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문제 정의
- 곡관덕트에 연결된 직관덕트에서 난류진동유동의 유동변수들은 곡관내에서 발생하는 2차유동 및 유동변수들의 영향으로 직관에 미치는 속도분포 및 전단응력의 변화, 압력구배의 변동주기 및 진동유동의 관성효과에 의한 직관내의 압력분포변화와 유동의 입구길이를 변화시켜 또 다른 특성을 나타낼 것으로 생각된다. 따라서 본 연구에서는 직관내부의 속도분포와 벽면전단응력을 규명하여 직관내부의 유동특성이 미치는 영향을 고찰하고 객관적인 정확성을 얻어 공조덕트설계 및 관로망 설계에 유체공학적인 기초자료를 제공함에 본 연구의 목적이 있다.
- 이러한 비정상유동의 진동유동해석에 대한 연구의 필요성이 높아지면서 각종 유동장을 가진 덕트의 유동특성에 대하여 많은 연구들이 발표되고 있다. 따라서 본연구에서는 곡관부에서 직관부로 변하는 유동영역에서 나타나는 비정상성의 복잡한 현상을 규명하고자 하였다.
제안 방법
- 3에 나타내었다. 광학계가 비치된 LDV systeme 측정위치를 정확하게 하기 위해서 3차원이송기구(Traverse system)를 설치하였다. 또한 신호처리기, Personal Computer, 오실로스코프가 있으며 자료처리는 PHASE software를 사용하였다.
- 난류진동유동의 유동영역을 분류하기 위하여 실험 덕트내에 열선유속계에 연결된 열선 센서를 유동이 충분히 발달되었다고 생각되는 무차원 축방향 위치(x/Dh)=60 지점의 덕트중심에 삽입하여 Reynolds 수를 변화시켜가면서 최초의 난류 burst가 생성된 이후를 난류 진동 유동의 영역으로 규정하였다. 본 실험에서는 난류 진동유동의 특성상 곡관덕트에 연결된 직관덕트 에서 감속위상의 초기에 최초로 난류성분이 나타나기 시작할 때의 단면평균 Reynolds 수에서 진동유동의 단면평균 Reynolds수가 증가함에 따라 가속위상과 감속위상에서 역류되는 순간을 제외하고 난류성분이 증가하여 전 구간에 걸쳐서 난류성분이 나타날 때를 난류진동유동으로 규정한 후 실험하였다.
- 5~8까지 사용한 기호는 각각 Scotch-Yoke형 가진기의 회전원판의 위치에 따른 위상[<0〃(〃6)]변화의 위치를 나타내었으며 덕트의 중앙 횡축을 중심으로 윗 부분은 덕트내로 유입유동이며 아랫부분은 유출유동으로 이는 각각 가속유동과 감속유동을 나타낸다. 또한 덕트중앙의 종축을 중심으로 덕트 상하방향(2)을 17지점 측정하였다. 여기서 진동유동의 Reynolds 수가 증가할수록 유입유동을 나타내는 속도분포 값이 증가하고, 또한 유동이 완전히 발달하지 않은 입구영역에서 덕트의무차원 축방향 위치(x/Dh)가 하류쪽으로 진행할수록 속도분포 값이 증가함을 알 수 있었으며 완전 발달된 유동영역에서는 유입과 유출유동의 횡방향 속도 분포형이 거의 대칭적인 형태를 이루고 있음을 고찰할 수 있다.
- 무단변속모터에 의해 진동주파수 (f) 를 조절하였고 회전원판의 위치에 의한 피스톤의 진폭(Ap)을 조절하여 레이놀즈 수(Reos)와 무차원 각진동수(<。+)를 Table 1과 같은 조건에서 변화시켜가면서 실험을 수행하였다. 또한 축방향 위치(x/Dh)를 곡관이 끝나는 지점(180。)을 0으로 하고 5, 10, 20, 30, 40, 50,60, 90으로 위치를 변화시키면서 덕트 중심으로부터 /방향으로 17등분하여 각 지점에서 난류진동유동의 순간속도를 측정하였다.
- 발생시켰다. 무단변속모터에 의해 진동주파수 (f) 를 조절하였고 회전원판의 위치에 의한 피스톤의 진폭(Ap)을 조절하여 레이놀즈 수(Reos)와 무차원 각진동수(<。+)를 Table 1과 같은 조건에서 변화시켜가면서 실험을 수행하였다. 또한 축방향 위치(x/Dh)를 곡관이 끝나는 지점(180。)을 0으로 하고 5, 10, 20, 30, 40, 50,60, 90으로 위치를 변화시키면서 덕트 중심으로부터 /방향으로 17등분하여 각 지점에서 난류진동유동의 순간속도를 측정하였다.
- 본 실험에서는 난류 진동유동의 특성상 곡관덕트에 연결된 직관덕트 에서 감속위상의 초기에 최초로 난류성분이 나타나기 시작할 때의 단면평균 Reynolds 수에서 진동유동의 단면평균 Reynolds수가 증가함에 따라 가속위상과 감속위상에서 역류되는 순간을 제외하고 난류성분이 증가하여 전 구간에 걸쳐서 난류성분이 나타날 때를 난류진동유동으로 규정한 후 실험하였다. 본 실험에서 사용한 열선유속계는 2채널을 가진 TSI제작의 1050-2C 모델로서측정용 I형 열선 센서를 지지봉에 삽입하여 각 채널에서 센서의 저항을 보상하고 오실로스코프에 연결해서 각 채널에 대한 테스트 시그널을 찾은 후 공기보정기와 경사마노메타를 이용하여 선형계수값을 얻어 속도에 대한 전압의 보정 곡선을 얻었고 이때 발생한 속도는 photo-corder에 의해 속도 파형을 획득할 수 있게 하였다. Fig.
- 본 실험에서는 난류 진동유동의 특성상 곡관덕트에 연결된 직관덕트 에서 감속위상의 초기에 최초로 난류성분이 나타나기 시작할 때의 단면평균 Reynolds 수에서 진동유동의 단면평균 Reynolds수가 증가함에 따라 가속위상과 감속위상에서 역류되는 순간을 제외하고 난류성분이 증가하여 전 구간에 걸쳐서 난류성분이 나타날 때를 난류진동유동으로 규정한 후 실험하였다. 본 실험에서 사용한 열선유속계는 2채널을 가진 TSI제작의 1050-2C 모델로서측정용 I형 열선 센서를 지지봉에 삽입하여 각 채널에서 센서의 저항을 보상하고 오실로스코프에 연결해서 각 채널에 대한 테스트 시그널을 찾은 후 공기보정기와 경사마노메타를 이용하여 선형계수값을 얻어 속도에 대한 전압의 보정 곡선을 얻었고 이때 발생한 속도는 photo-corder에 의해 속도 파형을 획득할 수 있게 하였다.
- 본 연구에서는 가진 펌프에 연결된 곡관과 직관의 조합 덕트에서 직관만을 시험대상으로 덕트내의 속도분포를 Reynolds 수와 위상차에 따라 축방향과 횡방향의 위치를 변화시켜가며 실험을 수행하였다. 곡관덕트에 연결된 직관덕트에서 난류진동유동의 유동변수들은 곡관내에서 발생하는 2차유동 및 유동변수들의 영향으로 직관에 미치는 속도분포 및 전단응력의 변화, 압력구배의 변동주기 및 진동유동의 관성효과에 의한 직관내의 압력분포변화와 유동의 입구길이를 변화시켜 또 다른 특성을 나타낼 것으로 생각된다.
- 2는 시험에 사용된 덕트의 좌표계를 나타내었다. 시험덕트에서 속도분포를 측정하기 위한 LDV(제작사:COHERENT 모델:INNOVA 70)의 광학계 배치는 이 중 빔 모드(Dual beam mode)이 며 2 color 3 beam 방식의 후방산란형 최 대출력 2W의 Ar-Ion Laser로서 관벽에 가까운 부근의 유속을 정확히 측정하기 위하여 Laser의 beam 교차각을 가능한 범위에서 크게 하여 측정체적을 최소로 하였으며, 본 실험에서는 beam의 교차각을 5.48° 를 사용하였다. 집광렌즈에 의해 모아진 산란광은 2x 1俱의 통과 입자로부터 속도를 전송 받고 field stop을 거치면서 산란광 이외의 잡광은 제거되며 color separator0, ] 의해 488.
- 시험덕트의 대칭벽 사이의 거리는 40 mm ± 0.5 mm A 유지되도록 하였고 벽의 인접각은 90° ±0.4° 가 되도록 하였으며, 밑면은 전길이에 걸쳐 ±0.5 飾 이내에서 수평이 되도록 하였다. 정확한 실험을 위하여 LDV를 적재한 Traverse는 수평기를 이용하여 수평상태를 유지하였다.
- 진동유동은 scoch-Yoke형 가진기의 교번주기에 의한 왕복운동으로 인하여 덕트 내의 속도를 유입과 유출유동으로 나누어서 Fourier 급수에 의하여 6차의 고주파 성분까지의 진폭과 위상각을 계산하였다. 진동유동의 레이놀즈 수와 무차원 각진동수는 다음의 식 (2)와 식 (3)으로부터 계산하였다.
대상 데이터
- 본 실험에서 작동유체는 모기향을 연소시킨 공기산란입자를 사용하였다. 모기향 입자의 크기는 0.
- 실험덕트는 40 x 40 min이고 길이가 4000 mm 이며 덕트입구에는 정류상자 및 벨마우스형 유입관 (inlet bell mouth)을 설치하였으며 곡관의 출구측 직관덕트도 입구부의 직관 덕트와 동일한 규격이며 곡관부 덕트 또한 직관부와 동일단면이고 곡률반경이 400飾인 곡관덕트로서 U字형을 형성하고 있다. 시험덕트의 대칭벽 사이의 거리는 40 mm ± 0.
성능/효과
- (1) 곡관에 연결된 직관에서 난류진동유동의 임계 Reynolds 수는 약 7500 부근이었으며, 덕트의 축방향 위치가 하류쪽으로 진행할수록 속도분포값이 증가함을 알 수 있다.
- 큰 영향을 미칠 수 있다.(1) 모든 관로망의 설비는 직관과 곡관으로 이루어져 있으며 곡관 내부에서의 흐름은 직관과 달리 원심력이 작용한다. 따라서 곡관내의 유동은 직관에서 찾아볼 수 없는 복잡한 유동의 현상을 동반하며 이후 연결된 직관에서는 곡관의 원심력에 의한 배관내의 압력차로 새로운 입구길이가 형성되면서 유체유동의 비정상성은 더욱 뚜렷이 나타나는데 이런 현상은 유동입자와 고체입자의 충돌로 수격 현상이 나타나며 건축물 배관계 및 플랜트의 수명을 단축시킬 뿐 만 아니라 소음과 진동을 유발하여 경제적인 부담을 증가시키기도 한다.
- (2) 속도분포는 가속위상보다 감속위상에서 약간 크게 나타났으며, 입구영역에서 유입유동의 속도분포는 점점 발달되고, 유출유동은 뚜렷한 변화가 없으며, 완전 발달된 유동영역에서 유입 유동과 유출유동의 속도분포는 비교적 대칭인 분포를 이루고 있다.
- (3) 난류진동유동의 전단응력분포는 유동이 하류방향으로 진행함에 따라 지속적인 증가를 이루었고, 난류진동유동의 축방향 위치가 수력직경의 40 배 부근부터는 일정한 벽면전단응력분포를 나타내고 있음으로 보아 완전 발단한 난류유동 영역으로 볼 수 있다.
- 곡관의 끝부분에 직관이 연결되어 유동이 발달하지 않는 직관의 입구 유동영역에서는 벽면의 점성에 의한 영향으로 경계층이 생성되어 진동유동의 Reynolds 수가 증가할수록, 덕트의 무차원 축방향 위치가 하류쪽으로 진행할수록 경계층영역이 성장되어가다가 완전발달된 유동영역에서는 축방향 속도분포의 변화가 거의 없어지고 벽면쪽의 속도값도 입구에서의 속도값보다 증가함을 알 수 있었다.
- 무차원 각진 동수를 고정한 상태에서 시 3"|/| 와(z uxA - (z 幻国)에 대한 진동유동의 Reynolds 수(Reos)를 변화시키면서 얻은 실험결과 횡단면 속도분포가 덕트의 무차원 축방향이 하류방향으로 진행할수록 점점 발달해서 완전 발달된 유동으로 되어 Sohn©과 Koh(12> 등이 제시한 결과와 비교하여볼 때 비교적 1/7승 법칙에 잘 일치하고 있음을 고찰할 수 있다. 따라서 난류진동유동에서는 무차원 각진동수가 일정한 경우 입구길이가 진동유동의 레이놀즈수에 비례함을 알 수 있었고 가속영역의 속도값 보다 감속영역의 속도값이 약간 크게 나타남을 알 수 있다.
- 또한, 난류진동유동의 전단응력분포는 유동이 덕트입구부에서 축방향의 유동하류방향으로 진행함에 따라 점점 증가함을 알 수 있었고 입구영역을 벗어난 완전 발달된 난류진동유동에서는 벽면전단응력 분포(r„g)의 변화가 거의 없음을 고찰하였다. 또한 입구의 영향을 받지 않는 난류진동유동의 레이놀즈수가 증가할수록 Fig.
- 따라서 본 실험조건에서 완전 발달된 유동 위치는 무차원 축방향 위치(x/Dh)=40 정도임을 또한 알 수 있다. 무차원 각진 동수를 고정한 상태에서 시 3"|/| 와(z uxA - (z 幻国)에 대한 진동유동의 Reynolds 수(Reos)를 변화시키면서 얻은 실험결과 횡단면 속도분포가 덕트의 무차원 축방향이 하류방향으로 진행할수록 점점 발달해서 완전 발달된 유동으로 되어 Sohn©과 Koh(12> 등이 제시한 결과와 비교하여볼 때 비교적 1/7승 법칙에 잘 일치하고 있음을 고찰할 수 있다. 따라서 난류진동유동에서는 무차원 각진동수가 일정한 경우 입구길이가 진동유동의 레이놀즈수에 비례함을 알 수 있었고 가속영역의 속도값 보다 감속영역의 속도값이 약간 크게 나타남을 알 수 있다.
- 또한 덕트중앙의 종축을 중심으로 덕트 상하방향(2)을 17지점 측정하였다. 여기서 진동유동의 Reynolds 수가 증가할수록 유입유동을 나타내는 속도분포 값이 증가하고, 또한 유동이 완전히 발달하지 않은 입구영역에서 덕트의무차원 축방향 위치(x/Dh)가 하류쪽으로 진행할수록 속도분포 값이 증가함을 알 수 있었으며 완전 발달된 유동영역에서는 유입과 유출유동의 횡방향 속도 분포형이 거의 대칭적인 형태를 이루고 있음을 고찰할 수 있다.
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