표면조도에 의해 발생하는 난류유동은 공학적, 물리적 분야에서 매우 중요하게 다루어지고 있다. 표면조도는 선박에서도 설계, 용접, 도장 등 각각의 단계에서 다양한 측면으로 고려되어야 할 중요한 요소이다. 본 연구는 표면조도 형상을 일반화하여 PIV기법을 적용하여 수조실험을 수행하였다. 표면조도 조건은 거칠기 형상의 간격에 대해 변화를 주었으며, 실험유속은 Re = $1.1{\times}10^4$, Re = $2.0{\times}10^4$, Re = $2.9{\times}10^4$ 에서 시간평균에 대한 난류강도를 알아보았다. 거칠기 계수 증가에 따라 표면 거칠기 형상 근처에서 발생한 난류성분에 의해 난류강도는 강하게 나타났으며, 자유흐름 영역으로 갈수록 유동 방향의 변동이 전혀 없는 흐름이 나타났다. 실험유속 조건 변화에 대한 난류강도의 편차는 크게 영향을 받지 않았다.
표면조도에 의해 발생하는 난류유동은 공학적, 물리적 분야에서 매우 중요하게 다루어지고 있다. 표면조도는 선박에서도 설계, 용접, 도장 등 각각의 단계에서 다양한 측면으로 고려되어야 할 중요한 요소이다. 본 연구는 표면조도 형상을 일반화하여 PIV기법을 적용하여 수조실험을 수행하였다. 표면조도 조건은 거칠기 형상의 간격에 대해 변화를 주었으며, 실험유속은 Re = $1.1{\times}10^4$, Re = $2.0{\times}10^4$, Re = $2.9{\times}10^4$ 에서 시간평균에 대한 난류강도를 알아보았다. 거칠기 계수 증가에 따라 표면 거칠기 형상 근처에서 발생한 난류성분에 의해 난류강도는 강하게 나타났으며, 자유흐름 영역으로 갈수록 유동 방향의 변동이 전혀 없는 흐름이 나타났다. 실험유속 조건 변화에 대한 난류강도의 편차는 크게 영향을 받지 않았다.
In physical engineering, the turbulent flow on the surface roughness is very important. With the welding, design and paint, the hull surface roughness at each stage in the various aspects are important factors to be considered. In this study, the hull surface roughness geometry that was generalized ...
In physical engineering, the turbulent flow on the surface roughness is very important. With the welding, design and paint, the hull surface roughness at each stage in the various aspects are important factors to be considered. In this study, the hull surface roughness geometry that was generalized to the PIV was applied to the tank test. The roughness of the surface changed the distance of the interval. Experimental velocity is Re = $1.1{\times}10^4$, Re = $2.0{\times}10^4$ and Re = $2.9{\times}10^4$. The turbulent intensity at the time-average were examined The roughness coefficient occurred with increasing turbulence intensities was stronger. The turbulence intensity away from the roughness in the shape was zero. The variation of turbulence intensity at the experimental flow conditions change was not affected.
In physical engineering, the turbulent flow on the surface roughness is very important. With the welding, design and paint, the hull surface roughness at each stage in the various aspects are important factors to be considered. In this study, the hull surface roughness geometry that was generalized to the PIV was applied to the tank test. The roughness of the surface changed the distance of the interval. Experimental velocity is Re = $1.1{\times}10^4$, Re = $2.0{\times}10^4$ and Re = $2.9{\times}10^4$. The turbulent intensity at the time-average were examined The roughness coefficient occurred with increasing turbulence intensities was stronger. The turbulence intensity away from the roughness in the shape was zero. The variation of turbulence intensity at the experimental flow conditions change was not affected.
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문제 정의
본 연구에서는 선체표면에서 나타나는 거칠기 정도에 따라 표면 조도 형상 부근부터 자유흐름 영역까지의 난류강도 성분에 대해 알아보았다. 고려되는 실험적 접근으로는 거칠기 높이에 비하여 거칠기 사이의 간격이 넓은 k-type의 간격변화 조건이며, 선체표면의 주위의 유속성분을 고려하여 실험 유속조건이다.
제안 방법
충분한 예비실험과 선행연구를 바탕으로 돌출부 형상 3, 4개 이후에는 동일 패턴의 유동이 나타남을 고려하여 촬영 및 해석영역은 거칠기 영역 X방향으로 320 ~540mm지점으로 하였다 (이 등, 2010). 상용프로그램인 "CACTUS 3.1"을 이용하여 촬영된 영상에 대해 해석하였으며, 해석영역은 표면 조도 형상 높이를 기준으로 상부를 해석하였다.
고려되는 실험적 접근으로는 거칠기 높이에 비하여 거칠기 사이의 간격이 넓은 k-type의 간격변화 조건이며, 선체표면의 주위의 유속성분을 고려하여 실험 유속조건이다. PIV기법을 이용하여 유속조건과 표면거칠기 간격변화에 따라 표면거칠기에 의한 난류성분의 영향과 유동 경계층에서의 난류 변동성분에 대해 고찰하였다.
2는 거칠기를 일반화하여 실험모델의 기하학적 형상을 나타낸 것이다. 균일하고 연속적인 거칠기를 표현하기 위해서 요철의 반복횟수를 50 회 이상 반복하도록 제작하였다. 또한 거칠기의 형상이 불균형한 동일입자추적을 위한 해석영역은 요철 형상을 갖은 모델의 구간이 2회 반복되는 구간으로 선정하여 해석하였다.
동일입자의 추적을 감안하여 해석영역의 격자는 90 x 50으로 하였으며, 격자를 고려한 동일입자추적 반경은 12pixel로 설정하였다. 시간 평균유동장의 해석을 위해 1, 000Frame(실험시간 =8.
6은 실험조건 변화에 따라 난류강도를 비교하기에는 난해한 부분이 있다. 따라서 X/w 지점의 0에서 부 터 22지점을 균등하게 19개로 나누어 각각의 지점에 대하여 Y/w가 0인 지점부터 4까지 난류강도 성분을 추출하였다. 표면 조도 간격변화 및 실험유속 조건 변화에 따라 표면 근처에서 의 난류변동에 대한 편차와 난류강도에 대하여 해석하였다.
균일하고 연속적인 거칠기를 표현하기 위해서 요철의 반복횟수를 50 회 이상 반복하도록 제작하였다. 또한 거칠기의 형상이 불균형한 동일입자추적을 위한 해석영역은 요철 형상을 갖은 모델의 구간이 2회 반복되는 구간으로 선정하여 해석하였다. 그리고 거칠기의 가로방향을 w라 정의하고 세로 방향을 H 그리고 간격을 "로 정의하였다.
9X 104 로 하였다. 모델은 선체표면의 불규칙한 표면조도의 형상을 일반화하여 요철(凹凸)형태로 적용하였다.
선체 표면조도 형상을 요철(凹凸)구조로 일반화하여 PIV 기법을 적용하여 모델실험을 적용하여 거칠기의 간격변화에 따른 경계층 내에서의 난류강도에 대해 고찰하였다. 시간평균 난류 강도와 실험영역 평균에 대한 난류변동분을 다음과 같은 결론으로 나타내었다.
시간 평균유동장의 해석을 위해 1, 000Frame(실험시간 =8.0sec)을 순차적으로 선정하여 입자의 이동을 시간 평균하였다.
실험영역의 난류변동분(Turbulent velocity fluctuations)을 해석하여 평균유속에 대한 유속편차와 난류의 정도를 알아보았다.
이용하였다. 실험환경과 최초 유동 유입지점과 거칠기 형상 간 거리 등을 고려하여 거칠기 간격변화(λ) 조건을 적용하였다. 충분한 예비실험과 선행연구를 바탕으로 돌출부 형상 3, 4개 이후에는 동일 패턴의 유동이 나타남을 고려하여 촬영 및 해석영역은 거칠기 영역 X방향으로 320 ~540mm지점으로 하였다 (이 등, 2010).
박 등(1988)은 선체에 대한 항력을 평가하기 위해서 거칠기 함수를 결정하고, 이에 대한 이론적 방법과 직접 조사방법을 제시하였다. 제시된 방법에 대하여 선체 표면의 거칠기 정도에 따라 속도 손실을 해석하였으며, 항력 평가에 대한 추가적 기술과 방법을 거론하였다.
따라서 X/w 지점의 0에서 부 터 22지점을 균등하게 19개로 나누어 각각의 지점에 대하여 Y/w가 0인 지점부터 4까지 난류강도 성분을 추출하였다. 표면 조도 간격변화 및 실험유속 조건 변화에 따라 표면 근처에서 의 난류변동에 대한 편차와 난류강도에 대하여 해석하였다.
따른 유동 특성에 대해 연구하였다. 하나의 유속조건으로 고정하였으며, 거칠기 요소변화에 따른 유속 및 와도분포, 난류강도, 전단응력 등을 소개하였디..
국 (2000)은 거칠기 형상변화 조건에서 수조시험을 수행하였다. 형상은 3차원 저면조도 형태로 바닥 거칠기 형태에 인위적 요소를 추가하여 조석잔차류를 고려한 방향성 저항특성을 해석하였다. 유속 및 모델조건에 변화를 주어 해수교환에 따른 최적 저면 조도 형상을 선정하였다.
대상 데이터
1은 레이저의 광원을 회류수조에 2차원으로 조사(照査)한 후 고속카메라를 이용해 모델 주위의 유동을 계측한 입자 영상 유속계의 시스템을 나타낸 것이다. 모델 주위 유동의 원활한 주적을 위해 150㎛ 크기의 미소한 입자를 사용하였다. Table.
1 은 본 연구에 적용된 실험 유속과 모델의 기하학적 형상을 거칠기 계수로 표현하였다. 실험유속은 선체 주위의 유속을 고려하였으며, 표면 거칠기의 최대 간격 60mm를 대표 길이로 하여, Re= 1.1 X 104 , 7?e= 2.0X 104 , Re= 2.
형상은 3차원 저면조도 형태로 바닥 거칠기 형태에 인위적 요소를 추가하여 조석잔차류를 고려한 방향성 저항특성을 해석하였다. 유속 및 모델조건에 변화를 주어 해수교환에 따른 최적 저면 조도 형상을 선정하였다. 김 등(2005)은 풍동실험을 통한 트리핑 구조물에서 조도 변화에 따른 난류 경계층 발달과 특성을 해석하였다.
성능/효과
8은 (a)에서 (c)까지 같은 표면조도 형상조건일 때 실험 유속 변화에 따른 표면근처의 난류강도이다. 각각의 수치 값이 미비하게 차이는 있으나 동일한 곡선 형태임을 볼 때, 실험 유속변화에 따른 표면근처에서 난류강도에는 크게 영향을 보이지 않음을 알 수 있다.
거칠기 계수(Cr)가 증가함에 따라 난류강도는 표면조도 형상 부근에서 큰 편차를 가지고, 난류강도 편차는 거칠기 계수의 증가에 따라 거칠기 형상을 벗어나 균등하게 확장됨을 보였다. 높은 편차의 난류강도는 자유흐름에서 표면근처로 갈수록 점차발달된다.
실험영역에 대해 추출하여 평균된 난류변동분은 유속변화에 따른 k-type의 거칠기 요소에 따라 거의 차이를 보이지 않지만, Cr이 커질수록 큰 차이를 보.인다.
5 는 표면조도 간격 4w일 때의 그래프이다. 유속증가에 따른 표면 조도 골부분에서 높은 영역의 난류강도를 확인할 수 있었으며, 유속증가에 따라 상대적으로 높은 난류강도를 확인할 수 있다. Fig.
참고문헌 (10)
국승기(2000), 방향성 저항특성을 가진 3차원 저면조도의 최적형상에 관한 연구, 한국항만학회지, 제14권, 제4호, pp. 441-450.
김동건, 김문경, 윤순현(2005), 영압력 구배 난류 경계층에서 표면조도가 미치는 영향, 한국마린엔지니어링학회지, 제29권, 제4호, pp. 453-460.
Tachie, M. F., M. Agelinchaab, M. K. Shah(2007), Turbulent flow over transverse ribs in open channel with converging side walls, The International journal of heat and fluid flow, Vol. 28, No. 4, pp. 683-707.
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