Velocity Distribution Measurements in Mach 2.0 Supersonic Nozzle using Two-Color PIV Method

Two Color PIV 기법을 이용한 마하 2.0 초음속 노즐의 속도분포 측정

A two-color particle image velocimetry (PIV) has been developed for measuring two dimensional velocity flowfields and applied to a Mach 2.0 supersonic nozzle. This technique is similar to a single-color PIV technique except that two different color laser beams are used to solve the directional ambiguity problem. A green-color laser sheet (532 nm: 2nd harmonic beam of YAG laser) and a red-color laser sheet (619 nm: output beam from YAG pumped Dye laser using Rhodamine 640) are employed to illuminate the seeded particles. A high resolution (3060${\times}$2036) digital color CCD camera is used to record the particle positions. This system eliminates the photographic-film processing time and subsequent digitization time as well as the complexities associated with conventional image shifting techniques for solving directional ambiguity problem. The two-color PIV also has the advantage that velocity distributions in high speed flowfields can be measured simply and accurately by varying the time interval between two different laser beams due to its high signal-to-noise ratio and thereby less requirement of panicle pair numbers for a velocity vector in one interrogation spot. The velocity distribution in the Mach 2.0 supersonic nozzle has been measured and the over-expanded shock cell structure can be predicted by the strain rate field. These results are compared and analyzed with the schlieren photograph for the velocity distributions and shock location.

유동장의 2차원 평면 속도 분포를 측정하기 위하여 two-color PIV 기법을 개발하였고, 마하 2.0 초음속 노즐에 적용하여 보았다 이 기법은 single-color PIV 기법과 유사하나 서로 다른 색의 두 레이저 빔을 사용하여 방향성의 문제를 해결하는 차이점을 갖는다. 녹색의 레이저 평면광 (532 nm)과 적색의 레이저 평면광 (619 nm)이 주입된 입자를 조사하기 위하여 사용되었고, 입자 위치가 고해상도 (3060${\times}$2036) 디지털 칼라 CCD 카메라에 기록되었다. 이러한 디지털 칼라 CCD 카메라론 이용한 two-color PIV 시스템은 사진 필름 현상 시간과 이에 따른 디지털화하는 시간 그리고 방향성의 문제론 해결하기 위해 사용되는 일반적인 image shifting 기법과 관련된 어려움을 제거해 준다. 또한 고속 유동장에서는 알맞은 입자 밀도의 주입이 어려워지는데, two-color PIV는 높은 신호 대 잡음비로 인하여 속도 벡터론 얻기 위해서 조사영역에 존재해야 하는 벡터쌍의 수가 줄어들게 된다. 따라서 다른 색의 두레이저 빔의 시간 간격을 조절함으로써 고속 유동장의 속도 분포를 쉽고 정확하게 측정할 수 있게 된다. 마하 2.0 초음속 노즐에서의 속도 분포가 측정되었으며, 속도장으로부터 변형률장을 구하여 과팽창 충격파 구조를 예측해 보았다. Two-color PIV에 의해 얻어진 속도 분포와 충격파의 위치 결과는 schlieren 사진과 비교 분석해 보았다.