본 연구에서는 램 구조물의 각도와 노즐 면적 대비 램 구조물 면적비의 변화에 따른 이차목 디퓨저의 유동 특성에 대한 수치적 연구를 진행하였다. 램 구조물 각도가 증가함에 따라 램 구조물에서 경사 충격파가 강하게 발생하여 모사할 수 있는 고도가 낮아지고 이차목에서의 압력 회복 지점이 뒤로 밀리는 것을 확인하였다. Blockage Ratio가 증가함에 따라 램 구조물 뒤쪽에서 발생하는 재순환 영역이 커지고, 디퓨저 수축부에서 박리가 발생하고, 모사 고도에는 영향이 없다는 것을 확인하였다.
고고도 모사를 위한 초음속 이차목 디퓨저의 유동 및 열전달 특성에 대한 수치적 연구를 수행하였다. 디퓨저의 유동 특성에 영향을 주는 작동압력과 형상을 변화시켜 유동 특성과 냉각 특성을 파악하였다. 냉각이 없는 경우 디퓨저가 시동 된 후, 디퓨저 벽과 아음속 구간에서 3,000 K 이상의 고온 구간이 나타났다. 디퓨저에 냉각 시스템을 추가하면 벽면 근처가 냉각되면서 유속이 빨라져 유동 길이가 길어지고 유동 박리와 함께 압력 회복이 급격해진다. 디퓨저 내부에 압력 변화를 가져오는 유동 현상과 함께 heat flux의 경향도 유사하게 나타났다.
본 연구에서는 축소형 이차목 초음속 디퓨저를 Normal Shock Theory를 이용하여 설계/제작하여 상온의 질소가스를 이용하여 실험을 수행하였다. 실험 결과 이론식으로 설계된 이차목 초음속 디퓨저의 시동압력은 18%정도의 오차를 보였고, 이는 벽면 마찰 손실에 의한 차이로 보여진다.
본 연구에서는 이차목 디퓨저의 배압에 따른 특성과 디퓨저 내부의 유동을 확인하기 위해서 실험과 수치해석을 통하여 살펴보았다. 디퓨저의 배압($P_a$)조건을 모사하기 위해 이젝터를 사용하였으며, 디퓨저와 이젝터는 상온 고압기체질소를 사용하였다. 그 결과, 노즐전단압력($P_0$)이 동일할 때 배압($P_a$)을 낮추어 압력비($P_0/P_a$)를 높게 할수록 압력회복이 디퓨저 후단에서 이루어짐을 확인하였다. 노즐전단압력($P_0$)이 다르더라도 압력비($P_0/P_a)$가 동일하다면 디퓨저 내부의 유동특성이 거의 동일함을 확인하였으며, 시동압력비($(P_0/P_a)_{st}$) 또한 일치함을 확인하였다.
케로신과 액체산소를 추진제로 하는 로켓엔진의 고공환경모사를 위한 실험 장치의 예비 설계를 수행하였다. 고공환경모사를 위한 장치는 진공챔버, 초음속디퓨저, 열교환기, 이젝터, 증기 발생기로 구성된다. 로켓엔진을 장착한 진공챔버는 이차목 초음속 디퓨저에 의해 고공환경의 압력이 모사되고 이를 유지한다. 로켓엔진의 메인 연소가스는 열교환기에서 물로 냉각되며 이로 인한 혼합물은 이젝터로 인해 대기 중으로 배출된다. 이젝터는 75% 에탄올과 액체산소, 물로 작동하는 증기 발생기에 의해 작동되며 초기 진공도를 유지하는 역할을 한다.
연소가스를 이용하여 압력비와 램 구조물의 형상에 따른 이차목 디퓨저의 성능 특성에 대한 수치적 연구를 수행하였다. 작동 조건인 압력비 75에서 램 구조물의 각도가 커짐에 따라 유동의 모멘텀 감소로 인해 진공실 압력이 상승하였다. 또한, 램 구조물의 반각 $15^{\circ}$, 폐색율 15%일 때, 디퓨저는 압력비 36과 37 사이에서 시동되었다. 이를 토대로 다양한 압력비와 램 구조물 형상에 따른 최적의 램 구조물 형상은 반각 $5{\sim}20^{\circ}$, 폐색율 15~40%로 판단된다.
Determination of geometric design parameters of a second-throat type annual supersonic ejector is described. Tested geometric parameters were primary nozzle area ratio, cross-sectional area of second-throat, L/D ratio of second-throat and primary flow injection angle. Varying these four geometric parameters, we build a test matrix made of 81 test conditions, and experimental apparatus was fabricated to accommodate them. For each test condition, the stagnation pressure of primary flow and the static pressure of the secondary flow were measured simultaneously along with their transition to steady operation and finally to unstarting condition. Comparing the performance curve of every case focused on starting pressure, the unstarting pressure and the minimum secondary pressure, we could derive correlations that the parameters have on the performance of the ejector and presented the optimal design method of the ejector. Additional experiments were carried out to find effects of temperature and mass flow rate of the secondary flow.
본 연구는 임하호에 서식하는 잉어목(Cypriniformes)의 강준치(E. erythropterus), 누치 (H. labeo), 피리미 (Z. platypus)와 메기목(Siluriformes)의 메기(5. asotus), 농어목(Perciformes)의 쏘가리(S. scherzeri)를 이용하여 탁수가 어류에 미치는 영향을 비교 조사하였다. 탁수역에 서식하는 잉어목 어류의 아가미 조직은 메기목이나 농어목 어류보다 이차새변 간격이 불규칙 하였고 이차새변의 만곡이 두드러졌으며, 부종과 상피세포의 분리도 매우 높은 빈도를 나타냈다. 그러나 곤봉화는 농어목과 메기목에서 높은 빈도를 보였으며, 새변 사이에 부착되어 있는 이물질과 미세입자는 농어목과 잉어목에서 높은 빈도를 나타냈다. 또한 신장 조직내 사구체의 수축은 잉어목의 피라미에서 훨씬 많이 나타났다. 이러한 결과로 보아 잉어목의 어류가 탁수에 의해 가장 두드러지게 영향을 받고 있다. 탁수에 의한 혈액 성분의 변화는 잉어목에서 IP, ALB의 함량, A/G비, TG 및 CHOL의 함량이 높았고, 메기목에서는 무기질의 함량이 높았다. 또한 잉어목에서 ALT와 AST의 활성이 높았으며 상대적으로 AST 활성이 ALT의 활성 보다 높았다. 이러한 혈장 성분의 변화는 탁수로 인해 먹이 탐식 능력이 저하되고 이로 인해 섭이 상태가 좋지 못하거나 조직의 손상 등에 기인한 것으로 생각된다.
고고도 모사를 위한 축소형 디퓨저의 성능특성을 파악하기 위해 수치적 연구를 수행하였다. 입구길이를 노즐 출구직경과 비교해 0%, 50%, 100%로 변화시켰고, 디퓨저 목의 길이는 디퓨저 목의 직경과 비교해 3, 5, 7, 8, 12로 다양화하여 수치해석하고 실제 모사실험 값과 비교하였다. 그 결과 디퓨저의 입구길이가 짧아질수록 plume의 형상은 수축되었다. 또한, 디퓨저의 이차목 길이가 디퓨저 지름의 최소 7~8배보다 작으면 내부에 마하디스크가 형성되어 압력의 급격한 상승을 일으킨다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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