Study on Evaluation Method of Flow Characteristics in Steady Flow Bench(4) - Velocity Profile(2)

(1)

Transactions of KSAE, Vol. 24, No. 2, pp.242-254 (2016)

정상유동 장치에서 유동 특성 평가 방법에 대한 연구(4) - 유속분포(2)

박 찬 준․성 재 용․엄 인 용^*

서울과학기술대학교 기계․자동차공학과

Study on Evaluation Method of Flow Characteristics in Steady Flow Bench(4) - Velocity Profile(2)

Chanjun Park․Jaeyong Sung․Inyong Ohm^*

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

(Received 7 Septembe2015 / Revised 1 December 2015 / Accepted 1 December 2015)

Abstract : This paper is the forth investigation on the evaluation methods of flow characteristics in a steady flow bench.

In the previous 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. Also particle image velocimetry (PIV) measurement at this position showed that the real velocity profile was far from the assumption of ISM evaluation. In this paper, the planar velocity profiles were measure from 1.75B to 6.00B position by PIV and the characteristics were examined according to the valve angles and lifts for further investigations about the effect of the position on the velocity profile. The results show that 26° valve angle is always an unique exceptional case in all aspects.

If the valve angle is 21° and below, the planar velocity profiles according to the lift and the position are similar to each other, however, the tangential velocity curves along with the radial direction have common tendencies up to 16° angle. Also the well arranged swirl behaviors are generally observed at the position above 3.00B and the velocity contour lines come closer to the concentric circle as the valve lift increases. In addition, the gradient of tangential velocity along with the radial direction from the swirl center becomes stable and constant as the position goes downstream. Concurrently the velocity gradient is larger to the eccentric direction of the center. In the meantime the tangential velocity curves along with the radial direction are irregular and various at 1.75B, however, they become regular and reach higher level as the evaluation position goes downstream. At this time the curves of 4.50B are the best fitted to the ideal one. On the other hand in an exceptional case, 26°, the velocity contours are very complicated over 6mm valve lift regardless the position and the gradient increases to the opposite direction of the eccentric center. Also, 6.00B is a best fitting position in the geometrical cylinder center base.

With respect to the swirl center, the distribution range of centers for 1.75B is different to that for the other positions and the eccentricities of this plane are larger regardless the valve angle. After 1.75B, there is no certain tendency in the center position change according to the valve angle and lift. Additionally, the eccentricities are not sufficiently small to neglecting the effect on ISM measurement.

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(편심)

1)

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

1. 서 론

기관의 성능과 내부유동은 매우 밀접한 관련이 있지만^1-5) 실물기관의 내부유동을 직접 파악하는 것

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정상유동 장치에서 유동 특성 평가 방법에 대한 연구(4) - 유속분포(2)

은 매우 어려우므로, 주로 정상유동을 평가하여 내 부유동을 예측하는 방법들이 사용되었다.^6,7)

정상유동평가 방법은 기관의 내부유동 예측에 유 용한 정보를 제공해 주는 매우 유효한 방법이다. 그 러나 실제 사용에서 유동 특성에 대한 왜곡된 정보 를 제공하는 경우가 있음에도 불구하고, 방법에 대 한 검토는 거의 이루어지지 않았다.

본 논문은 이러한 평가 방법의 문제점을 검토하 기 위한 일련의 연구 중 하나이다. 본 연구 이전에 정상유동 평가의 근간이 되는 강체회전 가정을 검 토하였고,⁸⁾ 이어서 유속분포 1.75 평가위치에서 가정과 실제 속도분포 차이에 기인한 왜곡 현상을 분석하였다.⁹⁾

그리고 이러한 문제점들은 실제 정상유동의 구조 즉 속도분포가 정상유동평가의 가정인 강체회전에 부합하지 않기 때문에 발생하므로 입자영상유속계 (PIV, Particle Image Velocimetry)를 정상유동장치에 적용하여 통상적인 정상유동실험 조건으로 유속분 포를 측정하였다. 그 결과 1.75 위치에서 실제 속 도분포 특성은 ISM 평가의 가정과 매우 다르다는 것을 확인하였다.¹⁰⁾

이전 연구에서는 1.75에서 밸브각도 변화에 주 목하여 평가하였는데, 본 논문에서는 향후 평가위 치에 대한 새로운 제안을 위해 1.75, 3.00, 4,50, 6.00

에서 평가위치의 영향을 주로 살펴보기로 한다.

2. 실험 장치 및 방법

Fig. 1에 본 연구에서 사용한 서로 다른 흡기밸브 각도를 가진 4개의 헤드 그리고 Fig. 2에는 실험장치 의 개략도를 나타내었다. 실험 조건과 PIV 시스템의 사양은 Table 1에 나타내었으며, 자세한 장치의 설 명은 이전 논문^9,10)에서 다루었기 때문에 생략하기 로 한다.

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

Fig. 4는 밸브각도가 11°에 대해 평가위치와 리프

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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Chanjun Park․Jaeyong Sung․Inyong Ohm

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, 3.00, 4.50, 6.00  Pressure drop 15" H_O (383 mmH_O)

PIV Laser

pulse

Separation 25 s 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

트에 따른 속도분포를 제시한 것이다. 그림에서 가 상의 축 방향 속도분포(_)는 평균속도(유량으로 산출)를 기반으로 축 방향 속도가 수평면 속도에 비 례한다고 가정하여 산출한 값이므로 정성적으로 수 평면 속도분포도 동시에 나타낸다.

먼저 리프트가 낮은 2 mm, 3 mm에서 평가위치에 따른 변화를 관찰하면, 위치가 하류로 이동함에 따 라 유동의 정돈이 빠르게 진행된다. 따라서 1.75에 서 1/4-3/4 분면 방향으로 길게 분포된 형태가 3.00

이후에는 비교적 원형에 가까운 형태를 지닌다.

6 mm, 1.75에서는 1/4-3/4 방향으로 중심을 가

로지르는 강한 유동이 존재하지만, 3.00에 다다르 면 이러한 유동은 관찰되지 않는다. 분포의 상태로 보아 이 유동은 그림의 상부 즉 흡기 쪽으로 이동한 것으로 판단된다. 그리고 왜곡된 형태이지만 전 평 면에 걸친 스월 거동이 관찰된다. 분포의 등고선은 배기 측(그림의 하부)에서는 원호의 형태가 뚜렷하 고 동시에 간격이 일정하여 반경 방향으로 속도 구 배가 크게 변하지 않는다. 반면 흡기 측에서는 등고 선이 상당히 불규칙하고 아울러 후측 흡기(rear intake) 쪽의 속도구배가 매우 크다.

4.50에서는 3.00에서 관찰된 불규칙한 등고선 이 나타나지 않지만, 스월의 형태는 1/4-3/4 분면 방 향으로 길게 늘어선 타원형의 형태를 지닌다. 그리 고 반경 방향을 따른 속도구배는 중심 부근에서 크 고 외각에서 작다. 특이하게 실린더 외각에 유속이 빠른 부분이 섬 형태로 나타난다. 마지막으로 6.00

위치에서는 4.5보다 더 원형에 가까운 스월이 관 찰되고, 아울러 4.5에서 관찰되었던 섬 형태의 유 속분포도 사라진다. 반경 방향의 속도구배는 스월 의 중심 근처에서는 비교적 일정하지만 1/4 및 4/4 분면 즉 후측에서 구배가 거의 없다.

리프트가 높은 8 mm, 10 mm는 형태에는 차이가 있지만 평가위치에 관계없이 스월 거동이 관찰된 다. 그리고 1.75 위치에서는 상당히 다른 분포상태 를 보이지만, 이후에 위치에 따른 변화가 매우 유사 하다. 즉 3.00에서는 3/4 분면에서는 등고선이 원 형에 가깝고 속도구배는 중심에서 멀어질수록 증가 하는데, 그 대각인 1/4분면에서는 등고선의 형태에 변화가 많고 속도구배도 훨씬 작으며 외각으로 갈 수록 구배가 증가하는 현상은 나타나지 않는다.

4.50에서는 스월 중심만 1/4분면으로 이동해 있 고 3.00의 형태와 매우 유사하다. 그러나 정돈된 스월 거동의 범위는 흡기 측에 치우쳐 있고 속도구 배도 흡기 측에서는 비교적 일정하지만, 그 대각인 배기 측에서는 구배가 매우 작다.

6.00에서 거동 중심이 실린더 중심에 근접하여 잘 발달된 스월이 관찰된다. 그러나 중심에서 일정 거리까지 속도구배의 변화가 크지 않다가 외각 부 근에서는 완만해진다.

전체적으로 11°에서는 형태에는 차이가 있지만

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Study on Evaluation Method of Flow Characteristics in Steady Flow Bench(4) - Velocity Profile(2)

Fig. 4 Planar (or virtual axial) velocity field according to evaluation position and valve lift (valve angle=11°)

모든 위치와 밸브리프트에서 스월 거동이 관찰된 다. 그러나 속도분포의 등고선이 동심원 형태를 지 닌 정돈된 스월 거동은 3.00부터 나타난다. 또한 리프트 6 mm 이상에서 4.50까지는 스월이 편심된 방향으로 속도구배가 크고 그 대각 방향으로는 작 다. 그러나 6.00에서는 스월 중심에서 일정 거리까 지 구배의 변화가 크지 않다가 외각 부근에서 완만 해지는 경향이 있다.

Fig. 5는 밸브각도 16°에 대한 것으로, 밸브리프트 가 낮은 2 mm, 3 mm에서는 4.50부터 정돈된 스월 거동이 나타나는데, 형태는 11°와 큰 차이가 없다.

특이한 것은 1.75의 3 mm에서 실린더의 중심부분 을 횡단하는 유동이 관찰되는데 이것은 11°의 1.75

의 6 mm와 매우 유사하다.

6 mm에서는 3.00부터 전체 평면에 걸친 스월 거동이 관찰되고 형태도 11°와 유사하다. 그러나

11°보다 등고선이 매우 복잡하고, 그림에서 볼 때 상 부와 하부 즉 흡기와 배기 측으로 속도구배가 크다.

4.50 에서는 상하로 긴 타원형 스월이 나타나는데, 역시 스월이 편심된 방향으로 속도구배가 크게 나 타난다. 6.00에서 11°와 스월 중심 위치만 조금 차 이가 나고 거의 같은 유속분포를 보여준다.

8 mm와 10mm는 11°에서와 같이 1.75 위치만 분포 상태가 다르고 이후에 위치에 따른 변화는 두 리프트에서 유사하게 진행된다. 1.75, 8 mm에서 실린더 안쪽을 횡단하는 유동이 1/4분면에 있지만 10 mm에서는 관찰되지 않고 거동 중심이 실린더 중 심과 매우 크게 벗어난 스월이 생성된다.

3.00에서도 11°와 형태는 유사하나 반경 방향 으로 속도의 구배가 모두 크게 나타난다. 특히 6 mm 와 마찬가지로 3/4와 4/4 분면의 배기 측 속도구배가 매우 크다. 4.50와 6.00 에서는 8 mm와 0 mm 서로

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박찬준․성재용․엄인용

형태와 속도구배가 유사하고 동시에 11°와도 유사 하다. 그러나 6.00 에서 반경방향의 속도구배가 크 게 나타난다.

16°에서 분포상태를 요약하면, 밸브리프트가 낮 을 때 11°보다 더 하류에서 스월이 정돈되며, 속도분 포가 전체적으로 더 복잡한 형태를 보여준다. 그러 나 위치 및 리프트에 따른 분포상태 및 반경방향의 속도구배 변화는 그 경향이 매우 유사하다.

Fig. 6에 도시한 21°의 속도분포를 앞에서 논의한 11°와 16°와 비교해 보면, 측정위치와 리프트에 따 라 세부적인 형태는 관찰되지만 전체적으로 리프트 와 위치 변경에 따른 변화에 공통점이 많다. 따라서 각 경우 별로 자세한 논의는 중복되는 점이 많기 때 문에 11°과 16°와 비교하면서 차이점을 주로 논의하 겠다.

밸브리프트 3 mm 이하에서 16°와는 3.00에서

만 형태의 차이가 있고, 11°와는 전체 측정위치에서 매우 유사하다. 그러나 6.00, 3 mm에서, 다른 각도 에서는 실린더 중심에 근접하여 스월의 중심이 있 는데 비해, 중심이 3/4분면에 위치하면서 편심도 상 당히 크다.

6 mm에서 1.75에서 실린더 중심을 횡단하는 유 동이 존재하는 것은 이전 경우와 같지만 유속분포 의 형태에서 차이가 난다. 이후 평가위치에 따라 분 포 형태는 유사하다. 다만 3.00와 4.50에서 반경 방향의 속도구배가 11°보다는 크지만 16°보다는 작 고, 6.00에서 편심도가 증가한다.

밸브리프트가 높을 때는 밸브각도에 따라 세밀한 분포상태에만 차이가 보인다. 그리고 스월 거동의 중심은 리프트와 평가위치에 따라 변하지만, 대체 로 동일 평가위치 및 리프트에서 밸브각도 사이의 변화는 크지 않았다. 그러나 21°는 다른 리프트에서

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와 같이 6.00에서 거동 중심 위치도 다르고 편심도 증가하였다.

여기서 지금까지의 관찰 결과를 정리하면 다음과 같다. 11° ~ 21°에서 평가위치와 리프트에 따른 변화 는 상당히 유사한데, 리프트가 낮은 경우 11°와 21°

가 유사하고 6 mm이상에서는 16°와 21°가 유사하 다. 다만 21°의 경우 6.00에서 스월 중심위치가 다 른 밸브각도와 다르며 편심도 증가한다. 중요한 공 통점은 리프트 6 mm 이상에서 4.50까지는 스월이 편심된 방향으로 속도구배가 크고 그 대각 방향으 로는 작지만 6.00에서는 스월 중심에서 일정 거리 까지 구배의 변화가 크지 않다가 외각 부근에서 완 만해지는 경향이 있다는 것이다.

Fig. 8에 26°의 결과를 제시하였다. 그림에서 관찰 되듯이 평가위치와 리프트 변화에 따른 유속분포 특성이 다른 밸브각도와는 상당히 다르다. 이것은

1.75에서 밸브각도 변화에 따른 속도분포 특성을 고찰한 이전연구에서도 26°는 항상 예외적인 경향 을 보인 것과 일치한다.

전체적으로 일부 위치와 리프트를 제외하고 속도 분포 등고선의 형태가 매우 복잡하게 나타나는데, 이것은 다른 밸브각도에서는 1.75 위치에서만 등 고선 형태가 복잡한 것과 대비된다.

리프트와 위치에 따른 변화를 구체적으로 살펴보 면 다음과 같다.

낮은 리프트인 2 mm, 3 mm에서, 1.75에서 스월 거동은 존재하지만 등고선이 다른 각도보다 복잡하 고 분포상태도 다르다. 이전 각도에서는 대체로 1/4-3/4분면 방향으로 길게 분포되었지만, 26°는 2/4-4/4 분면을 따라 분포한다. 3.00에 도달하면, 속도분포 등고선이 폐곡선 상태로 나타난다는 측면 에서 스월이 정돈된 것으로 볼 수 있지만, 3 mm의

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경우 역시 등고선이 매우 복잡함을 알 수 있다. 4.50

 이상에서 등고선의 복잡함은 다소 완화가 되고, 정돈 상태가 비교적 양호한 스월이 관찰되지만 다 른 각도에 비해 스월의 편심이 크다.

6 mm에서는 위치와 관계없이 유속 분포가매우 복잡하다. 먼저 1.75에서 2/4-1/4-4/4 분면 방향으 로 실린더 중심을 횡단하는 강한 유동이 있는데, 이 유동은 3.00 위치에서 실린더의 외각으로 이동하 여 1/4와 4/4 분면 즉 후측(rear)에 분포한다. 이어 4.50에서는 이 유동 성분이 실린더 외각을 따라 그 분포 범위가 확장되어 있다 그리고 후측의 유동이 조금 정돈되어 속도구배가 대체로 일정한데 비해 그 대각 방향의 유동은 여전히 복잡하다. 6.00에 도달하면 스월 거동이 확실히 나타나는데, 배기 측 (그림의 하면)에는 등고선의 형상이 복잡하지만 비 교적 속도구배가 일정하고 정돈된 스월 거동이 관

찰되고 그 대각 방향으로는 구배가 거의 없고 복잡 한 유동이 존재한다.

밸브리프트가 8 mm, 10 mm로 높은 경우, 다른 밸 브각도에서는 6 mm보다는 정돈된 거동이 나타났 고, 위치에 따른 속도분포의 형태와 변화 경향에 리 프트 사이의 차이가 크지 않았다. 아울러 하류로 갈 수록 스월의 형태도 원형에 근접하는 경향이 있었다.

그러나 26°의 경우 등고선의 형태가 매우 복잡하 여 다른 각도에서 관찰되는 공통점을 발견하기 어 렵다. 또한 6 mm보다 등고선이 더 복잡해지는 것도 다른 밸브각도와 다른 점이다. 위치 변화에 따른 경 향은, 복잡한 등고선 형태를 유지하면서 1/4와 2/4 분면에 집중적으로 분포되었던 빠른 유동이 하류로 갈수록 실린더 외각 전체로 확산되고 최고 속도도 조금 낮아지는 것이다. 그러나 21° 이하에서는 스월 이 편심된 방향의 속도구배가 크고 그 대각이 작은

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반면 여기서는 오히려 편심의 대각 방향으로 속도 구배가 더 크게 나타난다. 아울러 8 mm에서는 4.50

이후에 상당히 복잡하기는 하지만 스월 중심이 뚜 렷해지고 반면 10 mm에서는 3.00부터 중심이 뚜 렷하다.

밸브각도 별로 평가위치와 리프트 변화에 따른 속도분포 특성을 종합하여 정리하면 다음과 같다.

밸브각도 21°이하에서는 1.75 위치에서는 리프트 가 8 mm 이상이 되어야 동심원 형태로 정돈된 스월 거동이 존재하지만, 3.00 이상에서는 극히 일부를 제외하면 이러한 정돈된 스월이 관찰된다. 리프트 가 증가할수록 동심원의 형태는 더 뚜렷해지고, 위 치가 하류로 갈수록 스월 거동 중심에서 반경 방향 으로의 접선속도의 구배는 일정해지는 경향이 있 다. 동시에 스월이 편심된 방향으로 속도구배가 크 고 그 대각 방향으로는 작다.

26°의 경우 특히 6 mm 이상에서 속도분포의 등고 선이 매우 복잡하며, 21° 이하에서 관찰된 경향은 나 타나지 않는다. 다만 평가 위치가 하류로 갈수록 일 부에 집중된 강한 유동이 실린더 외각 전체로 확산 되는 경향이 있다. 특징적인 것은 21°이하와는 반대 로 스월 편심의 대각 방향으로 반경방향에 따른 접 선속도의 구배가 더 크게 나타난다.

다음으로 Fig. 8에 도시된 리프트와 위치에 따른 중심위치와 편심도(eccentricity)를 기초로, 위치와 리프트 변화에 따른 스월의 중심위치와 편심도에 대해 논의하기로 한다.

먼저 11°에서 1.75 평면에서는 대체로 거동의 중심이 4/4분면에 분포하고 0.2 근방이던 편심도도 6 mm 이후 0.4 이상으로 크게 증가한다. 측정 평면 이 하류로 가면서, 스월의 중심은 1/4와 3/4 분면에 걸쳐 거의 일정한 선상에 집중적으로 분포한다. 아 울러 리프트 변화에 따른 편심도의 변화에는 일정 한 경향이 보이지는 않지만 대체로 0.2 근방의 값을 가진다. 특히 6.00에서는 6 mm에서 0.21인 것을 제외하고 전체 리프트에서 편심도가 ISM 측정에서 편심도의 영향을 무시할 수 있는 0.15 이하이다.

16° 밸브각도에서, 전체적인 중심의 분포 상태는 11°와 유사하지만 분포범위는 더 넓게 확산되어 있 다. 역시 리프트 변화에 따른 편심도의 변화에서 일

Fig. 8 Variation of swirl center and eccentricity as a function of valve lift according to valve angle and evaluation position

정한 변화의 경향은 보이지 않고, 1.75에서 편심이 크게 나타난다. 6 mm에서 3.00를 제외하면 모두 편심도가 큰 특징이 있고, 역시 이 리프트만 제외하 면 6.00에서 편심도는 0.2이하이다.

21°는 11° 및 16°와 달리 중심의 분포가 실린더 중 심 부근에 원형으로 분포한다. 그리고 역시 1.75에 서 편심이 크지만 6.00에서의 편심도 큰 것이 다른 밸브각도와 비교된다.

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26°는 속도분포 특성과 마찬가지로 다른 밸브각 도와는 매우 다른 특성을 보여준다. 일단 중심위치 는 1.75 평면에서 대체로 다른 각도에서는 4/4분 면에 위치하는데 비해 3/4분면에 위치한다. 또한 1.75에서 편심도가 가장 큰 것은 다른 각도와 같지 만, 3 mm 이후 편심도가 다른 각도에 비해 매우 크 다. 반면에 3.00이후에는 리프트에 관계없이 0.3 정도의 값을 유지한다.

중심 위치와 편심도 변화 경향을 정리하면, 모든 밸브각도에서 대체로 1.75 평면에서의 위치가 다 른 평면과는 분포 범위가 다르며 편심도 역시 크지 만, 1.75 이후에는 리프트와 위치에 따른 편심도의 변화에서 일정한 경향을 관찰할 수 없다. 26°, 1.75

의 편심도는 모든 각도 및 평면 중에서 가장 높은 수 준이지만, 그 이외의 평면에서는 거의 변화가 없이 일정한 수준을 유지한다. 그리고 6 mm 리프트에서 편심도가 예외적으로 높거나 낮은 현상이 자주 나 타난다. 마지막으로 11°-6.00를 제외하면 편심도 가 ISM 측정에서 무시할 수 없는 수준이다.

4. 반경 방향을 따른 속도분포 이전 연구에 의하면 반경방향과 축 방향 유속분 포가 편심이 큰 경우 스월 계산의 기본이 되는 각 운 동량에 미치는 영향이 크지만, ISM으로 측정하면 이 영향이 충분히 나타나지 않는다.⁸⁾ 따라서 평가위 치와 밸브리프트에 따른 속도분포의 특성을 살펴보 기로 한다.

Fig. 9는 밸브각도 11°에 대해 평가위치와 밸브리 프트에 따라 반경 방향의 접선속도분포를 제시한 것이다. 동시에 위에서 언급한 바와 같이 축 방향 속 도분포에 대한 정성적 정보를 제공한다.

그림에서 일점쇄선은 ISM로 측정한 토크를 역산 하여 접선속도(가상속도)를 계산하고, 각각의 속도 를 계산된 최고속도(가상 최고속도)로 무차원화 하 여 나타낸 것이다. 따라서 이 속도분포는 ISM 평가 방법에서 가정한 속도분포이다. 그리고 실린더 중 심(Fig. 9(a), cylinder center)은 실린더의 기하학적 중 심을 기준으로 반경 방향의 속도분포를 나타낸 것 으로 역시 ISM 평가의 가정에 상응하는 것이다. 스 월 중심(Fig. 9(b), swirl center)은 실제 스월의 중심

Fig. 9 Non-dimensional tangential velocity profile as a function of non-dimensional distance from (a) Cylinder center and (b) Swirl center (valve angle=11°)

을 기준으로 접선속도를 나타낸 것이다.

먼저 ISM 측정에 상응하는 실린더 중심 기준의 분포 특성을 살펴보면, 밸브리프트에 관계없이 평 가위치가 하류로 갈수록 반경방향의 접선속도가 증 가한다. 또한 평가위치별로 1.75와 3.00에서는 가상 접선속도보다 낮고, 6.00에서는 높다. 4.50

의 경우 대체로 가상속도와 매우 잘 일치를 하다 실 린더 외각에 접근하면서 약간 낮아지는 경향이 있다.

스월 중심의 속도분포는 실린더 중심과 비교할 때 공통점과 차이점이 모두 발견된다.

먼저 평가위치가 하류로 갈수록 접선속도가 증가

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하는 것은 일치하지만 1.75 - 6mm에서 중심과 가 까울 때는 상당히 높다가 외각에서 급속히 감소한 다. 이것은 Fig. 4에서 관찰된 바와 같이 1.75 - 6mm에서 1/4분면에 치우쳐진 스월 거동이 존재하 여, 실린더 중심을 횡단하는 하는 유동과 스월 중심 을 기준으로 그 대각의 실린더 외각 유동이 강하게 나타나기 때문이다.

실린더 중심과의 차이점은 하류인 4.50와 6.00

에서 접선속도는 가상속도보다 대체로 높으며, 동시에 무차원 반경 0.8근방까지 증가하다 1에 가까 워지면 감소하여 대체로 포물선 형태에 가깝다. 이 러한 형태를 지니는 것은, 역시 Fig. 4에서 관찰된 바 와 같이 하류에서 스월은 정돈되어 있지만 거동 중 심이 치우쳐진 방향으로 속도 구배가 크고 그 대각 은 중심에서 멀면서 구배는 작기 때문이다. 상류에 서는 일정한 경향이 없이 리프트에 따라 변화가 심 한데, 상류에서 스월의 전개가 충분하지 않아 분포 의 등고선이 복잡하고 실린더 좌표계에서 각도 방 향으로 구배의 차이가 심하게 나기 때문이다.

또 다른 차이점은, 실린더 중심의 경우 4.50에 서 실제와 가상속도분포가 상당히 근접한 반면, 스 월 중심의 경우 4.50에서는 가상속도보다 조금 높 고 3.00에서는 조금 낮은 경향을 보여준다.

Fig. 10은 16° 헤드에 대해 반경방향의 접선속도 를 나타낸 것이다. 11°의 경우와 비교할 때 하류인 4.50과 6.00에서는 상당히 유사하고 상류에서는 공통점을 찾기 어려운데, 이는 앞서 살펴본 바와 같 이 평면 속도분포의 변화가 3.00까지는 상당히 크 기 때문이다. 아울러 전체적으로 1.75를 제외하면 11°보다 높은데, 1.75는 리프트에 따라 변화가 매 우 불규칙하게 나타난다.

실린더 중심의 경우, 6.00의 2 mm와 3 mm에서 11°보다 속도가 높지만 다른 리프트에서는 거의 동 일하고 형태도 비슷하다. 4.50에서 역시 가상속도 에 가장 근접해 있는데, 2 mm와 10 mm를 제외하면 거의 가상 속도와 일치한다. 상류인 1.75와 3.00

에서 11°는 대체로 직선 형태의 분포이지만, 여기서 는 무차원 거리 0.8까지 증가하다 다시 1로 접근하 면서 감소하는 경향이 나타난다.

스월 중심의 경우는 리프트가 6 mm 이하일 때 하

Fig. 10 Non-dimensional tangential velocity profile as a function of non-dimensional distance from (a) Cylin- der center and (b) Swirl center (valve angle=16°)

류인 4.50와 6.00에서 11°보다 접선속도가 더 크 고, 특히 6.00의 경우 모든 리프트에서 가상속도보 다 항상 높은 수준을 유지한다. 4.50에서는 약간 높고 3.00에서는 약간 낮은 수준으로 가상속도에 근접하는 것도 11°와 유사하고, 리프트 변화에 따른 일정한 경향은 관찰되지 않는다.

Fig. 11과 Fig. 12는 각각 21°와 26°의 경우인데, 이 전의 11° 및 16°와는 매우 다른 형태를 지니고 있고 대체로 속도도 낮다. 실린더 중심의 경우 11° 및 16°에 서는 6.00에서 리프트에 관계없이 모두 실제 속도가 가상속도보다 높았지만 21°에서는 8 mm와 10 mm

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에서만 높고 26°에서는 10 mm에서 무차원 거리 0.8 까지만 높게 나타난다.

각도별로 살펴보면 21°에서는 리프트가 8 mm에 서 10 mm로 증가하면서 속도가 급격히 증가한다.

또한 11° 및 16°에서는 평가 위치가 하류로 갈수록 속도가 증가하고 위치 간의 차이가 크게 나타났지 만 21°의 경우 3 mm와 6 mm에서 4,50의 속도가 더 크다. 동시에 위치 간의 속도 차이도 작으며 분포의 형태도 6.00-10mm 이외에는 대체로 직선적이다.

26°의 경우 평가위치가 하류로 갈수록 속도가 증 가하지만 다른 각도에 비해 대체로 낮은 수준이다.

특히 리프트가 6 mm 이상에서 상류(1.75, 3.00)의 속도가 현저히 낮다.

스월 중심의 경우도 11° 및 16°에 비해 대체로 속 도가 낮은데, 21°는 6 mm부터 6.00의 속도가 가상 속도보다 크다. 반면 26°는 3 mm 이후 6.00에서의 속도가 가상 속도보다 크다.

1.75에서 상당히 예외적인 속도분포가 나타나 는데, 21°는 6 mm 그리고 26°는 3 mm와 6 mm에서 무차원 거리 0.5 근방까지 속도가 급격히 증가하다 가 다시 급격히 감소하여 1.0근방에서는 거의 0이 된다.

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이상과 같이 논의한 반경 방향을 따른 접선속도 의 분포 특성을 요약하면 다음과 같다.

먼저 평가 위치가 하류로 갈수록 반경 방향에 따 른 접선속도는 증가한다. 이의 주요 원인은 하류로 갈수록 축 방향 운동량이 접선 방향 운동량으로 전 환되었기 때문으로 판단된다. 또한 1.75 위치에서 분포곡선은 밸브각도와 리프트에 따라 매우 다양한 형태가 불규칙하게 나타나는 반면, 하류로 갈수록 반경방향에 다른 속도분포 형태의 변화가 적고 일 정한 경향 즉 반경방향으로의 속도구배가 안정적인 경향이 있는데, 이는 운동량 교환 등으로 스월의 정 돈이 진행되었기 때문으로 판단된다.

한편 26°를 제외하면 대체로 4.50 위치에서의 속도분포가 가상속도와 가장 잘 일치하는데, 예외 적으로 26°는 실린더 중심인 경우 6.00에서의 속 도가 가장 잘 일치하지만 스월 중심의 경우 일치가 가장 잘되는 위치를 선정하기 어렵다.

또 다른 특징으로 Fig. 4 ~ Fig. 7에서 관찰되는 평 면의 속도분포는 11°, 16°, 21°가 유사하고 26°가 상 당히 다른 반면, 분포곡선은 11°와 16°가 유사하고 21°는 리프트 8 mm 이상에서만 11°와 16°와 유사하 다. 26°는 실린더 중심의 경우 다른 밸브 각도와 상 당히 다르고 스월 중심의 경우 리프트 6 mm 이상에 서는 21°와 유사하지만 속도분포 곡선은 상당히 낮 다. 평면 속도분포와 반경방향의 분포곡선 변화를 종합해 볼 때, 밸브 각도 16° ~ 20° 사이에서 유동구 조의 근본적인 변화가 발생한다고 추측된다.

이상과 같이 밸브각도와 평가위치에 따른 유동특 성의 변화를 살펴보았으며, 이러한 특성의 변화가 유동특성 평가에 미치는 구체적 영향에 대해서는 이후 논문을 통해 논의하겠다.

5. 결 론

이전 연구를 통해 현행 방법에서 스월의 강체 회 전 가정이 가장 큰 오차를 발생시키고, 스월 중심이 편심되어 있으면 편심도는 실제 토크에 큰 영향을 주지만 충격식 스월 측정기로는 편심의 효과를 확 인할 수 없으며, 스월 속도분포뿐만 아니라 축방향 속도분포도 실제 토크에 큰 영향을 준다는 것을 확 인하였다. 또한 현재 측정 방법을 사용하면 스월의

편심과 속도 분포는 모두 유동 특성을 왜곡시키지 만 편심은 과소평가 쪽으로 그리고 속도분포는 과 대평가 쪽으로 작용하고, 속도분포의 영향이 편심 보다 훨씬 크고 지배적임을 논의하였다. 마지막으 로 현재 통상적으로 사용하는 측정 위치에서 실제 속도분포 특성은 충격식 스월 측정기 평가의 가정 과 매우 다르다는 것을 관찰하였다.

이러한 맥락에서 본 연구에서는 측정 위치 및 평 가 방법에 대한 이후의 논의를 위해, 밸브 각도가 다 른 네 가지 헤드를 대상으로 평가위치를 달리하며 PIV로 유속을 측정하고 분포상태를 비교한 결과 다 음과 같은 결론을 얻었다.

1) 모든 유속 분포에서 밸브 각도 26°는 다른 밸브 각도와 다른 특성을 나타내는데, 예외적으로 반 경방향에 따른 접선속도는 11°와 16°가 유사하 고 21°와 26°는 상당히 다르다.

2) 밸브각도 21°이하에서, 3.00 이상에서는 대체 로 정돈된 스월이 관찰되며, 리프트가 증가할수 록 동심원의 형태는 더 뚜렷해지는데, 하류로 갈 수록 스월 거동 중심에서 반경 방향으로의 접선 속도 구배는 일정해지며, 동시에 스월이 편심된 방향으로 속도구배가 크고 그 대각 방향으로는 작다.

3) 밸브각도 26°에서 리프트 6 mm이상에서 속도분 포의 등고선이 매우 복잡하며, 평가 위치가 하류 로 가도 구배가 일정해 지는 경향은 없으며 일부 에 집중된 강한 유동이 실린더 외각 전체로 확산 된다.

4) 밸브각도 26°에서 21°이하와는 반대로 스월 편 심의 대각 방향으로 반경방향에 따른 접선속도 의 구배가 더 크게 나타난다.

5) 스월 중심위치는 모든 밸브각도에서 대체로 1.75

 평면에서의 위치가 다른 평면과는 분포 범위 가 다르며 편심도 역시 크지만, 1.75 이후에는 리프트와 위치에 따른 편심도의 변화에서 일정 한 경향은 없고, 일정한 수준을 유지한다.

6) 11° -6.00를 제외하면 편심도가 ISM 측정에서 무시할 수 없는 수준이다.

7) 반경방향에 따른 접선속도는 1.75 위치에서 밸 브각도와 리프트에 따라 매우 다양한 형태가 불

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규칙하게 나타나는 반면, 하류로 갈수록 형태의 변화가 적고 일정하며 속도도 증가한다.

8) 21° 이하에서 대체로 4.50 위치에서의 속도분 포곡선이 가상속도와 가장 잘 일치하며, 26°는 실린더 중심인 경우 6.00에서의 속도가 가장 잘 일치하지만 스월 중심의 경우 일치가 가장 잘 되는 위치를 선정하기 어렵다.

후 기

이 연구는 서울과학기술대학교 교내연구비의 지 원으로 수행되었습니다.

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