충격파관의 길이와 직경이 Shock Train 현상에 미치는 영향

김동욱(Dong Wook Kim),김태호(Tae Ho Kim),윤영빈(Young Bin Yoon),김희동(Heuy Dong Kim) 대한기계학회 2017 大韓機械學會論文集B Vol.41 No.9

충격파관에서 발생하는 충격파는 저압관단으로 전파하며, 관단에서 반사한다. 반사 충격파와 경계층의 간섭으로 반사 충격파에 분지가 발생하게 되고, 분지한 반사 충격파는 접촉면과 간섭하며, shock train이 발생하게 된다. 그러나 충격파관에서 발생하는 shock train 현상에 대한 연구는 미흡한 실정이다. 본 연구에서는 2차원 축대칭 충격파관을 사용하여 비정상, 압축성 Navier-Stokes 방정식을 적용한 수치해석을 수행하였으며, shock train의 상세한 특성을 조사하기 위하여, 고정된 압력비에서 충격파관의 길이 및 직경을 변화시켰다. A normal shock wave is initially formed in the shock tube that migrates towards the closed end of the tube, which, in turn, leads to the reflection of shock. Due to the interaction of the reflected shock with the boundary layer, bifurcation of the shock wave takes place. A shock train will be generated after the bifurcated shock wave approaches the contact surface. Until now, only a few studies have been conducted to investigate this shock train phenomenon inside the shock tube. For the present study, a CFD analysis has been performed on a two dimensional axisymmetric model of a shock tube using unsteady, compressible Navier-Stokes equations. In order to investigate the detailed characteristics of the shock train phenomenon, quantitative studies have been performed by varying shock tube length, diameter under fixed diaphragm, and pressure ratio inside a shock tube.

Micro Shock Tube 유동에 관한 실험적 연구

박진욱(Jinouk Park),김규완(Gyuwan Kim),김희동(Heuydong Kim) 한국추진공학회 2012 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2012 No.5

최근 다양한 공학 응용 분야에 Micro Shock Tube의 중요성이 커지고 있다. Pharma Ballistic 기술은 기존의 약물주입방법과 달리 약물입자를 가속하여 피부로 침투시키기 위해 Micro Shock Tube를 적용하는 기술 중 하나이다. 그러나 이러한 장치의 효율적인 설계를 위해서는 Micro Shock Tube 내부유동과 충격특성에 대한 상세한 지식을 필요로 한다. 경계층과 같은 많은 요소들 때문에 Micro Shock Tube 내부의 낮은 Reynolds Number와 높은 Knudsen Number가 형성되며, 이 때의 충격파 전파는 기존의 Macro Shock Tube와 상이하게 나타난다. 본 연구에서는 Micro Shock Tube에서의 충격파 전파와 유동특성을 조사하기 위해 직경 3㎜의 Micro Shock Tube를 이용하여 실험을 수행하였으며, 압력은 저압관의 세 지점에서 측정되었다. 충격파 속도와 같은 다른 변수들의 실험값으로부터 충격파 강도를 찾고 충격파 선도를 나타내었다. Past few years have seen the growing importance of micro shock tubes in various engineering applications. A pharma ballistic technique is one such application which uses micro shock tube to accelerate drug particles and penetrate into skin, thus avoiding the usual injection drug delivery system. But for the efficient design of such instruments requires the detailed knowledge of shock characteristics and flow field inside a micro shock tube. Due to many factors such as boundary layer, low Reynolds number and high Knudsen number shock propagation inside micro shock tubes will be quite different from that of the well established macro shock tubes. In the present study, experimental studies were carried out on a micro shock tube of 3 ㎜ diameter to investigate flow characteristics and shock propagation. Pressure values were measured at different locations inside the driven section. From the experimental values other parameters like shock velocity, shock strength were found and shock wave diagram was constructed.

충격파관에서 발생하는 반사 충격파와 경계층의 간섭에 대한 연구

김동욱(Dong Wook Kim),김태호(Tae Ho Kim),김희동(Heuy Dong Kim) 대한기계학회 2017 大韓機械學會論文集B Vol.41 No.7

충격파와 경계층의 간섭 현상은 경계층이 박리하고, shock train이 발생하며, 유동장은 매우 복잡한 형태로 된다. 이러한 현상은 반사 충격파와 비정상 경계층이 간섭하는 충격파관에서도 발생한다. 그러나 충격파관에서 발생하는 shock train 현상에 대한 연구는 미비한 실정이다. 본 연구에서는 2차원 축대칭 충격파관을 사용하여 수치해석을 수행하였으며, 충격파관에서 발생하는 shock train의 유동 특성을 상세히 조사하기 위하여 압축성 Navier-Stokes 방정식을 적용하였다. 본 연구의 수치해석 결과를 바탕으로 상세한 파동선도를 통해 실험 결과와 비교하였다. The interaction between a shock wave and a boundary layer causes boundary layer separation, shock train, and in some cases, strong unsteadiness in the flow field. Such a situation is also observed in a shock tube, where the reflected shock wave interacts with the unsteady boundary layer. However, only a few studies have been conducted to investigate the shock train phenomenon in a shock tube. In the present study, numerical studies were conducted using the two-dimensional axisymmetric domain of a shock tube, and compressible Navier-Stokes equations were solved to clarify the flow characteristics of shock train phenomenon inside a shock tube. A detailed wave diagram was developed based on the present computational results, which were validated with existing experimental data.

Micro Shock Tube 유동에 관한 실험적 연구

박진욱(Jinouk Park),김규완(Gyuwan Kim),김희동(Heuydong Kim) 한국추진공학회 2012 한국추진공학회지 Vol.16 No.5

Past few years have seen the growing importance of micro shock tubes in various engineering applications like micro combution, micro propulsion, particle delivery systems. But in order to efficiently apply Micro Shock Tube to such areas require the detailed knowledge of shock characteristics and flow field inside a micro shock tube. Due to many factors such as boundary layer, low Reynolds number and high Knudsen number shock propagation inside micro shock tubes will be quite different from that of the well established macro shock tubes. In the present study, experimental studies were carried out on micro shock tubes of two diameters to investigate flow characteristics and shock propagation. Pressure values were measured at different locations inside the driven section. From the experimental values other parameters like shock velocity, shock strength were found and shock wave diagram was constructed.

Micro-Shock Tube 유동에 대한 실험적 연구

박진욱(Jin-Ouk Park),김규완(Gyu-Wan Kim),Md.Alim Iftakhar Rasel,김희동(Heuy-Dong Kim) 대한기계학회 2015 大韓機械學會論文集B Vol.39 No.5

Micro shock tube에서 발생하는 비정상파 거동을 실험적으로 조사 하기위해 파막 실험을 수행하였다. 실험은 스테인리스 재질의 micro shock tube를 사용하였으며, 총 8개의 압력센서를 설치하여, 충격파관에서 발생하는 충격파 및 팽창파를 측정하였다. 초기 압력비는 6.3에서 30.5까지 변화시켰으며, 관의 직경은 3mm와 6mm로 하였다. 그리고 두 가지 재질의 격막을 사용하여 격막 조건을 다양하게 실험을 수행하였다. 그 결과로부터 초기 압력비 및 관 직경의 증가에 따라 관내에서 발생되는 충격파 강도는 커지며, 가장 얇은 재질의 격막 조건에서 가장 큰 충격파 강도가 발생했다. 그리고 충격파 감쇠는 관의 직경에 가장 큰 영향을 받았다. The flow characteristics in micro shock tube are investigated experimentally. Studies were carried out using a stainless steel micro shock tube. Shock and expansion wave was measured using 8 pressure sensors. The initial pressure ratio was varied from 4.3 to 30.5, and the diameter of tube was also changed from 3mm to 6mm. Diaphragm conditions were varied using two types of diaphragms. The results obtained show that the shock strength in the tube becomes stronger for an increase in the initial pressure ratio and diameter of tube. For the thinner diaphragm, the highest shock strength was found among varied diaphragm condition. Shock attenuation was highly influenced by the diameter of tube.

Numerical Simulation of the Effect of Finite Diaphragm Rupture Process on Micro Shock Tube Flows

Arun Kumar R,김희동(Heuy Dong Kim) 한국추진공학회 2013 한국추진공학회지 Vol.17 No.3

Recent years have witnessed the use of micro shock tube in various engineering applications like micro combustion, micro propulsion, particle delivery systems etc. The flow characteristics occurring in the micro shock tube shows a considerable deviation from that of well established conventional macro shock tube due to very low Reynolds number and high Knudsen number effects. Also the diaphragm rupture process, which is considered to be instantaneous process in many of the conventional shock tubes, will be crucial for micro shock tubes in determining the near diaphragm flow field and shock formation. In the present study, an axi-symmetric CFD method has been applied to simulate the micro shock tube, with Maxwell’s slip velocity and temperature jump boundary conditions. The effects of finite diaphragm rupture process on the flow field and the shock formation was investigated, in detail. The results show that the shock strength attenuates rapidly as it propagates through micro shock tubes.

충격파 터널의 정상 유동 유지 시간 계산 및 연장을 위한 연구

김근영(Keun Young Kim),양성모(Sungmo Yang),장원근(Won Keun Chang),진상욱(Sangwook Jin),최호진(Hojin Choi),변종렬(Jongryul Byun),황기영(Kiyoung Hwang),박기수(Gisu Park) 한국추진공학회 2016 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2016 No.12

충격파 터널은 다른 지상시험장비에 비해 적은 경비로 쉽게 고엔탈피 환경을 모의할 수 있다는 장점을 가지지만 정상 유동 유지 시간이 수 ms로 짧다는 단점을 가지고 있다. 이에 본 연구진은 정상 유동 유지 시간을 늘리는 방안을 모색하였고 충격파관의 고압관과 저압관 길이 대비에 따른 정상 유동 유지 시간의 변화를 확인하고자 본 연구를 수행하였다. 실험에 앞서 1차원 해석 프로그램으로 충격파관 내의 유동 압력을 계산하여 충격파관 길이 대비에 따른 정상 유동 유지 시간 변화 양상을 확인하였다. 그리고 이를 바탕으로 충격파관 내의 실제 압력 측정 실험을 수행하였다. 본 논문에서는 충격파 터널의 정상 유동 시간 연장에 관한 결과를 비교 및 정리하여 수록하였다. Shock tunnels have the advantage that they can easily simulate high enthalpy condition with less cost compared to other ground test equipment, but they have a disadvantage that the steady flow holding time is short as several milliseconds. In this study, we tried to increase the steady flow holding time and investigated the variation of the steady flow holding time according to the contrast of the driver tube and the driven pipe of the shock tube. Before the experiment, the flow pressure in the shock tube was calculated by the one - dimensional analysis program, and the variation of the steady flow holding time according to the length of the shock tube was confirmed. Based on this, the actual pressure measurement experiment in the shock tube was performed. In this paper, we compare and summarize the results of the extension of the steady flow time of the shock tunnel.

Micro Shock Tube에서 발생하는 충격파 실험

박진욱(Jinouk Park),김규완(Gyuwan Kim),김희동(Heuydong Kim) 한국추진공학회 2013 한국추진공학회지 Vol.17 No.5

Micro shock tubes are now-a-days used for a variety engineering applications such as in the field of aerospace, combustion technology and drug delivery systems. But the flow characteristics of micro shock tube will be different from that of well established conventional macro shock tube under the influence of very low Reynolds number and high Knudsen number formed due to smaller diameter. In present study, experimental studies were carried out to a closed end (downstream) Micro Shock Tube with two different diameters were investigated to understand the flow characteristics. Pressure values were measured at different locations inside the driver and driven section. The results obtained show that with the increase in diameter the shock propagation velocity increases as well as the effect of reflected shock wave will be more significant under the same diaphragm rupture pressure.

충격파관을 이용한 폭발 압력 상사 연구

김경민(Kyoungmin Kim),박관진(Kwan-Jin Park),강재은(Jae-Eun Kang),박성철(Sung-Chul Park),정세웅(Sewoong Jung) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.4

화약과 같은 에너지 물질이 반응하면서 발생하는 압력은 매우 짧은 시간 동안 많은 양의 에너지가 방출되며, 이 때 발생하는 압력은 대기를 압축시키면서 충격파(Shock wave) 형태로 주변으로 전파된다. 이러한 충격파로 인해 인적, 물적 손상이 발생하므로, 충격파의 위력과 그 피해 정도를 미리 파악하는 것은 매우 중요한 일이다. 그러나 야외 개방조건(Open free-field condition)에서는 주변 공기의 온도 및 습도, 지면 상태 등의 주변 환경에 의해 폭발 압력 편차가 발생하므로 재현성과 신뢰성 있는 실험자료획득은 매우 어려운 일이다. 더불어, 야외 개방 조건에서는 고압조건 형성을 위해 많은 양의 화약 기폭 이 필요하므로 그 위험성이 증가하며, 특히 국내에서 실제 조건(Actual condition)에서 화약 기폭 실험은 충분한 안전거리 확보가 어려워 매우 제한적으로 이루어지고 있는 현실이다. 반면, 폭발형 충격파관(Explosive shock tube)를 이용하면 야외 개방조건 보다 소량의 화약으로 신뢰성 있는 실험이 가능하다. 즉, 야외 개방조건에서는 화약이 기폭 되면 3 차원 공간으로 반응 물질이 전파되면서 압력 감소하나, 충격파관을 이용하면 화약 기폭 후 충격파가 관 내부를 따라 방향성을 가지고 전파되므로 상대적으로 압력감소가 매우 적게 발생한다. 일반적으로 충격파관은 화약 기폭이 이루어지는 구동부(Driver section) 혹은 기폭부(Detonation section)와 구동부에서 생성된 충격파가 관내 공간을 통해 전단 되는 발달부(Developing section), 그리고 피동부(Driven section) 혹은 시험부(Test section)으로 구성된다. 본 연구에서는 내부 직경 120 mm, 충격파관 전체 길이 약 5 m의 실린더 형태의 폭발형 충격파관 내부에서 DXC-56 화약을 EBW(RP-87) 뇌관을 이용하여 기폭 시켰으며, 시험부 출구 끝점을 기준으로 시험부 전방(내부)방향으로 각각 200, 500, 800 mm 이격 된 지점의 관내 외곽면에 Flush mount 형태로 Piezo 타입 압력센서(PCB Co.,)를 설치하여 폭압을 계측하였고, 출구부 후방 60 mm에서 Pencil 형태 입사압력 (Incident pressure) 센서를 이용하여 폭압을 계측하였다. DXC-56 화약은 1.25 g 단위로 제조하여 각각 1 개(1.25 g), 2 개(2.5 g), 3 개(3.75 g)를 기폭 하여 화약 중량에 따른 폭압 변화를 관찰하였고, 재현성을 위해 각 조건별로 3 회 이상 반복실험을 수행하였다. 그 결과 시험간 첨두압력(Peak pressure)차이는 약 2% 미만이고 압력을 시간에 따라 적분한 충격량(Impulse)의 차이는 약 3%이내로 매우 신뢰성 있는 결과를 획득하였다. 폭발압력에 의한 피해는 입사압력 보다는 반사압력(Reflect pressure)에 더 지배적인 영향을 받으므로 입사압력을 계측한곳과 동일한 위치에서 반사압력을 계측하였다. 반사압력은 두께 10 mm, 길이 120 mm의 정사각형 형태의 철판(Steel Plate) 시험체를 이용하였으며, 시험체 중앙점에 Piezo resistive 센서인 XTM-190s(Kulite semiconductor Co.,)를 설치하여 계측하였다. 폭압에 의해 시험체의 진동이 발생하여 센서에 교란(Perturbation)을 주면 신뢰성 있는 반사압력 획득이 불가능하므로, 이를 방지하기 위해 시험체를 단단히 고정하였다. 반사압력은 DXC-56 화약 1.25 g 과 2.5 g 조건에서 반복 실험을 진행하였으며, 시험간 첨두압력 차이는 약 5% 이내, 충격량 차이는 약 3%이내였다. 이러한 실험 결과는 상용 Hydro-dynamic 해석 S/W 인 SPEED(Shock Physics Explicit Eulerian/Lagrangian Dynamics)의 분석 결과와 비교하여 정량적 및 정성적으로 매우 잘 일치하였다. 따라서 충격파관을 이용하여 야외 개방조건보다 소량의 화약을 이용하여 재현성 있는 충격파 구현이 가능하며, 이러한 충격파관을 이용한 상사실험 기법은 폭발 및 에너지 물질에 의한 피해 영향도 분석, 방폭 시설물 설계 등에 적용 가능할 것으로 판단된다. We detonated energetic materials in an explosive shock tube, and incident and reflective shock pressure were measured at the exit of test section in the shock tube. We obtained reliable experimental data with high reproducibility, and the results also showed good agreement with commercial code analysis.

화약 구동형 충격파관을 이용한 폭발 압력 모사 실험 및 해석

김경민(Kyoungmin Kim),강재은(Jae-Eun Kang),박관진(Kwan-Jin Park) 대한기계학회 2022 大韓機械學會論文集A Vol.46 No.1

화약 및 에너지 물질이 반응할 때 발생하는 폭발 압력을 모사하기 위해 폭발형 충격파관을 설계하고 실험을 수행하였다. TNT 화약과 C4 화약을 충격파관 내부에서 기폭시킨 후 화약별로 최대 압력과 충격파 속도를 비교하였으며, 화약 중량에 따른 압력 증가 특성을 분석하였다. 충격파관 출구부에 입사 압력(incident pressure) 계측을 위해 pencil형 압력센서를 설치하고, 개발화약 종류인 DXC-56의 기폭에 따른 출구부 입사 압력을 화약 중량별로 비교하였으며, 수리동역학(hydrodynamic) 해석 프로그램인 SPEED(shock physics explicit Eulerian/Lagrangian dynamics)의 해석 결과와 비교하였을 때 실험 결과와 잘 일치하였다. An explosive driven shock tube for conducting blast pressure similarity experiments caused by explosive matters was designed. Energetic materials, such as, trinitrotoluene (TNT) and comp. 4 (C4), were detonated inside the shock tube. The characteristics of the each of the materials, for instance, peak pressure and shock wave velocity, were compared, and the effect of the weight of the material was investigated. A pencil type blast pressure sensor was installed at the exit of the shock tube to measure the incident pressures according to the material weight. The experimental results were in agreement with the numerical analysis results computed by the commercial hydrodynamic software shock physics explicit Eulerian/Lagrangian dynamics (SPEED).