이차원 비대칭형 초음속 노즐 설계와 실험적 검증

김채형(Chae-hyoung Kim),성근민(Kunmin Sung),정인석(In-Seuck Jeung),최병일(Byoungil Choi),Toshinori Kouchi,Goro Masuya 한국항공우주학회 2009 韓國航空宇宙學會誌 Vol.37 No.9

일반적으로 초음속 유동 실험 장치에는 축대칭형 노즐이나 이차원 대칭형 노즐이 사용되고 있다. 하지만, 이차원 비대칭형 초음속 노즐은 상대적으로 가공비용이 저렴하며 노즐의 결합부에서 생기는 불필요한 충격파 생성을 줄일 수 있는 이점이 있다. 본 논문에서는 초음속 혼합기의 연소 실험을 위해 마하수 2의 비대칭 초음속 노즐을 설계하였다. 특성곡선해법을 이용하여 설계된 노즐에 대하여 수치해석을 수행하여 경계층보정을 하였으며 최종적으로 가공된 노즐에 대하여 마하파를 가시화 하는 실험을 통하여 노즐의 성능을 검증하였다. 이를 통하여 2차원 비대칭형 초음속 노즐의 설계와 검증 방법을 제시하였다. Most supersonic-flow test facility has axisymmetric nozzles or two-dimensional symmetric nozzles. Compared to these nozzles, a two-dimensional asymmetric nozzle has advantages of reducing low cost for various Mach number testing and undesirable flow structure such as shock wave reflection because the nozzle part can be directly connected to the test section part in this type of nozzle. The two-dimensional asymmetric nozzle, which was Mach number 2, was designed for supersonic combustion experiment. And it was verified with the numerical analysis and visualization of Mach wave. This study suggested the practical method for design and verification of supersonic two dimensional asymmetric nozzles.

이벤트 기반 비디오 디블러링을 위한 딥러닝 모델

김정민(Jeongmin Kim),정용주(Yong Ju Jung) 한국정보과학회 2022 한국정보과학회 학술발표논문집 Vol.2022 No.06

노즐내부 이차유동 분출이 초음속제트 유동장에 미치는 영향에 관한 실험적 연구

진원진,이열 한국 항공대학교 항공산업기술연구소 2000 航空宇宙産業技術硏究所 硏究誌 Vol.10 No.-

초음속노즐의 내부에 이차유동을 분출하였을 경우 초음속 유동장의 혼합도에 대한 영향을 실험적으로 연구하였다. 아차유동의 분출에 의하여 노즐내부에서 발생하는 경사 충격파와 노즐내부의 경계층과의 상호간섭은 노즐후방의 제트 유동장에 현저한 영향을 미침을 알 수 있었다. 노즐내부 양쪽의 홀에서 이차유동이 분출될 때 유동장의 혼합도에 대한 영향이 더 강해지고, 노즐에서의 주유동의 팽창조건 역시 제트 혼합도 현상의 변화에 중요한 요인이 될 수 있음도 알 수 있었다. The effect of secondary flows injected to the inner surface of a supersonic nozzle on the characteristics of supersonic mixing enhancements are experimentally investigated. The interaction between oblique shocks generated by secondary flow injection and the boundary layer inside nozzle is found to produce significant effects on the jet flow field downstream of the nozzle. The effects of the secondary flow injection on the supersonic mixing enhancements gets stronger if the secondary flow is injected at the two holes inside the nozzle. The expansion condition of the primary nozzle flow is also found to be one of significant factors in the change of jet mixing phenomena.

수치해석 통합기법을 이용한 노즐 내열재 표면의 열전달 해석

배지열,배형모,류진,함희철,조형희 한국전산구조공학회 2017 한국전산구조공학회논문집 Vol.30 No.1

1차원 등엔트로피 모델과 통합된 경계층 적분법은 초음속 노즐의 설계과정에서 내열재 표면의 열전달을 예측하는데 효과 적으로 사용되고 있지만 노즐 목과 같이 2차원 효과와 경계층과 노즐 코어유동의 상호작용이 발생하는 지점에서는 경계층 외부유동 해석의 부정확성으로 해석의 정확도가 감소한다. 따라서 본 연구에서는 경계층 적분법을 이용한 열전달 예측의 정 확도를 향상시키기 위해 CFD를 이용하여 2차원 효과와 노즐 코어유동의 상호작용이 고려된 경계층 외부유동 조건을 도출 하고 이를 경계조건으로 하는 해석기법을 개발하였다. 오일러 모델과 SST k-ω 모델을 CFD로 해석하여 경계조건으로 적용 했으며 계산방법을 검증하기 위해 선행문헌의 실험노즐에 대해 해석을 수행하였다. 계산 결과 CFD를 통해 경계층 외부유동 조건을 도출한 해석에서 노즐 열전달의 정확도가 향상되는 것을 확인하였으며 특히 노즐 목 후방과 팽창부에서의 차이가 크 게 나타났다. SST k-ω모델로 도출된 계산결과는 1차원 등엔트로피 모델과 비교 시 팽창부에서 실험결과와의 오차가 16% 감소하였다. 본 연구에서 개발된 해석기법은 향후 로켓노즐의 내열설계에 유용하게 사용될 것으로 평가된다. A boundary layer integral combined with a 1-D isentropic core flow model has been successfully used to determine heat transfer rate on the surface of a supersonic nozzle. However its accuracy is affected by the core flow condition which is used as a boundary condition for the integral calculation. Because flow behavior near a nozzle throat deviates from 1-D isentropic condition due to 2-D flow turning and interaction between core flow and boundary layer, accuracy of heat transfer calculation decreases at a nozzle throat. Therefore, CFD is adopted to deduce improved core flow condition and increase accuracy of boundary layer integral at nozzle throat in this research. Euler model and SST k-ω model is solved by CFD code and used as a boundary condition for boundary layer integral. Developed code is tested in the supersonic nozzle from the previous research and improvement in accuracy is observed, especially at nozzle throat and diverging section of the nozzle. Error between experimental result and calculation result reduced by 16% when a calculation is made based on the SST k-ω model. Method developed in this research is expected to be used in thermal design of the rocket nozzle.

초음속 노즐에서 발생하는 유동 이력현상에 대한 실험적 연구

남종순(Jongsoon Nam),김희동(Heuydong Kim) 한국추진공학회 2011 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.11

유체 시스템에서 히스테리시스 현상은 다양한 산업 및 공학의 응용 분야에서 발생하며, 주로 압력비의 시간변화 과정에서 발생한다. 초음속 노즐에서 충격파를 포함한 유동장은 이러한 히스테리시스 현상의 지배적인 영향을 받는다. 그러나 이와 관련된 유동의 물리적 현상에 대해서는 연구가 미비한 실정이다. 본 연구에서는 노즐구동압력비의 변화 과정 동안 초음속 노즐의 유동을 파악하기 위해 실험적 연구를 수행하였다. 순간 표면압력을 측정하기 위하여 다수의 압력변환기를 사용하였으며, 유동장의 가시화는 나노스파크 광원을 가지는 쉴리렌 가시화 장치를 이용하였다. 본 연구로부터, 히스테리시스 현상은 노즐의 기하학적 형상뿐만 아니라 압력비의 시간변화에 크게 의존하였다. Hysteresis phenomena in fluid flow systems are frequently encountered in many industrial and engineering applications and mainly appear during the transient processes of change of the pressure ratio. Shock-containing flow field in supersonic nozzles is typically subject to such hysteresis phenomena, but associated flow physics is not yet understood well. In the present study, experimental work has been carried out to investigate supersonic nozzle flows during the transient processes of change in the nozzle pressure ratio. Time-dependent surface wall pressures were measured by a multiple of pressure transducers and the flow field was visualized using a nano-spark Schlieren optical method. The results obtained show that the hysteresis phenomenon is strongly dependent on the nozzle geometry as well as the time scale of the change of pressure ratio.

초음속 사각노즐을 이용한 레이저가공 보조가스의 성능개선에 관한 연구

손상혁(SangHyuk Son),윤상훈(SangHun Yoon),전동연(DongYeon Jun),이열(Yeol Lee) 대한기계학회 2011 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2011 No.4

레이저 절단가공에서 운용되는 보조가스의 충돌특성을 개선하기 위한 실험적 연구가 진행되었다. 보조가스의 압력, 노즐의 위치 및 각도 등 다양한 관계변수의 변화에 대하여, 초음속 사각노즐에서 분출되는 보조가스의 절단면 충돌특성이 기존의 원형단면의 노즐 경우와 비교 관찰되었다. 이를 위하여 쉴러린 유동가시화 및 절단면 후방에서의 피토압 측정이 진행되었다. 본 연구에서 응용된 사각 노즐의 경우, 동일한 노즐 출구 단면적을 갖는 기존의 원형노즐에 비하여 절단면을 따라 흐르는 보조가스의 박리현상을 약화시킬 수 있음이 확인되었다. An experimental study to improve the impingement-characteristics of assist gas in laser cutting was carried out. For various assist-gas pressures, locations and installation angles of the nozzle, the characteristics of impingement of the jet from a supersonic rectangular nozzle were compared to those previously observed for typical nozzles of circular cross-sectional exit, Schlieren flow visualizations and Pitot pressure measurements at the downstream of kerf surface were utilized for the purposes. The present rectangular supersonic nozzle that has the same cross-sectional exit area as a conventional circular nozzle was found to be able to weaken the separation of the assist gas on the kerf surface, as compared to the conventional circular nozzle.

마하 2.5 연구용 초음속 풍동 설계 및 구축

김세환,이형진,이승복,박지현,정인석 한국항공우주학회 2011 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2011 No.4

초음속으로 비행하는 항공기 혹은 유도무기의 개발에 있어 비행체 주위에서 나타나는 공기역학적 현상을 연구하기 위한 장비로 초음속 풍동이 주로 사용되고 있다. 본 연구에서는 기 보유하고 있는 시험설비의 운용 중에 나타난 문제점을 해결하고자 노즐 출구의 크기가 125㎜ × 100㎜ 인 초음속 풍동의 구성품을 설계하고 각 구성품의 성능 평가를 수행하였다. 설계된 초음속 풍동은 시험부에서 마하 2.5의 유동을 공급하며 경계층 보정을 통해 노즐을 설계함으로써 시험부의 넓은 영역에서 균일한 유동을 얻을 수 있도록 하였다. 이와 함께 교육적으로 활용할 수 있도록 노즐의 축소부를 포함한 전 영역을 가시화 할 수 있도록 설계하였다. 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. In this report, a new large size supersonic wind tunnel which has 125㎜ × 100㎜ nozzle exit size and its component are developed. According to the numerical simulation from ESIFASTRAN, the new boundary layer corrected nozzle can provide uniform flow into the test section over 90% of its exit height. Because the facility has a long visualization window from the upstream of a nozzle, it is able to be used to demonstrate the nozzle flow for undergraduated students.

초음속 노즐에서 발생하는 비정상 유동에 관한 실험적 연구

박진욱(Jinouk Park),김규완(Gyuwan Kim),김윤상(Yunsang Kim),Zhang Guang,김희동(Heuydong Kim) 한국추진공학회 2014 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2014 No.5

기존 주사기의 대안으로 고속 공기 유동을 이용한 약물 전달 장치는 현재 많은 연구가 수행되고 있다. 이러한 약물 전달 장치는 바늘 없이 사람이나 동물 등에게 효과적으로 약물을 전달할 수 있는 장치로 바늘이 있는 기존 주사기의 단점을 보완할 수 있는 여러 가지 이점을 가지고 있다. 본 연구에서는 이러한 장치 개발에서 효과적인 유동 가속을 위해 초음속 노즐을 적용하여 실험장치를 제작하였고 파막 실험을 수행하였다. 총 6개의 압력센서를 설치하여 관내 압력을 측정하였으며, 슐리렌 가시화 기법을 이용하여 노즐부의 유동을 촬영하였다. 그 결과로부터 초음속 노즐에서 발생되는 비정상 유동장은 초기압력비에 지배적인 영향을 받으며, 모든 결과에서 노즐 확대부의 압력은 대기압보다 낮게 발생했다. A drug delivery device using high speed gas flow which has been proposed as an alternative of the conventional syringe has been studied recently. This device can deliver drug particle to skin without using any external needle. In this work, we carried out an experimental study using the supersonic nozzle of a drug delivery device which is applied to accelerate the flow effectively. Pressure values were measured at different locations inside nozzle using 6 pressure sensors. Shock wave inside the nozzle were imaged using schlieren visualization system. From the experimental results it is observed that the unsteady flow in supersonic nozzle is influenced by the initial pressure ratio between the entry and the exit. Pressure value at divergent section of nozzle is observed to be below atmospheric pressure for the nozzle test cases.

초음속 사각노즐을 이용하는 레이저 가공 보조가스의 특성에 관한 실험적 연구

손상혁(Sang-Hyuk Son),전동연(Dong-Yeon Jun),이열(Yeol Lee) 대한기계학회 2012 大韓機械學會論文集B Vol.36 No.3

레이저 절단가공에서 사용되는 보조가스의 충돌특성을 개선하기 위한 실험적 연구가 진행되었다. 보조가스의 압력, 노즐의 위치 및 각도 등 다양한 관계변수의 변화에 대하여, 초음속 사각노즐에서 분출되는 보조가스의 절단면 충돌특성이 기존의 원형노즐 경우와 비교 관찰되었다. 이를 위하여 쉴러린 유동가시화 및 절단면 하단에서의 피토압 측정이 진행되었다. 본 연구에서 응용된 사각노즐은 절단면 모서리에서 발생하는 마하디스크의 강도를 줄이고, 이를 통하여 기존의 원형노즐에 비하여 절단면을 따라 흐르는 보조가스의 박리현상을 약화시키고 보조가스 후방의 피토압력을 증가시킬 수 있음이 확인되었다. An experimental study to improve the impingement characteristics of the assist gas in laser cutting was carried out. For various assist-gas pressures, and locations and installation angles of the nozzle, the characteristics of the impingement of the jet from a supersonic rectangular nozzle were compared to those previously observed for typical circular nozzles. Schlieren flow visualizations and Pitot pressure measurements downstream of the kerf surface were utilized for this purpose. The present rectangular supersonic nozzle decreased the strength of the Mach disc occurring at the corner of the kerf surface, and thus, could weaken the separation of the assist gas on the kerf surface and increase the Pitot pressures downstream compared to conventional circular nozzles.

스크램제트 엔진 성능시험 설비를 위한 초음속 노즐 수치해석 및 성능시험

이경재(Kyungjae Lee),이양지(Yangji Lee),양인영(Inyoung Yang),차봉준(Bongjun Cha) 한국추진공학회 2013 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2013 No.5

한국항공우주연구원은 극초음속 공기흡입식 추진 기관에 대한 연구를 2000년부터 지속적으로 추진하면서 이를 시험하기 위한 시험설비를 2009년 7월 완공하였다. 시험설비는 기본설계 단계에서부터 시험부에 장착되는 2차원 형태의 노즐을 마하수에 따라 교체가 용이하도록 하였다. 이 논문에서는 시험설비에 장착될 마하 6 노즐을 설계하고 수치해석과 시험을 통하여 최종 검증하는 단계별 내용에 대하여 기술하였다. 노즐 입구 조건은 현재 시험설비의 성능 한계에 따라 압력 30 bar, 온도 1,300 K로 설계되었으며, 시험 결과 새로 제작된 초음속 노즐이 원하는 마하수 분포를 보이고 있음을 확인할 수 있었다. Korea Aerospace Research Institute has started the research and design of a scramjet engine and its test facility from 2000, and completed the development of the facility in July 2009. SETF(Scramjet Engine Test Facility), is a blow-down type wind tunnel equipped with a supersonic nozzle, storage air heater and air ejector. A supersonic nozzle and a storage air heater are used to simulate a flight Mach number condition. In this paper, numerical analysis and performance test for a brand-new supersonic nozzle of SETF is described. The nozzle is designed for Mach 6.0 flight condition.