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문제 정의
- 본 연구는 Slim-Hole 굴착 작업시 발생하는 헬 리컬 유동에 관한 기초적 연구로서 굴착 벽면에서 상대적으로 종대되는 전단응력, 굴착물 및 드릴링 유체의 이송에 필요한 헬리컬 유동형태를 규명하고자 한다. 이러한 연구결과는 Slim-Hole 굴착 시 공내압력, 벼면 전단응력 등을 적절한 허용범위 내에서 제어하는데 필수四인 정보들이다.
제안 방법
- 3 참조). 가시화 부분이 원통이기 때문에 난반사 현상을 막기 위해 두께가 5mm인 유리 상자를 설치하였으며 그 안에 물을 가득 채워 넣었다. 가시화에 사용된 입자는 직경이 0.
- 32m(126 W로 하였다. 길이가 L5m인 회전축과 비회전부 사이에는 청동으로 제착한 베어링을 사용하여 연결하였고, 축의 회전으로 인한 진동과 편심 올 막기 위해 회전하지 않는 축의 상단부와 중간부분, 상단부의 희전축과 연결되는 부분 둥 3곳에 커넥터를 각각 설치하였다.
- 따라서 본 연구에서는 드릴링 유체유동에 대한모형을 단순화시켜 적용한 안쪽축이 회전하고 바깥쪽 실린더가 고정된 실험 장치를 사용하였다. 작동유체는 뉴튼 유체인 물과 글리세린 수용 액을 작동 유체로 택하였고, 완전히 발달된 유 동장에 대하여 축방향으로의 레이놀즈수 7?^500~12000 인 영역에서 안쪽축을 0-600 rpm으로 회전할 경우의 압력손실값과 마찰계수 등을 측정하였다.
- 알 수 있다. 따라서 실험에 앞서 유동의 발달을 확인하기 위하여 Fig. 2의 1번 탭을 기준으로 3, 4, 5 그리고 6번 탭에서 측정한 수두 값을 이용하여 Re에 따른 압력손실값을 구하였다. 이때 1번 탭을 기준으로 하여, 4번 탭까지는 100mm씩 등 간격이고, 4번과 5번 탭간의 거리는 500mm 5번과 6번 탭간 거리는 100mm이다.
- 이로부터 유량과 회전수 변화에 따른 유동천이와 함께 환형부내 층류, 천이, 난류영역별 압력손실 특성을 파악하였다. 또한, 회전에 의한 영향으로발생되는 Taylor 와를 가시화하여 축회전수 및 레이놀즈수에 따른 와의 파장 변화롤 파악하였다.
- 7(b)에는 표면마찰계수를 제시하였다. 본 연구에서는 축회전이 압력손실에 끼치는 영향을 고려하고저 로스비수(血 = RelRe” = 瓦 /a)Ri )를 고려하였다.
- 차압을 측정하였다. 안쪽축이 회전할때 생기는 교란의 영향을 줄이기 위해 축 회전수를 일정하게 하고 정상 상태가 될 때까지 기다린 후 유량, 압력손실, 온도 등을 측정한 후 유량을 변화 시켜 위의 과정을 반복하였다. 펌프의 영향으로 인해 수조의 온도가 증가하므로 유량을 변화 시 킬 때마다 온도를 측정했다.
- 에서 구한 한 쌍의 와 크기와 유동가시화로 즉정한 丑기를 비교하였다. 그 결과 100rpm 에서 150rpm으로 회전속도가 증가하면 이론식으로 구한 와 크기는 약 23%감소하였고, 가시화로 측정한 와 크기는 약 17.
- 유량은 6~60LPM으] 측정 범위를 갖고 정확도가 0.5% 이내로 보정된 마그네턱 유량계를 사용하여 측정하였다. 작동 유체의 온도는 디지털 멀티 미터를 사용하여 측정하였다.
- 작동유체는 뉴튼 유체인 물과 글리세린 수용 액을 작동 유체로 택하였고, 완전히 발달된 유 동장에 대하여 축방향으로의 레이놀즈수 7?^500~12000 인 영역에서 안쪽축을 0-600 rpm으로 회전할 경우의 압력손실값과 마찰계수 등을 측정하였다. 이로부터 유량과 회전수 변화에 따른 유동천이와 함께 환형부내 층류, 천이, 난류영역별 압력손실 특성을 파악하였다. 또한, 회전에 의한 영향으로발생되는 Taylor 와를 가시화하여 축회전수 및 레이놀즈수에 따른 와의 파장 변화롤 파악하였다.
- 5% 이내로 보정된 마그네턱 유량계를 사용하여 측정하였다. 작동 유체의 온도는 디지털 멀티 미터를 사용하여 측정하였다. 또한 환형 부내 유 동장의 유동 가시화를 위해 길이가 330mm 직경이 38.
- 정상 상태에서의 유량 및 압력손실값을 측정하기 위해 유량 및 경사 마노미터의 수두값이 일정해질 때까지 기다린 후, 수조의 온도를 멀티 미터를 사용하여 측정하고 유량계의 유량과 경사 마노미터의 차압을 측정하였다. 안쪽축이 회전할때 생기는 교란의 영향을 줄이기 위해 축 회전수를 일정하게 하고 정상 상태가 될 때까지 기다린 후 유량, 압력손실, 온도 등을 측정한 후 유량을 변화 시켜 위의 과정을 반복하였다.
- 차압을 측정하기 위해 시험부의 길이 방향으로 0.1m 간격으로 4개의 압력측정용 탭을 설치하였으며, 가시화실험을 위해 0.5m의 간격을 아랫방향으로 두고 0, 1m간격으로 2개의 압력촉정용 탭을 설치하였다. 실린더와 회전부는 길이가 4m인 H형강을 사용하여 지지시켰고 H형강과 실린 더는 구조용 강재(SK40)를 사용하여 연결하였다.
- 안쪽축이 회전할때 생기는 교란의 영향을 줄이기 위해 축 회전수를 일정하게 하고 정상 상태가 될 때까지 기다린 후 유량, 압력손실, 온도 등을 측정한 후 유량을 변화 시켜 위의 과정을 반복하였다. 펌프의 영향으로 인해 수조의 온도가 증가하므로 유량을 변화 시 킬 때마다 온도를 측정했다.
대상 데이터
- 가시화 부분이 원통이기 때문에 난반사 현상을 막기 위해 두께가 5mm인 유리 상자를 설치하였으며 그 안에 물을 가득 채워 넣었다. 가시화에 사용된 입자는 직경이 0.5mm 정도로 미세한 적색의 톱밥가루롤 사용하였다.
- 2에 도시하였다. 바깥쪽 실린더는 내경이 38.4mm 인청동 파이프를 사용하였고, 안쪽축은 직경이 20mm인 스테인리스 강재 연마봉올 사용하였으며, 축방햐으로 유동을 완전히 발달시키기 위해시험 부 상단부의 회전하지 않는 축의 길이를 2.32m(126 W로 하였다. 길이가 L5m인 회전축과 비회전부 사이에는 청동으로 제착한 베어링을 사용하여 연결하였고, 축의 회전으로 인한 진동과 편심 올 막기 위해 회전하지 않는 축의 상단부와 중간부분, 상단부의 희전축과 연결되는 부분 둥 3곳에 커넥터를 각각 설치하였다.
- 본 실험장치는 게 실린더부, 지지부, 유량공급 및 회전부와 유량, 압력손실, 온도 등을 측정하는 측정부 등으로 구성되어 있으며, Fig. 2에 도시하였다. 바깥쪽 실린더는 내경이 38.
이론/모형
- 비회전 편심 환형부내 이론적 마찰계수값은 Yamada와 Watanabe佝가 제시한 것으로서 편심 비에 관한 이론식올 마찰계수식에 대입하여 다옴과같이 나타내었다.
성능/효과
- 과 비교하면, .본 실험에서 사용한 관의 재질과 환형 부의 반경비("= 0.5)로 차이를 감안하면 실질 데이터에 거의 일치함을 확인할 수 있었다. 난류 영역에서 유량과 축회전수를 변화시켜가면서 얻은 압력손실에 관한 실험자료로부터 축 회전이 표면마찰계수에 끼치는 영향을 Fig.
- 1% 이내 오차를 가짐을 확인하였다.
- 丑기를 비교하였다. 그 결과 100rpm 에서 150rpm으로 회전속도가 증가하면 이론식으로 구한 와 크기는 약 23%감소하였고, 가시화로 측정한 와 크기는 약 17.3% 감소하였다.
- 동일 축회전수 일지라도 로스비수 Ro의 영향으로 글리세빈 수용액의 임계레이놀즈수 는물외 값보다 다소 큰 값을 가짐을 확인 할 수 있었다(Table 2 참조).
- 축방향 유동이 있는 경우에도 Re = 400, N = lOOrpm일 때 Taylor 와를 관찰할 수 있었다. 또한, 회전수가 증가할수록 와의 크기는 감소함을 실험과 이론식을 통하여 확인할 수 있었다. 이처럼 충류에서는 레이놀즈수가 작을수록 Taylor 와는 유동장에 지대한 영향을 미치며, 축 회전수가 증가할수록 층류+Taylor 와의 Re 구간이 점차 증가한다.
- 본 연구에서는 반경비 0.52일 때, 축회전수, 유량, 작동유체 등의 변화에 따라 압력손실 및 표면 마찰계수 변화 특성을 살펴보면, 축회전수 중가에 따라 압력손실값이 증가하지만, 그 중가 폭은 천이 및 난류영역에서는 Re가 중가할수록 감소한다. 또한, 임계레이놀즈수 R%의 값은 축 회전수 증가와 로스비수의 감소에 따라 작아진다.
- 국한하였다(R%는 축회전수 증가에 따라 Table 2와 같이 감소한다). 압력손실에 관한 물 및 글리세린 수용액(44%)의 실험결과로부터 충류영역에서 Re 변화에 따른 압력손실 및 표면 마찰계수의 구배는 축회전수 200rpm까지는 회전수에 관계없이 거의 같으나, 300rpm이상에서는 회전수가 증가할수록 그 기울기가 가파라진다(Fig. 6~7 참조).
- 1, 2는 안쪽실린더가 100, 150rpm으로 각각 회전할 경우의 유 동장 가시화 사진들이다. 유량이 없을 경우 40rpm 까지는 회전에 의한 영향력이 적기 때문에 와가 생성되지 않지만, 50rpm부터는 일정한 간격의 와가 생성되며 회전수 130rpm까지 뚜렷하게 나타나는 것을 확인하였다. 이때, lOOrpm으로 회전할 경우 한 쌍의 와의 크기는 20.
- 52인 경우이므로 감소율의 차이가 생김을 알 수 있다. 이로부터 실린더 사이의 간극이 작올수록 와 크기는 회전의 영향을 더욱 크게 받는다는 것을 확인하였다.
- 작동유체가 글리세린 수용액(44%)인 경우 길이가 충분히 긴 △死& △尸L6에서 측정된 압력손실 구배는 평균 4.8%오차 범위 내에서 일치함 올 확인하였다.
- 저레이놀즈수의 0 <Re 에서 압력손실구배가 순수충류에 비해 상대적으로 큰, 층류 +Taylor 와의 구간이 글리세린 수용액을 사용한 실험을 통하여 분명히 존재함을 확인하였다. 이는 저레이놀즈수의 충류에서 축회 전에 의한 와가 유동 특성에 중요한 영향을 끼침을 의미한다.
- 축방향 유동이 존재하는 경우, 축회전수 변화에 따른 한 쌍의 와 크기에 관한 자료는 많지 않기 때문에 와의 크기 비교는 어렵지만 Becker와 KayeS/] 실험에서 보여준 축방향 유동이 없을 경우와 마찬가지로 회전수가 증가할수록 와의 크기는 점차 감소함올 확인하였다.
- 환형부내 생성되는 한 쌍의 Taylor 와 파장은축회전수가 증가할수록 점차 감소하며, Prandtl 의 이론식3)을 고려할 때 Taylor 와의 크기는 환형 부의 틈새간격에 의존한다는 것을 알 수 있었다. 이러한 Taylor 와는 헬리컬 유동특성에 지대한 영향을 끼쳐 압력손실 중대와 더불어 임계레이놀즈수를 감소시켜 유동을 불안정하게 한다.
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