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[항공우주]3차원 날개의 공력 계수 측정

3차원 날개의 공력 계수 측정1. 실험목적항공기의 공력특성에 영향을 미치는 공력계수를 3차원 날개를 사용해서 풍동실험으로 구하여 이론적인 해석 결과와 비교하여 공기력의 특성을 이해한다.2. 실험장치1) 인하대학교 아음속 풍동l풍동형식폐회로동 력100 HP, D.C. motor시험부정 8각형 시험부 단면직경 : 1m 길이 : 2m속도범위0 ~ 65 m/sec수축비4시험부 난류도1.452) 풍동 저울 :6-분력 피라미드형(pyramidal) 발란스스트레인 증폭기마이크로 전압계3) 모형 날개airfoil sectionNACA 23015aspect ratio(AR)5taper ratio(λ)0.5wing area(s)840wing root chord(C)16 cmwing tip chord(C)8 cmwing span(b)70 cmmean aerodynamic chord(C)12.649 cmtwisting angleosweepback angle()203. 실험절차1) 지지대 위에 모형을 풍동의 시험부에 장착2) 서보 증폭기와 마이크로 전압계(이하 MV라 칭함)의 전원 스위치를 켠다. MV의 예열 시간은 30분 이상이 필요하다.3) 풍동저울 고정 나사를 풀고(반시계 방향으로 끝까지), 풍동저울 내부의구조(특히 탄성 지지대) 및 로드셀 컨넥터 상태를 점검4) 분력에 대한 영점조정을 위하여 양력, 항력, 피칭 모멘트의 vernier 손잡이를 조 절하여 최소값으로 설정한 후 fine tuning은 decade를 사용해서 영점 조정한다.5) 풍동의 전원 스위치를 켠다.6) S.C.R unit 내의 master switch 를 on 시켜라.7) S.C.R unit 내의 cooling motor switch 를 on 시켜라.8) control panel 의 position 를 JOG에서 RUN 으로 전환하라.9) control panel 의 start button 을 눌러라.10 control panel 의 adjust velocity 를 매우 서서히 작동시켜서 원하는 속도로 se다. 보통의 풍동에서는 기류를 순환시켜서 연속적인 흐름을 만드는데, 기류를 어떻게 순환시키는가에 따라 폐회로식과 개회로식으로 분류하고, 또 측정부의 측정방법에 따라 폐쇄식과 개방식으로 나뉜다.풍동실험은 실물을 사용하여 직접 측정하는 것에 비하여 소형의 모형을 사용하는 경우에는 모형을 계통적으로 변환시켜 측정결과를 해석할 수 있으므로 비용이 적게 들고, 쉽고 안전하게 실험할 수 있는 장점이 있다.그러나 모형과 실물 사이의 크기의 차, 속도의 차 등 여러 측정량의 차이가 측정결과에 큰 영향을 미치므로 실험결과가 때때로 실물에 의한 시험결과와 다른 경우가 있으므로 측정결과를 해석할 때 신중히 고려할 필요가 있다. 이 때문에 풍동내의 압력을 높이기도 하고, 밀도가 큰 기체를 사용하거나 실물을 넣을만큼 큰 풍동을 건설하기도 한다.풍동은 기류의 순환방법에 따라 괴팅겐형, 에펠형,NPL형 등으로 나뉘며 용도 또는 성격으로부터 실물풍동, 고압풍동, 고속풍동, 수직풍동, 자유비행풍동, 연기풍동 등으로 분류한다.2. 풍동의 역사적 배경공기 속에서 움직이는 물체 주위의 유동현상 중 초기의 과학적이 논의의 대상은 자연히 유체 속을 움직이는 물체의 저항으로서, 18세기 중엽 영국의 수학자인 벤자민 로빈이 막대의 한쪽 끝에 시험물체를 장치하고 막대의 중앙에는 추를 단 끈을 감아서 막대 중앙에 장치된 추의 무게에 의하여 막대가 회전하게 되면 추의 강하속도로 막대 끝에 부착된 물체의 저항의 측정이 시작 되었다.막대 끝에 부착된 물체가 일 회전부터는 이전 회전에서 만든 후류 속을 물체가 움직이는 문제가 있어서 정확한 측정이 어려웠으며, 1871년에 영국항공협회 회원인 플랭크 벤함이 처음으로 프로펠러를 구동 시켜서 만든 바람에 시험 모델을 장착하고 유동현상을 관찰할 수 있는 장치인 풍동을 개발하였다.최초로 동력 비행기를 개발한 라이트 형제도 1901년에 시험부 크기가 40?40cm이고 최대유속ㅇ이 56km인 소형 풍동을 설계 제작하여 풍동시험을 한 결과로 1903년 12월 17일에 최초의 동 성능개량을 위한 연구/개발을 위하여 풍동시험은 계속되고 있다.3. 속도에 따른 풍동의 규격풍동은 각각 용도에 따라 여러 가지 풍동이 있으며 흔히 시험부를 지나는 공기흐름의 속도에 따라 분류하는 것이 일반적이다. 시험부의 유속이 음속(초속 340m=시속 1220km=마하 1.0, 15℃)보다 작은 풍동을 아음속 풍동(마하 0.8 이하), 시험부 유속이 음속 근처인 경우를 천음속 풍동(마하 0.8~1.2), 음속보다 빠른 풍동을 초음속 풍동(마하 1.5~4.5 이상)이라 부르며 각각 현저한 특징이 있다.4. 풍동의 기본 구성풍동의 주요 부분은 시험할 항공기 모델을 장착하여 각종 측정을 실시하는 시험부와, 바람을 불어주기 위한 송풍기 또는 압축기 부분, 시험부 내에 균일한 공기 흐름을 만들어 주기 위한 정체실과 수축부(또는 노즐), 계측계통, 제어계통으로 구성된다.① 시험부(test section)풍동에서 모델을 넣고 실험을 행하는 부분으로 공기역학적인 유질이나 활용의 편리성 등에서 가장 중요한 부분이다. 시험부의 길이 방향 중심선에 따라 평행하고 속도분포가 균일한 흐름이 지난다. 또한 이부분에는 발란스를 비롯하여 각종 계측기가 위치한다.시험부의 단면은 원형, 타원형, 정사각형, 직사각형, 6각형, 8각형, 직사각형의 모서리를 없앤 모양 등으로 다양하다.② 제1확산부(first diffuser)시험부를 나온 공기를 확산시켜 속도를 줄이는 부분이다.③ 코너 베인(coner vane)풍동에서 코너 베인은 공기의 방향을 90° 바꾸는 역할을 한다. 폐회로 단일 순환식 풍동에서는 코너 베인이 모두 네군데 있다.④송풍기(fan)풍동에서 송풍기는 공기 흐름에 에너지를 공급하는 부분으로 팬 나셑, 팬 전방 베인, 후방 베인 등으로 구성된다. 송풍기 팬은 6내지 8매의 깃을 가지고 있는데 깃단면은 에어포일로 이루어져 있다.⑤ 제2확산부송풍기 부분에서 제 3코너 베인에 이르는 구간이다.⑥ 수축부(constraction cone)단면적을 점점 줄여나가 속도를 증가시키되 흐름의 분리 문제가 된다. 공기흐름의 온도가 높아지면 레이놀즈 수가 작아지고 모터를 정속구동하면 시간에 따라 시간에 따라 동압이 내려가게 되어 실험조건이 변화한다. 이러한 현상을 방지하기 위하여 흐름의 동압이 가장 낮은 정체실에 열교환 라디에이터를 설치한다.5. 풍동시험의 일반조건풍동시험은 일반적으로 실제보다 작은 모델을 이용하여 실시하며, 상사법칙을 이용하여 실험시 중요한 변수를 실제와 동일하게 조절하여 시험을 하게 된다.아음속 풍동 시험에서는 비행체 주위의 특정 부분에서의 관성력과 점성력의 비인 레이놀즈 수를 비행 시와 같게 하여야 하며, 초음속 풍동 시험에서는 유동속도와 음속의 비인 마하 수를 비행시와 같게 하며, 아음속과 초음속의 접경인 천음속 풍동 시험에서는 네이놀즈 수와 마하 수를 동시에 실제와 같게 하여야 하기 때문에 재현 하기가 매우 어려운 조건이다.풍동시험 모델이 동적 특성을 보일 때에는 관성력과 중력의 비인 프루드 수를 같게 하여 시험을 하게 하여야 한다.우주왕복선과 같이 대기권을 재돌입 하는 경우를 시험하기 위해서는 매우 빠른 비행속도와 함께 공기의 화학적 특성도 고려해야 하는 공력-열-화학적 시험을 하게 되며 이때는 압축된 공기가 극초음속 팽창을 하면서 팽창에 의한 온도강하로 액화되는 것을 방지하기 위하여 시험전에 공기를 특별히 가열하는 장치를 사용한다.풍동시험에서는 항공기의 비행상태, 자동차의 주행상태 또는 바람의 영향을 받는 건물에 대한 영향 등을 시험하는 것이므로 풍동시험 모델은 아주 작은 부분까지 정확히 닮은꼴로 제작한다.실제에서는 넓은 면적에 공력이 작용하나, 풍동시험의 모델의 경우에는 작은 면적에 거의 실제 상태의 공력이 작용하므로 풍동시험 모델은 강도가 높은 재질로 제작되어야 한다. 따라서 풍동시험 모델은 강도가 높은 알루미늄 합금을 사용하거나 스테인레스 스틸을 재질로 사용하며, 정확한 형상으로 제작하기 위해서는 컴퓨터 제어선반을 사용하기도 한다.6. 실험에 사용되는 주요 수식1) 밀도 계산(수분을 포함한 공기 밀도)Ferrel 이 구한는이 식에서 0 C - 60 C사이의 공기밀도를 계산할 수 있다.포화수증기압 Ps는 표에서 구할 수도 있으며 이 값을 식(1)과 (3)에 대입해도 된다.이 표는 식 (2)에 의한 계산치 이다.2)V==(fps)S: Specific gravity of alcoholStagnation chamber 와 test section 의 수두차 (inch): Stagnation chamber 와 test section 의 수축비; Density (slug/ ft)(kg/m)*515.38 = (slug/ ft)3) Calculation of Reynolds Number(Lb sec/ft)Rn =Real Rn = T F * Rn = 1.045*Rn5. 참고자료1. Alan Pope, John J. Harper, "Low-Speed wind tunnel Testing, " John Wiley & Sons, Inc., 1966.2. B. Z. Sung, "Determination of air Density with Water Vapor," Journal of the Korean Sciences, Vol. 8, No. 2, 1980.3. Abott,Ira. H., and doenhoff, albert E. Von., "Theory of wing sections," Dover Pub. Inc. 19594. Kuo, Shan S., "Computer Applications of Numerical Method," PP. 252 -258, Addison - Willey Pub. Co. 19726. 실험 보고서 내용1) 실험개요2) 측정결과3) 자료처리4) 그래프5) 결론 (each member per 1 page)Data sheet◎ 밸런스의 보정1.양력에 의한 양력(Life) 측정.추의 질량[g]출력 전압 (×10-3) [mV]#1#2#3#4#5평균*************000기울기 (×10-3) [mV/g]2. 양력에 의한 항력(Drag) 측정.추의 질량[g]출력 전압 (×10-3) e)

공학/기술| 2005.11.14| 14페이지| 2,000원| 조회(979)

항공, 풍동, 양력, 항력, 공력

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빛의 반사 및 굴절 법칙 평가A좋아요

1. 실험목적 : 레이저 광을 이용하여 빛의 반사 및 굴절 법칙을 이해하고, 임계각을 측정 하여 사용한 물질의 굴절률을 구한다.2. 실험원리반사는 광밀도가 서로 다른 두 매질의 경계면에 빛이 입사할 때 일어난다.규칙적인 반사는 거울과 같은 평면에 입사될 때 일어나고 반사 후의 빛의 방향은 입사광선의 방향에 의하여 결정된다.하나의 광선이 반사 후에 진행하는 방향은 반사의 법칙에 따라 결정된다.즉, 규칙반사가 일어날 때 입사각과 반사각은 서로 같고 입사광선과 반사 광선은 같은 평면에 존재한다.오목거울인 경우에는 평행광선이 입사하면 반사된 광선은 한 점에 수렴한다. 이 점을 오목거울의 초점이라고 한다.초점거리는 거울의 중심에서 촛점까지의 거리이다. 거울의 주축은 거울의 중심에서 거울의 곡률중심을 지나는 선을 말한다.굴절은 두 매질의 경계면을 통과할 때 직진하지 않고 보여지는 현상이다. 굴절 후의 광선의 방향은 스넬의 법칙이라고 하는 굴절의 법칙에 의하여 결정된다.이 법칙은 입 사각의 사인값과 굴절각의 사인값의 비는 주어진 파장의 빛과 주어진 두 매질에 대하 여 일정하다는 것이다.또한 입사광선과 굴절광선 및 경계면의 법선은 같은 평면에 있다.스넬의 법칙의 수학적인 표현은 다음과 같다.{위 식에서 i는 입사각, r은 굴절각, v1은 매질 1에서의 광속도, v2는 매질 2에서의 광속도이고, n1, n2는 각 매질의 굴절률이다.매질의 굴절률은 진공 속에서 광속도와 그 매질 내에서의 광속도의 비이다. 즉, n1 = v/v1, n2 = c/v2 이다.공기중에서의 빛의 속도는 진공중에서의 광속도와 거의 같기 때문에 대부분의 경우 공기의 굴절율을 1로 간주한다.렌즈는 앙면이 구면인 유리나 투명한 물질로 된 것이다. 렌즈는 양면의 곡률에 따라 빛을 수렴 또는 발산한다.렌즈에 있어서 광측 혹은 주축은 렌즈 양면의 곡률반경 중심을 연결한 선이다. 평행광선이 렌즈를 통과한 후 점에 모일 때, 이 점을 주 초점 이라고 하고 렌즈의 중심에서 주 초점까지의 거리를 초점거리라고 한다.빛이 굴절률이 큰 매질에서 작은 매질로 진행할 때는 굴절광선은 법선과 더 큰 각을 이룬다. 입사각을 증가시키면 굴절광선은 경계면을 따라 진행하게 되고 이 때의 입사 각올 임계각이라고 한다.즉, 임계각이란 굴절각이 90 일때 의 입사각이다. 입사각이 임계각보다 크면 전반사가 일어나고 굴절된 빛은 없다.{{{{*전 반 사유리 안에 있는 점광원 S로부터 나온 광선이 유리와 공기의 경계면에 입사하고 있다. 광선 a는 경계면에 수직으로 입사하며 일부는 반사하고 나머지는 경로의 변화 없이 진행해 나간다.광선 b로부터 e까지는 점점 입사각이 커지며 일부는 반사되고 일부는 굴절되어 나간다. 그리고 입사각이 커짐에 따라 굴절각도 커지고 광선 e에서는 마침내 굴절각이 90o 가 된다. 이는 굴절광이 경계면을 따라 진행함을 의미한다. 이런 상황이 일어날 때의 입사각을 임계각이라고 부른다. 광선 f나 g처럼 입사각이 Ac보다 큰 경우에는 굴절광은 없고 모든 광선은 반사된다.이런 현상을 전반사라고 부른다.Ac를 구하기 위해서는 유리의 매질1로 공기를 매질 2로 해서A1에Aｃ를,A2에 90o를 대입하면n1sinAc = n2sin90o를 얻고 이로부터Ac = sin-1(n2/n1)을 얻는다. 어떤 각도의 사인함수 값도 1을 초과할 수 없으므로 이 식이 해를 가지려면 n2가 n1 보다 작아야 한다. 이는 빛이 굴절률이 낮은 매질로부터 높은 매질로 진행할 때는 전반사가 일어날 수 없음을 의미한다. 그림 10에서 파원 S가 공기 중에 있었다면 공기-유리 경계면에서는 항상 빛이 일부는 반사되고 일부는 굴절된다.전반사는 의학에서도 많이 응용된다. 예를 들어 내과의사는 두 가닥의 광섬유를 환자의 목을 통해 위까지 내려보내서 궤양이 있나 없나를 살펴볼수 있다. 바깥에서 한가닥의 광섬유에 쪼여 넣은 빛은 광섬유 다발이 이리저리 휘어저 있음에도 불구하고 계속 전반사해 들어가서 안 쪽의 위벽을 비추게 된다. 위벽으로부터 반사된 빛의 일부는 같은 방법으로 두 번째 광섬를 통해 밖으로 나온다. 이렇게 나온 빛은 영상 처리 되어 의사의 진찰을 돕게 된다.3. 기구 및 장치(1)반원경 프리즘(유리 또는 플라스틱)

공학/기술| 2001.04.29| 4페이지| 1,000원| 조회(1,750)

반사굴절

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광섬유를 이용한 빛속도 측정 평가B괜찮아요

1. 실험목적 : 광섬유를 이용하여 빛의 속도를 측정할 수 있다.2. 관련이론(1)빛의 전반사반사율이 100%인 빛의 반사, 빛이 광학적으로 밀한 매질(굴절률이 큰물질)에서 소한 매질(굴절률이 작은 물질)로 입사할 때, 입사각이 어느 특정 각도(임계각)이상 이면 그 경계면에서 빛이 전부 반사되어 버리고 굴절광선은 존재하지 않게 된다.이것이 전반사이며, 전반사가 일어날 수 있는 입사각의 최소값을 임계각이라 한다. 물에서 공기로 나가는 경우를 생각하면 위에서 굴절각이 입사각이 되므로 물에서 48.8도가 되면 공기에서 굴절각이 90도가 됨을 알 수 있다. 입사각이 이보다 크면 및이 모두 유리내면에서 반사되어 버리고 공기속으로는 나가지 않게 된다.{전반사 프리즘은 유리의 이러한 성질을 이용한 것이다. 또 의학부문에서 사용되는 화이버스코프도 전반사를 이용한 것으로 굴절률이 큰 유리섬유의 심을 굴절률이 작은 유리층으로 덮고, 내면에 빛을 반사시켜 굴절률이 큰 유리섬유의 심을 따라 빛이 자유로이 휠 수 있게 되어 있다.(2)임계각임계각을 구하기 위하여 매질 1에서의 입사각을 임계각줎θｃ으로, 매질 2에서의 굴절각을 90。로 가정하고 굴절의 법칙(snell's law)을 적용하면, 아래와 같은 식을 얻게 된다.n₁sinθｃ = n₂sin90° (1)이 식으로부터, 임계각θｃ은 다음과 같이 나타낼 수 있다.θｃ = sin¹(n₁/n₂) (2)상대 굴절률(n₁/n₂)이 주어졌을 때의 입사각을 계산한 결과를 표를 통하여 확인할 수 있다. 공기-유리의 경우 상대 굴절률이 1.50정도이므로 대략 임계각이 42°정도임을 알 수 있다.(3)광섬유빛의 전송을 목적으로 하는 섬유 모양의 도파관 또는 광학섬유라고도 한다. 광섬유를 여러 가닥 묶어서 케이블로 만든 것을 광케이블이라고 하며, 그 사용이 늘어나고 있다. 광섬유는 합성수지를 재료로 하는 것도 있으나, 주로 투명도가 좋은 유리로 만들어진다. 구조는 보통 중앙의{코어(core)라고 하는 부분을 주변에서 클래딩(cladding)이라고 하는 부분이 감싸고 있는 이중윈기둥 모양을 하고 있다. 그 외부에는 충격으로부터 보호하기 위해 합성수지 피복을 1∼2차례 입힌다. 코어부분의 굴절률이 클래딩의 굴절률보다 높게 되어 있어서, 빛이 코어부분인 밀한매질이고 클래딩부분이 소한 매질이다. 광섬유는 외부의 전자파에 의한 간섭이나 혼선이 없고 도청이 힘들며, 굴곡에도 강하며, 하나의 광섬유에 많은 통신회선을 수용할 수 있고 외부환경의 변화에도 강하다. 광섬유의 손실은 dB/Km 라는 단위로 나타내는데 20세기 초반에 만들어진 광섬유는 손실이 무려 1000dB/Km(1Km 진행할때 1.10¹˚˚˚만이 남는 손실)이었다고 한다.광섬유의 내부구조(4)내부반사임계각보다 큰 각으로 입사하면 그 광선은 위쪽 물질속에서 나갈 수가 없고 아래쪽의 물질 속에 갇혀있게 되며 경계면에서 내부로 완전히 반사된다. 내부전반사(total internal reflection)라는 이러한 상황은 광선이 진행하고 있는 물질의 굴절률보다도 더 작은 굴절률의 두 번째 물질과 접해 있는 경계면으로 입사될때에만 일어난다.{광선속이 투명한 막대의 한쪽 끝으로 들어갈 때, 막대의 구부러진 정도가 너무크지 않다면 빛이 내부로 전반사 되어 다음의 그림처럼 막대 안에 갇히게 된다.광섬유의 내부전반사(5)빛의 속도진공 중에서의 빛의 속력, 매질에서의 빛의 속력 그리고 굴절률에는 다음과 같은 관계가 있다.v/c = n여기서,c : 진공 중에서의 빛의 속력v : 매질에서의 빛의 속력n : 굴절률이다.3 실험장치(1) 빛의 속도 측정 장치(2) 9 V DC 어댑터(3) 광섬유 15 cm, 20 m(4) 오실로스코프 ( > 20 MHz)(5) 오실로스코프 Probe 2 개4 실험방법(1) 오실로스코프의 전원을 넣는다. 이 때, 오실로스코프의 셋팅은 아래와 같이 한다.· Triggering Mode Switch를 Auto에 놓는다.· Trigger Source Switch를 채널 1에 놓는다.· Triggering을 Positive Slope에 놓는다.· 채널 1의 Volts/Div를 1 Volts/Div에 놓는다.· 채널 2의 Volts/Div를 0.5 Volts/Div에 놓는다.· 각 채널의 input를 AC에 놓는다.· Time/Div는 0.2 μs Time/Div에 놓는다.(2) 채널 1의 프로브를 빛의 속도 장치의 Reference 측정 단자에 연결한다. 그리고, 채널 1의 접지단자를 Reference 측정 단자 아래의 GND" 측정단자에 연결한 다.(3) 채널 2의 프로브를 Delay 측정 단자에 연결한다. 그리고, 채널 2의 접지단자를 Delay 측정단자 아래의 GND" 측정단자에 연결한다.

자연과학| 2001.04.07| 3페이지| 무료| 조회(5,833)

물리, 광섬유, 빛속도측정

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