Helical Vane 을 이용한 펄스파의 피동제어
양수영†, 이동훈*, 김 희 동**, 瀨戶口俊明***
Passive Control of the Impulse Wave Using a Helical Vane
Soo-Young YANG, Dong-Hoon LEE, Heuy-Dong KIM, and Toshiaki SETOGUCHI
Key Word : Compressible Flow(압축성 유동), Compression Wave(압축파), Impulse Noise(충격소음), Passive Control(피동제어), Shock Tube(충격파관), Shock Wave(충격파
Abstract
A helical vane is applied to reduce the magnitude of the impulse wave discharged from the exit of a duct. A shock tube with an open end is used to investigate the effect of the helical vanes on the impulse wave magnitude. Four different types of helical vanes are installed into the low-pressure tube of shock tube. The magnitude of the incident shock wave is varied below 1.25, and the magnitude of impulse wave is measured using a pressure transducer mounted on a wedge probe. Instant images of the impulse wave are obtained by means of the Schlieren optical method. The present experimental results show that the helical vane considerably reduces the magnitude of the impulse wave and the vane effects are more remarkable for stronger incident shock wave.
1. 서 론
관내를 전파하는 압축파나 충격파가 관의 출구 로부터 대기로 방출하게 되면 강력한 세기의 소음 과 함께 펄스형태의 강한 압력파를 발생하게 된 다.
(1)이 때 대기로 전파하는 압력파의 동적거동 이 펄스형태를 취하기 때문에 통상 펄스파 (impulse wave)라고 부르며, 펄스파에 의한 소음 을 충격성 소음(Impulse noise)이라 한다. 충격성 소음은 지속시간이 짧을 뿐만 아니라 , 피크압력이 매우 높기 때문에 주변 생태계나 인체에 나쁜 영 향을 미치게 됨은 물론이거니와 심한 경우 주변 구조물의 진동파괴까지도 야기시킬 수 있다. 따라 서 충격성 소음에 대한 저감대책이 절실히 요구되 고 있는 실정이며, 아울러 이에 대한 연구도 활발 히 진행되고 있다.
이와 같은 펄스파에 기인한 충격성 소음문제의 해결과는 별도로 최근에 반도체를 비롯한 각종 물 체표면에 부착된 불순입자 제거기술
(2)및 펄스제 트 필터장치
(3)등과 같이 펄스파를 이용한 산업기 기의 개발이 주목받고 있다. 이 때문에 종래의 충 격성 소음만을 감소시킬 목적으로 관내에서의 압
축파나 충격파의 전파특성을 파악하거나 강도를 감소시키려는 것과는 정반대의 연구가 요구되고 있다. 즉 펄스파를 이용한 각종 산업기기의 개발 과 관련하여 펄스파의 강도증강과 함께 펄스파 전 파에 대한 물리적 이해와 충돌면상의 유동장 특성 을 규명하기 위한 연구가 중요한 공학적 과제로 부상하고 있다.
펄스파에 관한 지금까지의 연구결과에 의하면 관 외부에서 형성되는 펄스파는 관출구로 방출되 는 압축파나 충격파의 특성에 의하여 결정되며, 관 출구로부터 원거리장에 위치한 펄스파는 거리 가 두 배로 증가함에 따라 그 강도가 반으로 감소 한다는 것이 잘 알려져 있다.
(4)또 관출구로부터 방출된 매우 강한 충격파가 구조물과 간섭하는 경 우에 발생하는 반사 및 회절특성에 관한 연구결과 도 발표된 바 있다.
(5)그러나 펄스파를 이용한 실 용적 응용 기기를 개발하는데는 두 가지 측면에서 의 연구, 이를테면 매우 강한 펄스파를 발생시킬 수 있는 펄스장치의 개발
(6)그리고 대기중으로 전 파하는 펄스파의 파동특성과 충돌면상에서의 유동 장 특성을 규명한 상세한 연구정보가 필요하다.
한편 관 출구로부터 방출되는 펄스파의 강도를 저감시키는 방법에 대한 많은 연구가 수행되었다.
김 등
(7)은 관 출구에 곡관을 설치하거나, 다공벽
(8)
을 설치하여 관 출구로부터 방출되는 펄스파의 저감을 시험하였다. 또 허 등
(9)은 관출구를 다공 벽으로 제작하여, 펄스파의 지향성과 피크값의 저 감효과를 시험한 바 있다. 이러한 방법은 실제의
†
서울산업대학교 산업대학원 , 기계공학과
E-mail : [email protected], TEL : (02) 970-6331
*
서울산업대학교 기계공학과
**안동대학교 기계공학과
*** SAGA University, Mechanical Eng., Japan
응용에서 나타나는 바와 같이, 관 내부를 전파하 는 충격파의 강도가 매우 약한 경우이거나, 관 내 부를 유한의 파장을 가지는 압축파가 전파하여 펄 스파를 발생시키는 경우에는 적합하지 않는 것으 로 판단된다. 이것은 압축파의 파장이 길기 때문 에 관 출구에서 설치하는 다공벽이나 수직관 등이 효과적으로 쓰이기 위해서는 길이가 길어져야 하 는 단점이 있다.
한편 최근 김 등
(10)은 관의 출구에 나선형의 유 로를 설치하여, 관 출구로부터 방출되는 펄스파의 강도를 30% 이상 저감시킬 수 있었다고 보고하였 다. 그러나 실제의 응용에서 관출구에 나선형의 유로를 설치하는 곤란함과, 설계 제작의 어려움으 로 인하여, 나선형 유로를 이용하는 방법은 실용 적이지 못하다. 최근 Eureka
(11)는 관로내에 헬리 컬 베인(Helical Vane)을 삽입하여, 엔진 연소실 로 유입되는 공기와 연료의 혼합을 촉진시켜, 엔 진의 연료 소모량을 30% 이상 절감한 사례를 보고 하고 있다. 본 연구에서는 이러한 형태의 헬리컬 베인에 착안하여, 관 출구로부터 방출되는 펄스파 의 강도를 감소시킬 목적으로 베인 시스템을 충격 파 관에 적용하여 실험을 수행하였다. 그 결과 헬 리컬 베인은 펄스파의 강도를 감소시키는데 효과 적임을 발견하였다.
2. 실 험
실험에서는 관의 출구로부터 방출되는 펄스파를 생성하기 위하여 Fig. 1 과 같이 한쪽 끝이 대기 에 개방되어 있는 대기 개방형 충격파 관을 이용 하였다 . 충격파 관은 관경 D=66mm 인 원형 충격파 관으로서 고압실과 저압실의 길이는 각각 1630mm 와 2220mm 이며, 저압실과 고압실 사이에는 두께 20μm 인 셀로판 격막을 설치하였다. 충격파 관의 저압실 출구에는 직경 4D 인 배플판을 설치하여, 관 출구로부터 발생하는 팽창파가 방출되는 펄스 파에 영향을 미치지 않도록 하였다 . 한편 충격파 관의 저압실 바로 상류에는 Fig. 2 에 나타낸 바 와 같은 형상의 헬리컬 베인을 삽입하여, 저압실 을 전파하여 대기로 방출되는 펄스파가 헬리컬 베 인을 통과하도록 하였다.
실험에서는 대기압보다 약간 높은 압력의 건조 공기가 충전된 고압실과 대기압 상태의 저압실 사 이에 위치한 격막을 수동으로 파막시켜, 저압실내 로 전파하는 충격파를 발생하게 된다. 이 경우 고 압실과 저압실의 벽면에는 수개의 압력 측정용 정 압공을 뚫어 상승시간(rise time)이 매우 짧은 압 력센서(pressure transducer, PCB112A21)를 설치하 였다. 특히 관의 출구로부터 197mm(압력센서 2) 및 450mm 의 지점(압력센서 1)에 설치한 압력센서 의 출력 신호를 이용하여 충격파의 전파 마하수
Ms 를 구하였다. 또 충격파 관 출구로부터 방출되 는 펄스파의 순간압력을 측정하기 위하여, 관의 축을 기준하여 r/D=2.0 의 위치에 2 차원 wedge 상 에 압력센서를 설치하여, 펄스파의 순간압력을 측 정하였으며, 이 쐐기(wedge)형의 압력측정 시스템 은 컴퓨터와 연결된 자동 이송시스템을 사용하여, 이동될 수 있도록 하였다.
Fig. 1 Schematic diagram of test rig
실험에 사용된 압력센서는 실험전과 후에 각각 동적/정적검정을 통하여 오차를 확인하였으며, 그 결과 고압실에서의 측정오차는 거의 무시할 수 있 었으나 , 저압실내를 전파하는 충격파와 평판에 충 돌하는 펄스파의 순간압력 측정치에는 약 2%의 오 차를 포함하였다. 압력센서에서 얻어진 모든 출력 신호는 직류증폭기를 거쳐 파형기록 장치에 저장 되며 수 차례의 반복실험을 통하여 재현성을 확인 하였다 . 한편 충격파 관 출구로 방출되는 펄스파 를 가시화하기 위하여 쉴리렌법을 이용하였다. 쉴 리렌 장치는 고속 카메라와 연결하여 임의시간에 발생하여 전파하는 펄스파의 가시화를 가능하도록 하였다 .
Fig.2 에는 본 연구에서 적용된 헬리컬 베인의 상세형상을 나타내었다. Fig.2 의 그림 (a)는 관 출구에 설치한 헬리컬 베인의 측면도를 나타내었 으며, Fig.2 의 (b), (c), (d) 그리고 (e)에는 베 인의 형상과 설치 형태를 상세하게 도시하였다.
먼저 그림 (b)에 나타낸 베인의 경우, 그림의 좌
측에 도시한 형상의 베인 4 장을 충격파 관의 저압
실 출구면에 설치하여,관 출구로부터 관찰하는 경
우, 베인은 45
°간격으로 위치한다. 본 연구에서
는 이러한 형태를 type A45
°로 정의하였다. 그림
(c)에는 그림의 좌측에 도시한 바와 같은 형상의
베인 4 장을 관 출구로부터 관찰하는 경우 90
°간
격으로 위치한다(type A90
°). 또 그림 (d) 와 그
림 (e)에는 그림의 좌측에 도시되어 있는 형상의
베인을 각각 45° 및 90
°로 설치한 경우를 나타내며, 본 연구에서는 이들을 각각 type B45
°및
type B90
°으로 정의하였다. 또 본 연구에서 적용
된 헬리컬 베인은 두께가 1.0mm 인 스테인레스 강
판으로 제작하였으며 , Fig.1 에 도식적으로 나타
낸 바와 같이, 베인의 하류단이 관의 출구면과 일
치하도록 설치하였다.
3. 결과 및 고찰
본 연구에서 충격파 관의 저압실을 전파하는 입 사 충격파의 강도 즉 전파 마하수 Ms 는 고압실 과 저압실의 초기 압력비에 의하여 결정되며, 본 연구에서는 Fig.1 에 나타낸 압력센서 1 과 2 의 출력 신호를 이용하여, 입사 충격파의 전파 마하 수를 산출하였다. 이 결과는 이론식으로 구한 전 파 마하수와 같은 값을 가지며 , 본 연구에서는 충 격파 관의 압력비를 조절하면서 저압실을 전파하 는 입사 충격파의 전파 마하수 Ms 를 변화시켰다.
(a) side view of helical vane
(b) type A45°
(c) type A90°
(d) type B45°
(e) type B90°
Fig. 2 Four different types of helical vanes
Fig. 3 Pressure-time histories at measurement point 2
Fig.3 에는 충격파 관의 저압실 출구에 베인을 설치하지 않은 경우와 type A90
°의 베인을 설치한 경우, 압력센서 2 에서 측정한 충격파의 시간변화 를 나타내었다. 이 경우 입사 충격파의 전파 마하 수 Ms 는 1.20 이다. 그림으로부터 입사 충격파가 압력센서 2 를 통과하는 경우 압력은 거의 불연속 적으로 증가하여, 피크 값을 가진 후에 거의 일정 한 레벨의 압력값 (전파하는 수직 충격파 바로 하 류의 압력 레벨과 거의 동일)을 유지하다가, 충격 파 관의 출구로부터 반사되는 팽창파로 인하여 압 력은 시간에 따라 서서히 감소하게 된다.
관의 출구에 설치한 베인의 효과는 압력 파형
에서 뚜렷하게 관찰 할 수 있다. 우선 베인을 설
치하지 않은 경우와 비교하면, 충격파 바로 하류
에서의 거의 일정한 레벨의 압력은 베인에 의하여
반사되는 복잡한 압력파에 의하여, 심한 압력 변
동을 나타내고 있으며, 팽창파로 인한 압력 감소
는 베인을 설치하지 않은 경우에 비하여 상당히
작다. 이것은 입사 충격파가 베인을 통과하는 경
우 일부는 베인면으로부터 반사하고, 일부는 통과
하여 베인 부근에서는 매우 복잡한 형태의 파동이
발생하게 되어, 이로 인해 관 출구로부터 반사되
는 팽창파의 강도가 약해지기 때문이다.
Fig. 4 Impulse wave forms at r/D=2.0
Fig.4 에는 충격파 관의 출구로부터 r/D=2.0 의 위치 측정한 펄스파의 시간변화를 나타내었다. 그 림에서 θ=0
°는 관 축방향을 의미한다. 그림으로 부터 관의 출구에 베인을 설치하지 않은 경우와 비교해 볼 때, type A90
°의 헬리컬 베인을 설치한 경우가 펄스파의 피크 압력이 낮아질 뿐만 아니라, 펄스파의 생성이 다소 지연됨을 알 수 있다. 또 펄스파 하류에서 발생하는 압력 변동의 크기도 베 인을 설치한 경우가 상당히 낮아진다
Fig.5 에는 관의 출구에 베인을 설치하지 않는 경우와 type A90°의 베인을 설치한 경우의 펄스파 의 가시화 사진을 비교도시하였다. 그림의 좌측에 나타낸 시간은 충격파 관의 내부를 전파하는 충격 파가 충격파 관의 저압실 벽에 위치한 압력 측정 점 2 를 통과한 직후부터 경과한 시간을 의미한다.
type A90
°의 베인을 설치한 경우는 시간 480 μs 에서 관 출구로부터 펄스파가 방출하기 시작하는 것을 관찰할 수 있으며, 이에 비하여 헬리컬 베인 을 설치하지 않은 경우에는 거의 실린더형의 펄스 파가 관 출구로부터 이미 방출되었음을 관찰 할 수 있다. 관 출구에 헬리컬 베인을 설치한 경우는 펄스파의 방출이 약간 지연되며, 또 시간 500μs 에서 촬영한 가시화 사진으로부터, 두 경우의 펄 스파 형태는 상당히 다르다는 것을 알 수 있다.
즉 헬리컬 베인을 설치하지 않은 경우, 펄스파는 상하 대칭인 실린더 형태인 반면, 헬리컬 베인을 설치한 경우에는 관 축방향으로 다소 볼록한 형태 의 펄스파가 방출됨을 관찰할 수 있다. 이러한 두 형태의 펄스파는 시간이 경과함에 따라 주위로 전 파하게 되며, 시간이 많이 경과한 600μs 에서 두 펄스파는 거의 동일한 형태를 취하고 있다. 그러 나 가시화 사진으로부터 헬리컬 베인을 설치하지 않은 경우의 펄스파가 보다 선명한 것으로 보아 펄스파 강도가 더 강한 것으로 판단된다.
Fig.6 에는 type A45
°의 헬리컬 베인을 설치한 경우, 입사 충격파의 전파 마하수를 변화시켜 관
(a) with helical vane(type A90°)
(b) without helical vane Fig. 5 Schlieren pictures of impulse waves
축방향에서 얻어진 펄스파의 강도를 헬리컬 베인
을 설치하지 않은 경우와 비교하였다. 그림으로부
터 본 연구에서 적용된 입사 충격파의 전파 마하
수 범위에 대하여 , 펄스파의 강도는 입사 충격파
의 전파 마하수가 증가할수록 커지게 되며, type
A45°의 헬리컬 베인은 펄스파의 강도를 다소 약화
시킨 다는 것을 알 수 있다. 또 입사 충격파의 강
도가 강할수록, 헬리컬 베인은 펄스파의 강도를 약화시키는데 효과적이란 것을 알 수 있다.
Fig. 6 Peak pressure of impulse wave vs. Ms
Fig. 7 Peak pressure of impulse wave vs. Ms
Fig. 8 Peak pressure of impulse wave vs. Ms
Fig.7 에는 type A90
°의 헬리컬 베인을 설치한 경우, 입사 충격파의 전파 마하수를 변화시켜 관 축방향에서 얻어진 펄스파의 강도를 베인을 설치
Fig. 9 Peak pressure of impulse wave vs. Ms
Fig. 10 Peak pressure of impulse wave vs. Ms
치하지 않은 경우와 비교하였다. 그림으로부터 type A90
°의 헬리컬 베인은 입사충격파의 전파 마 하수가 증가할수록 펄스파의 강도를 약화시키는데 효과적이며, Fig.6 의 실험결과에 비교하여, type A90
°의 헬리컬 베인이 보다 더 효과적이란 것을 알 수 있다. 또 Fig.8 과 Fig. 9 에는 type B45° 와 type B90
°의 헬리컬 베인을 설치한 경우의 펄스파 강도를 나타내었다. 이상의 실험결과로부터 헬리 컬 베인은 관출구로부터 방출되는 펄스파의 강도 를 약화시키는데 효과적이며, 베인의 설치형태는 45°에 비하여 90°의 경우가 더 효과적이며, type B 에 비하여 type A 형태의 베인이 펄스파 저감에 보다 바람직하다는 것을 알 수 있다.
Fig. 10 에는 관 출구로부터 r/D=2.0 인 위치에
서 관 축으로부터 각도 θ 를 변화시키면서 펄스
파의 강도를 측정한 결과를 나타내었다. 그림으로
부터 type A90
°의 헬리컬 베인은 θ=0
°, 45
°그리
고 90
°모두에서 펄스파의 강도를 낮추게 하는 효
과가 있는 것으로 판단된다. 특히 헬리컬 베인은
관 축방향의 펄스파의 강도를 가장 크게 저감시키
며, 다음으로, θ=90
°인 것으로 보여진다. 본 연
구의 결과로부터 헬리컬 베인은 관 축방향의 펄스 파의 강도를 약화시키는데 가장 효과적이며, 입사 충격파의 전파 마하수가 증가할수록 헬리컬 베인 으로 인한 펄스파 저감효과는 커지는 것으로 알 수 있다.
4. 결 론
본 연구에서는 관 출구로부터 방출되는 펄스파의 강도를 감소시킬 목적으로 형상이 각기 다른 4 종 류의 헬리컬 베인을 설계/제작하여 충격파 관의 출구에 부착하여 압력측정 및 가시화 실험을 수행 하였으며, 실험결과를 요약하면 다음과 같다.
1) 관 출구에 헬리컬 베인을 설치한 경우는 베인 으로 인하여 펄스파의 방출이 약간 지연되며, 베 인이 설치되지 않은 경우와 비교해 볼 때 펄스파 의 전파형태가 다르다는 것을 확인하였다. 즉 헬 리컬 베인을 설치하지 않은 경우의 펄스파는 상하 대칭인 실린더 형태로 전파하는 반면에 , 헬리컬 베인을 설치한 경우는 관 축방향으로 다소 볼록한 형태의 펄스파가 방출되었다. 그러나 시간이 경과 함에 따라 두 형태의 펄스파는 거의 동일한 형태 를 취하게 된다.
2) 입사 충격파의 전파 마하수를 변화시키면서 관 축방향에서 측정한 펄스파의 강도를 베인 설치 유무에 따라 상호 비교해 보면, 베인의 설치로 펄 스파의 강도가 감소하는 것을 확인하였다. 특히 베인의 설치 형태는 45
°에 비하여 90
°의 경우가 더 효과적이며, type B 에 비하여 type A 형태의 베인이 펄스파 감소에 더 효과적임을 알 수 있었 다.
5. 후 기
본 논문의 세 번째 저자는 본 연구가 2003 년도 한국과학재단 지역대학 우수과학자 지원사업(과제 번호:R05-2003-000-10003-0)의 지원에 의하여 수 행되었음을 밝히며, 이에 감사의 뜻을 표합니다.
참고문헌
