[논문]자유표면과 반응하는 수직와류에 대한 표면점성계수와 표면장력의 영향

김경훈; 손권; 김석우

문제 정의

본 실험에서는 3가지의 다른 계면활성제가 사용되었는데, 이는 서로 다른 점탄성 거동을 갖는 각각의 계면활성제를 갖는 자유표면에서 불용성의 분자층을 형성하기 위함이다. 계면활성제로는 유사기체(오릴(oleyl) 알코올), 유사 액체(헤미시아닌) 및 유사 고체(스테아르(stearic) 산) 등이 사용되었다.
본 실험의 목적은 순도 100%의 증류수로 이루어진 청정자유표면과 오염된 자유표면, 그리고 고체평판이 와류유동에 미치는 영향을 고찰하기 위한 것이다.
본 연구는 레이저와 형광물질을 사용한 가시화를. 통하여 청정자유표면과 오염된 자유표면에서 반응하는 원통형 와류의 정성적 연구에 목적을 두었다.
이 경계조건은 오염된 표면의 경계조건과 비교를 위해 수행하였다. 50 X 70 X 2 mm 크기의 아크릴로 제작된 고체 평판을 50 x 245 x 2 mm의 확장평 판에 부착하여 Fig.
본 연구는 레이저와 형광물질을 사용한 가시화를. 통하여 청정자유표면과 오염된 자유표면에서 반응하는 원통형 와류의 정성적 연구에 목적을 두었다. 수직와류와 자유표면과의 상호작용을 관찰하기 위해서 순수한 증류수로 이루어진 청정 자유표면과 실제와 같이 자유표면에 활동하는 물질을 포함한 자유표면을 만들기 위하여 표면활성물질을 사용하여 자유표면상 에 불용성 단층을 형성시켜 만든 오염된 자유표면, 그리고 아크릴로 만들어진 고체벽면의 조건으로 실험적 관찰을 수행하였다.

제안 방법

본 연구에서 표면장력의 측정은 원통형 물탱크위에 링 타입의 표면장력계를 설치함으로써 직접 이루어진다. 작은 볼밸브(ball valve)는 탱크의 메인 드레인호 스(drain hose)에 설치된다.
통하여 청정자유표면과 오염된 자유표면에서 반응하는 원통형 와류의 정성적 연구에 목적을 두었다. 수직와류와 자유표면과의 상호작용을 관찰하기 위해서 순수한 증류수로 이루어진 청정 자유표면과 실제와 같이 자유표면에 활동하는 물질을 포함한 자유표면을 만들기 위하여 표면활성물질을 사용하여 자유표면상 에 불용성 단층을 형성시켜 만든 오염된 자유표면, 그리고 아크릴로 만들어진 고체벽면의 조건으로 실험적 관찰을 수행하였다.
이중에서 대표적으로 유사고체 오염물질인 스테아르산(stearic Acid)의 경우를 살펴보면 다음과 같다. 신속하고 균일한 농도의 단일 층(monayer)를 형성시키기 위해 스테아르산을 휘발성이 강한 크로로포름 (chloroform)을 사용하여 용액화시킨 후, 그 액적을 자유표면에 도포하였다. 자유표면에 살포된 미량의 표면 오염물질들은 확산에 의해 표면전체에 균일하게 분포되며, 포화상태에서의 농도를 파악하기 위해 농도를 증가시켜가면서 표면장력을 측정하였다.
염료가 광원 층(laser sheet)에 '의해 발광됨으로써 발생된 와류를 가시화시킨다. 이 가시화된 영상은 분석을 위해 CCD 카메라(Cooke, Flash Cam)를 이용하여 매 5초마다 촬영되었다.
998 %)의 질소가스를 발생시켜 표면 오염물질을 최대한 제거하였다. 이렇게 만들어진 자유표면의 순도를 측정하기 위해 Ring-Type의 표면장력 측정기를 이용하여 와류 발생 직전마다 계측하였으며, 측정오차는 ±O.ldyne/cm이었다. 또한 증류수의 경우, 계측된 표면 장력은 72 dyne/cm로서 준비된 자유표면의 순도가 99% 이상임을 알 수 있었다.
청정자유표면에 대한 실험과정 중에 발견된 한 가지 흥미로운 사실은 전혀 오염되지 않은 순수로 이루어진 자유표면에서는 단순히 손을 접촉한 것만으로도 와류의 수직반응 과정이 전혀 달라진다는 것이다. 이에 대한 보다 정량화된 실험자료의 획득을 위해 스테아르 산(stearic acid)를 이용하여 청정자유표면을 인위적으로 오염시켰다. 스테아르산은 액체이지만 자유표면상에서 분자층 하나 정도의 두께를 지니는 소위 ''단일 분자층(mono-molecular layer)"를 형성하여 고체 벽면과 유사한 경계조건을 생성하므로 ''유사고체 오염물질 (Solid-Like-SurfactaM)로 알려진 물질로서 경계면에서의 전단점성계수는 1〜 10x1(g/sec 를 갖는다(6).
신속하고 균일한 농도의 단일 층(monayer)를 형성시키기 위해 스테아르산을 휘발성이 강한 크로로포름 (chloroform)을 사용하여 용액화시킨 후, 그 액적을 자유표면에 도포하였다. 자유표면에 살포된 미량의 표면 오염물질들은 확산에 의해 표면전체에 균일하게 분포되며, 포화상태에서의 농도를 파악하기 위해 농도를 증가시켜가면서 표면장력을 측정하였다. 0.

대상 데이터

이 경계조건은 오염된 표면의 경계조건과 비교를 위해 수행하였다. 50 X 70 X 2 mm 크기의 아크릴로 제작된 고체 평판을 50 x 245 x 2 mm의 확장평 판에 부착하여 Fig. 4와 같이 설치하였다. 플랩 (flap)의 회전초기에는 플랩에 의해 지지되고, 원통형 탱크의 벽면에 접촉되어 안정적으로 유지되지만, 플랩이 61° 회전한 후에는 중력에 의해 자유표면 위로 내려오게 된다.
본 실험에서는 3가지의 다른 계면활성제가 사용되었는데, 이는 서로 다른 점탄성 거동을 갖는 각각의 계면활성제를 갖는 자유표면에서 불용성의 분자층을 형성하기 위함이다. 계면활성제로는 유사기체(오릴(oleyl) 알코올), 유사 액체(헤미시아닌) 및 유사 고체(스테아르(stearic) 산) 등이 사용되었다. 오염된 자유 표면을 만들기 위하여 계면활성제를 희석하고 주어진 환경에서 측정 가능한 양을 얻기 위해서는 HPLC등 급 벤젠 99.
실험실 조건하에서 자유표면에 수직하게, 그리고 안정적으로 반응하는 와류를 발생시키는 것은 많은 어려움을 내포하고 있으며, 이러한 문제로 인해 발표된 연구결과가 극히 드물다. 본 실험에서는 스텝핑 모터(stepping motor)와 회전날개 및 원통형 탱크로 구성된 실험장치를 통해 수직와류를 발생시킬 수 있었 다.
원통형 탱크는 직경 250mm, 높이 305 mm, 벽 두께 5 mm의 아크릴로 만들었다. 이 탱크는 원통형 표면을 통해 나타나는 광학적 굴절을 제거하기 위하여 한 변이 350 mm인 사각탱크 내에 설치하였다.
원통형 탱크 내에서 자유표면에 수직하게 접한 상태로 생성된 와류는 레이저와 형광물질을 사용하여 가시화된다. 이 장치의 광원으로는 Ar-Ion Laser (Spectra-Physics, model 168, 5Watt)가 사용되었고. 여기서 발생된 청색광(blue beam, 488 nm)은 초점거리 44 mm의 원통형 (cylindrical) 렌즈를 통해 두께 1 mm의 광원 층(light sheet)로 만들어진다.
회전날개는 너비 44 mm, 길이 254 mm, 두께 2mm이며 스테인레스강으로 만들어졌다. 이 회전날개 는 Fig.

성능/효과

(1) 청정자유표면에서 와류는 안정적이고 2차원적으로 나타난다.
(2) 표면에 점성이 있는 분자층으로 오염이 되어 있을 때인 오염된 자유표면에서의 와류는 축유동과 2차 와류의 영향으로 청정자유표면과는 다른 현상이 나타 난다.
1 dyne/cm으로 변화하였다. 2.47 mg/m 이상의 농도에서는 농도 증가에 따른 표면장력의 변화가 관찰되지 않았으며, 포화상태에 도달하였음을 알 수 있었다. 세 가지의 경우 모두에서 측정은 검증된 데이터와 비교되었고, Fig.
따라서 발생된 와류는 자유표면에 수직하게 접한 상태에서 Re=112으로 회전운동을 하며, 와류의 코아(core)반경을 이용한 Fr 수는 0.012로서 와류의 수직반응으로 인한 자유표면의 변형은 무시될 수 있음이 증명되었다.
또한 본 연구의 주목적인 대기와 해수 또는 강 표면 사이의 질량 및 에너지 전달과정을 보다 활성화시킬 수 있는 수단으로서의 수직와류의 타당성은 스테아르산(stearic acid)에 의해 오염된 경우에 대한 실험 결과에서 알 수 있듯이 그 유용성이 입증되었다. 즉, 오염물질에 의해 발생된 표면점성계수는 이차적인 유체 유동을 발생시키며, 이를 통해 대기와 유체표면과의 접촉 및 전달 과정이 보다 활성화될 수 있다는 것이다.
ldyne/cm이었다. 또한 증류수의 경우, 계측된 표면 장력은 72 dyne/cm로서 준비된 자유표면의 순도가 99% 이상임을 알 수 있었다.
자유표면에 수평한 면에서의 유동가시화 측정은 청정자유표면의 경우와 비교할 때 변화가 전혀 없는 동일한 결과를 나타내었으며, 자유표면이 와류의 수직 반응에 미치는 영향을 발견할 수 없었다. 그러나 r=0 cm인 지점에서 자유표면에 수직한 면에 대한 가시화 결과는 청정자유표면의 결과와는 전혀 다른 유동형상을 보여주었으며, Fig.
즉, 자유표면을 갖는 유체유동에 있어서 표면 변형유동학(surface rheology)가 전체 유동장에 미치는 영향이 매우 큼을 알 수 있었으며, 특히 유체가 수돗물이나 강물과 같이 순수가 아닌 경우에는 전체 유체에 대한 용적점성계수가 아닌 자유표면에서의 표면 점성 계수가 반드시 고려되어야 하는 요소임을 알 수 있었 다.
7은 자유표면에 수직하고 r=0 cm에서 촬영된 와류의 유동이다. 표시된 모든 사진으로부터 알 수 있듯이 발생된 와류가 자유표면에 수직한 상태에서 t=20 sec까 지 안정적인 유동장을 형성하고 있음을 알 수 있다.

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