충격파 풍동의 극초음속 노즐 설계를 위한 Quasi 1D 비평형 해석 및 검증

김세환(Seihwan Kim),이형진(Hyoung Jin Lee) 한국항공우주학회 2018 韓國航空宇宙學會誌 Vol.46 No.8

고속 고온 유동에서 나타나는 고온 기체 현상을 모사하기 위해서는 마하수뿐 아니라 절대속도도 재현할 수 있어야 한다. 이러한 유동을 초음속 유동과 구분하여 극고속 유동이라 부르며, 충격파 터널과 같은 고엔탈피 시험 장치를 통해 연구가 이루어지고 있다. 그러나 이러한 고엔탈피 시험 장비는 높은 온도와 압력 때문에 노즐에서 열화학적 비평형 현상을 경험하게 되며 기존의 이론적 방법으로 그 실험 조건을 규정하기 어렵다. 이에 본 연구에서는 알려진 비평형 노즐 코드의 단점들을 보완하고 충격파 터널의 운용 조건에서 시험부 유동 특성을 빠르게 예측하기 위하여 열화학적 비평형을 고려한 준 1차원 노즐 해석 코드를 개발하였다. 개발된 코드는 시험 결과 및 2차원 축대칭 해석 결과와 비교를 통하여 충격파 풍동 시험부 유동 조건 예측을 위한 활용성 및 한계를 살펴보았다. It is necessary to resolve the absolute velocity as well as Mach number to reflect the high temperature effect in high speed flow. So this region is classified as high enthalpy flows distinguished from high speed flows. Many facilities, such as arc-jet, shock tunnel, etc. has been used to obtain the high enthalpy flows at the ground level. However, it is difficult to define the exact test condition in this type of facilities, because some chemical reactions and energy transfer take place during the experiments. In the present study, a quasi 1D code considering the thermochemical non-equilibrium effect is developed to effectively estimate the test condition of a shock tunnel. Results show that the code gives reasonable solution compared with the results from the known experiments and 2D axisymmetric simulations.

튜브 내경 변화에 따른 고압 수소의 튜브 내 자발 점화 특성

김세환(Seihwan Kim),이형진(Hyoung Jin Lee),박지현(Ji Hyun Park),정인석(In-Seuck Jeung) 한국연소학회 2013 KOSCOSYMPOSIUM논문집 Vol.- No.46

To investigate the effect of an inner diameter of the extension tube on the self-ignition when high pressurized hydrogen abruptly released through a tube, both experimental and numerical approach are used. The result show that there is a possibility to have successful ignition when the tube diameter is decreased even at the pressure that could not give sustainable flame with a larger diameter tube. Numerical simulation show the flame development inside the tube and weak and stretch flame spout the tube for 10.9 mm tube, whereas strong complete flame has been generated for 3 ㎜ tube.

가상현실 기반 항공 동력 장치 정비 교육 시스템 개발

김세환(Seihwan Kim) 한국산학기술학회 2021 한국산학기술학회논문지 Vol.22 No.7

항공기의 안전한 운항을 위해서는 자격을 갖춘 정비사에 의한 주기적인 점검이 필수적이다. 그러나 국내의 항공수요가 가스 터빈 엔진을 장착한 대형기 등에 집중됨에 따라 자격 취득에 필요한 왕복 엔진 정비 실무의 대부분이 교육기관 위주로 진행되고 있다. 본 연구에서는 한정된 종류의 왕복 엔진을 이용함에 따라 다양한 조합에 대한 실습의 어려움과 소음 발생에 따른 문제점을 해소하기 위해 가상 현실 기술을 적용한 왕복 엔진 정비 교육 시스템을 구축하였다. 실물과 비교를 통한 학습 효과를 증대시키기 위하여 기관에서 보유하고 있는 장비와 미보유 장비를 가상 실습장에 구현하였으며, 실습자에 따라 발생할 수 있는 어지러움 등을 방지하기 위해 각 항목을 10분 내외로 세분화하여 개별 작업이 가능 하도록 구성하였다. 독립 장비에 직접 개발된 프로그램을 탑재하는 방식을 채택하여 장소에 제약 없이 실습장 상황에 맞게 탄력 운용이 가능하도록 하였다. 개발된 교육 시스템을 이용하여 실습을 진행한 결과, 학습자의 장비 구조에 대한 이해도 증가, 정확한 공구 사용 방법 습득 등의 학습 효과 향상을 확인하였으며 향후 더욱 복잡한 시스템으로 적용 분야를 확대할 수 있을 것으로 판단된다. Periodic inspections by qualified mechanics are essential for the safe operation of aircraft. On the other hand, most reciprocating engine maintenance practice required for qualification is performed by educational institutes because domestic aviation demand is concentrated on large aircraft equipped with gas turbine engines. In this study, a training system for a reciprocating engine was developed using virtual reality technology. This system is expected to solve the difficulty caused by practicing with limited combinations and the problems caused by noise generation. By comparing a real engine with the modeled one, the practitioner could understand the mechanism more clearly. They observed a difference between the equipment owned and not owned by the institution in the virtual environments. The dizziness that may occur during VR training was prevented by subdividing each item into approximately 10 minutes that could be trained separately. Using standalone VR devices, flexible training was possible depending on the availability of the training site. From practice using the system, it was confirmed that the practitioners" understanding of the equipment structure and the correct use of tools improved. This type of training can be expanded to more complicated maintenance works.

분사구 형상에 따른 초음속 유동장 내 수직 연료 분사 특성

김세환(Seihwan Kim),이복직(Bok Jik Lee),정인석(In-Seuck Jeung),이형진(Hyoungjin Lee) 한국추진공학회 2018 한국추진공학회지 Vol.22 No.3

In this study, computational simulation was performed to investigate the characteristics of air/fuel mixing according to the shape of the injector exit when the transverse jet was injected into a supersonic flow. Non-reacting flow simulation was conducted with fixed mass flow rate and the same cross-sectional area. To validate the results, free stream Mach number and jet-to-crossflow memetum ratio are set to 3.38 and 1.4, respectively, which is same as the experimental condition. Further, separation region, structure of the under-expended jet, jet penetration height, and flammable region of hydrogen for five different injectors compared.

스위치 박스 4측면 가공용 캠금형 개발

김세환(Seihwan Kim) 한국산학기술학회 2003 한국산학기술학회 학술대회 Vol.- No.-

스위치 박스는 건축물의 전선관용으로 사용되는 금속제 박스이다. 이 박스를 제조할 때는 제1차 프레스에서 성형을 하고, 제2차~5차 프레스로 박스의 4측면 가공을 하게 되므로 프레스 4대, 금형 4벌, 작업자 4명을 필요로 한다. 이 때문에 기계 사용료와 금형비, 인건비 등 제조원가의 상승 요인이 되고 있으며 특히 프레스의 굉음과 진동 및 안전사고의 위험성 등으로 작업자들이 직무를 기피하고 있다. 이러한 현상을 해소하기 위하여 금형 4벌에 의한 가공을 1벌의 금형에 통합시킨 캠금형 개발과 자동이송 장치를 개발하였다. 그 결과, 프레스 1대와 금형 1벌로 무인화 작업을 할 수 있게 되어 직무기피요인을 해소하게 되고 제조원가 절감효과를 얻게 되었다.

벽면에 의한 고압 수소 누출에 따른 자발화 현상 특성 변화

김세환(Seihwan Kim),박지현(Ji Hyun Park),이승복(SeungBok Lee),이형진(Hyung Jin Lee),정인석(In-Seuck Jeung) 한국연소학회 2012 KOSCOSYMPOSIUM논문집 Vol.- No.44

소형가스터빈용 인젝터의 분무 특성에 따른 반응 유동장 전산 해석

김세환(Seihwan Kim),정인석(In-Seuck Jeung),박희호(Hee-Ho Park),나상권(Sangkwon Na) 한국추진공학회 2010 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.5

항공용 저출력 소형 가스터빈 엔진에 적용을 위한 연료 분사기의 분무 특성에 따른 반응 유동장에 대한 수치해석을 수행하였다. 인젝터의 개발에 있어 연료의 분무 상태가 엔진 성능에 큰 영향을 미치므로 다양한 변수에 대한 고려가 요구되고 있다. 본 연구에서는 정지 상태의 유동장에 분사기를 위치시키고 액적의 평균 직경, 분사 압력, 분사각을 변경하며 그에 따른 반응 특성을 살펴보았다. 해석 결과 분사압과 분사 각도가 클수록, 액적의 직경이 작을수록 활발한 반응이 일어나지만 분사압이 큰 경우 영역내에서 기화되는 연료량이 감소함을 확인할 수 있었다. This work shows the result of numerical simulation on a reacting flow by varying atomization properties which can be obtained from a injector for a small and low power aircraft gas turbine engine. Because the atomization properties mainly affect on the performance of the engine, a lot of efficiency tests are needed when a new injector is developed. Nowadays researches has been actively performed using computational analysis. Using commercial package CFD-ACE+, basic studies on the reacting flow field have been conducted. Those results show that the reaction rate is increased when higher pressure and wider angle spray condition are used. More smaller parcels can also enhance the fuel-air reaction.

25cm × 20cm 초음속 풍동 개발 및 시험 평가

김세환(Seihwan Kim),박지현(Jihyun Park),이승복(Seungbok Lee),정인석(In-seuck Jeung),이형진(Hyungjin Lee) 한국추진공학회 2011 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.11

초음속 풍동은 고속으로 운용되는 비행체나 유도무기의 개발에 있어 시험체 주위에서 나타나는 공기역학적 현상을 연구하고 특성을 대표하는 물리량을 측정하기 위해 주로 사용되는 지상시험 장비이다. 본 연구에서는 연구팀에서 보유하고 있는 소형 초음속 풍동이 갖는 시험 모델 크기의 제약을 완화하고자 250mm × 200mm 의 시험부를 갖는 초음속 풍동을 설계하고 제작된 풍동의 성능 평가를 수행하였다. 제작된 풍동의 시험 마하수는 2.5이며 시험부에서 균일한 유동을 얻을 수 있도록 경계층 보정을 수행하여 노즐의 형상을 결정하였다. The supersonic wind tunnel is a common facility to studies the aerodynamic phenomenon around the high speed vehicle or weapon system whose operating speed is greater than sonic speed. In this study, a design procedure and selecting the components of a new supersonic wind tunnel whose nozzle exit is 125mm × 100mm is considered. An operating test of this wind tunnel is being conducted to compare the result with the design values, mach number, etc.

격막 파열과 충격파 터널 시험 시간에 대한 수치 연구

김세환(Seihwan Kim) 한국추진공학회 2021 한국추진공학회지 Vol.25 No.6

High enthalpy test facilities, such as a shock tunnel, are to be operated at the specific pressure ratio according to the desired test condition. A metallic diaphragm is machined or a forced rupture device is used to open it at a specific pressure ratio. The diaphragm opening procedure takes several hundred microseconds including rupture and deformation. This process is expected to affect the test conditions. In this study, numerical simulation was performed for different materials, thicknesses, and opening ratios. And the characteristics of shock wave generation and the stagnation condition in the tube are investigated. Results show that the final opening ratio and rupturing procedure directly affect the speed of a shock wave, stagnation pressure, and test time.