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문제 정의
- 본 연구에서는 3차원 PIV기법을 사용하여 속도분포를 계측하고, 수치해석 결과와 상호 비교 연구하여 이 분야의 학문적 그리고 기술적 발전에 기여하고자 한다.
제안 방법
- 원형관의 굴절효과를 방지하기 위하여, 테스트 튜브 외부에 직사각형 투명아크릴 박스를 사용하고, 내부에 물을 채웠다. 순환수는 선회발생기, 테스트 튜브, 순환수 탱크 그리고 순환 펌프를 통과하여 다시 테스트 튜브에 유입하도록 설계하였다. 순환수의 Reynolds 수는 펌프 입구의 바이파스 밸브로 조절하였다.
- 이들은 실험장치의 굴곡된 벽의 왜곡 효과는 매핑함수로 보정하였다. 이와 반면에, 본 연구에서는 전형적인 핀홀(pinhole) 모델을 기반으로 왜곡 효과를 보정하였다. 굴곡된 관을 통과한 영상은 많이 왜곡되는 관계로 매핑함수의 경우보다 크게 왜곡되기 쉽다.
- 이와 같이 하여 벡터 격자점의 위치(속도벡터 시점)를 계산하였고, 3차원 벡터의 종점은 각 카메라 영상으로부터 구한 2차원 속도벡터 종점을 식(8)을 이용하여 구하였다. 한편, 2차원 속도벡터 종점은 계조치상호상관법으로 구하였다.
대상 데이터
- 모델상수는 C1ε=1.42, C2ε=1.58, Cµ=0.0845 그리고 Prt=0.85를 사용하였다.
- 본 연구에서 하이브리드 SPIV 시스템이 계측에 사용되었다. Doh 등(11)이 개발한 3차원 PTV 계측에 대한 10개 파라미터 카메라 교정법을 적용하였다.
- 사용된 입자는 나일론 입자 100~120 µm을 사용하였다.
- 4 에서 선회유동의 실험영상(raw image)을 나타낸다. 실험영상은 1초당 200 플레임 촬영하여 1200 플레임을 계산에 사용하였다. Re=8800과 Re=12000에서 관 중심 부근에서 볼텍스 코어가 나타남을 볼 수 있다.
- 이미지 계측에 사용된 카메라는 Kodak제품(ES 1.0)을 사용하였고 광원용레이저(2W)는 Blitz사 제품을 이용하였다.
- 선회발생기는 접선방향 슬롯(tangential slot)을 사용하였다. 테스트 튜브는 내경 40 mm, 길이 1300 mm의 투명 아크릴 튜브를 사용하여 가공하였다. 원형관의 굴절효과를 방지하기 위하여, 테스트 튜브 외부에 직사각형 투명아크릴 박스를 사용하고, 내부에 물을 채웠다.
이론/모형
- 3차원 PIV기법을 사용하여, Re=6000~13000 에서 속도분포들을 계측하였다. 사용된 입자는 나일론 입자 100~120 µm을 사용하였다.
- 본 연구에서 하이브리드 SPIV 시스템이 계측에 사용되었다. Doh 등(11)이 개발한 3차원 PTV 계측에 대한 10개 파라미터 카메라 교정법을 적용하였다. Soloff 등(12) 은 카메라 교정을 위해, 매핑함수(mapping function)를 사용하였다.
- 연구에서 RNG k-ε 모델이 사용되었다.
- 10에 나타내고 있다. 이 장치의 격자형성 작업은 Iffan(10)이 사용한 기법과 같이 선회 발생기와 테스트 튜브 전체를 메시 작업하였다. 3차원 질량 보존 방정식은 다음 식들과 같이 나타낼 수 있다.
- 0 mm)에서의 영상을 사용하였다. 카메라 교정을 위하여 10개 매개변수 법(the ten-parameter method)을 사용하였다. 여기서, 변수들(카메라 외부변수들, l, α, β, γ, mx, my, 내부변수들, cx, cy, k1, k2)이 얻어진다.
성능/효과
- 1) 볼텍스 코어는 Re=8800~12000에서 관 중심 부근에서 나타났고, 이 코어는 관 중심을 따라 계속 상승하였다. Re 수가 증가할 경우 입자들은 다소 강한 유동 각을 형성하면서 이동하였다.
- 2) 특이한 현상은 테스트 튜브 중심 근처에서 Vy가 2셀의 부의 속도를 나타내었고, 이 현상은 수평 원통 관에서와 유사하지만, 부의 속도는 증가하나 양의 속도는 다소 낮은 것을 알 수 있었다. 이것은 물의 중력에 관계된 것으로 생각된다.
- 3) Re=12000에서 2셀의 부의 속도는 테스트 튜브를 따라 점차 양의 속도로 바뀌었고, 이 현상은 수평원통관의 경우와 유사하지만 유동의 중심이 Re 수의 변화에 따라 변동하는 것을 알 수 있다. 이것은 선회유동의 접선방향 속도와 수직관의 특성에 기인된 것으로 생각된다.
- 4) 선회유동의 수치해석 결과에서, 축 방향 속도 분포는 y/D=1~2에서 다소 낮은 속도분포를 나타내었지만, 실험 결과와 비교할 때 차이가 났다. 그러나 Re=11,7500에서는 관 중심에서 부의 속도 분포를 볼 수 있었다.
- 은 선회유동을 발생시키기 위하여 가이드 베인 형 선회발생기를 사용하여 수직하향 원통관에서 물을 이용하여 실험하였고, 그는 Re=30000에서 테스트 튜브 중심에서 역류흐름이 발생함을 발견하였다. 선회강도 혹은 Reynolds 수가 증가할수록 축방향속도는 부의 속도분포를 나타내었고, 선회강도가 감소하면, 이 속도분포는 점차 양의 속도 분포로 바뀌었다.
- 이 현상은 Nuttal(1) 과 Binnie 등(2) 이 실험한 수직 하향류 관의 결과와 유사한 경향을 보였다. 특이한 현상은 수평관이나 수직하향류와 달리 볼텍스 코어의 크기가 명확하게 작은 것을 관찰할 수 있었다.
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