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제 목 : 소닉노즐(Sonic Nozzle)의 원리와 이해
소닉노즐(Sonic Nozzle)의 원리와 이해소닉 노즐의 원리는 항공기의 램제트(Ram Zet)의 원리와 유사하다. 즉 Diffuser(디퓨즈)를 사용하여 속도에너지를 압력에너지를 변환시키는 것으로써 이와 유사한 제트 방시에는펄스제트(Pulse Jet)와 함께 덕트제트(Duct Jet) 등이 있다. 제트의 원리에는 우선 충격파와 쵸크(Chock flow)에 대한 개념이해가 필요한데, 유체 흐름에서 베르누이 원리와 연속의 식이 성립되는 한계는 비압축성과 아음속이내 조건에서만 성립이 가능하나, 압축성의 유체와 음속 구간에는 유체의 충격파가 발생하여 유속의 속도에너지는 압력에너지로 전환되는데 이를 램압력(Ram Pressure) 이라고 한다. 이렇게 축적된 압력은 노즐의 목(Throttle)부분에서 속도에너지에 해당되는 압력에너지가 생성되어 노즐 후단의 확관부분에서 속도로 전환되어 강한 추진력을 얻을 수 있는 구조를 소닉노즐이라고 한다. 1) 충격파 유체가 음속을 초과하면 후류에 불연속파를 생성하여 원추형의 압력파가 발생. 충격파는 소닉 노즐의 현상을 발생시키는 원리이다. 즉, 노즐을 통과하는 목 입구에서 압력파를 생성시켜 목 주변에서 강한 압력상승을 유도하여 목 출구 확대관에서 유속을 순간적으로 상승시키는 역할을 한다. 2) 쵸크흐름(Chocking Flow) 아음속구간의 유체 흐름이 단면적이 축소되는 목(Throttle)을 통과하게되면 쵸킹(Chocking) 현상으로 이어진다. 쵸크는 하나의 병목 현상으로 목을 통과하는 유체의 량은 유입 유량에 상관없이 일정 유량만 통과하게 되는데 입구측 압력 및 유량이 변동되어도 일정한 유체가 통과하게 되며 이를 쵸킹이라 한다.결국, 목을 통과하는 유체의 분자간의 운동에너지 증가로인하여 관벽의 마찰 손실 및 분자간의 상호 충돌로 인하여 노즐 목을 통과하는 유량은 일정 유량만 통과하게 된다. 일반적인 플랜트에서 볼 수 있는 탈기기 VENT 노즐 및 관의 RESTRICTION ORIFICE 설계가 이러한 쵸크흐름을 이용한 것이다. 3) 라발노즐 일반적으로 노즐의 유체가속원리는 베르누이의 정리와 연속의 법칙에따라 음속 이하의 유체가 흐르는 속도는 유체가 통과하는 단면적을 좁히면 커지고, 넓히면 작아진다. 그러나 흐름의 속도가 음속에 도달하면 기체의 압축성이 현저해져서 단면적을 좁혀도 가속되지 않는다. 그래서 스웨덴의 기술자 C.G.P.데 라발(1845∼1913)은 음속인 가스의 유통로를 갑자기 넓히면 가스가 급팽창해서 그 속도를 더욱 높인다는 것에 착안, 끝조림 노즐과 확산 노즐을 조합한 이른바 라발노즐을 고안하였다. 4) 교축(Throttling) 아음속구간에서 확대-축소관을 통과하는 유체는 외부와의 에너지 교환없이도 압력이 감소하고, 주변의 열을 흡수하는데 이때 노즐의 전후 엔탈피 차이는 없는 것이 특징이다. 즉, 유체의 엔탈피는 내부에너지(위치에너지+운동에너지)와 외부에너지의 합의 관계이므로 노즐을 통과하면서 유체의 밀도감소와 운동에너지 증가로 인하여 주변의 열을 흡수하여 결국 노즐을 통과하는 전후 엔탈피 변화는 없으며, 냉동사이클의 팽창밸브 역할이 여기에 해당된다. 출처 : 피이에스기술사사무소 http://www.pes21.com

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