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과학

수축 확대 노즐

수축 확대 노즐과학
영어
Convergent-divergent nozzle
약칭
CD nozzle
목
최소 단면적 위치
초음속 확대부
조건이 맞으면 면적 증가에 따라 가속
수축 확대 노즐은 단면이 목까지 좁아진 뒤 다시 넓어지는 통로를 가진 노즐이다. 적절한 압력 조건에서 목의 흐름이 마하 수 1에 도달하고 확대부에서 초음속으로 가속될 수 있다.

좁은 곳과 넓은 곳의 역할

정상인 이상적인 등엔트로피 흐름에서 아음속 기체는 수축부에서 가속될 수 있다. 목에서 음속 조건에 도달한 뒤 초음속 가지로 이어지면 확대부에서도 가속된다. 면적이 넓어지면 언제나 유체가 느려진다는 비압축성 직관만으로 설명할 수 없다.

면적과 속도의 관계

준일차원 모형에서는 dA/A=(M²−1)dV/V다. M<1이면 면적 증가와 속도 변화의 부호가 반대고 M>1이면 같다. 이 관계에는 정상, 등엔트로피 등의 가정이 들어 있으므로 큰 손실이나 충격파가 있는 구간을 같은 미분식으로 넘겨서는 안 된다.

형상만으로 충분하지 않음

목이 있다는 사실만으로 모든 운전 조건에서 초음속 출구가 생기지는 않는다. 배압이 충분히 높으면 흐름이 계속 아음속이거나 확대부에 충격파가 형성될 수 있다. 입구 정체 상태와 출구 주변 압력을 함께 알아야 실제 유동 상태를 판단할 수 있다.

출구 면적비와 압력

초음속 등엔트로피 팽창에서는 출구와 목의 면적비가 출구 마하 수 및 정압과 연결된다. 출구 압력이 주변과 맞지 않으면 노즐 밖에서 추가적인 파동이 생길 수 있다. 설계 면적비가 같아도 운전 압력에 따라 외부 분사류와 추력은 달라질 수 있다.

관련 문서

노즐 / 마하 수 / 질량 유량 / 정체 압력 / 정체온도 / 정압 / 수직 충격파 / 프란틀 마이어 팽창