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엔트로피 개념을 이용한 관수로내의 유속분포에 관한 연구
A Study on The Velocity Distribution in Closed Conduit by Using The Entropy Concept 원문보기

大韓土木學會論文集, Journal of the Korean Society of Civil Engineers, B. 수공학, 해안 및 항만공학, 환경 및 생태공학, v.29 no.4B, 2009년, pp.357 - 363  

추태호 (부산대학교 사회환경시스템공학부 토목공학전공) ,  옥치율 (부산대학교 사회환경시스템공학부 토목공학전공) ,  김진원 (한국수자원공사 밀양댐관리단) ,  맹승진 (충북대학교 지역건설공학과)

초록
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일반적으로 사용되는 관수로의 평균유속을 구하려면 Darcy-Weisbach의 마찰손실수두공식을 사용하면 되나, 그러나 이 식의 마찰손실계수 f는 Reynolds수와 상대조도(${\varepsilon}$/d)의 함수이므로 사용하기에 매우 불편하며 따라서 보다 편리한 식이 요구된다. 이에 본 연구에서 Chiu 유속공식의 신뢰성과 정확성을 증명하기 위하여 관수로에서 비삽입식 유속측정 장치인 레이저 유속계(Laser Doppler Velocimeter: LDV) 및 초음파 유량계(Ultrasonic Flowmeter: U/F), 삽입식 유속측정장치인 피토관 (Pitot Tube)을 이용하여 실측한 유속측정 자료와 Chiu의 공식을 이용한 유속분포가 매우 잘 일치함을 증명하였다. 유량의 증감에 관계없이 실험실 수로에서의 최대유속과 평균유속간의 이론적인 선형관계를 증명함으로써 관수로내 유속의 평형상태, 즉 엔트로피 파라미터 M값에 대응하는 평형상태에 도달하려 하고 이 평형상태를 지속적으로 유지하려고 하는 경향이 있음을 증명하였다. 또한, 한 단면을 대표하는 엔트로피 파라미터 M값이 결정되면 최대유속이 발생하는 지점에서의 유속 측정만으로 단면 전체의 평균유속을 쉽게 구할 수 있고 이로부터 간단히 유량을 산정할 수 있음을 증명하였으며, 이는 추후 관수로 설계 및 운영관리 시 가장 중요한 평균유량을 측정할 수 있는 이론적인 도구로 사용될 수 있음을 의미하는 것이다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

When yields the mean velocity of the closed conduit which is used generally, it is available to use Darcy Weisbach Friction Loss Head equation. But, it is inconvenient very because Friction Loss coefficient f is the function of Reynolds Number and Relative roughness (${\varepsilon}$/d). S...

주제어

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문제 정의

  • 본 연구에서 사용한 유속 측정장치인 레이저유속계(Laser Doppler Velocimeter: LDV) 및 초음파유량계(Ultrasonic Flowmeter: U/F)의 Re수 범위는 29,000~42,000이며, 피토관(pitot tube)의 Re수는 470,000정도로 유속측정 Data 취득에 사용된 흐름은 난류 흐름에 해당된다고 할 수 있으며, 위의 조건 및 방법으로 구한 데이터를 이용하여 Chiu의 엔트로피 유속공식에 적용한 결과 실측한 점 유속 자료와 이론적인 Chiu의 공식을 이용한 유속분포가 매우 잘 일치함을 증명하고, 유량이 변화하는 경우에도 평균유속과 최대유속 사이의 관계가 규칙성, 즉 선형관계를 유지하는지 다시 말하면 엔트로피 파라미터(M)가 이에 대응하여 평형상태에 도달함을 증명하고자 한다.
  • 본 연구에서는 Chiu 유속공식의 신뢰성과 정확성을 증명하기 위하여 관수로에서 비삽입식 유속측정장치인 레이저유속계(Laser Doppler velocimeter: LDV) 및 초음파유량계(Ultrasonic Flowmeter: U/F), 삽입식 유속측정장치인 피토관(Pitot tube)을 이용하여 실험실 실측 유속측정 자료와 Chiu의 공식을 이용한 유속분포가 매우 잘 일치함을 증명하였으며, 유량의 증감에 관계없이 실험실수로에서의 최대유속과 평균유속간의 이론적인 선형관계를 증명함으로써 관수로내 유속의 평형상태, 즉 엔트로피 파라미터 M값에 대응하는 평형상태에 도달하려하고, 또한 이 평형상태를 지속적으로 유지하려고 하는 경향이 있음을 확실히 증명하였다. 또한 실제 산업현장에 바로 적용 가능하도록 실용적인 측면에서도 그 적용성이 우수함을 아울러 증명하였으며, 본 연구결과를 요약하면 아래와 같다.
  • 본 연구에서는 실용적 측면에서의 활용성 여부를 판단하기 위하여 레이저 유속계(Laser Doppler Velocimeter: LDV)와 초음파 유량계(Ultrasonic Flowmeter: U/F)의 실측자료를 이용하여 효용성을 증명하고자 한다. 즉, 간단한 수리량으로 부터 산정된 M이 유속의 공간적분포를 잘 표현해 주는지 여부를 실측유속과 비교분석 하였다.
  • 본 연구에서는 위와 같은 Chiu의 유속공식의 적용성을 증명하기 위하여 레이저유속계(Laser Doppler Velocimeter: LDV), 초음파유량계(Ultrasonic Flowmeter: U/F), 피토관(Pitot Tube)을 이용한 실험을 통하여 관수로내의 유속을 측정하고자 한다. 실험실 원형수로에서 유량이 120 l/min에서 170 l/min까지 6회에 걸쳐 변화할 때마다의 유속을 측정하며 수직 직관의 중심선에서 9개 지점에 대하여 주파수 변화가입자속도에 비례하는 것을 이용해서 유속을 측정하는 장치인 레이저유속계(Laser Doppler Velocimeter: LDV)을 이용하여 측정한 점유속 데이터 및 초음파가 직접적으로 유체를 통과하는 투과파를 이용하는 방법으로 유체의 흐르는 방향의 정방향과 역방향으로 초음파를 투과시켜 일정한 거리를 각각 전파하는 시간이 유속에 따라 다르게 나타나는 것을 이용하는 초음파유량계(Ultrasonic Flowmeter: U/F) 측정으로 구한 데이터를 활용하고자 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
관수로의 흐름이란 무엇인가? 윤태훈(2002) 등에 의하면, 관수로의 흐름은 수로의 단면이 어떠한 형상이라도 그 속을 물이 가득차 흐르며, 자유표면을 갖지 않고 흐르는 경우를 말한다. 관수로의 단면형은 원형의 것이 보통이나 원형 이외의 단면형이라도 마찬가지로 취급할 수 있다.
관수로 흐름의 대표적인 예는 무엇인가? 관수로의 단면형은 원형의 것이 보통이나 원형 이외의 단면형이라도 마찬가지로 취급할 수 있다. 관수로 흐름은 수로의 형상과 관계 없이 수로 내부에서 자유수면(free surface)을 갖지 않아 대기압 이외의 압력이 추가로 작용하는 흐름을 말하며 수돗물의 송배수 관로가 대표적인 관수로 흐름이다. 관수로 내 흐름의 물리적 현상은 점성력 및 관성력에 의하여 크게 지배를 받기 때문에 흐름을 층류(laminar flow) 또는 난류(turbulent flow)로 구분하여 해석을 하게 된다.
Chiu의 유속 공식에는 어떠한 개념이 사용되었는가? 따라서 위와 같은 문제를 해결하기 위한 한 가지 대안으로 Chiu의 유속 공식을 사용하는 것이다. Chiu는 기존의 결정론적인 흐름 방향 유속분포식의 한계를 극복할 수 있는 방법으로 확률통계에서 사용되는 엔트로피 개념을 이용한 유속분포 식을 제안하였고, 신뢰성과 정확성을 지속적으로 증명하여 마침내 이에 대한 활용성이 매우 크게 대두되어 Chiu의 유속공식을 적극적으로 사용하고 있다.
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참고문헌 (23)

  1. 강주복(1996) 수리학. 구미서관. 

  2. 김용범(2003) 파동전파 특성을 이용한 관내 평균유속 측정방법. 박사학위논문, 한국과학기술원. 

  3. 곽승진(2008) Chiu 유속분포공식의 적용성에 관한 연구. 석사학위논문, 부산대학교. 

  4. 노명근(2008) 엔트로피 개념을 이용한 유속의 평형상태에 관한 연구. 석사학위논문, 부산대학교. 

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  6. 윤태훈 외 공저(2002) 수리학. 형설출판사. 

  7. 제성진(2008) Manning과 Chiu 공식을 이용한 유속의 공간적 분포에 관한 연구. 석사학위논문, 부산대학교. 

  8. 추태호(2002) 엔트로피 개념에 의한 유량측정 기법(II) - 표면유속을 중심으로 -, 대한토목학회논문집, 대한토목학회, 제22권 제4B호, pp. 507-515. 

  9. 한국상하수도협회(2007) 정수시설운영관리사. 도서출판 건설도서. 

  10. 황상윤(2004) 초음파 유량계 강좌. (주)창민테크. 

  11. Chiu, C.-L. (1986) Structure of 3-D flow in rectangular open channels, Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 112, No. 11, pp. 1050-1068. 

  12. Chiu, C.-L. (1987) Entropy and probability concepts in Hydraulics, Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 113, No. 5, pp. 583-599. 

  13. Chiu, C.-L. (1988) Entropy and 2-D velocity distribution in open channels, Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 114, No. 10, pp. 738-756. 

  14. Chiu, C.-L. (1989) Velocity distribution in open channel flow, Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 115, No. 5, pp. 576-594. 

  15. Choo, T.H. (1998) Efficient Method of Discharge Measurement in Sandys Rivers. Ph. D. Thesis, Dep. of Civ. & Env. Engrg. Univ. of Pittsburgh, Pittsburgh, 1998. 

  16. Choo, T.H. (1990) Estimation of energy and momentum coefficients in open channel flow by Chiu's velocity distribution equation. M.S. Thesis, Dep. of Civ. Engrg. Univ. of Pittsburgh, Pittsburgh, 1990. 

  17. Chiu, C.-L. and Murray, D.W., and Choo, T.H. (1992) Variation of velocity distribution along nonuniform open-channel flow, Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 118, No. 7, pp. 989-1001. 

  18. Chao-Lin Chiu (1993) Application of probability and entropy concepts in pipe-flow sturdy. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 119, No. 6, pp. 742. 

  19. Chiu, C.-L. and Said, C.A.A. (1995) Maximum and mean velocities and entropy in open-channel flow, Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 121, No. 1, pp. 26-35. 

  20. Chiu, C.-L. and Tung, N.-C. (2002) Maximum velocity and regularities in open-channel flow. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 128, No. 4, pp. 390-398. 

  21. Chiu, C.-L. and Hsu, S.-M. (2006) Probabilistic approach to modeling of velocity distributions in fluids flows. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 316, pp. 28-42. 

  22. Mr D Boam, Insertion Meters and Velocity Measuring Probes, National Engineering Laboratory. 

  23. Moramarco et al. (2004) Estimation of Mean Velocity in Natural Channels Based in Chiu's Velocity Distribution Equation, Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 9, No. 1, pp. 42-50. 

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