Experimental Investigation of Supersonic Single and Dual Jets under Near Vacuum Conditions = 준진공 조건에서의 초음속 단일 및 이중 제트의 실험 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This dissertation presents an experimental investigation of the fluid dynamic behavior of rarefied supersonic single and dual jets under vacuum conditions. Such flows are of great importance in semiconductor manufacturing processes and multi-engine propulsion systems operating at high altitudes, as well as in other advanced industrial applications. However, these flows cannot be described by the conventional continuum based Navier–Stokes equations, and their experimental investigation has been limited due to the extreme flow conditions.
In this study, experiments were conducted using a vacuum chamber designed for extreme flow environments. Nitrogen was employed as the working gas, and acetone was seeded as a tracer for molecular tagging velocimetry (MTV) and laser induced fluorescence (LIF) diagnostics. The chamber pressures (pb) were set to 1, 5, and 10 Torr, corresponding to nozzle pressure ratios (η0) of 265, 53, and 26.5, respectively. The nondimensional nozzle spacing (s/de) was varied as 2, 4, 6, and 8 to investigate the interaction between the two jets. High resolution MTV and LIF images provided quantitative data on the detailed flow structures, including the barrel shock, Mach disk, inflection point, and trailing shock.
Based on previous studies and physical interpretation, a new geometric model for the unique barrel shock structure of extremely under-expanded single jets was proposed. This model was then extended to develop a comprehensive geometric model for the complex shock structure of dual jets. The dual jet model was constructed through a combination of experimentally derived correlations from LIF measurements and physical interpretation. The velocity field revealed strong interactions between the shocks in the near field, laminar spreading downstream of the second Mach disk, and a transition to turbulent spreading in the far field. These findings demonstrate that, unlike continuum flows, rarefied supersonic dual jets exhibit distinct and well-defined shock structures governed by rarefaction effects. In addition, unlike supersonic single jets, they exhibit a distinctive laminar to turbulent transition behavior in the far field, even within the re-laminarization regime. These results provide fundamental insights into the physics of rarefied supersonic jet interactions.
From an industrial perspective, the results of this study offer valuable fundamental data for the design of semiconductor vacuum processes and multi-engine propulsion systems for high altitude vehicles. Furthermore, by directly measuring supersonic jets exceeding 800 m/s in a 1 Torr rarefied environment, this work extends the technological limits of flow diagnostics in extreme environments and enhances the precision of rarefied flow measurements.

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 진공 환경에서의 희박기체 초음속 단일제트와 이중제트(dual jet)의 유체역학적 거동에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 이러한 유동은 반도체 제조 공정 및 고고도 다중 엔진 추진체와 산업 분야에서 매우 중요한 부분을 차지하고 있다. 그러나 희박 기체 유동은 연속체를 가정한 고전적인 유체역학 지배 방정식인 나비에-스토크스(Navier-Stokes) 방정식으로 해석되지 않을 뿐만 아니라 극한 환경의 유동 조건으로 인해 실험적 연구도 제한적이다.
본 연구는 자체 제작된 진공 챔버로 극한 환경의 유동 실험을 수행하였다. 작동 기체는 질소를 사용하였으며 추적 분자인 아세톤을 혼합하여 분자 태깅 속도계(molecular tagging velocimetry, MTV)와 레이저 유도 형광법(laser induced fluorescence, LIF)을 병행하였다. 챔버 압력은 1, 5, 10 Torr로 설정했으며 이때 노즐 압력비는 265, 53, 26.5이다. 노즐 간 간격은 노즐 직경으로 무차원화 한 값 2, 4, 6, 8로 설정하여 제트 간의 상호작용 변화를 관찰하였다. 고해상도 MTV와 LIF 이미지를 통해 barrel shock, Mach disk, inflection point, trailing shock 등의 세부 구조와 속도 분포를 정량적으로 분석하였다.
선행 연구들과 물리적인 이해를 더해 extremely under-expanded 초음속 단일 제트의 unique barrel shock의 기하학적 모델을 제안하였다. 또한 제안된 단일 제트 모델을 확장하여 이중 제트 shock의 복잡한 기하학적 모델을 제안하였다. 이 이중 제트 모델은 계측된 LIF 이미지를 통한 실험적 상관식과 이론적 해석을 더해 구성했다. 속도장은 노즐 근거리(near field)에서 충격파와의 상호작용을 관찰하였다. 또한 2차 Mach disk 하류에서 층류 확산 거동을 보이다가 원거리(far field)로 갈수록 난류 확산 영역으로 전이되는 것을 관찰하였다. 이러한 결과는 연속체 유동과는 다른 shock 상호작용을 보여줄 뿐만 아니라 초음속 단일 제트와도 다른 층류-난류 천이 거동을 보여주며 희박 기체 환경에서의 초음속 이중 제트 거동에 대한 근본적인 학술적 이해를 제공한다.
산업적 측면에서 본 연구 성과는 반도체 진공 공정 및 고고도 비행체의 다중 추진 시스템의 설계에 유용한 기초자료로 활용될 수 있다. 또한 1 Torr 진공환경의 800 m/s가 넘는 초음속 제트를 직접 계측함으로써 극한 환경 유동 계측의 기술 한계를 확장하고 희박 유동 계측의 정밀도를 향상시켰다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract ii
• Table of Contents iv
• List of Tables vi
• List of Figures viii
• 1. Introduction 1
• 2. Background on supersonic jets 12
• 2.1. Shock structure of supersonic single jets 12
• 2.2. Shock structure of supersonic dual jets 14
• 2.3. Laminar flow regimes in rarefied supersonic conditions 15
• 3. Experimental setup 26
• 3.1. Setup for rarefied gas environment 26
• 3.1.1. Vacuum chamber system 26
• 3.1.2. Dual jet nozzle configuration 28
• 3.2. Laser diagnostic system 29
• 3.2.1. Acetone MTV: Principle and configuration 29
• 3.2.2. Acetone MTV: Image acquisition and processing 32
• 3.2.3. Acetone LIF setup 34
• 3.3. Experimental conditions 34
• 4. Shock structure of supersonic jets 59
• 4.1. Shock Structure Detection 59
• 4.2. Shock Structure Models for Supersonic Single Jets 60
• 4.2.1. θe model 1: Prandtl – Meyer model 61
• 4.2.2. θe model 2: 3D streamtube (ε) model 63
• 4.2.3. Empirical models for the remaining geometric parameters 64
• 4.2.4. Comparison with present experimental data 67
• 4.3. Shock structure models for supersonic dual jets 68
• 4.3.1. Empirical model θe, dual 71
• 4.3.2. Inflection point model (θinf0 and trailing shock) 71
• 4.3.3. Empirical models for the remaining geometric parameters 80
• 4.3.4. Comparison of the completed shock structure model with experiments and previous studies 83
• 5. Characterization of velocity profiles and flow regimes 118
• 5.1. Near field region 118
• 5.1.1. Upstream of the first Mach disk 118
• 5.1.2. Across the first Mach disk 119
• 5.1.3. Across the second Mach disk 121
• 5.2. Potential core, transition and far field regions 122
• 5.2.1. Potential core and transition region at 1 torr 122
• 5.2.2. Transition and far field behavior at 5 and 10 torr 128
• 5.2.3. Far field velocity decay at 5, 10 torr (turbulent trend) 130
• 6. Conclusion and future work 168
• Appendix A. Complete LIF images for all data sets 171
• Bibliography 175
• 국문 초록 182