Development of Thermocouple Sensor for Thermal Boundary Layer Measurement

This research focused on designing an appropriate thermocouple sensor for a thermal boundary layer with a large temperature gradient. It was designed to minimize the conduction error from a constant temperature wall in a boundary layer. A $79.9-{\mu}m$ thermocouple was chosen, and a five-axis device jig was developed to fabricate a butt-welded thermocouple, which is different from arc-welded junction thermocouples. This was used to minimize the size of the thermocouple junction. In addition to fabricating butt-welded thermocouples, a thorough calibration was conducted to decrease the internal error of a multimeter to ensure that the data from the butt-welded and regular thermocouples were almost the same. Based on this method, a butt-welded thermocouple with a small junction was found to be suitable for measuring the temperature in a thermal boundary layer with very large thermal gradients. Using this thermal boundary layer probe, the thermal boundary layers in a turbine cascade were measured, and the Nusselt numbers were obtained for the turbine endwall.

온도 경계층 측정용 열전대 센서 개발

본 연구에서는 등온 벽에서 가까이에 위치한 유동과 같이 온도 구배가 큰 곳에서 발생하는 전도오차를 줄이기 위해 새로운 열전대의 형상 설계 및 제작 방법을 제안하고자 한다. 전도오차를 줄이기 위하여 지름이 $79.9{\mu}m$인 열전대를 이용했으며, 아크 용접을 통해 제작된 상대적으로 접점이 큰 일반 열전대와 다른 butt-welded 열전대를 제작하기 위하여 용접용 5 축 장비가 고안됐다. 열전대의 단면을 맞닿게 하여 용접해 접합부위 크기를 최소화 했다. 온도 보정 실험을 통하여, 일반적인 형상의 열전대와 이 연구에서 제안하는 열전대의 온도 측정 결과가 동일함을 알 수 있었다. 접합부가 $79.9{\mu}m$ 지름을 가지는 butt-welded 열전대를 온도 경계층에 침투시켜서 전도에 의한 오차를 최소화하여 급격히 변하는 온도 경계층의 온도를 효과적으로 측정할 수 있게 되었다. 개발된 센서를 이용하여 선형 터빈 날개가 장착된 풍동에서 온도 경계층을 측정하였고, 측정된 결과를 Nusselt 수로 나타내었다.