고공 환경 모사용 디퓨저의 배압에 따른 시동 특성 연구 :Study on starting characteristics of second throat exhaust diffuser in relation to back pressure for high-altitude environment

김민상

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김민상 (충남대학교, 忠南大學校大學院)

지도교수: 고영성

발행연도: 2015

저작권: 충남대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수12

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2015

고공 환경 모사용 디퓨저의 배압에 따른 시동 특성 연구

김민상 항공우주공학과 2015.01 학위논문

2014

고공환경모사용 이차목 디퓨저의 배압에 따른 시동특성

김민상 , 김태완 , 이장환 외 2명 한국추진공학회 학술대회논문집 2014.12 학술대회자료

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본 연구는 디퓨저와 이젝터가 결합된 고고도 모사 시험 장치 개발을 위한 연구로서, 디퓨저의 배압(back pressure, )에 따른 시동 및 내부 유동특성을 수치해석과 실험으로 확인하고자 하였다. 그 결과, 디퓨저의 배압()과 노즐 전단압력(), 압력비()에 대한 챔버압력()과 내부유동특성을 다음과 같이 정리하였다.
(1) 배압()이 떨어질수록 디퓨저 노즐 내의 가스가 점점 팽창하고, 디퓨저 내부를 채워 흐르면서 시동이 걸린다. 시동 후에는 디퓨저 노즐에서 배출된 제트의 운동에너지가 압력차에 의해 디퓨저 후단까지 유지가 되고 외기와 혼합되는 shock train 영역 발생이 점점 더 지연이 된다.
(2) 디퓨저 시동 전에는 챔버압력()은 배압()에 비례하고, 노즐 전단압력()에 반비례한다. 시동 후에는 배압()에 관계없이 노즐 전단압력()에 비례하여 미미하게 상승하였다.
(3) 노즐 전단압력()에 관계없이 동일한 디퓨저에서는 시동압력비()가 일정하였고, 수치해석과 실험 결과에는 약 5%의 오차가 발생하였다.
(4) 압력비()가 동일하면 디퓨저 내부유동특성이 거의 일치함을 확인하였다. 압력비()만 동일하다면, 대기압에서의 디퓨저 단독 실험만으로도 배압이 다른 경우의 디퓨저 내부 유동특성을 예측할 수 있을 것이다.
(5) 수치해석 결과, 시동조건의 압력비 부근에서는 디퓨저 내부에 수직충격파가 발생하며 내부유동이 안정화 되지 못하는 것을 확인하였다. 이것은 cap shock의 양상과 비슷하다고 판단된다. 이 수직충격파가 발생하는 영역은 노즐 전단압력()이 클수록 넓어지며, 이 영역을 벗어나면 내부유동이 안정화된다. 디퓨저와 이젝터를 함께 운용 시에는 충격파를 피하여 운용을 하고, 디퓨저 설계시에는 시동조건과 운용조건 사이에 적절한 안전율을 고려해야 할 것으로 판단된다.

An ultimate objective of this study is to develop a high altitude simulation test device combined with diffuser and ejector. This paper provides information for startup and internal-flow characteristics of the second throat exhaust diffuser according to variation of diffuser back pressure() by means of numerical and experimental techniques. As a result, vacuum chamberpressure() and internal flow characteristics were organized as follows for back pressure(), nozzle inlet pressure(), and pressure ratio().
(1) According as the diffuser back pressure() gradually decreases, the gas is gradually expanded within a nozzle expansion section and then the gas is more expanded to the diffuser inlet duct wall. When the gas impinges the diffuser inlet duct wall, the diffuser meets startup condition. After the diffuser started up with more decreases of the diffuser back pressure(), a kinetic energy of gas jet from the nozzle is maintained as far as the rear diffuser section and occurrence of a shock train region is delayed.
(2) Before the diffuser startup, vacuum chamber pressure() is proportional to back pressure() and inversely proportional to nozzle inlet pressure(). After diffuser startup, vacuum chamber pressure() marginally rises in proportion to nozzle inlet pressure() regardless of back pressure().
(3) The diffuser has a constant value of the startup pressure ratio() with the same diffuser regardless of nozzle inlet pressure().
(4) In the same diffuser geometry, internal flow characteristics of the diffuser is almost consistent in the identical pressure ratio() even though the nozzle inlet pressure() and the diffuser back pressure() have varied values. This means that if pressure ratio() is same, internal flow characteristics at different back pressure() conditions could be predicted by only a diffuser without any auxiliary devices like an ejector in sea level atmosphere condition.
(5) Numerical analysis results show that internal flow of diffuser is not stabilized by a normal shock around the diffuser startup pressure ratio condition(). This phenomenon appears as if it’s similar with aspect of cap shock. An area of normal shock generation is extended by increases of the nozzle inlet pressure() and internal flow of diffuser is stable beyond this area. If a diffuser is employed as a high altitude test device combined with an ejector, the diffuser operation condition have to be carefully decided to be able to prevent from generating a normal shock inside diffuser. Also a proper safety factor which make a condition to avoid from generating normal shock has to be considered when the diffuser is in design process.
Through this study, starting and internal-flow characteristics for back pressure(), nozzle inlet pressure(), and pressure ratio() were confirmed and organized. This results of this study is expected to be used for basic data to build a high altitude simulation test facility which includes a diffuser and an ejector.

I. 서론 1
1. 연구 배경 및 목적 1
2. 연구 동향 및 자료분석 3
II. 이론적 고찰 9
1. 디퓨저의 작동 원리 9
2. 수직 충격파 모델 10
III. 연구 대상 15
1. 노즐 15
2. 이차목 디퓨저(STED) 18
IV. 수치해석적 연구 21
1. 수치해석 조건 21
2. 수치해석 방법 22
3. 수치해석 결과 23
3.1. 배압()에 따른 내부유동특성 23
3.2. 배압()에 따른 챔버압력() 변화 30
3.3. 압력비()에 따른 챔버압력() 변화 32
3.4. 압력비()에 따른 내부유동특성 34
3.4.1. 시동전, 압력비() 40 34
3.4.2. 시동지점, 압력비() 41.7, 수직충격파 영역 37
3.4.3. 시동 후, 압력비() 50 42
V. 실험적 연구 45
1. 실험 장치 45
1.1. 이젝터 46
1.2. 고압 기체 공급부 49
1.3. 시험부 52
1.4. 자료 획득 및 제어 계측부 53
2. 실험 방법 및 확인사항 54
2.1. 실험 방법 54
2.2. 이젝터 성능 확인 55
3. 실험 결과 및 비교 56
3.1. 기밀시험 56
3.2. 이젝터 장착이 압력 계측에 미치는 영향 확인 57
3.3. 배압()에 따른 벽면압력() 분포 58
3.4. 배압()에 따른 챔버압력() 변화 60
3.5. 압력비()에 따른 챔버압력() 변화 65
3.6. 압력비()에 따른 벽면압력() 분포 66
VI. 결론 70
참고문헌 72
ABSTRACT 75

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