본 연구는 교육과학기술부 한국연구재단(No.20090084669), 국토해양부건설기술혁신사업('09 기술혁신 E02), 항공우주신기술연구소 및 BK21 사업의 지원으로 수행되었습니다OAIID:oai:osos.snu.ac.kr:snu2010-01/104/0000004648/36SEQ:36PERF_CD:SNU2010-01EVAL_ITEM_CD:104USER_ID:0000004648ADJUST_YN:NEMP_ID:A001138DEPT_CD:446CITE_RATE:0FILENAME:원형_출구_Synthetic_Jet의_유동_특성_연구.pdfDEPT_NM:기계항공공학부EMAIL:chongam@snu.ac.krCONFIRM:

김우례

김종암

이병현

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원형 출구 Synthetic Jet의 유동 특성 연구Experimental Study on Flow Characteristics ofSynthetic Jets with Circular Exit이병현＊, 김우례, 김종암 (서울대학교)1. 서  론Synthetic jet은 주기적으로 Jet을 흡입/분출하는 능동 유동 제어 장치로서 경계층 제어, 유동 박리 제어 등에 활용된다. Collins와Zelenvitz의 연구에서 주기적인 간섭이 유동 박리를 제어할 수 있음이 발견된 이후 Seifert,Wygnanski, Glezer 등 많은 학자들이 Syntheticjet의 성능을 결정하는 파라미터들을 연구하였고,실용화를 위한 연구를 활발하게 수행하였다.1현재까지 연구를 살펴보면 Synthetic jet 출구 형태는 대부분 직사각형(Rectangular Slot)또는 원형(Circular Slot)이다. 일반적으로 직사각형 출구에서는 Vortex Pair가 생성되고, 가로세로비가 커지면 스팬 중앙에서 속도가 감소하는 특징이 있다.2반면 원형 출구에서는 VortexRing이 형성되고, 동일한 출구 속도를 얻기 위한 요구 전압이 직사각형 출구 보다 낮은 특징이 있다.3그런데 원형 출구 한 개만으로는 영향을 미치는 범위가 작기 때문에 넓은 면적에작용하기 위해서는 여러 개를 배열해야 한다.이와 관련하여 3개의 원형 출구를 일직선으로배열한 실험4과 9개의 원형 출구를 정사각형 형태로 배열한 실험5에 대한 연구가 있었지만 배열 형태에 대한 연구는 아직 미흡한 실정이다.본 논문에서는 원형 출구 Synthetic jet의 연구동향을 고려하여 자유류가 없는 상태에서 출구의 지름과 간격 변화에 따른 유동 특성을 파악하는 연구를 수행했고, 이를 통해 원형 출구 실용화를 위한 기초를 마련하고자 한다.2. 본  론2.1 Synthetic jet 출구 형상본 연구에 사용된 Synthetic jet의 구조와기준 좌표는 그림 1과 같다. 선형모터가 라텍스(Latex) 박막과 아크릴판을 진동시켜서 밀폐된 공간의 유체가 출구를 통해 반복적으로 흡입/분출된다.그림 1 Synthetic jet의 구조 및 원리각 구동기별로 같은 주기(Cycle) 동안 흡입/분출되는 유량(Mass Flux)이 동일하도록 지름에 따른 출구 개수를 조정하여 각 출구 형태별로 전체 면적을 50로 설정했다. 실험에 사용된 원형 출구의 종류는 표 1과 같다.출구종류출구간격출구형상비고D=1.5mm(출구28개)b=3mm▪D: 출구지름▪b: 출구간격▪단면적: 50b=4mmD=2mm(출구16개)b=3mmb=4mmD=3mm(출구7개)b=4mmD=3mm(출구7개)b=9.82mm표 1 원형 출구의 종류 12.2 x방향 속도 분포 특성원형 출구의 지름(D)과 간격(b) 변화에 따른x방향 속도 분포 특성을 확인하기 위한 실험을수행했다. 주파수(f) 50Hz, 진폭(A) 1.006V의 사인파(Sine wave) 신호를 입력하여 구동기를 작동시키고, 높이(z) 3mm 지점에서 열선유속계(I-Type Hot wire anemometry)를 사용하여 z방향 속도를 측정하였다. 원형 출구 중심을 따라 이송장치를 0.2mm 간격으로 이동시키며Labview 프로그램을 이용하여 RMS(RootMean Square) 속도를 측정했다.그림 2 D=1.5mm, RMS 속도 및 난류도그림 3 D=2mm, RMS 속도 및 난류도그림 4 D=3mm, RMS 속도 및 난류도그림 2, 그림 3의 RMS 속도 분포를 보면각 원형 출구는 x방향으로 일정한 분포 형태를나타내고 있다. 두 경우 모두 원형 출구 중앙에서 최고속도가 측정되었는데 D=1.5mm인 경우최고 속도가 더 컸다. 그림 4와 같이 b=9.82mm로 출구 간격이 더욱 넓어진 경우에도 x방향으로 일정한 속도 분포를 보였다.그림 3의 b=3mm 경우와 그림 4의 b=4mm경우에는 원형 출구 사이 지점의 속도가 확연하게 증가한 반면 그림 2의 b=3mm 경우에는 속도 증가량이 작다. 또한 그림 2와 그림 3에서는원형 출구 사이 지점의 속도는 증가했지만 출구중앙의 속도 변화량은 매우 작다. 그림 4에서는원형 출구 사이 지점뿐만 아니라 원형 출구 중앙의 속도도 크게 증가했다.그림 2, 그림 3의 난류도(TurbulenceIntensity)를 보면 x방향으로 일정한 형태로 분포하고 있다. 출구의 간격이 감소하면 출구 사이 지점의 난류도는 증가했으나, 출구 중앙의난류도는 감소했다. 특히 그림 4를 보면 원형출구 지름에 비해 출구 간격이 크게 좁아질 때속도는 전체적으로 증가했지만 난류도는 현저하게 감소했다는 것을 알 수 있다. 각 출구에서발생하는 Vortex Ring의 간섭 정도에 따라 출구 사이 지점의 속도와 난류도가 결정되는 것으로 판단된다.2.3 y방향 속도 분포 특성각 출구 형태별로 원형 출구에서 발생하는Vortex Ring이 영향을 미치는 범위를 확인하기위한 실험을 수행했다. 2.2절의 실험과 동일한조건의 신호를 입력하고 z=3mm 높이에서 원형출구 중심선을 따라 y방향으로 0.1mm씩 이동하며 RMS 속도를 측정했다. 원형 출구에서 나온유동이 영향을 미치는 범위를 비교하기 위해Amit Agrawal의 연구 등 여러 논문에서 사용된 바 있는 Jet Width를 비교했다.6그림 5 D=1.5mm, D=2mm RMS 속도그림 5를 보면 출구 중앙의 속도는D=1.5mm인 경우가 더 크지만 Jet Width(δ)는D=2mm인 경우가 더 크다. 2.2절에서 언급되었던 x축 속도 분포 특성과 비교하면 출구 간격(b)2이 좁아질 때 출구 사이 지점의 속도는 증가했으나, y축 방향 Jet Width는 변화가 없다. 그림4와 그림 6을 보면 D=3mm, b=4mm인 경우에출구 중앙과 출구 사이 지점의 속도는 크게 증가했지만 Jet Width 변화량은 매우 작다.그림 6 D=3mm, RMS 속도2.4 z방향 속도 분포 특성z방향 속도 변화를 관찰하기 위한 실험을수행했다. 2.2～2.3절과 동일한 신호를 입력하고,z=3mm～53mm 높이까지 1mm 간격으로 이동하며 출구 중앙의 RMS 속도를 측정했다. 측정된 데이터를 바탕으로 z축 방향 속도 감쇠율을계산하였다. 난류 이론에 의하면 z/D>8 거리에서 난류 Jet의 초기 속도()와 z 높이에서의속도()의 관계는 다음과 같이 알려져 있다.7▪ Plane Jet :    ▪ Circular Jet :   그림 7은 출구 중앙 RMS 속도의 무차원 계수 그래프이다. z/D>8 영역을 대상으로 PowerCurve Fitting을 하여    관계를비교하였다. 동일 간격(b=4mm)에서 각 출구의감쇠율은 Plane Jet과 Circular Jet의 이론적인값과 차이가 났는데 이에 대한 원인은 원형 출구에서 분출된 Jet의 형상과 관련이 있는 것으로 판단된다. 그림 9와 같이 원형 출구에서 분출된 Vortex Ring은 출구에서 멀어질수록 z에비례하여 크기가 증가하는 것으로 알려져 있다.8 그런데 원형 출구가 배열된 형태에서는 각각의 원형 출구에서 발생한 Vortex Ring이 z방향으로 흐를수록 서로 만나서 혼합되기 때문에최초의 성질을 유지하지 못한다. 또한 그림 8을보면 출구 간격이 달라도 일정한 높이가 지나서각 출구의 유동이 혼합된 이후에는 비슷한 감쇠율을 나타내고 있다.그림 7 b=4mm, 무차원 속도그림 8 D=3mm, RMS 속도그림 9 원형 출구의 속도 형상82.5 Momentum Flux 계산원형 출구에서 외부로 전달되는 운동량을비교하기 위해 z=3mm에서 측정된 z방향 속도를 기준으로 Momentum Flux를 계산하였다.다음의 관계식을 이용하여 원형 출구 1개의Momentum Flux를 계산하고, 출구 형태별로 전체 면적에 대한 값을 도출하였다.9  ·    : = 1/2 주기 속도, T = 1/f3그림 10 출구 1개의 Momentum Flux그림 10과 표 2는 출구 1개와 전체면적의Momentum Flux를 비교한 그래프이다. 동일 간격(b=4mm)일 때 D=3mm인 경우에 가장 큰 값이 도출되었다. 그림 6과 그림 10을 비교하면출구 간격이 증가할 때(b=9.82mm) 출구 속도와Momentum Flux가 감소했다. 이를 토대로 동일한 구동기 입력 조건에서 출구 간격(b)과 출구지름(D)을 조정하여 Momentum Flux 출력을변화시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.지름(D) 간격(b)출구 1개· 전체 면적· 1.5mm 4mm 1.98 55.412.0mm 4mm 3.56 56.963.0mm 4mm 9.91 60.043.0mm 9.82mm 3.81 26.68표 2 Momentum Flux 합계(50)3. 결론본 논문에서는 자유류가 없는 조건에서 원형 출구를 배열한 Synthetic jet의 유동 특성을연구했다. 그 결과 동일한 구동기 입력 조건에서 출구 지름과 간격에 따라 출구 속도, 난류도,Jet Width, Momentum Flux가 달라지는 현상을확인했다. 원형 출구를 배열한 형태는 x방향으로 일정한 속도 분포를 나타냈기 때문에 직사각형 출구에서 출구 중앙 부분의 속도가 감소하는문제점의 대책이 될 수 있다. 또한 출구를 박리영역을 따라 곡선 형태로 배열할 수 있기 때문에 Synthetic jet의 유동제어 성능을 개선할 수있다. 향후에는 자유류가 있는 조건에서 원형출구의 유동 특성을 연구하고, 최적의 유동 제어 성능을 발휘할 수 있는 조건과 그 현상에 대한 물리적 원리를 분석할 계획이다.참고 문헌1. David Greenblatt, Israel J. Wygnanski, "Thecontrol of flow separation by periodic excitation",Progress in Aerospace Sciences 36 (2000) 487-545.2. S. Abdou, S. Ziada, "Spanwise Characteristics ofHigh-Aspect-Ratio Synthetic jets", AIAAJOURNAL Vol. 44, No. 7, July 2006.3. Woore Kim, Sanghoon Kim, Kwangwoo Choi,Chongam Kim, "Experimental and ComputationalStudy on Flow Characteristics by Synthetic jetsConfiguration", 48th AIAA Aerospace SciencesMeeting Including the New Horizons Forum andAerospace Exposition 4-7 January 2010, Orlando,Florida.4. Shan Zhong, Mark Jabbal, Hui Tang, LuisGarcillan, Fushui Guo, Norman Wood, ClydeWarsop, "Towards the Design of Synthetic-JetActuators for Full-scale Flight Conditions Part 1:The Fluid Mechanics of Synthetic-Jet Actuators",Flow Turbulence Combust (2007) 78:283–307.5. Ivana M. Milanovic, K. B. M. Q. Zaman,"Synthetic jets in Crossflow", AIAA JOURNALVol. 43, No. 5, May 2005.6. Amit Agrawal, Gunjan Verma, “Similarity analysisof planar and axisymmetric turbulent Syntheticjets”, Department of Mechanical Engineering,Indian Institute of Technology, Powai, Mumbai 400076, India, International Journal of Heat and MassTransfer 51 (2008) 6194–6198.7. H.Tennekes, J.L.Lumley, "A First Course InTurbulence", The MIT Press(1972) 130-134.8. Gopi Krishnan, Kamran Mohseni, "AxisymmetricSynthetic jets: An Experimental and TheoreticalExamination", AIAA JOURNAL Vol. 47, No. 10,October 2009.9. Hui Tang, Shan Zhong, Mark Jabbal, LuisGarcillan, Fushui Guo, Norman Wood, ClydeWarsop, "Towards the Design of Synthetic-JetActuators for Full-scale Flight Conditions", FlowTurbulence Combust (2007) 78: 309–329.10. Sang Hoon Kim, Chongam Kim, "Separation controlon NACA23012 using Synthetic jet", AerospaceScience and Technology 13 (2009) 172–182.후기본 연구는 교육과학기술부 한국연구재단(No.20090084669),국토해양부건설기술혁신사업('09 기술혁신 E02), 항공우주신기술연구소및BK21 사업의지원으로수행되었습니다.4

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