When a shock tunnel flow is initiated by the rupture of the primary metallic diaphragm, the rupturing produces many small fragments of the diaphragm material. These diaphragm fragments move slowly toward the nozzle throat. After the useful test flow is finished, these fragments may pass through the nozzle via the throat and blast the model. This results in scratching of the model surface, in damage to instrumentation and in disturbing of the boundary layer flow around the model necessitating frequent model replacement. If a plug for the throat of the nozzle is present the fragments are stopped in front of the nozzle; however, the influence of this part on the shock tunnel nozzle flow is not well known.
It is the purpose of present research ultimately to design this plug for a new large shock tunnel. To investigate the characteristics of flow around the throat plug and flow in the test section affected by the presence of the throat plug, experimental and theoretical approaches are carried out. Furthermore, the experiment for closing the plug is carried out.
Several foundings can be drived from the results of the present research. First, the requirements for the size of the throat plug are determined as: for freestream Mach numbers above 5, the throat plug that has a 20 \% blockage is considered to be useful; for freestream Mach numbers from 4 to 5, 30 \% throat plug is considered to be proper.
Second, a 6.2 \% stationary throat plug, in this experimental and numerical study, is found to be have a negligible effect on the shock tunnel flow; however, a 19.4 \% stationary throat plug shows a perceptible influcence by generating a bump in the nozzle reservoir pressure for a finite time period regardless of the nozzle throat area studied. Although it retards the establishment time of the nozzle flow, after the tranisent period, it does not cause deviation of the pressure from that for the clean nozzle configuration. It is also found that the reduction of the cross-sectional area, which results from the presence of the throat plug, causes the pressure bump. Third, the mechanism for closing the throat plug is developed and verified in the experiment. As the source of the force to move the plug, the flow generated during the shock tunnel testing is used. A simple analytic method is proposed to calculate the closing time for the plug to terminate the flow; it shows good agreement with that of the experimental one. For the flow values in a steady state, there exist a negligible difference between the moving plug and the stationary plug.
Shock tunnel은 고압의 작동튜브(driver tube)와 저압의 피작동튜브(driven tube) 그리고 노즐로 구성되어 있다. 실험초기의 작동튜브와 피작동튜브는 격막에 의해 분리되어 있다. Shock tunnel의 실험은 격막을 터뜨리면서 시작되며, 이 순간에 많은 수의 격막 파편들이 생성된다. 이렇게 생성된 파편들은 유동을 따라 흐르게 되며, 일부 파편들은 노즐을 지나서 모형과 충돌하게 된다. 그 중 일부는 모형의 표면에 충돌흔적을 남기게 되거나, 모형표면에 장착된 센서를 손상시키게 된다. 일련의 shck tunnel의 실험이 진행되는 동안, 이러한 파편에 의한 시험모형의 손상이 누적되면 실험결과를 왜곡시키거나, 더욱이 모형을 교체하여야 하는 상황이 발생할 수 있다.
이러한 문제는 shock tunnel의 개발 초기부터 중요하게 인식되어 왔으나, 그 연구에 대해서는 알려진 바는 없다. 본 논문은 격막의 파편이 모형에 충돌하는 것은 능동적으로 막아주는 throat plug로 알려진 장치에 관한 연구를 다루고 있다. 이러한 throat plug를 개발하기 위하여 throat plug가 shock tunnel의 유동장에 미치는 영향을 파악하였다. 이를 위하여 고정식 throat plug에 대한 shock tunnel의 실험과 수치해석이 수행되었으며, 또한 움직이는 throat plug에 대한 실험이 수행되었다.
본 연구를 통하여 다음의 결과들을 도출할 수 있다. 첫 번째는 throat plug의 크기에 관한 것이다. 자유류 마하수가 5이상인 shock tunnel에서는 20 \% 크기의 throat plug가 필요하고, 자유류 마하수가 4에서 5인 경우에는 30 \% 크기의 throat plug가 적합하다고 판단된다. 두 번째는 고정식 throat plug에 대한 실험과 수치해석에 관한 것이다. 6.2 \% 크기의 throat plug는 shock tunnel의 유동장에 미치는 영향이 미미하나, 19.4 \% 크기의 throat plug는 노즐의 정체실 압력을 일정 시간동안 증가시킨 후, 원 상태 즉, throat plug가 없는 상태에서의 노즐의 정체실 압력으로 회복되는 현상을 발생시킨다. 이러한 압력의 증가 후 회복현상은 유동장의 면적이 throat plug에 의해 줄어들었기 때문으로 밝혀졌다. 세 번째는 움직이는 throat plug에 대한 실험에 관한 것이다. Throat plug를 움직이는 힘의 근원으로 shock tunnel의 실험에서 발생되는 유동을 사용하였다. Throat plug가 움직이는 시간 즉, 움직이기 시작하여 노즐의 흐름을 종료시키는 순간까지의 시간을 계산하는 방법을 제시하여 수행된 실험과 잘 일치하는 결과를 획득하으며,
움직이는 throat plug와 고정식 throat plug인 경우의 정상상태 유동장의 차이는 미미함을 알 수 있었다.
