과소팽창 음속제트가 충돌하는 경사평판에서의 유동 및 열전달특성 = Flow & heat transfer characteristics on an inclined plate impinging by under-expanded sonic jet
저자
발행사항
서울 : 연세대학교 대학원, 2005
학위논문사항
학위논문(석사)-- 연세대학교 대학원 : 기계공학과 2005.2
발행연도
2005
작성언어
한국어
주제어
발행국(도시)
서울
형태사항
x, 83장 : 삽도 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 조형희
소장기관
본 연구의 목적은 평판에 충돌하는 과소팽창 충돌제트에 대한 기본적인 정보를 실험을 통해 구하는 것이다. 고속 제트의 경우 대류열전달 계수를 구할 때 필요한 국부적인 단열벽면온도가 구해졌으며, 부가적으로 표면압력 분포를 측정하여 결과 해석 시 사용하였다. 또한, 단열벽면온도 분포 결과에 대한 설명을 위하여 총 온도 탐침을 사용하여 자유제트와 충돌면 근방에서의 총 온도를 측정하였다. 압축기를 통해 압축된 고압의 공기는 출구 직경 10.0 mm의 음속노즐(sonic nozzle)을 통해 분사된다. 충돌면의 표면 압력측정을 위해 2개의 압력 탭을 가진 두께 25mm의 아크릴 판이 사용되었다. 단열벽면온도 측정에서는 충돌면과 제트축이 수직이 아닌 경우, 충돌 면에서의 2차원적인 온도분포 측정을 위해 적외선 카메라를 사용하였다. 적외선 카메라로부터 얻은 온도 값의 신뢰성 확인을 위해 열전대를 기준온도로 하여 보정을 수행하였다. 또한 에너지 박리 현상의 정량적인 이해를 위해 자유제트와 충돌면 근방의 총 온도 측정하고 단열벽면온도 값과 비교하였다.첫째, 표면압력 측정결과에서 과소팽창 제트의 경우 경사각도가 감소하면서 최대압력의 크기는 증가하면서 상류로 이동하고, 과소 팽창 비가 증가하면서 최대압력 값은 작아지며, 주기적인 압력진동도 커진다. 노즐과 평판과의 거리가 멀어지면서 최대 압력은 점차 감소하며, 경사평판에서 최대압력의 위치는 상류에서 하류로 이동하면서 노즐 중심위치에 접근한다. 둘째, 단열벽면온도 특성은 에너지 박리로 설명한다. 노즐-평판간 거리가 가까울 경우 환형영역으로 저온의 온도분포가 형성되고, 이러한 저온 분포는 경사각도가 감소함에 따라 상류영역에서는 감소하고 하류로 치우쳐서 분포하게 된다. 하류에서의 회복계수는 노즐-벽면간 거리가 가까울 때는 상류보다 낮고, 노즐-벽면간 거리가 먼 경우에는 상류보다 높다. 과소팽창비가 증가하면서 회복계수는 급격히 감소하여 전체적인 냉각효과도 커진다. 셋째, 자유제트 반경방향으로의 S값 분포에서는 일차와류에 의한 에너지 박리 현상으로 제트 안쪽의 높은 총 온도와 바깥쪽의 낮은 총 온도가 형성됨을 확인할 수 있다. 아음속에서 거리에 따른 자유제트 중심의 S값은 0에 가까운 값을 나타내다가 거리가 멀어지면서 증가하기 시작한다. 최대 S값은 ZD=8~9에서 나타나며, 거리가 더 멀어지게 되면 다시 감소하게 된다. PR=1.5이상의 과소팽창 제트에서 거리에 따른 제트 중심의 S값은 국부적으로 진동하며, PR=2.0과 2.5일 때 ZD=0~2 에서는 회복계수의 급격한 감소가 나타난다. 넷째, 벽면에서의 에너지 박리 현상을 정량적으로 알아보기 위해 적외선 카메라로 측정한 단열벽면온도와 총 온도 탐침을 사용하여 측정한 벽면 근처의 총 온도를 비교하였다. 두 값은 거의 비슷한 경향을 보였으며, 이는 에너지 박리로 인한 벽면 근처 유체의 총 온도 변화를 실험적으로 확인시켜주었다.
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