 본 발명을 바람직한 실시예에 의거하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 아니하고 청구항에 기재된 범위 내에서 변형이나 변경 실시가 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이며, 그러한 변형이나 변경은 첨부된 청구범위에 속한다 할 것이다.

100: 송풍기 110: 인버터
200: 풍동 210: 확대부
220: 정류부 221: 정류망
222: 타공판 223: 허니컴 구조물
230: 교축부 231: 니플
240: 측정부 241: 열선 프로브

Claims

송풍기(100)와, 확대부(210), 정류부(220), 교축부(230) 및 측정부(240)로 구성된 풍동(wind tunnel)(200)을 포함하는 풍동실험장치로서,
상기 정류부(220)는, 유체를 정류시키기 위해 전후 순차적으로 배치되는 메쉬(mesh) 형태의 정류망(221), 복수의 타공판(222) 및 허니컴 구조물(223)을 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 정류 기능이 향상된 풍동실험장치.
제1항에 있어서, 상기 타공판(222)은,
제1 타공판(222a); 및
상기 제1 타공판(222a)의 후방에 배치되며, 제1 타공판(222a)에 형성된 홀의 직경 보다 더 작은 홀이 형성된 제2 타공판(222b);
을 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 정류 기능이 향상된 풍동실험장치.
제2항에 있어서,
상기 제1 타공판(222a)에 형성된 홀의 직경은 15mm 이고, 상기 제2 타공판(222b)에 형성된 홀의 직경은 10mm 인 것을 특징으로 하는 유체 정류 기능이 향상된 풍동실험장치.
제1항에 있어서,
상기 측정부(240)에는, 유체의 유속을 측정하는 열선 프로브(hot wire probe)(241); 가 설치된 것을 특징으로 하는 유체 정류 기능이 향상된 풍동실험장치.
제1항에 있어서,
상기 정류부(220)에는, 유체의 압력손실을 측정하는 니플(nipple)(231); 이 설치된 것을 특징으로 하는 유체 정류 기능이 향상된 풍동실험장치.