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[재료공학]재료의 시편 시험법

현미경 조직관찰 실험보고서실험명탄소강의 현미경 조직관찰 실험실험실명용사공학 실험실■ 현미경 조직 관찰의 목적- 금속이나 합금의 미세조직을 관찰함으로써 그 곳에 나타나는 상, 결정립의 형상 및분포상태, 크기 또는 결함등을 측정한다.⇒ 금속이나 합금의 미세조직과 기계적 성질, 열처리등과의 관계를 연구한다.■ 현미경 조직 관찰의 순서 및 방법1) 시편을 목적에 맞게 채취한다.- 채취하는 시료의 크기는 원형인 경우 직경이 1～2cm가 일반적이다. 절단 방법으로는 기계적절단, 용단, 전기 화학적 절단, 방전가공 절단등이 있다.2) 채취한 시편을 연마하기 쉽게 고정시킨다. → (Mounting 시험편 형상)3) 예비연마, 지친연마, 정연마 순서로 연마한다.- 정연마 표면의 거칠기를 일정하게 해주는 단계이다. 80-220-400-600-1000의 샌드페이퍼의순으로 연마한다. 사포가 거친 80부터 시작하여 비교적 부드러운 1000에서 마무리를 한다.(단, 연마지를 바꿀 때마다 방향을 90° 바꾸어서 이전과 90° 방향으로 바꾸어 연마 한다.) 4) 준비된 부식액 중 적당한 부식액에 의해 부식 시킨다.5) 물로 잘 씻은 후 건조시킨다.- 부식이 끝나면 바로 세척과 건조를 시켜야 한다. 균열이나 미세한 구멍이 있는 시편은 물로세척한 후에도 모세관 현상 때문에 부식이 진행되어 불균일하게 될 수 있으므로 그 주변이과부식이 된다.(부식 후 물로 헹군 뒤 알콜 세척을 실시하고 드라이로 건조를 실시한다.)6) 현미경으로 조직을 관찰한다.■ 관찰재료에 따른 부식액 종류● 철강재료의 따른 부식액약 품 명성 분적 요용 도질산알콜용액(Nital)질산(무색) 1～15cc에틸 및 메칠알콜 100cc?부식속도는 질산농도에따라 달라진다. 아밀알콜4%의 첨가는 결정입자및 저탄소강조직에콘트라스트를 준다.?미세한 조직에는 일반적으로다음의 Picral쪽이 좋다.?탄소강에 있어서 펄라이트및 페라이트의 결정입계를밝게하고 마르텐사이트와페라이트의 상위를 분명히한다.?또 5～10%로 해서고속도공구강에도 사용한다.피크만 다소 부식되며탄화물은 완전히 부식되지 않는다.염산과 질산의알콜용액염산 10cc질산 3cc알콜 100cc?냉액으로 쓰면 2～10분부식한다.?담금질이나 뜨임한 고속도공구강의 결정립의 크기를밝게한다.약 품 명성 분적 요용 도적혈염용액적혈염 30g가성카리 30g물 60cc?새롭게 조합하여 비등상태로쓰인다.?Fe-Cr, Fe-Cr-Ni,Fe-Cr-Mn등 합금의페라이트와 σ상에 쓰인다.σ상은 담청색, 페라이트는황색으로 나타난다.염화제2동액(Stead)염화제2동 1g염화마그네슘 4g염산 1cc물 20g알콜 100cc?두개의 염을 소량의 온탕에용해해서 알콜을 가한다.시료를 이 용액의 박층에약 1분간 방치한 후 신액으로처리과정을 반복해서 소요의조직이 나타날 때까지행한다.?인의 편석상태의 검출에쓰인다. 부식후 가볍게손으로 눌러서 색출되어있는 동을 사용하면 조직이한층 밝아지게 된다.염화제2동액(Stead)염화제2동 5g염산 40cc, 물 30cc알콜 25cc?냉액으로 쓴다. 약 10초부식한다.?선과 그의 조직을 밝게하여강의 석출경화를 선명히한다.유산통과염화제2동의혼합용액유산통 1.25g염화제2동 2.50g염화마그네슘 10g염산 2cc, 물 100cc95% 알콜로 희석 100cc?성분비는 정확히 하지않으면 안된다.?질화한 Cr-V장의 질화깊이와조직을 밝게한다.중성피크린산소다용액피크린산소다 1g물 100cc?피크린산 소다는 반드시알콜로 씻는다. 과잉의 산등은 알칼리로 제거하여놓는다. 시료를 그 용액중에서 20분 동안 끓인다.?인화물과 세멘타이트를구별하는데 쓰이고 그용액에 의해 철의 인화물은부식되는데 세멘타이트는부식되지 않는다.피크린산알칼리 용액피크린산 2g사성소다 25g물 100cc?5～10분 끓이거나 또는상온에서 전해부식한다.이 경우 스케인레스강은음극에서 6V 40초 정도가좋다.?Fe₃C는 착색하지만고Cr 탄화물은 착색하지않는다. W강의 경우 FeW화합물(FenW) 및FeW탄화물(Fe4W2C)는Fe₃C보다 빨리 착색하나W탄화물은 꼭 영향을받지 않는다.?또 유화물을 부식하고서서히불화수소 0.5cc물 99.5cc?액을 묻힌 솜으로 약 5분검사면을 문지른다.?Al 및 Al합금에 쓰인다.가성소다가성소다 1g물 99cc?100초간 문지른다.?Al 및 Al합금에 일반적으로쓰인다.가성소다가성소다 10g물 90cc?70℃에서 가열하여 5초담근 후 냉수로 씻는다.?미크로 조직과 마크로조직도 가끔 나타난다.유 산유산 20cc물 80cc?용액을 70℃로 가열, 30초부식 후 대부분 냉수중에서급냉하여 씻는다.?Al-Fe-Mn 합금에 쓰인다.유 산유산 10cc물 90cc?60～70℃에서 가열하여쓰인다.?FeAl₃을 부식한다.질 산질산 25cc물 75cc?70℃에서 가열, 40초담갔다가 냉수로 씻는다.?Al-Fe-Si 합금에 쓰인다.?FeAl₃을 밝게한다.산 의합금용액(Keller)불화수소 1.0cc염산 1.5cc질산 2.5cc물 95cc?10～20ch 담갔다가 온수로씻는다.?튜랄민의 합금에 쓰인다.산 의합금용액(Keller)A : 질산 25cc, 물 75ccB : 불화소다 0.5cc질산 1cc, 염산 2cc물 97cc?70℃에서 가열한 A액에시험편을 60초로 담갔다가냉수로 씻어서 끌어올려B액에 15～20초 담갔다가온수로 씻는다.?이러한 방법은 튜랄민합금의 열처리의 양비를판정하는 경우에 쓰인다.?또 결정입계에 석출한CuAl₂를 밝게한다.산 과글리세린의혼합용액(Vilella)불화수소 2질산 1글리세린 3??Al 및 Al합금에 일반적으로쓰인다.가성소다와탄산소다의혼합용액가성소다 1g ,탄산소다 1g물 94cc염화아연 및 염화제1석의0.5%액 4cc?신액을 쓰고 피검면이검게 될 때까지 3～5분액중에 담갔다가 그후농초산으로 그 흑색 석출물을 제거한다.?Al-Cu-Mg-Mn 합금에쓰인다. 냉간가공의 24S,24OS의 조직을 밝게한다.● 동 및 동합금의 부식액의 종류약 품 명성 분적 요용 도암모니아수와과산화수소암모니아수(비중 0.88) 55cc물 5cc3% 과산화수소 2～5cc?과산화수소의 양은Cu양에 따라 변하고1분 부식한다. 액을묻인 목면으로 닦아도좋으며 과산화수소 100cc??동, 청동, 황동, Al청동에쓰인다. 황동중의 β상을흑화한다.염화제2철용액염화제2철 10g염산 1cc크롬산 1cc물 100cc??동, 청동, 황동, Al청동에쓰인다. 황동중의 β상을흑화한다.?조직에 큰트라스트(임상체)를 주게된다.염화제2철용액염화제2철 5g주정 96cc염산 2cc?1초～수분 액중에담그던지 혹은 액을묻힌 목면으로 문지른다.?Cu, Al, Mg, Zn 합금등에쓰인다.질 산여러 가지의 농도를쓴다.??깊은 부식상을 얻는데쓰여진다.■ 탄소함량에 따른 탄소강의 미세조직의 변화● 탄소강의 정의- 탄소강(炭素鋼 ; Carbon Steel)이란 철과 탄소를 주체로 하는 강으로서, 불순물로 규소 ·망간 ·인 ·황을 함유하지만, 철과 탄소의 합금 중에서 열처리가 가능한 0.1∼1.5 %의 탄소를 함유한것을 말한다.- 대량생산이 가능하고, 가격이 비교적 저렴하며 질의 균일성, 가공성, 성형성 및 담금질성 등이우수하여 현재 사용되고 있는 철강재료의 대부분을 차지하고 있다. 또한 상온 및 고온에서가공성이 좋고, 탄소함유량에 따라서 성질변화가 현저하며, 특히 여러 가지 열처리방법에 의해서기계적 성질을 다양하게 변화시킬 수 있는 장점이 있기 때문에 그 용도가 매우 광범위하다.- 탄소강의 성질은 함유된 성분, 열처리 또는 가공방법에 따라 다르나, 표준 상태에서는 주로탄소의 함유량에 따라 기계적 성질이 달라지고 냉각속도 등에 따라 생성된 조직에 의해현저하게 달라진다.● Fe-Fe₃C 계의 상태도- 다음 그림은 Fe-C 계 합금 상태도로서, 실선으로 표시한 것이 Fe-Fe₃C상태도이다.즉 온도 약 100°C 이하 탄소량 약 6.67%이하의 상태도이다, 탄소량 6.67%는 Fe₃C라 하고하는 화합물로서 백색의 침상결정이며 이를 Cementite라 한다.[그림 2-1] Fe-C계 평형상태도※ 각 점 및 선의 의미- A : 순철의 응고점 (1539℃)- AB : δ고용체 (δ철에 탄소가 고용된 고용체)의 액상선- AH : δ고용체의 고상선, H점은 0.077% C- J철의 A₂변태점 (768℃)- MO : 강의 A₂변태점 (768℃)- S : 공석점, 723℃로서 0.85 C 이다. S ? P + K- P : α고용체에 대한 C의 최대 고용점, 0.025% C- PSK : 공석선- PQ : α고용체에 대한 Fe₃C의 용해도 곡선● 탄소량에 의한 표준조직의 변화● 페라이트 (Ferrite)- α - Fe 또는 순철의 조직학상 페라이트란 한다.- 탄소강의 탄소함유량이 0.01% ～ 2.11%이나 페라이트의 C 함유량은 상온에서 0.008% 정도이다.이 조직에서는 C가 페라이트에 용해되고, 고용제인 페라이트 결정립과 이들의 경계만 나타난다.흑색선은 결정립계이고 입계로 둘러싸인 부분이 페라이트 결정이다. 이 입계에는 불순물 등의모이기 쉬우며 부식되기 쉽다. 판재에서는 이 페라이트 결정립도가 냉간가공성, 프레스 성형등드러잉 가공성에 크게 영향을 준다. 냉간가공으로 다소 경화되나 어닐링으로 다시 연화되며이때 재결정(가공성 8 ～ 10%, 어닐링 온도 600 ～ 900°C에서 현저함)으로 결정립의 이상성장이일어나는 경우도 있다.조 직 :전체적으로 백색 기지는 페라이트이고, 흑색의 미세한 선이페라이트 입계를 나타낸다.부식액 :3% 나이탈 용액조 성 :C 0.03%, Si 0.33%, Mn 0.22%, P 0.014%, S 0.012%● 펠라이트 (Pearlite)- 펄라이트는 페라이트(α)와 시멘타이트(Fe₃C)의 층상조직으로 되어 있으며, 공석강 (0.77% C)을 r구역에서 서냉하면 A₁변태점에서 100% 펄라이트로 변한다.펄라이트 조직은 피크린산 또는 질산의 알코올 용액으로 부식하며, 이때 페라이트는 시멘타이트에비해 부식하기 쉬우며 Fe₃C는 부식되지 않아 페라이트와의 경계에 그늘이져 흑색으로 보인다.따라서 펄라이트 폭 넓은 백색 페라이트 층과 폭이 좁은 흑색 그늘에 있는 Fe₃C가 층상으로보인다.조 직 :펄라이트부식액 :3% 나이탈 용액조 성 :C 0.86% (탄소공구강)● 망상 시멘타이트(network cementite)- 과공산되어

공학/기술| 2006.04.20| 12페이지| 1,000원| 조회(586)

재료, 기계, 재료시험, 시편, 용사공학

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[건축환경공학]체온조절 메카니즘

1. 열전달적 관점- 인체와 환경과의 열 평형식인체는 체온을 조절하기 위해 대사에 의해 체내에서 열을 생산하여 열을 순조롭게 체외로 방출함으로써 생명을 유지하고 있습니다.인간 내부에 눈을 돌리면 영양의 섭취에 의해 대사활동이 이루어져서, 대사량을 산열하고 있습니다. 그 산열된 것이 열전도와 혈액 순환에 의해 체표면으로 운반되어 피부표면에서 외계로 방열됩니다. 그와 동시에 호흡에 의해서도 외부로 방열이 이루어집니다. 만들어진 열과 방산되는 열이 밸런스를 취하도록 하여 체온을거의 일정하게 지키도록 하는 작용이 이루어지고 있습니다. 이것을 체온조절기구이라고 합니다. 대사열은 체내에서 소비된 에너지가 열로 변환된 것입니다. 이것은 인간의 활동 레벨 및 운동상태에 밀접하게 관련되어 있는 것인데, 안정한 상태에서 성인은 거의 100W의 대사량이 있고, 서있을 시에는 약 200W, 마라톤 시에는 500~600W가 일반적인 기준입니다. 외부에 대해 자전거 타기 등의 기계적인 일을 하면 그만큼 체내에서 대사량은 감소합니다.※ 활동레벨 대사량활동상태대사량(W/㎡)수면40의자에 앉은 상태60서있는 상태70보행 0.89 m/s1151.79m/s220의자에 앉아 독서55학습60타이핑65물건 옮기기120자동차 운전60~115요리95~115청소115~200테니스210~270농구290~440인간으로부터 환경으로 방열되는 것은 여러 가지 경로를 거쳐 이루어집니다. 인간 체내에서 직접 방열이 이루어지는 것은 호흡에 의한 방열이 있으며, 체내와 체외의 공기 온도차에 의해 방열되는 현열과 내외의 수증기량 차에 의해 빼앗기는 잠열로 나누어집니다. 이 호흡에 의한 방열량은 일반적으로 평지에서는 약10%이하로 적어서 무시되는 경우도 많습니다. 그러나, 히말라야처럼 고지에서는 기압이 낮아지므로, 기온이 낮은 경우에는 잠열의 방열량이 차지하는 비율이 높게 되어서 인체 전체로부터의 방열량 중 반이나 됩니다.가장 주요한 방열은 인간의 피부표면에서 이루어지는 방열입니다. 보통 이 경로의 방열이 많은 비율이 차지하고 있습니다. 그 전열형식으로부터 대류, 열복사, 증발, 전도로 나누어집니다. 피부표면에서 나온 열은 노출부를 제외하고 옷을 통해 열전도로 전해지고, 수증기는 옷을 통해 투습하여, 착의표면에서 네가지의 방열 형태로 방열하게 됩니다. 이러한 열류 밸런스에서 인체의 열평형식을 나타낼 수 있습니다.※ 인체의 열 평형식M - W - Cres - Eres = C +R + E + Cd + SM = 대사량W= 일Cres= 호흡현열Eres= 호흡잠열C= 대류R= 복사E= 증발Cd= 전도S= 열수지밸런스정상상태에서는 S는 ‘0’이지만 비정상 상태에서는 인체 축열이나 신체냉각 현상이 일어납니다. 앞의 경우에는 체온이 상승하고, 뒤의 경우에는 체온이 하강합니다. 일반적으로 S=0에서 체온이 거의 일정하게 유지되도록 체온조절기구가 작용하여 체온조절이 이루어집니다. 이것을 항상성이라고 합니다.최적온도 부근에서는 혈관의 확장 또는 수축에 의한 혈류량의 증감으로 말초부로 열 수송량을 조절하여 체온조절을 합니다. 혈류조절에 의한 체온조절이 한계로 되는 온도영역보다 저온으로 되면 몸떨림(shivering)에 의한 열생산으로 대사량을 증가시키게 됩니다. 이 조절로 한계가 되면 체온을 유지할 수 없는 신체냉각의 상태가 되는데, 혈류조절 영역보다 고온측에서는 발한이 일어난다. 기온이 거의 30℃ 부근이고 피부온도가 34.5℃ 이상이 되면 발한이 시작한다고 합니다. 발한량도 한계가 있어서, 이러한 체온조절기구 작용의 결과로서 체온과 관련하여 피부온도는 상승하거나 하강합니다.※ 인체의 네가지 방열형태현열 복사열은 피부온도와 환경온도(기온-복사온도)의 차에 관계하여 환경온도가 저온측에서 커지고 고온측에서 작아진다. 환경온도가 피부온도보다 고온이 되면 방열에서 흡열로 바꾸어집니다. 여기서는 유일한 방열은 발한과 함께 생기는 증발인데, 증발하지 않는 땀은 방열에는 도움이 안되므로, 무효발한이라고 합니다.2.생체학적 관점-인체의 항상성 유지인체의 체온 조절 방법을 알아보면 체온조절 중추 간뇌의 시상하부에 자율신경과 호르몬의 분비의 의해 조절이 됩니다. 먼저 온도 자극을 수용하여 감각신경과 시상하부를 통하여 체온조절을 가능하게 합니다. 체온 조절은 '뇌의 온도계'라 할 수 있는 간뇌의 시상하부가 담당합니다. 낮아진 온도를 피부 감각점이 느끼면 간뇌의 시상하부는 뇌하수체 전엽을 자극합니다. 뇌하수체 전엽은 부신피질자극호르몬과 갑상선자극호르몬을 분비해 부신피질에서는 당질코르티코이드를, 갑상선에서는 티록신을 분비하게 하는데 당질코르티코이드와 티록신은 간과 근육에 작용해 물질대사를 촉진하며 열발생량을 증가시키는 물질입니다. 이들은 골격근을 수축해 인체의 '전율'을 주도함으로써 열발생량을 증가시킵니다.

공학/기술| 2006.04.20| 4페이지| 1,000원| 조회(505)

건축환경, 항상성, 체온, 인체, 36.5

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[전산역학]전산유체역학 CFD

전산유체역학1. 기본 개념1.1 서론? 유체는 그 분자적 구조상 외부로부터의 전단력을 지탱할 수 없는 물질이다; 극히 작은 전단력도 유체를 변형시킬 수 있다.? 대부분의 경우, 유체는 연속체로 취급된다.? 유체유동은 외부로부터의 힘의 작용에 의해 만들어진다. 외부로부터의 힘에는 표면력(압력, 전단력, 표면장력 등)과 체적력(중력, 회전력 등)이 있다.? 유체의 물성치; 밀도, 점도, 표면장력 계수, 비열비 등.? 유동에는 극한적인 가정에 따라 여러 가지 형태가 있다.? creeping flow; 점도가 매우 높거나, 유속이 매우 낮거나, 또는 대표길이가 매우 작을 때의 유동으로서, 이 때는 관성력은 점성력에 비해 무시할 만큼 작아진다. 즉, 레이놀즈 수(=대표길이times`대표유속/동점성계수)가 0에 가까운 유동이다.? 층류(laminar flow); 레이놀즈 수가 그렇게 크지 않은 경우로서, 유체입자가 매끄러운 궤적을 따라 이동하는, 즉 유체의 층과 층 사이가 분명히 구분되는 형태의 유동을 말하며, 앞의 creeping flow도 이에 포함된다.? 난류(turbulent flow); 레이놀즈 수가 충분히 큰 경우로서, 유체입자가 무질서하게 움직이는 형태의 유동이다. 층류에서 난류로 넘어가는 과정을 천이(transition)라고 한다.? 비압축성 유동(incompressible flow); 유체의 밀도가 일정하거나 그 변화를 무시할 만한 유동을 말한다. 마하 수(=대표유속/음속)가 0.3 이하인 유동을 일반적으로 비압축성 유동이라 한다.? 압축성 유동(compressible flow); 마하 수가 0.3 이상인 유동을 압축성 유동이라 말한다. 압축성 유동중에서도 마하 수가 1보다 작으면, 아음속(subsonic), 1보다 크면 초음속(supersonic) 유동이라 부른다. 마하 수가 5보다 크면 특별히 극초음속(hypersonic) 유동이라 한다.? 비점성 유동(inviscid flow); 점성의 효과를 무시할 수 있는 유동으로서, 일반적으로 높은 레이놀즈 수같다.{partial (rho phi )}over{partial t} `+`{partial (rho u_j `phi )}over{partial x_j }`=`partial over {partial x_j } left(Gamma {partial phi}over{partial x_j } right) `+` q_phi`(1.28)여기서,Gamma`는 확산계수이고,q_phi`는phi`의 소스 또는 싱크를 나타낸다. 그리고phi`의 확산은 그 자체의 구배에 비례한다는 법칙(열전달의 경우는 Fourier 법칙)이 적용되었다.1.6 방정식의 무차원화? 모든 물성치들이 일정한 경우에 대해, 속도를v_0`로, 공간 좌표를L_0`로, 시간을t_0`로, 그리고 압력을rho v_0^2`로 정규화시키면, 지배방정식은 아래와 같이 무차원화된다.{partial u_i ^* }over{partial x_i^*} = 0`(1.29)St {partial u_i^*}over{partial t^*} `+` {partial (u_j^* ` u_i^* )}over{partial x_j^*} `=`- {partial p^*}over{partial x_i^*} `+` 1 over Re {partial^2 u_i^*}over{partial x_j^*2 }`+{rm body~ force}`(1.30)여기서, *는 무차원양을 나타내며,St`,Re`는 각각 스트라우얼 수(Strouhal number), 레이놀즈 수(Reynolds number)로서, 다음과 같이 정의되었다.St = {L_0}over{v_0 t_0 } ;~~Re= {rho v_0 L_0 }over{ mu}`? 이 책에서는 무차원화된 방정식을 대상으로 하여 설명한다.1.7 단순화된 수학적 모델1.7.1 비압축성 유동? 밀도가 일정한 경우로서, 만약 점성계수도 일정하다면 지배방정식은 (1.29), (1.30)의 모양이 된다.1.7.2 비점성 (오일러) 유동? 점성효과를 무시할 수 있는 경우에는 위 지배식에서 확산 항을 제거할 수 있으며 그 식을ation method)? 지배 방정식의 수식화 즉 미분 방정식의 제시가 완료되면, 다음 작업은 미분 방정식을, 시공간적 격자점에서만 정의되는 변수에 관하여 차분화함으로써, 산술 방정식으로 만드는 일이다(이산화).? 이산화 방법중 가장 많이 사용되는 중요한 방법은, 유한 차분(finite difference; FD), 유한 체적(finite volume; FV), 유한 요소(finite element; FM)의 세 가지이다. 이 외에 스펙트럴(spectral) 방법, 경계 요소(boundary element)법, 셀률라 오토마타(cellular automata) 등과 같은 방법도 있으나, 그 사용은 특별한 케이스에 한정된다.? 만약 격자간격이 매우 좁게 설정되었다면, 모든 방법은 같은 해를 주게 된다. 그러나, 문제에 따라서는 하나의 방법이 다른 방법에 비해 더 효과적일 수 있다. 또, 어느 것을 사용하는가는 사용자의 취향에 따라 많이 좌우되기도 한다.2.4.3 좌표와 기저 벡터 시스템? 제 1장에서 언급한 바와 같이, 지배 방정식은 사용된 좌표계와 벡터에 따라 다른 모양을 취한다. 어느 좌표계와 벡터 시스템을 채택하느냐에 따라 이산화 방법이나 격자계 형태가 다를 수 있다.? 이 책에서는 직각 좌표계만을 취급한다.2.4.4 수치 격자(numerical grid)? 구조적(structured) (정규; regular) 격자 (그림 2.1)? 이것은 경계를 제외한 모든 격자점이 4 개의 격자선(grid line)을 가지는 형태이다. 그리고, 이 형태에서는 모든 격자점을 인덱스를 사용하여 일관성 있게 나타낼 수 있다; 예로서, 2차원에서는(i,`j), 3차원에서는(i,`j,`k).? 이 형태의 격자계는 수치해석 프로그램의 작성을 쉽게 하고, 또 이산화의 결과인 산술 방정식의 행열의 형태를 단순하게 만들기 때문에 그 처리가 쉽다.? 이 격자계의 단점은, 비교적 단순한 경계 형상에만 적용할 수 있다는 점이다.? 블락-구조적(block-structured) 격자계 (그림artial x}right)_i ? {phi_i+1 - phi_i }over{x_i+1 - x_i }(3.7)left({partial phi}over{partial x}right)_i ? {phi_i - phi_i-1 }over{x_i - x_i-1 }(3.8)left({partial phi}over{partial x}right)_i ? {phi_i+1 - phi_i-1 }over{x_i+1 - x_i-1 }(3.9)이것들은 바로 전향 차분(FDS), 후향 차분(BDS) 및 중심 차분(CDS)에 각각 해당한다. 무시한 우변의 항들을 절단 오차(truncation error)라 말한다.? 절단 오차들 중에서 선두 오차를 각 방법에 있어서의 근사 차수라 말한다. 예로서, FDS 및 BDS는Delta x`의 근사 차수를 가진다.? 만약 균일한 격자계를 구성하였다면, 그리하여x_i+1 - x_i = x_i - x_i-1 = Delta x`이라면 CDS의 선두 오차는 없어진다. 따라서 이 경우의 근사 차수는Delta x^2`이다.? 뷸균일 격자계의 경우에는 문제가 달라진다. 예로서, CDS의 절단 오차는 다음과 같다.epsilon_tau = - {(Delta x_i+1 )^2 - (Delta x_i )^2}over{2 (Delta x_i+1 + Delta x_i )}left({partial^2 phi}over{partial x^2}right)_i - {(Delta x_i+1 )^3 + (Delta x_i )^3}over{6 (Delta x_i+1 + Delta x_i )} left({partial^3 phi}over{partial x^3}right)_i + H`(3.10)여기서, 격자 간격을 같게 한다면 2차 미분 항은 사라진다. 그러나, 그 다음에 있는 3차 미분의 값에 따라서는 오차가 클 수도 있는 것이다.? 이 경우, 미분 값이 큰 곳에서는 작은 격자 간격을, 미분 값이 작은 곳에서는 비교적 큰 격자 간격을 사용한다면, 전체적으로 오차는 균일하게 유지된다고 볼 수 & cdots & cdots & cdots & 0 & 1 & -1 } right),~Q=left( matrix{ 0 # 0 # 0 # cdots # cdots # cdots # 2 Delta x }right)위 행열의 모양에서 알 수 있듯이A`는 3중 대각 행열로서, 총 100개의 요소 중에서 오직 28개의 요소만이 0이 아닌, 성긴 행열이다. 격자 수가 많을수록 성긴 정도는 더 심하다. 만약 격자 수가 10에서 100으로 늘어난다면, 행열A`의 크기는100 times 100 = 10000`이고, 그 중 0이 아닌 요소는 3%도 되지 않는 298개이다.? 1차원 공간이 아닌 2차원 공간을 대상으로 하는 경우에는 행열의 형태가 반드시 대각형태를 취한다고 말할 수는 없다. 이 때는 격자점을 어떠한 순으로 정하느냐에 따라서 달라진다. 그리고, 구조화된 격자계에서는 대각화가 이미 잘 이루어진 상태라 할 수 있다. 예를 들어,{partial^2 phi}over{partial x^2} + {partial^2 phi}over{partial y^2} = phi`을 Dirichlet 형태의 경계 조건 하에서 수치해석하는 문제를 생각해 본다. 2차원 공간을5 times 5`의 격자계로 분할하고 각 격자점을 아래 그림과 같이 순서를 정한다고 하자.*************6101415913그러면 지배 방정식을 차분화한 결과인 산술 방정식은 다음 형태를 취한다.A_W ``phi_W + A_S ``phi_S + A_P ``phi_P + A_N ``phi_N + A_E ``phi_E= Q_P`(3.45)여기서 예를 들어 P가 점 6이라면 W는 점 2, S는 점 5, N은 점 7, E는 점 10이 된다. 이렇게 본다면 행열 식은 책에 있는 그림 3.6과 같다.? 비구조화 격자계를 사용하는 경우에는 행열의 형태가 성긴 형태를 유지하기는 하여도 처음부터 대각화되어 있지는 않다.3.10 이산화 오차? 지배 방정식의 엄밀해Phi`는 이산화 방정식(즉, 차분식)의 엄밀해phi`와 다르다. 연산자,

공학/기술| 2006.04.20| 44페이지| 1,000원| 조회(2,914)

유동, 유체, 보존, CFD, 전산역학

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[조선공학]선박, 항만에 관한 모든것

과제 1rolling과 pitching에 대해 간단히 기술=>※롤링항공기 ?선박 ?자동차 등 교통기관의 주행 중에 생기는 가로흔들림.피칭(세로흔들림)에 대응하는 말이다. 자동차의 경우, 노면이 고르지 못해 일어나는 가로흔들림이나, 고속에서 경사진 길을 돌 때의 원심력에 의한 기울기를 말한다. 롤링이 심하면 조종성(操縱性)이나 승차감에 나쁜 영향을 줄 뿐만 아니라, 때로는 전복될 위험마저 있다. 일반적으로 무게중심이 낮고 차체의 폭에 대해 트레드(좌우바퀴의 간격)가 넓으며 스프링이 단단한 것일수록 롤링이 적어진다.항행 중인 배의 경우, 배가 외력에 의해 옆으로 기울어져도 복원력 때문에 선체는 무게 중심의 방향으로 회전하여 수직 위치로 되돌아오고, 다시 반대쪽으로 기울어져서 옆으로 흔들린다. 여기서 좌우 1회의 동요에 소요되는 시간을 롤링의 주기(週期)라고 한다. 대체로 메타센터(metacenter:기울기의 중심) 높이(GM)의 값, 즉 복원력이 클수록 주기는 작지만, 동요가 심해져서 배멀미를 일으키기 쉬우므로, 배의 안정성이 허용하는 범위 내에서 메타센터의 높이는 가급적 작게 한다. 롤링을 감소시키는 방법으로는, 빌지 용골(bilge keel), 동요방지 탱크, 스태빌라이저 등이 채택되고 있다.※피칭일반적으로 탈것(교통기관)의 흔들림, 즉 전후방향의 흔들림.자동차는 스프링의 세기, 차체의 무게와 그 길이, 무게중심(重心)의 위치 등에 따라 저마다 고유진동을 가지는데, 주행 중 노면이 고르지 못하거나 해서 진동이 일어나게 되면 피칭이 발생한다.자동차에서는 피칭은 단순히 기분이 나쁠 뿐만 아니라 조종성(操縱性) ?접지성(接地性)에도 나쁜 영향을 미친다. 피칭은 일어났을 경우 스프링에 맞추어 충격흡수제를 사용하도록 한다. 피칭을 줄이기 위해서는 스프링을 단단하게 하거나, 차체를 가볍게 하고 그 무게중심을 낮게 하는 등의 처치가 필요하다.과제 2선박의 Anti-rolling제어에 관한 각자의 의견=>1. 선박의 자세 제어 방법항해하는 배는 파도와 바람에 의해 여러 유형기 전에 나무배에 설치되었는데, 이때의 목적은 함포사격에 유발되는 Rolling과 Wave에 의한 Rolling을 방지하기 위한 것이었다. 이로부터 Bilge Keel에 대한 Test는 1870년대에 시작되었는데, 이때의 Test에서 진폭(횡동요 각도)과 진동수가 각각 반으로 줄어드는 것을 발견하였다. Bilge Keel을 부착했을 때와 하지 않았을 때의 Model Test의 결과를 보면, BilgeKeel을 부착한 경우 RollAngle이 현격하게 줄어든 것을 볼수 있다. 특히 Low Ship에서 상당히 큰 효과를 미치고 있다는 것을 알아냈다.1-2. fin stabilizer선체 양측에 회전이 가능한 지느러미(fin)를 쌍으로 설치하고, 선박이 전진속도에 있을경우에 이 fin에서 발생하는 양력(Lift Force)을 이용하여 횡동요를 억제하는 장치이다.선박은 파도에 의해서 횡동요 모멘트를 받아 횡동요를 하게 된다. 안정판은 선체 양현의수면 하에 설치되어 한쪽 안정판이 현측을 위로 올리는 방향으로 작용함과 동시에 다른 쪽안정판은 현측을 아래로 내리는 작용을 하여 선박의 횡동요를 감쇠 시킬 수 있다. 따라서 선미(stern)나 선수(bow)에서 볼 때 안정판은 함정이 경사진 방향으로 상승하여 회전하게 되며 좌현과 우현쪽 안정판들이 모두 같은 방향으로 회전하게 된다. 그러므로 결과적으로 횡동요를 감쇠시키게 된다.1-3. A.R.T(anti-rolling tank)탱크내 물을 이동시키는데 동력을 사용하지 않는 수동형과 동력을 사용하는 능동형으로 구분된다. 수동형 ART는 1911년 Frahm에 의하여 U-tube형 ART가 개발되고,Stigter(1966)에 의해 이론적 체계가 정립된 이후 많은 선박에 적용되어져 왔다. 수동형 ART는 탱크의 설계점에 가까운 주파수 영역에선 횡동요 감소효과가 뛰어나지만, 설계영역을 벗어난 낮은 주파수 영역과 높은 주파수 영역에서는 오히려 횡동요를 증폭시키는 단점이 있다. 이러한 문제점을 보완하기 위해 일본의 Stabilo사에서는탱 결정한다. C는 완충기의 피스톤 직경, 오리피스 직경, 주변 스프링의 강성 및 형상 등에 의해 정해지는 계수이다. C를 크게 해 나가면, 진동은 그림 3.8의 c곡선과 같이 된다. 이 경우의 C를 임계 감쇠 계수(Cr)라고 한다.(3.16)k:스프링상수 kg/cm, W:스프링에 걸리는 하중 kg, g:중력 가속도(980cm/s2), f:진동수c/s※내항성바다에는 날씨 변화에 따라 차이는 있으나 항상 파도가 존재하게 된다. 내항성은 이러한 파도를 항해하는 선박의 성능을 나타내는 것으로 일반적으로 파도에 의해 동요가 발생되고 그 동요로 인해 선원 및 승객의 승선감과 작업능력을 저하시키고 선속이 떨어지며 심한 경우에는 구조적 손상이 일어나고 침몰하기도 한다. 선박의 동요는 파도에 기인한 것이므로 동요의 특성은 파도의 특성과 공통점을 갖고 있다. 따라서 파도의 특성을 이해하는 것이 선박의 동요 특성을 이해하기 위한 전제조건이 되므로 먼저 파도의 특성을 살펴보기로 한다.※파도의 생성 및 전파잔잔한 수면에 바람이 불면 수면은 바람의 마찰에 의해 아주 짧은 주름 형태로 되고 주름 모양의 수면은 더욱 큰 마찰력을 받게 되어 점차 큰 주름 형태로 발달하게 된다(그림4). 이렇게 형성된 주름 형태의 수면은 오랜 시간동안 넓은 지역에 부는 바람에 의해 소위 파도(또는 파랑)라 불리는 형태로 되어 사방으로 전파하게 되는데 바람에 의해 생성된 파도는 대략 2초에서 25초 사이의 주기를 갖게되며 실제 해상파는 다양한 주기의 파도가 섞여서 나타나게 되므로 불규칙한 주름 형상을 갖게 된다.※해상파의 특성이러한 불규칙한 해상파의 특성을 취급하기 위해 오랜 기간동안 관측된 데이터 통계를 기초로 파도의 주기분포와 높낮이를 표시할 수 있는 에너지 스펙트럼을 사용한다. 파도의 에너지는 파고의 제곱에 비례하는데 불규칙한 파형(Irregular Wave)을 여러 가지 주기의 규칙파(Regular Wave)성분으로 나누어 횡축을 파주기(또는 주파수)로 표시하고 종축을 각 성분파 파고의 제곱으로 표시한ve Height)를, 주기의 대표치로는 Zero-upcrossing 주기, 평균주기(Mean Period), 모달주기(Modal Period) 등이 사용된다.그림7에는 대표적인 불규칙파 신호가 도시되었다. 그림에서 횡축은 시간을 나타내고 종축은 시간에 따른 파면(Wave Elevation)의 변화를 나타낸다. 그림에 정의된 것과 같이 파면이 영점(y=0)을 음에서 양으로 교차하는 것을 Zero-upcrossing라고 하며 각 Zero-upcrossing 사이의 시간을 Zero-upcrossing Period라 한다. 각 Zero-upcrossing 사이에서 가장 높은 점을 양의 진폭(Positive Amplitude), 가장 낮은 점을 음의 진폭(Negative Amplitude), 양의 진폭과 음의 진폭간의 높이 차를 파고(Wave Height)라 정의한다. 그림에서와 불규칙파 신호를 같이 일정 시간동안 계측한 후 Zero-upcross를 세어 N개의 Zero-upcross를 얻은 후 Zero-upcrossing period를 평균한 것을 (Average) Zero-upcross 주기라 한다. 파고를 크기별로 순서를 정하고 그 중 상위 1/3에 해당하는 값의 평균을 유의파고(Significant Wave Height)라 한다. 해상파의 파면의 분포는 정규분포로 알려져 있으며 파진폭과 파고는 Rayleigh 분포를 따르는 것으로 알려져 있다. 이러한 분포의 특성을 이용하면 파도의 스펙트럼으로부터 유의파고와 Zero- upcross 주기값을 구할 수 있으며 평균주기와 모달주기도 정의할 수 있다.실제 해상파는 여러 방향으로 진행하는 성분파가 모여 나타나는 다방향파(Multi-directional Wave)이며 한 방향으로 진행하는 파(Unidirectional Wave)의 파정(波頂: Crest)과 파저(波底)가 무한히 길게 뻗쳐있는 장파정파(長波頂波: Long-Crested Wave)에 비해 서로 다른 진행방향의 파의 겹쳐서 파정과 파저가 끊겨 나타나므로 단파자유도 운동에 의해 선박의 임의 위치에 있는 사람이나 계기, 화물 등에는 가속도가 작용하게 되며(국부 가속도) 가속도의 수준에 따라 승객의 안락감, 선원의 작업능력, 계기의 작동상태, 화물의 안전이 영향을 받게 된다. 또한 선박은 파도를 타고 6자유도 운동을 하게 되는데 파면과 선체의 특정부분의 상대위치 변화에 따라 파도가 갑판위로 넘쳐들거나(갑판침수) 선체의 바닥이 노출될(선저노출) 수 있으며 노출된 부분이 입수되면서 파면과 만나면서 충격력이 작용하기도 한다(슬래밍: Slamming). 선체 6자유도 운동이 선박의 위치와 무관하게 정의되는 것에 비해 선박에서의 위치에 따라 변화하는 국부가속도, 갑판침수, 선저노출, 슬래밍 등의 운동을 국부운동이라 한다.선저노출이나 갑판침수는 일정 위치에서의 수직변위와 파면의 차이(상대운동)가 흘수(Draft: 선저에서 정수면의 높이)나 건현(Freeboard: 정수면에서의 갑판 높이)을 초과할 때 발생하는 현상이며 슬래밍은 선저(船底)가 노출되고 입수되는 순간의 상대속도가 일정 임계치를 넘어설 때 발생하는 현상으로, 6자유도 운동, 국부 가속도, 상대운동 등이 일정 주기를 갖는 조화운동(Sinusoidal Motion)이며 크기의 높낮이로 표시되는데 반해, 발생 확률로 정의되는 운동이며 과대운동(Excessive Motion or Rare Event)이라 한다.※파향과 파주기에 따른 선체운동의 특성선박의 6자유도 운동은 선박에 고정된 좌표계에 대한 왕복운동과 회전운동으로 정의되므로 선박에 대해 진행하는 파도의 방향에 따라 운동의 양상이 다르게 나타난다. 그림10에서 보이는 바와 같이 선박이 전진하는 방향(x축)과 파가 진행하는 방향이 이루는 각을 입사각(β)이라 하자. 파의 진행방향이 x축과 평행한 경우에는 y축에 대한 운동은 없음을 알 수 있으며 파의 진행 방향이 y축과 평행한 경우에는 y축에 대한 운동이 크게 나타남을 알 수 있다. 또한 선속이 있는 경우에는 실제 파도의 주기(Tw)와 배가 느끼는 만남주기(Te: Encoβ

공학/기술| 2006.04.20| 23페이지| 1,000원| 조회(1,032)

조선, 선박, 항만, 롤링, 피칭

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[엔진]항공기 엔진에 관하여

1. 가스 터빈가스 터빈 엔진은 가볍고 소형이며 단위 무게당 높은 동력비를 가지기 때문에 항공기에 동력을 공급하는데 널리 사용된다. 항공기 가스 터빈은 제트-추진 사이클이라 불리는 개방 사이클 상에서 작동한다. 이상 제트-추진 사이클은 기체가 터빈에서 주변압력까지 팽창되지 않는다는 점에서 단순한 이상 브레이튼 사이클과 다르다. 대신 터빈에 의해 생산된 동력이 압축기와 소형 발전기와 수력 펌프와 같은 보조장치를 구동시키기에 충분할 정도의 압력까지 기체는 팽창된다. 즉, 제트-추진 사이클의 정미 출력일은 0이다. 비교적 높은 압력으로 터빈을 빠져나간 기체는 항공기를 움직이는데 필요한 추진력을 제공하기 위해 노즐에서 계속으로 가속된다. 또한 항공기 가스터빈은 보다 높은 압력비(전형적으로 10~20사이)에서 작동하며 유체는 먼저 디퓨져를 통과한다. 그리고, 압축기에 들어가기 전에 디퓨져에서 감속되고 기체의 압력은 증가하게 된다.#가스 터빈과 왕복 사이클의 작동 사이클 비교3. 가스 터빈 엔진개발의 역사적 배경가스 터빈 엔진은1700년대 말 영국에서 최초로 개발되었으며 1800년대 이어 본격적으로 개발 되기 시작 했다.연도나라개 발 내 용1791영국John Barber가 처음으로 가스터빈의 특허를 취득1872영국Stolze가 현재 가스터빈엔진에 가장 가까운 형태의 특허를 취득하였으나 각 부품의 효율미달로 실패1894프랑스Rene Armengaud와 Charles Lemale가 실제로 동력을 전달할수 있는 가스터빈엔진의 제작에 성공1895미국C.G.Curtiss가 가스터빈엔진의 특허를 취득1902미국Sanford Moss가 연료가스를 Delaval증기터빈 부켓에 분사시키는 미국 최초의 가스터빈을 재작하였으나 출력이 소요입력보다 적어서 실패1908독일H.H.Holzworth가 최초의 정적 가스터빈을 설계1911스위스Brown Boveri가 처음으로 Holzworth엔진의 생산 판매개시1930영국Sir Frank Whittle이 터보제트엔진의 특허를 취득. 이것이 현재 터보제트엔진의 선조격임1939독일Rechhin에서 세계 최초의 제트기 비행에 성공1940미상Escher Wyss에 의해서 최초의 밀폐사이클 가스터빈엔진의 시제 및 운전에 성공1941스위스Brown Boveri에 의해서 최초의 가스터빈 기관차 운전에 성공1941미국영국으로부터 가스터빈엔진의 기술 도입1942미국G.E사가 영국설계엔진을 1년내에 생산에 성공미국 최초의 제트기(Bell XP-59A)의 비행에 성공1945일본일본 최초의 제트기(Ne-20엔진 사용)의 시험 비행에 성공1947최초의 가스터빈엔진 추진선박 취항1950영국Rover사에 의해서 최초의 가스터빈엔진 자동차 시험운전1959미국By-pass엔진 JT-3d와 CJ 805-23이 B707, DC8, Convair 990 등의 민항기에 장착1960영국첫 벡터 스러스트엔진(Rolls Royce의 Pegasus)의 항공기 Harrier 비행1960미국G.E사에서 최초의 병합사이클 발전소 가동1964미국Donald Campbell이 터보제트 자동차인 Blue Bird로 자동차 속도 기록 403mph 수립1966미국Solar사에 의해서 가스터빈엔진이 처음으로 유전개발 작업에 사용1970년초2nd generation high by-pass엔진인 JT-9D(그림 5.), CF-6, RB-211이 개발되어 B 747, DC 9, A 300등의 민항기에 장착1973석유파동으로 인하여 연료 절약형 엔진과 터보프롭의 개발이 활발해지기 시작1980년초Advanced technology energy efficient large fan engine (CFM 56, RB432, RJ500, JT10D 등) 개발1990년초Advanced turboprop engine 개발중4. 가스 터빈의 종류(1). 터보 제트 엔진 & 터보 팬 엔진최초로 만들어진 항공기들은 모두 본질적으로 자동차 엔진과 동일한 엔진에 의해 동력이 공급되는 프로펠러를 가진 프로펠러-구동식 이었다. 상업적 비행의 주된 성공은 1952년 터보제트 엔진의 도입으로 이루어졌다. 프로펠러-구동식 엔진과 제트 추진-구동 엔진은 모두 그 자체의 고유한 장점과 단점이 있으며, 두 엔진의 좋은 특성을 하나의 엔진으로 결합하기 위해 여러 시도가 있어 왔다. 그러한 두 가지 소정과 개선을 통해 프랍제트엔진(propjet engine)과 터보팬엔진(turbofan engine)이 나왔다.항공기 추진에 가장 널리 사용되는 엔진은 터보팬(turbofan)또는 팬제트(fanjet)엔진이다. 이 엔진은 터빈에 의해 구동되는 대형팬이 상당량의 공기를 엔진 주변의 턱트(통풍관, cowl)로 통과하도록 한다. 팬에서 배출된 공기는 엔진의 전체 추력을 상당히 향상시키면서 고속으로 덕트를 떠난다. 터보팬 엔진은 같은 동력에 대해 느리게 움직이는 큰 체적의 공기보다 더 큰 추진력을 발생시킨다는 원리에 기초를 두고 있다. 최초의 상업터보팬 엔진은 1955년에 성공적으로 시험 운전 되었다.항공기에서 터보팬 엔진은 큰 팬을 덮고 있는 두툼한 통풍관 때문에 일반 저효율 터보제트 엔진과 식별이 된다. 터보제트 엔진의 모든 추진력은 음속의 약 두 배로 엔진을 떠나는 배기가스에서 기인된다. 터보팬엔진에서는 고속의 배기가스가 낮은 속력의 공기와 혼합되어, 결국 소음의 상당한 감소를 이루게 된다.새로운 냉각 기술은 버너 출구의 가스 온도를 터빈 날개 재료의 녹는점보다 100℃ 높은 1500℃ 이상까지 허용함으로써 효율을 상당히 증가시키는 역할을 해오고 있다. 터보팬 엔진은 단위 승객 마일당 적은 연료를 소모하면서 950㎞/h 이상의 속력으로 10,000㎞까지 거의 400,000㎏의 무게를 가지고 400명 이상의 승객을 운송할 수 있는 점보제트(jumbo jet) 개발 성공의 주요요인으로서 높은 신뢰도를 부여받기에 합당하다.(터보 팬 제트 사진))#. 터보팬 & 터보 제트 그림(2) 터보프랍엔진연소실을 통과하여 흐르는 공가의 질량유속에 대한 연소실을 우회하는 공기의 질량유속의 비를 우회통과율(bypass ratio)이라 한다. 최초의 상업적 높은 우회통과율 엔진은 5의 우회통과율을 가졌다. 터보팬으로부터 통풍관을 제거하는 것이 의미가 있다. 이러한 결과가 프랍제트(propjet)엔진이다. 터보팬 엔진과 프랍제트 엔진은 주로 우회통과율에 있어 다르다. 즉, 터보팬에서는 5또는 6이고, 프랍제트에서는 100이상이다. 대개의 경우 프로펠러가 제트 엔진보다 효율적이다. 하지만 프로펠러는 높은 고도 및 고속에서 효율이 감소하기 때문에 낮은 고도 및 저속에서 작동해야 하는 제한이 있다. 과거의 프랍제트 엔진(터보프랍, turboprops)은 약 마하 0.62의 속력과 대략 9100m의 고도에 제한을 받았다. 개발중인 새로운 프랍제트 엔진(프랍팬 propfans)은 약 12,200m의 고도에서 약 마하 0.82의 속력을 달성할 수 있으리라 기대된다. 프랍팹으로 추진되는 중간 크기 등급의 상업용 항공기는 터보팬으로 추진되는 항공기만큼 높이 그리고 빠르게 날 수 있을 것으로 기대되며 연료로 적게 소비될 것으로 보여진다.#. 터보프롭엔진 그림(3) 터보 샤프트 엔진이 것은 주로 헬리콥터에 사용되는 기관 입니다. 터빈에서 얻어진 연소가스의 힘을 100% 구동축에 전달하여, 오직 구동축에 연결된 로터의 힘만으로 항공기가 나는 방식이다. 즉 뒤로 뿜어지는 연소 가스를 통해 얻어지는 추력은 거의 없다.

공학/기술| 2005.11.03| 6페이지| 1,000원| 조회(1,888)

내연기관, 가스터빈, 제트엔진, 항공기 엔진, 제트터보

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