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가설 설정
- 이때 각 크기별 기포량은 1 m3 당 3.5X 107개로 가정하였다.
- 이때 각 크기별 기포량은 1 m3 당 3.5X Iff 개로 가정하였다.
제안 방법
- 그러므로 본 논문에서는 모터 회전에 의해 발생되는 캐비테이션 기포의 크기와 분포량을 음속과 감쇠값의 변화를 이용하여 추정하였다. 또한 장착된 블레이드의 회전 속도와 면적을 변화시키면서 발생되는 캐비테이션 기포의 크기와 분포량을 관측하였고 지속시간에 따른 캐비테이션 기포의 분포량 변화를 실펴보았다.
- 그러므로 본 논문에서는 모터 회전에 의해 발생되는 캐비테이션 기포의 크기와 분포량을 음속과 감쇠값의 변화를 이용하여 추정하였다.
- 광학 카메라 촬영은 고속모터의 회전을 멈춘 후에도 유체의 움직임이 있으므로 주로 모터 정지 후 유체의 흐름이 느려진 1분 후부터 3분 후까지 실시되었다. 그러므로 촬영시간과 가장 유사한 90초와 120초의 음향 실험 결과를 이용하여 광학 카메라 촬영 결과와 비교하였다. 기포 크기의 범위는 반경 8 〜 50 µm이며, 전체 기포 중 반경 10 ~ 30 µm의 기포가 80%를 차지하고 있었다 (그림 11).
- 그러므로 촬영시간과 가장 유사한 90초와 120초의 음향 실험 결과를 이용하여 광학 카메라 촬영 결과와 비교하였다.
- 대기 시간 동안 ABS장치를 이용하여 기포에 의한 음향적 특성의 추이를 파악하여 유체 내에 기포가 존재하지 않는 것을 확인하였다 그 후 기포가 존재하지 않는 유체 내에서 20 〜 300 kHz 주파수를 10 kHz 간격으로 송수신하여 음향 신호를 획득하였다. 다음으로 기포가 존재하는 유체에서의 음향 특성을 파악하기 위해 고속 모터 끝에 장착된 둥근 막대형 블레이드를 회전시켜 캐비테이션 기포를 발생 시킨 후 20 〜 300 kHz 주파수 대역의 신호를 송수신하였다.
- 다음으로 기포가 존재하는 유체에서의 음향 특성을 파악하기 위해 고속 모터 끝에 장착된 둥근 막대형 블레이드를 회전시켜 캐비테이션 기포를 발생 시킨 후 20 〜 300 kHz 주파수 대역의 신호를 송수신하였다.
- 먼저 기포가 존재하지 않는 유체에서의 음향^이터 획득을 위하여 실험 전에 담수를 미리 유리수조에 넣고 약 3시간동안 방치하였다. 대기 시간 동안 ABS장치를 이용하여 기포에 의한 음향적 특성의 추이를 파악하여 유체 내에 기포가 존재하지 않는 것을 확인하였다 그 후 기포가 존재하지 않는 유체 내에서 20 〜 300 kHz 주파수를 10 kHz 간격으로 송수신하여 음향 신호를 획득하였다. 다음으로 기포가 존재하는 유체에서의 음향 특성을 파악하기 위해 고속 모터 끝에 장착된 둥근 막대형 블레이드를 회전시켜 캐비테이션 기포를 발생 시킨 후 20 〜 300 kHz 주파수 대역의 신호를 송수신하였다.
- 대기 시간 동안 ABS장치를 이용하여 기포에 의한 음향적 특성의 추이를 파악하여 유체 내에 기포가 존재하지 않는 것을 확인하였다 그 후 기포가 존재하지 않는 유체 내에서 20 〜 300 kHz 주파수를 10 kHz 간격으로 송수신하여 음향 신호를 획득하였다.
- 또한 생성된 캐비테이션 기포의 지속시간 별 분포량 변화를 알아보기 위해서 40초 동안 4000 7071의 속도로 블레이드를 회전시키고, 회전을 멈춘 후 30 초 간격으로 2분 동안 다중 주파수를 송수신하여 시간에 따른 기포량의 감소율을 측정하였다.
- 또한 생성된 캐비테이션 기포의 지속시간 별 분포량 변화를 알아보기 위해서 40초 동안 4000 rpm 의 속도로 블레이드를 회전시키고, 회전을 멈춘 후 30 초 간격으로 2분 동안 다중 주파수를 송수신하여 시간에 따른 기포량의 감소율을 측정하였다.
- 하지만 미세 캐비테이션 기포는 더 긴 시간 지속될 수 있는데 이는 표면장력과 관련되어 있다 [15,16]. 또한 음향과 광학적인 관측으로 캐비테이션 기포가 지속되는 것을 확인하였다. 전체 기포 중 다수를 차지하는 반경 10 µm 〜 20 µm 의 기포는 30초 마다 대략 절반의 기포량이 감소되는 것을 관찰하였다.
- 그러므로 본 논문에서는 모터 회전에 의해 발생되는 캐비테이션 기포의 크기와 분포량을 음속과 감쇠값의 변화를 이용하여 추정하였다. 또한 장착된 블레이드의 회전 속도와 면적을 변화시키면서 발생되는 캐비테이션 기포의 크기와 분포량을 관측하였고 지속시간에 따른 캐비테이션 기포의 분포량 변화를 실펴보았다. 또한 캐비테이션 기포 크기를 광학현미경으로 촬영하여 음향실험 결과와 비교하였다.
- 또한 장착된 블레이드의 회전 속도와 면적을 변화시키면서 발생되는 캐비테이션 기포의 크기와 분포량을 관측하였고 지속시간에 따른 캐비테이션 기포의 분포량 변화를 실펴보았다. 또한 캐비테이션 기포 크기를 광학현미경으로 촬영하여 음향실험 결과와 비교하였다.
- 유리 수조에 30 l의 유체를 채우고 고속 모터로 40초 동안 4000 rpm 속도로 캐비테이션 기포를 발생시켰다. 모터를 멈춘 후 수조의 앞쪽에 위치한 광학 카메라와 뒷쪽에 위치된 조명을 이용해 촬영하였다. 카메라의 초점을 수조 안 25 cm 깊이에 1 cm2 이내의 넓이로 맺히게 하여 그 안에 들어온 기포를 연속해서 촬영하였다.
- 모터를 멈춘 후 수조의 앞쪽에 위치한 광학 카메라와 뒷쪽에 위치된 조명을 이용해 촬영하였다.
- 본 실험에서는 공기 기포에 대한 이론과 연구를 바탕으로 캐비테이션 기포의 크기와 분포량을 측정하였다. 일반적으로 공기로 채워져 있는 기포와 액체가 상변화를일으켜 발생된 캐비테이션 기포는 표 2와 같이 상당한 차이가 있다.
- 블레이드 끝단 겉넓이의 증가에 따른 캐비테이션 기포의 크기와 분포량 측정 실험에서는 3500 rpm의 속도와 40초의 동일한 기포 발생 시간의 조건에서 면적이 다른 4 종류의 블레이드를 사용하여 실험을 실시하였다. 블레이드 끝단의 겉넓이는 각각 32, 52, 70, 98 mm2 이었다.
- 블레이드 끝단 겉넓이의 증가에 따른 캐비테이션 기포의 크기와 분포량 측정 실험에서는 3500 rpm의 속도와 40초의 동일한 기포 발생 시간의 조건에서 면적이 다른 4 종류의 블레이드를 사용하여 실험을 실시하였다.
- 세부 실험으로 회전 속도에 따른 캐비테이션 기포의 발생 특성을 보기 위해 3000, 3500, 4000 rpm 의 속도로 40 초간 기포를 생성 시킨 후 신호를 송수신하였다. 사용된 블레이드의 회전 반경은 51 mm이고, rpm과 회전반경을 이용해 단위 시간당 거리로 계산하면 회전 속도는 각각 16 m/s, 18.
- 세부 실험으로 회전 속도에 따른 캐비테이션 기포의 발생 특성을 보기 위해 3000, 3500, 4000 rpm 의 속도로 40 초간 기포를 생성 시킨 후 신호를 송수신하였다.
- 신호 송수신을 위하여 각 주파수당 5 cycle의 신호를 송신 증폭기 (NF HSA4101X 통해 34 dB 증폭시켜 송신기에서 음파를 발생시켰다.
- 신호 송수신을 위하여 각 주파수당 5 cycle의 신호를 송신 증폭기 (NF HSA4101) 통해 34 dB 증폭시켜 송신기에서 음파를 발생시켰다.
- 음향 실험 결과의 검증을 위해 광학카메라를 이용한 기포 크기 측정을 실시하였다. 광학 카메라 촬영은 고속모터의 회전을 멈춘 후에도 유체의 움직임이 있으므로 주로 모터 정지 후 유체의 흐름이 느려진 1분 후부터 3분 후까지 실시되었다.
- 음향 실험 결과의 검증을 위해 광학카메라를 이용한 기포 크기 측정을 실시하였다.
- 음향을 이용한 실험의 검증을 위해 광학카메라를 이용하여 기포의 크기를 측정하였다. 유리 수조에 30 l의 유체를 채우고 고속 모터로 40초 동안 4000 rpm 속도로 캐비테이션 기포를 발생시켰다.
- 전체 기포 중 다수를 차지하는 반경 10 µm 〜 20 µm 의 기포는 30초 마다 대략 절반의 기포량이 감소되는 것을 관찰하였다.
- 그러므로 유체의 흐름이 거의 없는 1분 이후부터 약 2분 동안 사진을 촬영하였다. 촬영된 50 여장의 사진으로부터 기포의 크기를 구하기 위해 미리 측정된 기준크기의 원과 비교하여 절대적 수치로 환산하였다.
- 그러므로 유체의 흐름이 거의 없는 1분 이후부터 약 2분 동안 사진을 촬영하였다. 촬영된 50 여장의 사진으로부터 기포의 크기를 구하기 위해 미리 측정된 기준크기의 원과 비교하여 절대적 수치로 환산하였다.
- 모터를 멈춘 후 수조의 앞쪽에 위치한 광학 카메라와 뒷쪽에 위치된 조명을 이용해 촬영하였다. 카메라의 초점을 수조 안 25 cm 깊이에 1 cm2 이내의 넓이로 맺히게 하여 그 안에 들어온 기포를 연속해서 촬영하였다. 고속 모터의 정지 후 1분 이내에는 유체의 흐름이 지속되기 때문에 정밀한 기포의 촬영이 어렵다.
- 카메라의 초점을 수조 안 25 cm 깊이에 1 cm2 이내의 넓이로 맺히게 하여 그 안에 들어온 기포를 연속해서 촬영하였다.
- 캐비테이션 기포가 존재하는 경우와 존재하지 않는 경우의 신호를 비교하여 그 음속비와 감쇠값을 주파수 별로 비교하였다 (그림 6).
- 캐비테이션 기포의 지속 사간별 소멸률을 살펴보기 위해 캐비테이션 기포를 생성시킨 후 30초 간격으로 2분까지 기포량의 변화를 관측하였다. 일반적으로 캐비테이션 기포는 생성 직후 수초 안에 모두 붕괴되어 사라지게 된다.
대상 데이터
- 세부 실험으로 회전 속도에 따른 캐비테이션 기포의 발생 특성을 보기 위해 3000, 3500, 4000 rpm 의 속도로 40 초간 기포를 생성 시킨 후 신호를 송수신하였다. 사용된 블레이드의 회전 반경은 51 mm이고, rpm과 회전반경을 이용해 단위 시간당 거리로 계산하면 회전 속도는 각각 16 m/s, 18.7 m/s, 21.4 m/s이었다.
- 실험에 사용된 30 (가로) X 30 (세로) X 55 (높이) cm 의 유리수조 안에 30 C 의 담수 (fresh water)를 넣고, 수심 25 cm 에 ABS (Acoustic Bubble Spectrometer) 송신기와 수신기를 위치시켰다.
- 실험에 사용된 30 (가로) X 30 (세로) X 55 (높이) cm의 유리수조 안에 30 l 의 담수 (fresh water)를 넣고, 수심 25 cm 에 ABS (Acoustic Bubble Spectrometer) 송신기와 수신기를 위치시켰다.
데이터처리
- 캐비테이션 기포가 존재하는 경우와 존재하지 않는 경우의 신호를 비교하여 그 음속비와 감쇠값을 주파수 별로 비교하였다 (그림 6).
성능/효과
- 그러나 두 기포의 물리적 특성의 차이에도 불구하고 캐비테이션 기포를 공기 기포로 가정하여 구하여도 그 차이가 매우 작다. 그러므로 본 실험의 캐비테이션 기포의 크기와 분포량 관측 결과는 적절한 값이라고 볼 수 있다.
- 반경 10 〜 30 µm의 기포가 음향 실험과 광학 카메라 촬영 결과 모두에서 가장 우세하게 발생되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 기포의 크기별 분포량이 각각 유사한 비율을 차지하고 있었다.
- 반경 10 〜 30 µm의 기포가 음향 실험과 광학 카메라 촬영 결과 모두에서 가장 우세하게 발생되는 것을 확인할 수 있었다.
- 블레이드의 겉넓이와 기포 분포량의 결과를 보면 고속모터를 회전시킬 때 블레이드 끝단의 면적이 32 mm2 에서 98 m*로 3 배 이상 증가해도 발생되는 기포의 크기와 양의 차이가 거의 없음을 확인하였다.
- 블레이드의 겉넓이와 기포 분포량의 결과를 보면 고속모터를 회전시킬 때 블레이드 끝단의 면적이 32 mm2에서 98 mm2로 3 배 이상 증가해도 발생되는 기포의 크기와 양의 차이가 거의 없음을 확인하였다.
- 전체 기포 중 다수를 차지하는 반경 10 /im ~ 20 /ini 의 기포는 30초 마다 대략 절반의 기포량이감소되는 것을 관찰하였다.
후속연구
- 캐비테이션 기포가 오폐수의 정화, 미세 유해 물질의 제거 등에 사용될 때, 그 효율성과 효과를 측정하기 위해서는 발생 조건에 따른 생성된 기포의 크기와 분포량을 측정할 필요가 있으며, 생성된 기포가 시간별로 어떤 비율로 존재와 소멸하는지를 음향을 이용하여 연구할 필요가 있다.
- 캐비테이션 기포가 오폐수의 정화, 미세 유해 물질의 제거 등에 사용될 때, 그 효율성과 효과를 측정하기 위해서는 발생 조건에 따른 생성된 기포의 크기와 분포량을 측정할 필요가 있으며, 생성된 기포가 시간별로 어떤 비율로 존재와 소멸하는지를 음향을 이용하여 연구할 필요가 있다.
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