Study on Evaluation Method of Flow Characteristics in Steady Flow Bench(3) - Velocity Profile(1)

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Transactions of KSAE, Vol. 24, No. 2, pp.169-182 (2016)

정상유동 장치에서 유동 특성 평가 방법에 대한 연구(3) - 유속분포(1)

박 찬 준․성 재 용․엄 인 용^*

서울과학기술대학교 기계․자동차공학과

Study on Evaluation Method of Flow Characteristics in Steady Flow Bench(3) - Velocity Profile(1)

Chanjun Park․Jaeyong Sung․Inyong Ohm^*

Department of Mechanical & Automotive Engineering, Seoul National University of Science and Technology, Seoul 01811, Korea

(Received 7 September 2015 / Revised 15 November 2015 / Accepted 16 November 2015)

Abstract : This paper is the third investigation on the evaluation methods of flow characteristics in a steady flow bench. In the previous works, several assumptions used in the steady flow bench were examined and the flow characteristics were estimated both by the conventional impulse swirl meter and a particle image velocimetry at 1.75B position. From these works, it was concluded that the assumption of the solid rotation might cause serious problems and both of the eccentricity and the velocity profile distort the flow characteristics when using the ISM at 1.75B plane.

Therefore, the understanding of the detail velocity profiles is very important to keep discussing the issues about the steady flow evaluation method. For this purpose, the planar velocity profiles were measure at 1.75B position by particle image velocimetry and the characteristics were examined according to the valve angles and lifts. The results show that the planar velocity profiles of 11, 16, 21° valve angle heads according to the lift are similar to each other, however, that of 26° angle is an exceptional case in the all aspects. In addition, the swirl behaviors are not apparent up to 6~8 mm lift under the 21° angle and somewhat arranged motions are observed over the whole plane near the highest lift. At this point, the narrower the angle, the lower the lift at which the swirl motions become clear. On the other hands, when the angle is 26°, the center of swirl is always farthest from the cylinder center and only the indistinct swirl is observed even if at the highest lift. Also, all the swirl centers are quite apart from the cylinder center so that the effect of eccentricity may not be negligible at 1.75B regardless the valve angle. Related to the tangential velocity along with the radial direction, the bands of the velocity distribution are very wide and the mean velocities of cylinder center basis are lower than the velocity which is assumed in the ISM evaluation. Lastly, the mean tangential velocity profiles of swirl center basis are sometimes higher than that of ISM-assumed up to 0.6 non-dimensional distance less than 6mm lift, however, as the lift increases the profiles are different according to the angles and profile 11° is the most closed to the ideal profile. Consequently, the real velocity profile is far from the assumption of ISM evaluation.

Key words : Steady flow bench(정상유동장치), Swirl(스월), Impulse swirl meter(충격식 스월 측정기), PIV(입자 영상유속계), Velocity profile(속도분포), Intake valve angle(흡기밸브각도), Eccentricity(편심도)

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*Corresponding author, E-mail: [email protected]

1. 서 론

내연기관의 내부유동은 기관의 성능에 미치는 영 향이 매우 크기 때문에^1-5) 이를 파악하여 기관의 설

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박찬준․성재용․엄인용

계에 반영하는 것이 매우 중요하지만, 실물기관의 내부유동을 직접 관찰하여 파악하는 것은 매우 어 렵고, 더구나 개발 또는 관심 대상의 모든 기관의 유 동을 파악하는 것은 실질적으로 불가능하다.

그럼에도 불구하고 기관성능의 예측과 설계 목표 의 달성을 위해 내부유동특성에 대한 정보는 반드 시 필요한 부분이므로, 주로 정상유동을 평가하여 내부유동을 예측하는 방법들이 사용되었다.^6,7)

그러나 이전 연구^8,9)에서 논의한 바와 같이, 현재 가장 널리 사용되는 충격식 스월 측정기(ISM, Im- pulse Swirl Meter)를 이용하는 경우 스월이 강체회 전을 한다는 가정에서 여러 문제점이 발생한다. 즉 스월 중심이 편심되어 있으면 편심도는 실제 토크 에 큰 영향을 주지만 ISM으로는 편심 효과의 확인 이 불가능하다. 또한 ISM으로 예측한 스월의 각속 도는 실제와 큰 차이가 나며 이것은 결과적으로 스 월계수를 왜곡시킨다.⁸⁾ 여기에 더해 현재 통용되는 1.75 측정위치에서 스월은 충분히 전개되지 않으 며, 스월의 편심과 속도분포는 모두 유동 특성을 왜 곡시키지만 편심은 과소평가 쪽으로 그리고 속도분 포는 과대평가 쪽으로 작용하는데, 속도분포의 영향 이 편심보다 훨씬 크고 지배적인 것으로 나타났다.⁹⁾ 이상과 같이 이전 연구에서 지적한 모든 문제점 들은 실제 정상유동의 구조 즉 속도분포가 정상유 동평가의 가정인 강체회전에 부합하지 않기 때문에 발생한다. 따라서 정상유동평가 방법에 대한 논의 를 계속하기 위해서는 정상유동의 유동구조 파악이 선행되어야 한다. 이를 위해 본 연구에서는 입자영 상유속계(PIV, Particle Image Velocimetry)를 정상유 동장치에 적용하여 통상적인 정상유동실험 조건에 서 유속분포를 측정하였다. 또한 밸브각도가 실물 기관의 유동 및 연소에 미치는 영향이 매우 크므로,^10-16) 이 각도를 중요 파라미터로 선정하였다. 본 논문에 서는 일반적인 ISM 측정위치인 1.75에서 밸브각 도에 따른 변화에 주목하면서 논의하기로 한다.

2. 실험 장치 및 방법

Fig. 1에 본 연구에서 사용한 서로 다른 흡기밸브 각도를 가진 4개의 헤드의 개략도를 제시하였는데, 여기서 흡기밸브는 2개이지만 후측(rear) 밸브만 개

Fig. 1 (a) Definition of angles (_ : intake valve angle, _ : exhaust valve angle and _ : intake port angle), (b) Schematics of 4 head with different intake valve angle

Fig. 2 Schematics of (a) Steady flow bench and (b) PIV system

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정상유동 장치에서 유동 특성 평가 방법에 대한 연구(3) - 유속분포(1)

Table 1 Experimental conditions and specifications of PIV Common

Valve angle (°) 11, 16, 21, 26

Bore (mm) 86

Valve lift (mm) 2, 3, 6, 8, 10 Measuring position 1.75

Pressure drop 15" H_O (383 mmH_O) PIV

Laser Pulse

Separation 25 sec Frequency 5 Hz

Width ≪100 μm

Sampling raw data No. 200

CCD Camera KODAK Megaplus ES 1.0

Lens 85 mm PC-E Micro Nikkor

Processing 50 % Overlap,

16 pixel ×16 pixel

Atomizer TSI_SIX-JET 9306

Particle

Size ≪1 μm

No. density 10⁷ particle/cm³ Stokes No. ≪1

Software TSI_Insight

Fig. 3 Coordinate system for data representation

방하여 흡입 시 스월 유동이 형성되도록 하였다.

Fig. 2에는 실험장치의 개략도를 나타냈는데, 통 상적인 ISM(G. Cusson사 P7300/200)위치인 1.75에 서 PIV 측정로 속도를 측정하였다.

PIV 시스템은 카메라, 렌즈, 광원 및 동기화 장치 로 구성되었으며, 미립자로는 오일을 사용하였다.

실험 조건과 기타 PIV 시스템의 사양은 Table 1에 나 타내었으며, 자세한 장치의 설명은 이전 논문⁹⁾에서 다루었기 때문에 생략하기로 한다.

Table 1에 제시한 바와 같이, 밸브리프트 2 mm, 3 mm, 6 mm, 8 mm, 10 mm에서 속도를 측정하였는데, 이

전 연구에서 검증한 바와 같이 이 5개의 리프트에 대해 평가하더라도 평가된 유동특성에는 변화가 없다.

Fig. 3에는 속도분포 및 기타 결과가 제시되는 기 본적인 좌표계를 나타내었다. 흡입유동은 그림의 우측 상단에 나타낸 후측 포트(rear intake port)를 통 해 유입된다.

3. 수평면 유동 특성 3.1 낮은 밸브리프트

Fig. 4와 Fig. 5에 밸브리프트가 2 mm, 3 mm로 낮 을 때 평면 속도분포(), 유선(SL) 그리고 가상의 축 방향 속도분포(_)를 나타내었다. 여기서 축 방향 속도분포는 측정값이 아니라 평균속도(유량으로 산출)를 기반으로 축 방향 속도가 수평면 속도에 비 례한다고 가정하여 산출한 값이다. 따라서 정성적 으로 수평면 속도분포도 동시에 나타낸다.

먼저 평면 속도분포()와 유선(SL)을 관찰하면, 모든 경우에서 시계방향으로 회전하는 타원형 형태 의 스월 거동이 존재한다. 그리고 밸브각도에 따라 거동 중심과 자세한 형태에는 차이가 있지만, 리프 트와 무관하게 11°, 16°, 21°가 유사하고 26°가 상당 히 다름을 알 수 있다. 즉 11°, 16°, 21°는 Fig. 3에 도 시된 좌표계를 기준으로 볼 때, 1/4-3/4분면에 대각 선 방향으로 길게 분포하는 반면, 26°는 2/4-4/4 분면 방향으로 분포하고 있다.

2 mm에서 3 mm로 리프트 상승에 의한 분포상태 의 변화(SL._)를 살펴보면, 스월 거동의 형태는 유 사하지만 거동의 중심은 실린더 중심에서 더 멀어 지고, 실린더 외각에서 중심 쪽으로 흐르는 빠른 유 동이 존재하는 공통점이 관찰된다. 아울러 26°는 다 른 밸브각도와 달리 분포의 등고선(_)의 형태가 매우 복잡하게 나타난다.

3.2 중간 밸브리프트

Fig. 6은 리프트가 6 mm일 때 유속을 측정한 결과 이다. 밸브리프트가 증가하면서 가장 두드러진 변 화는 스월이 한 쪽으로 더 치우쳐서 거동한다는 것 이다. 따라서 실린더 중심을 가로지르는 방향으로 가장 빠른 유동이 존재하는 현상이 리프트 3 mm보

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Chanjun Park․Jaeyong Sung․Inyong Ohm

Fig. 4 Velocity field, streamline and virtual axial (or planar) velocity field according to valve angle (valve lift = 2 mm)

다 더욱 뚜렷이 나타난다. 이때도 역시 11°, 16°, 21°

가 유사한 상태로 전개하여 그림에서 볼 때 스월의 거동은 주로 배기 측(3/4, 4/4 분면)에 위치하고 상부

의 흡입 측(1/4, 2/4 분면)에는 스월 속도가 매우 약 하거나 역방향의 거동이 관찰되기도 한다.

반면에 26°는 스월의 거동이 전측(front, 2/4. 3/4

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Study on Evaluation Method of Flow Characteristics in Steady Flow Bench(3) - Velocity Profile(1)

분면)에 치우쳐져 있고 역방향의 거동은 관찰되지 않는다. 그리고 3 mm보다 유속분포의 등고선(_) 의 형태가 훨씬 복잡한 형태를 나타낸다.

3.3 높은 밸브리프트

Fig. 7과 Fig. 8은 밸브리프트가 8 mm, 10 mm로 높 은 경우 측정한 결과이다.

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먼저 밸브리프트가 8 mm로 높아지면서 나타나 는 현저한 변화는, 11°, 16°, 21°에서 관찰되었던 역 방향의 작은 스월 거동이 사라지고 대체로 전체 실

린더 평면에 걸쳐 하나의 거동이 존재하며, 여전히 스월은 배기 측으로 치우쳐져 거동하지만 6 mm보 다 더 원형에 가까운 형태를 지닌다. 이에 따라 11°

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의 경우 대체로 실린더 외각의 유속이 크고, 16°와 21°는 여전히 중심을 가로지르는 빠른 유동이 관찰 되지만 6 mm보다는 조금 더 외각으로 이동해 있다.

26°의 경우에는 다른 밸브각도와 달리 6 mm와 비 교해 스월의 중심이 약간 흡기 측으로 이동한 것을 제외하면 유속분포의 형태에 거의 변화가 없음을

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알 수 있다.

밸브리프트가 10 mm로 가장 높을 때는 이전의 경 우들에 비해 더 뚜렷하고 정돈된 형태의 스월 거동

이 존재하여, 특히 11°, 16°, 21°에서는 중심을 가로 지르는 유동은 관찰되지 않으며 실린더 외각을 따 라 빠른 유동이 존재한다.

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이 밸브리프트에서도 역시 26°는 다른 밸브각도 와 다른 형태를 보여준다. 먼저 8 mm와 비교해 볼 때 전측(front)에 존재하던 스월의 중심이 배기 측으 로 이동하고, 중심을 지나는 빠른 유동이 실린더의 후측(rear) 외각으로 이동하여 스월 거동이 조금 더 분명하게 나타난다. 그러나 다른 밸브각도와는 달 리 유속의 분포상태(_)는 정돈된 상태를 보이지 않고 여전히 매우 복잡하다.

수평면 유속분포 특징을 요약하면, 11°, 16°, 21°

가 유사하며 26°가 상이한 경향과 특성을 보여준다.

즉 11°, 16°, 21°에서는 밸브리프트 6 mm ~ 8 mm까 지 실린더 전 평면에 걸친 정돈된 스월 거동은 나타 나지 않고, 그 중심이 실린더의 한 쪽에 치우쳐 있고 스월 외각의 빠른 유동이 실린더 중심부를 가로지 르는 형태로 나타난다. 그리고 최고 밸브리프트인 10 mm에서는 전 평면에 걸친 스월 거동이 관찰되는 데, 밸브각도가 작을수록 낮은 리프트에서 스월의 정돈이 시작된다. 예외적으로 밸브각도 26°는 전체 적으로 스월의 중심이 실린더 중심과 가장 멀리 떨 어져 존재하며, 최고 리프트에서도 정돈된 스월 거 동은 관찰되지 않는다. 구체적인 유동의 분포도 정 돈되지 않고 매우 복잡한 형태를 나타낸다.

본 연구에서 수평면에서 2차원 측정을 하였기 때 문에 축 방향 속도는 제시할 수 없다. 그러나 유동 자체가 수평면과 수직면으로 구분되어 진행하는 것 이 아니라, 수평면 유속 분포는 3차원으로 거동하는 유동의 일부를 측정한 것이므로, 축 방향 속도가 수 평면에서 측정한 유속에 비례한다는 것은 매우 합 리적인 가정이다. 따라서 Fig. 4 ~ Fig. 8에 도시한 가 상의 축 방향 속도분포(_)는 정확하지는 않지만 속도분포에 대한 유효한 정보를 제공해 준다고 볼 수 있다. 이러한 관점에서 축 방향 속도 분포도 전체 평면에서 속도분포의 변화가 크고, 특히 26°의 경우 매우 불규칙하다고 볼 수 있다.

한편, 스월의 중심 위치와 실린더 중심과의 거리 도 수평면 속도분포 특성에 대한 유용한 정보를 제 공해주므로, Fig. 9에 밸브각도 및 리프트에 따른 위 치와 편심도(eccentricity)를 도시하였다. 편심도는 실린더 중심에서 스월 중심까지의 거리를 실린더 반경으로 나눈 것이다.

Fig. 9 Variation of swirl center and eccentricity as a function of valve lift according to valve angle

먼저 중심의 이동을 관찰하면, 리프트의 증가에 따라 밸브각도와 관계없이 스월의 회전 방향 즉 시 계방향으로 이동한다. 이것은 리프트가 증가함에 따라 스월이 강화되므로 유동 전체가 스월의 회전 방향으로 이동하기 때문이다. 그리고 유속 분포에 서도 항상 26°가 예외적인 특성을 보여주었듯이, 중 심 위치의 거동도 다른 밸브각도와는 다르게 나타 난다. 즉 11°, 16°, 21°는 그 중심이 주로 4/4분면에서 변하는 반면 26°는 주로 3/4분면에 위치한다.

편심도는 전체적으로 리프트 상승에 따라 증가하 다가 6 mm를 전후해 다시 감소하지만, 최고 밸브리 프트에서 밸브각도가 작은 11°, 16°는 다시 증가한 다. 그리고 26°의 경우 다른 밸브각도보다 편심도가 대체로 높다. 그리고 이전연구에서 살펴본 바에 의 하면 편심도 0.15 이하에서만 ISM 측정값에서 편심 의 영향을 무시할 수 있는데,⁸⁾ 1.75 측정위치에서 는 11°에서 전체 스월 값에 미치는 영향이 매우 적은 낮은 밸브리프트에서만 이 값에 근접한다.

결론적으로 1.75 위치에서 ISM 측정값 처리의 가정인 강체회전과 관련하여, 편심도는 측정값이 왜곡돼지 않는 범위에 들어오지 않고, 스월도 정돈 된 형태와는 거리가 멀다. 그리고 반경 방향을 따라 직선적으로 분포하는 이상적인 분포와는 매우 큰 차이가 난다.

4. 반경 방향을 따른 속도분포

이전 연구와 서론에서 지적한 바와 같이 1.75

위치에서 ISM으로 평가하는 경우, 속도분포가 가장 큰 유동특성 왜곡의 원인이다. 이 속도분포는 반경 방향과 축 방향 모두 중요한데, 특히 편심이 큰 경우

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분포상태가 스월 계산의 기본이 되는 각 운동량에 미치는 영향이 크지만, ISM으로 측정하면 이 영향 이 충분히 나타나지 않는다.⁸⁾

따라서 이러한 속도분포의 특성을 파악하는 것도 매우 중요하므로, 밸브각도와 밸브리프트에 따른 속도분포의 특성을 살펴보기로 한다.

Fig. 10은 밸브각도가 11°인 경우 밸브리프트에 따라 반경 방향을 따른 접선속도분포를 제시한 것 이다. 동시에 위에서 언급한 바와 같이 축 방향 속도 분포에 대한 정성적 정보를 제공한다.

그림에서 일점쇄선으로 나타낸 것은 ISM으로 측

Fig. 10 Non-dimensional tangential and angular velocity profile as a function of non-dimensional distance from (a) Cylinder center and (b) Swirl center (V/A=11°)

정한 토크를 역산하여 접선속도(가상속도)를 계산 하고, 각각의 속도를 계산된 최고속도(가상 최고속 도)로 무차원화하여 나타낸 분포이다. 따라서 이 속 도분포는 ISM 평가 방법에서 가정한 속도분포이 다. 밴드 형태로 보이는 실선은 실제 접선속도를 가 상 최고속도로 무차원화한 속도이며, 점선과 쇄선 은 각각 실제 접선속도 및 각속도 분포를 3차식으 로 곡선 맞춤(curve fitting)한 결과(평균속도)이다.

그리고 실린더 센터(Fig. 10(a), cylinder center)는 실 린더의 기하학적 중심을 기준으로 반경 방향의 속 도분포를 나타낸 것으로 역시 ISM 평가의 가정에 상응하는 것이다. 스월 중심(Fig. 10(b), swirl center) 은 실제 스월의 중심을 기준으로 접선속도를 나타 낸 것이다.

Fig. 10에서 먼저 전체적인 특성을 관찰하면 다음 과 같다. 실제 접선속도는 반경 방향으로 동일 거리 에서도 매우 큰 차이가 있어 밴드 형태로 나타난다.

특히 실제 스월 거동의 중심이 아닌 실린더 중심을 기준으로 한 경우 그 변동 폭이 더 크게 나타남을 알 수 있다. 이러한 변동이 큰 분포를 곡선 맞춤하여 점 선으로 나타낸 평균속도를 보면, 예외 없이 ISM 평 가 방법의 가정인 가상속도보다 항상 낮게 나타나 고 있다.

다음으로 리프트 변화에 따라, 실린더 중심의 경 우 실제 속도분포 변화의 폭은 매우 크지만 평균속 도는 리프트와 반경 방향 거리에 관계없이 거의 일 정하여 가상속도의 50 % 수준을 유지한다. 각속도 (쇄선)를 통해 세밀히 관찰하면 밸브리프트가 낮을 때는 실린더 중심 부근의 속도가 상대적으로 빠르 다가 리프트 증가에 따라 이 부근의 속도는 점차 감 소하여 8 mm, 10 mm에서는 거리에 관계없이 거의 일정한 수준을 나타낸다. 스월 중심의 경우, 2 mm 리프트에서는 실린더 중심과 매우 유사하지만, 이 후 리프트 증가에 따라 실린더 중심과는 달리 평균 속도가 가상속도에 근접하는 경향이 있다. 이때 예 외적으로 6 mm의 경우 중심부근의 속도는 가상속 도보다 크고 외각의 속도는 현저히 낮다. 마지막으 로 각속도 변화를 보면 2 mm를 제외하면 중심에 가 까운 무차원 거리 0.3 근방까지 높은 값을 유지하다 다시 감소하며, 스월 외각(무차원 거리 1.0 근방)에 서 다시 증가한다.

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Fig. 11은 밸브각도 16°에 대한 것인데, 먼저 실제 접선속도는 11°와 비교할 때 전체적으로 변동 폭이 더 크게 나타난다. 평균속도의 상태도, 실린더 중심 의 경우 실린더 외각에 근접하면서 속도가 감소하 는 경향이 나타난다. 아울러 밸브리프트 6 mm까지 는 11°보다 더 가상속도에 접근하지만 8 mm, 10 mm 는 큰 차이가 없다.

스월 중심을 기준으로 한 평균속도는 변화의 경 향과 형태 측면에서 11°와 큰 차이가 없다. 다만 중 심 위치에 가까울 때(무차원 거리 0.4 ~ 0.6 이내) 가 상속도보다 실제 평균속도가 더 크고, 리프트 8 mm

만 제외하면 스월의 외각속도가 감소하는데, 특히 10 mm일 때 이 감소가 크다.

Fig. 12와 Fig. 13은 각각 밸브각도 21°, 26°일 때의 속도분포 특성이다. 우선 21°의 분포 특성은 실린더 중심의 경우 밸브리프트가 2 mm와 3 mm, 그리고 스 월 중심의 경우 2 mm로 낮을 때를 제외하면 16°와 매우 유사하다. 그리고 리프트 2 mm에서 실린더와 스월 중심에서 모두 전체적으로 평균속도가 가상속 도보다 현저히 낮음과 동시에 중심과 근접한 부근 에서 나타나는 각속도의 증가 현상도 관찰되지 않 는다. 반면에 리프트가 3 mm로 증가하면 평균속도가

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갑자기 증가하고 특히 무차원 거리 0.5까지는 가상 속도보다 크거나 동일한 수준을 나타낸다.

26°는 앞에서 살펴본 평면 속도분포에서 항상 예 외적인 경향을 보였는데, 반경 방향에 따른 분포 특 성에서도 역시 다른 밸브각도와는 현저히 다른 분 포특성을 보여주고 있다. 가장 두드러진 차이는 접 선 방향의 평균속도가 전체적으로 낮은 수준을 유 지하며, 특히 8 mm와 10 mm로 리프트가 높을 때 다 른 밸브각도에 비해 매우 낮다는 것이다. 그러나 3 mm 리프트에서는 실린더 및 스월 중심 모두 평균속 도가 다른 리프트에 비해 높은 특징이 있다. 특이한

Fig. 14 Non-dimensional tangential velocity profile as a function of non-dimensional distance from (a) Cylinder center and (b) Swirl center

것은 스월 중심의 경우 3 mm와 6 mm에서 무차원 거 리 0.6까지는 16°, 21°처럼 평균속도가 가상속도보 다 높거나 같지만, 스월 중심에서 가장 먼 곳 즉 무 차원 거리 1.0근방에서 급속히 속도가 저하되어 음 (-)의 값이 되기도 한다.

이상과 같이 반경 방향에 따른 접선속도의 분포 를 밸브각도별로 살펴보았는데, 평균속도만을 정리 한 Fig. 14를 참조하며 전체적인 특성을 정리하면 다 음과 같다.

실린더 중심을 기준으로 접선속도를 구하면 모든 경우 평균속도는 가상속도보다 낮다. 다만 중심과

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가까운 무차원 거리 0.2이하에서 가상속도보다 빠 른 경우도 있다. 밸브각도와 리프트에 따라 일관된 경향은 관찰되지 않으나, 대체로 16°와 21°가 높은 수준을 유지하고, 최고 밸브리프트에서 26°를 제외 하고 평균속도가 상당히 일치한다. 26°는 낮은 리프 트에서는 다른 밸브각도와 비슷한 수준을 유지하지 만 리프트 6 mm 이후 다른 각도에 비해 낮은 수준을 나타낸다.

스월 중심을 기준으로 한 평균속도분포는 실린더 중심과 매우 다르게 나타나는데, 밸브리프트 6 mm 이하에서 무차원 거리 0.6까지 실제속도가 가상속 도보다 큰 경우가 많다. 이것은 위의 평면 속도분포 에서 관찰하였듯이 스월 거동의 외각이 실린더 중 심 부분을 가로지르기 때문에 나타난 현상이다. 그 리고 역시 6 mm까지는 반경 방향을 따라 속도가 증 가하다 다시 감소하는데 2 mm는 감소가 적고 3 mm 와 6 mm는 대폭 감소하는 특징이 있다.

다음으로 8 mm와 10 mm에서 평균속도가 가상속 도보다 현저히 큰 현상은 나타나지 않고, 26°를 제외 하면 중심에서 멀어질수록 가상속도와 근접하게 서 서히 증가한다. 이후에 밸브각도에 따라 속도분포 상태로 달라지는데, 8 mm에서는 밸브각도가 작은 11°와 6°의 스월 외각 속도가 증가하고 21°와 26°는 거의 변화가 없다. 그러나 10 mm에서 11°는 가상속 도보다는 작으나 거의 가상속도처럼 직선적 분포를 보여주는 반면, 다른 밸브각도는 0.8이후 급격히 감 소한다.

이상과 같이 통상적인 ISM 평가위치인 1.75에 서 반경 방향을 따른 속도분포의 특성을 살펴보았 는데, 중요한 것은 속도분포의 특성 자체보다는 이 특성이 현재 정상유동 평가에 미치는 영향을 평가 하는 것이다.

앞에서 언급한 바와 같이 실린더 중심을 기준으 로 한 것은 ISM 평가에 상응한다. ISM 평가방법은 측정한 토크를 기반으로 유동의 강체회전과 축 방 향 속도가 일정하다는 가정 아래 각속도를 구하고, 이 각속도가 스월계수와 스월비의 결정에 사용된 다. 그러나 Fig. 10 ~ Fig. 13 그리고 Fig. 14에서 알 수 있듯이, 실린더 중심 기반의 실제 접선속도와 각속 도는 ISM으로 추정한 값보다 항상 작다. 이것은 서

론에서 언급한 바와 같이 1.75에서 ISM으로 측정 하면 스월이 속도분포의 영향이 반영되지 않았으므 로 왜곡되어 과대평가된다는 의미이다.

여기에 더해 정상유동의 1.75 위치는 피스톤의 감속 및 정체가 있는 실물 기관의 압축유동을 모사 하기에는 너무 가까운 거리이기도 하다.

따라서 이후 논문에서는 다른 평가 위치에서도 속도분포 특성을 살펴보고, 그 이후에 이를 바탕으 로 정량적인 분석을 시도하고자 한다.

5. 결 론

밸브 각도가 다른 네 가지 헤드를 대상으로 통상 적인 ISM 평가위치인 1.75에서 PIV로 유속을 측 정하고 비교한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) 수평면 유속분포는 11°, 16°, 21° 가 유사하며 26°

가 스월 중심, 유동 방향 및 분포 등고선 형태에 서 상이한 경향과 특성을 보여준다.

2) 21° 이하의 밸브각도에서 밸브리프트 6 mm ~ 8 mm 까지 스월 거동 중심이 실린더의 한 쪽에 치우치 고 스월 외각의 빠른 유동이 실린더 중심부를 가 로지르는 정돈되지 않은 상태를 보이다가, 최고 밸브리프트인 10 mm에서는 전 평면에 걸친 스 월 거동이 관찰되는데, 밸브각도가 작을수록 낮 은 리프트에서 스월의 정돈이 시작된다.

3) 밸브각도 26°는 다른 각도와 달리 전체적으로 스 월의 중심이 실린더 중심과 가장 멀리 떨어져 존 재하며, 최고 리프트에서도 정돈된 스월 거동은 관찰되지 않는다.

4) 1.75 위치에서 편심도는 측정값이 왜곡되지 않 는 범위에 들어오지 않는다.

5) 반경 방향을 따른 접선속도는 변동의 폭이 매우 크며, ISM 평가와 상응하는 실린더 중심의 평균 접선속도는 ISM 평가에서 가정한 속도보다 낮다.

6) 스월 중심 평균속도분포는 밸브리프트 6 mm이 하에서 무차원 거리 0.6까지 실제속도가 가상속 도보다 큰 경우도 있지만 리프트가 증가하면 밸 브각도에 따라 속도분포 상태로 달라지는데, 11°

밸브각도가 비교적 가상속도와 잘 일치한다.

7) 1.75 위치에서 실제 속도분포 특성은 ISM 평가 의 가정과 매우 다르다.

(14)

후 기

이 연구는 서울과학기술대학교 교내연구비의 지 원으로 수행되었습니다.

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