KR890000914B1 - 벽을 통해 유출하는 확산기 - Google Patents

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내용 없음.

Description

벽을 통해 유출하는 확산기

제1도는 축방향 입구와 외부벽의 나팔형 부분상의 유출 스롯트를 가지고 있는 확산기에서의 제1의 바람직한 흐름 형태를 도시하는 개략도.

제2도는 제1도의 확산기에서의 제2의 바람직하지 않은 흐름 형태를 도시하는 개략도.

제3도는 본 발명에 의한 확산기의 단면도.

제4도는 Ⅳ로 표시한 부위를 확대 도시하는 제3도의 스롯트 입구의 단면도.

제5도 내지 제8도는 유출비가 스롯트 폭의 함수로서 변화되는 것을 도시하는 그래프.

제9도는 확산기의 외부벽을 따른 유속 변화를 도시하는 그래프

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 스롯트 2 : 외부벽의 상류 부분

3 : 외부벽의 하류 부분 4 : 내부벽

본 발명은 거의 축방향인 입구와 그 입구로부터 출구에 이르는 나팔모양의 외부벽을 가지며, 축 AA'에 대하여 대칭인 확산기에 관한 것이다. 확산기내에서 유체 흐름의 일부는 축에 대해 대칭으로 배치된 원형 스롯트를 거쳐 상기 나팔모양의 벽을 통해 유출된다.

이런 확산기는 영국 특허 제 1,024,328호에 기술되고 있다.

상기 종래의 확산기에 있어서, 유체는 유출 스롯트로부터 상류인 벽 부분에서는 일반적으로 입구에서 출구의 방향으로 하여 외부벽을 따라 흐르지만 스롯트의 하류에서는 반대 방향, 즉 출구로부터 유출 스롯트로 흐른다.

이로 인하여 스롯트의 하류에서 경계층 분리(separation)가 일어난다.

본 발명에 양호한 실시예들은 그러한 분리를 피할 수 있게 한다.

본 발명에 의해 벽을 통해 유출 작용을 하는 확산기가 제공되며, 이 확산기는 축 AA'에 대칭이고, 상기 축상의 유체 입구와 이 유체 입구에서 유체 출구에 이르는 나팔모양의 외부벽과 이 외부벽의 나팔형 부분에 상기 축 AA'에 대해 대칭으로 배치되어 상기 외부벽을 상류 부분과 하류 부분으로 나누는 원형의 유출 스롯트를 가지고 있으며, 한편 상기 나팔형 외부벽의 형상은 벽 표면을 따른 유체 흐름 방향이 벽의 상류 부분과 하류 부분 모두에 걸쳐 상기 입구에서 상기 출구로 향하게 된 형상이며, 이 유체 흐름방향에서의 벽을 따른 압력 구배는 벽 표면에서 측정될 때 상기 스롯트로부터 상류측은 “부”이고 하류측은 “정”이다.

스롯트 하류에 재압축을 가하면 외부벽의 하류부분을 따른 역류를 방지하게 된다.

스롯트 양측에서의 압력 구배가 0인 화산기들이 또한 알려져 있다.

그러한 예의 확산기가 영국 특허 제 1,000,767호에서 설명된다.

그러한 확산기에서는 유출 스롯트를 통한 흡입에 의해 경계층 분리(separation of the boundary layer)가 매우 큰 정도로 피해질 수 있다. 그러나 실험하여 본 결과, 작동이 안정하지 못한 넓은 범위의 유출비(즉, 유출된 유량/확산기에 들어가는 전체 유량)가 존재함을 알았다. 이것은 실제의 사용을 상당히 제한받게 되는 아주 높은 유출비 (10%이상)로 작동되는 확산기가 되었다.

유출 스롯트로부터 상류측의 외부벽을 따라서는 “부”의 압력 구배를, 하류측의 외부벽을 따라서는 “정”의 압력 구배를 발생시키게 되는 상기의 외부벽 형상을 사용하면, 보다 낮은 유출비에서도 스롯트의 상류와 하류 모두에서 경계층 분리를 피할 수가 있다.

유익하게도, 상기 스롯트는 축 AA'에 따른 흐름 방향에서 측정할때 100°내지 120°로 놓이는 입구각을 갖는다.

이것은 효과적 작동에 필요한 최소 유출비를 감소시킨다.

본 발명의 양호한 실시예에서, 상기 스롯트는 사실상 다음과 같은 입구폭 b_opt를 가진다.

여기서,

X는 유출비, 즉 스롯트를 통한 유출량/확산기의 전체 유입량

S₀는 확산기의 입구 단면적

r는 스롯트와 축 사이의 반경 방향 거리

V₀는 확산기의 입구 단면에서의 평균 유속

V₁는 스롯트 입구에서의 외부벽 상류 부분상의 유속

R₁은 스롯트 입구에서의 외부벽 상류 부분의 만국부의 반경

최적의 스롯트 폭은 상기 방정식에 의하여 주어진 값에 근사하다. 스롯트가 너무 좁으면 스롯트 상류에서의 가능한 분리 구역을 얻을 기회가 감소되지만, 한편 스롯트로의 유입 속도가 증가되어야 하기 때문에 일정한 유출비에 대한 스롯트에서의 손실이 증가된다. 다른 한편, 스롯트가 너무 넓으면 일정한 유출비에 대하여 스롯트로의 유입 속도는 너무 낮아지며 이로써 스롯트 상류에서의 분리가 촉진되는 반면, 벽의 하류 부분의 선단에 대해 속도를 증가하여 경계층의 두께를 분리의 정도까지 증가시킨다.

아래와 같거나 약간 더 큰 거리만큼을 외부벽의 하류 부분의 선단이 외부벽의 상류 부분의 후단에 대해 상쇄(offset)되는 것이 바람직하다.

여기서,

X, S₀, r, V₁및 R₁은 앞에서 정의한 바와 같으며, 상기 상쇄는 축에 수직하면서 외부벽의 상류 부분 후단에 접하는 상류 평면과 축에 수직하면서 외부벽의 하류 부분 선단의 팁(tip)의 원형 단면의 중심을 지나는 하류 평면 사이의 거리로서 정의된다.

본 발명은 확산기로부터의 출구 각도가 약 90°일때, 즉 확산기가 방사형 확산기일때 특히 효과적이다.

왜냐하면 축방향 흐름으로부터 반지름 방향 흐름으로의 편향이 재압축 효과에 부가되어 경계층 분리의 경향을 증가시키기 때문이다.

발명의 실시예를 첨부도면을 참고로 하여 설명한다.

제1도 및 제2도는 스롯트(1)에 의해 상류 부분(2)과 하류 부분(3)으로 분할되는 나팔형 외부벽을 가진 종래의 축방향 입구 확산기를 도시하고 있다. 이 확산기는 내부벽(4)도 가지고 있다. 이 확산기는 축 AA'에 대해 대칭적이며, 외부벽의 형상은 스롯트의 상류 및 하류에서의 압력 구배가 제로가 되도록 하는 것이다.

상당히 넓은 범위의 값으로 주어진 유출비(X )(스롯트(1)를 통해 유출되는 유량/확산기로 들어가는 유량)에 대해서는 두가지 다른 흐름 형태가 가능하다고 인식되어 왔다.

제1도는 바라는 바의 정상 흐름을 도시한다. 외부벽의 상류 부분(2)을 따르는 스롯트(1)상류의 경계층은 스롯트(1)로 흡입된다.

이것은 스롯트 하류에서 흐름이 분리되지 않게 해 준다.

제2도에서 보면, 스롯트(1)하류의 외부벽을 따라서 역류가 형성되어 있다. 일단 그러한 역류가 형성되면 확산기내의 유체를 재압축한다는 것이 불가능하다.

제5도는 스롯트(1)의 폭(b)의 함수로서 유출비(X)를 나타내는 그래프이다.

우선, 쇄선 곡선(Ⅰ)은 제1도에 도시한 흐름 형태가 형성되게 하는 b의 함수로서 X의 최소값을 나타내며, 연속 곡선(Ⅱ)은 제2도에 도시한 흐름 형태가 형성되게 하는 b의 함수로서 X의 최대값을 나타낸다. b의 어떤 주어진 값 b₀에 대해서는 두개의 상응하는 X값, 즉 곡선 Ⅰ상의 X₁과 곡선 Ⅱ상의 X₂가 있게 된다. X₂보다 작거나 같은 X값에 대해서는 제2도의 흐름 형태가 항상 일어난다.

X₂와 X₁사이의 X값에 대해서는 두 흐름 형태의 형성이 가능한 한편, X₁보다 크거나 같은 X값에 대해서는 제1도의 흐름 형태가 항상 일어난다.

따라서, 곡선 Ⅰ에 의해 정해진 값보다 크거나 같은 값의 유출비를 사용하는 것이 권고된다.

제3도는 본 발명에 따르는 확산기를 도시한다. 이것은 축 AA'에 대해 대칭적이다. 외부벽은 그것을 상류 부분(2)과 하류 부분(3)으로 분할하는 스롯트(1)를 가지고 있다. 외부벽의 형상은 유체 흐름 방향의 그 표면을 따라 측정한 압력 구배가 스롯트의 상류에서는 “부”이고 스롯트의 하류에서는 “정”이 되게 하는 형상이다.

확산기의 입구 단면은 S₀이고 이 지점에서의 유체흐름의 평균 속도는 V₀이다.

스롯트(1)는 원형이며 또한 축 AA'에 대해 대칭적이다. 그 입구 BC는 폭이 b이고, 스롯트(1)의 입구의 지점 C에서의 외부벽을 따른 유체 유속은 V₁이다. 스롯트(1)는 그 입구로부터 나팔형으로 약간 벌어진다.

스롯트(1)는 축 AA'에 대해 각 β를 이루고 있다.

제6도는 본 발명에 따른 확산기, 즉 외부벽의 형상이 그 표면에서 측정된 유체 흐름 방향에서의 압력 구배가 스롯트보다 상류에서는 “부”이고 그보다 하류에서는 “정”이 되도록 하는 형상으로 된 확산기에 대한 곡선 Ⅰ 및 Ⅱ를 도시한다.

곡선 Ⅰ 및 Ⅱ는 제5도에서보다 낮으며, 따라서 스롯트 폭 b의 어떠한 주어진 값에 대해서도 아주 낮은 유출비에서의 적절한 작동을 얻을 수 있다.

벽의 상류 부분(2)을 따르는 압력은 확산기의 입구로부터 스롯트(1)까지 점점 감소하고, 따라서 유체는 가속되고 경계층은 분리와는 매우 동떨어진 상태로 유지된다. 그러나, 확산기의 입구에서의 과도하게 높은 속도는 스롯트에서의 높은 손실을 야기시켜 아마도 압축성 문제를 일으키게 될 것이므로 피해야 한다. 벽 형상의 선택상 설계의 자유에 따라서, 선택된 스롯트의 입구 속도는 확산기의 입구 속도보다 15% 내지 40% 더 빠른 범위에 놓인다.

벽의 하류 부분(3)의 형상은 제2도의 흐름 형태 형성의 위험을 감소시켜 준다.

확산기의 내부벽(4)를 따르는 압력 변화는 소정의 확산기에 필요한 편향 (deflection)에 의존한다.

축 AA'에 대한 스롯트(1)의 입구 각도

는 100°내지 120°범위로 선택되며, 그리하여 곡선 Ⅰ(제7도 참조)의 최소 유출비를 감소시킨다.

스롯트의 폭은 하나의 중요한 매개 변수이다. 스롯트가 너무 좁은 경우에는 벽의 상류 부분(2)으로부터 분리된 경계층을 얻을 기회가 적다. 또한 (일정한 유출비에 대한) 스롯트 손실이 증가된다. 스롯트가 너무 넓은 경우에는 벽의 상류 부분(2)에 따른 분리가 촉진되고, 또한 정지점(S)(여기서 유속은 0이다)이 스롯트 속으로 조금 이동하고 그러므로써 벽의 하류 부분(3)상의 정지점(S)다음의 선단을 돌아가는 과도하게 높은 유속을 유발한다. 이로 인하여 벽의 하류 부분(3)상의 경계층은 두께가 증가되고, 그리하여 경계층 분리의 위험이 증가되며 결과적으로 확산기의 손실이 증가한다.

최적의 스롯트 폭 b_opt는 다음에 가깝다.

여기서,

V₁/V₀비는 제1의 정압 탐침을 스롯트 입구에 두어 스롯트 입구에서의 정압 P₁을 측정하고, 제2의 정압 탐침을 확산기 입구에 두어 확산기 입구에서의 정압 P₀을 측정하며, 피토관을 상기 확산기 입구에 두어 정지 압력 P₀

을 측정하여 쉽게 계산할 수 있다. 즉,

제9도는 곡선 OM에 따른 곡선 거리의 함수로서의 V/V₀(여기서, V는 벽의 상류 및 하류 부분(2, 3)상의 점 M에서의 속도)의 변화를 도시한다. 여기서 O는 확산기 입구에서의 벽의 상류 부분(2)상의 지점이다. 점 M이 점 O에서 점 C까지 이동함에 따라 V/V₀비는 일정하게 증가한다. 점 S에서 속도는 제로가 되고, 그 다음부터 V/V₀비는 극한값에 이르기까지 급격히 증가한다.

벽의 하류 부분(3)은 축 AA'에 수직인 두 평면 사이의 거리인 거리

만큼을 흐름 방향에서 상쇄(offset)되어 있다(제4도 참조). 상류의 평면은 벽의 상류 부분(2)에 접선 방향인 평면이며, 하류의 평면은 벽의 하류 부분(3)의 팁(tip)의 원형 단면 중심을 통과하는 평면이다. 상쇄 거리

는 먼저 언급한 최적의 스롯트 폭 b_opt보다 같거나 약간 더 큰 것이 좋다.

상쇄 거리

가 최적의 스롯트 폭 b_opt보다 약간 크게 선택되고 제7도의 곡선으로 나타난 조건들이 적용되면, 곡선 Ⅰ은 사실상 곡선Ⅱ와 동일하게 되는(제8도 참조)한편, 상기 곡선들의 최소치는 스롯트의 폭이 최적의 폭 b_opt와 같거나 근사할 때생긴다.

벽의 하류 부분(3)의 선단의 형상은 그 팁의 원형 단면의 반경이 b_opt/4와 같거나 보다 크도록 선택하는 것이 좋다.

제5도 내지 제8도의 그래프에서 알 수 있듯이 스롯트 폭, 스롯트 출구 각도, 벽의 하류 부분의 상쇄 거리 등에 대한 현명한 선택이 확산기의 유출비를 최소화 시킬 수 있으며, 그리하여 확산기의 전체 효율을 증가시킬 수 있다.

축방향의 입구 및 축방향의 출구를 갖는 확산기에서는 내부벽(4)은 당연히 생략된다.

Claims (5)

1. 축 AA'둘레에 회전 대칭의 경계층 흡입부를 가지고 있으며, 축방향 입구와 이 입구에서 출구로 흐르는 확산기내의 유체를 둘러싸는 외부벽을 반드시 포함하는 확산기로서, 이 외부벽에는 유입되는 유량의 일부를 유출시키는 원형 스롯트(1)가 제공되며 외부벽의 형상은 유체 흐름 방향의 그 표면상에서 측정한 압력 구배가 상기 스롯트(1)의 상류에서 “부”가 되게 하는 것인 확산기에 있어서, 상기 스롯트(1)의 하류의 상기 외부벽의 형상이 상기 스롯트(1)의 하류의 상기 외부벽을 따른 유체 흐름 방향은 입구로부터 출구로 향하게 되며 유체 흐름 방향에서의 벽 표면에서 측정된 압력 구배가 “정”이 되도록 하는 형상인 것을 특징으로 하는 확산기.
2. 제1항에 있어서, 회전축(AA')으로부터 측정된 확산기 유체 입구 방향에 대한 스롯트(1)로의 유체 입구 각도(

   

   )는 100°내지 120°인 것을 특징으로 하는 확산기
3. 제1항에 있어서, 스롯트(1)의 입구폭이 다음과 근사한 것을 특징으로 하는 확산기 :

   

   여기서,

   

   X는 유출비, 즉 스롯트를 통한 유출량/확산기의 전체 유입량

   S₀는 확산기의 입구 단면적

   V₀는 확산기의 입구 단면에서의 평균 유속

   r는 스롯트와 축 사이의 반경상 거리

   V₁는 스롯트(1) 입구에서의 외부벽 상류 부분(2)상의 유속

   R₁은 스롯트(1) 입구에서의 외부벽 상류 부분(2)의 만곡부의 반경
4. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 축에 수직하면서 스롯트(1)상류의 외부벽을 스쳐지나는 평면과 축에 수직하면서 스롯트 하류의 외부벽의 선단의 접촉원의 중심을 통과하는 평면 사이의 거리

   

   가 다음과 같거나 약간 더 큰 것을 특징으로 하는 확산기:

   

   여기서,

   

   X는 유출비, 즉 스롯트를 통한 유출량/확산기의 전체 유입량

   S₀는 확산기의 입구 단면적

   V₀는 확산기의 입구 단면에서의 평균 유속

   r는 스롯트와 축 사이의 반경상 거리

   V₁는 스롯트(1) 입구에서의 외부벽 상류 부분(2)상의 유속

   R₁은 스롯트(1) 입구에서의 외부벽 상류 부분(2)의 만곡부의 반경
5. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 확산기의 출구 각도는 약 90°임을 특징으로 하는 확산기.

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