풍향풍속계는 실시간으로 풍향과 풍속을 측정하는 기상관측기구로서 바람의 영향을 많이 받는 항만, 조선소, 해상구조물, 또는 건설현장에서 사용되는 크레인에 장착되어 작업가능 여부를 알리거나 전도 사고를 예방하기 위한 안전시스템과 연동되어 사용된다. 로드 셀형 풍향풍속계는 4개의 수풍부에 연결된 로드 셀의 하중 합을 이용하여 풍속을, 하중 비를 이용하여 풍향을 측정한다. 선행연구에 따르면, 풍향에 따른 인접한 두 수풍부의 하중 비는 날개 주위에 와류로 인해 불규칙한 값을 보이게 되며, 이는 풍향 오차를 증가시키는 원인이 된다. 본 연구에서는 이러한 오차를 줄이기 위하여 세 가지 수풍부 형상에 따른 하중 비를 분석하고, 오차를 줄일 수 있는 수풍부 형상을 제시하고자 한다. 수풍부 형상에 따른 하중 비를 비교하기 위해 ANSYS CFX를 사용하여 유동해석을 수행하였으며, 설계변수로 0도에서 90도까지 11.25도 간격으로 9가지 풍향조건을 설정하였다.
풍향풍속계는 실시간으로 풍향과 풍속을 측정하는 기상관측기구로서 바람의 영향을 많이 받는 항만, 조선소, 해상구조물, 또는 건설현장에서 사용되는 크레인에 장착되어 작업가능 여부를 알리거나 전도 사고를 예방하기 위한 안전시스템과 연동되어 사용된다. 로드 셀형 풍향풍속계는 4개의 수풍부에 연결된 로드 셀의 하중 합을 이용하여 풍속을, 하중 비를 이용하여 풍향을 측정한다. 선행연구에 따르면, 풍향에 따른 인접한 두 수풍부의 하중 비는 날개 주위에 와류로 인해 불규칙한 값을 보이게 되며, 이는 풍향 오차를 증가시키는 원인이 된다. 본 연구에서는 이러한 오차를 줄이기 위하여 세 가지 수풍부 형상에 따른 하중 비를 분석하고, 오차를 줄일 수 있는 수풍부 형상을 제시하고자 한다. 수풍부 형상에 따른 하중 비를 비교하기 위해 ANSYS CFX를 사용하여 유동해석을 수행하였으며, 설계변수로 0도에서 90도까지 11.25도 간격으로 9가지 풍향조건을 설정하였다.
Anemometer is a meteorological instrument that measures wind direction and wind speed in real time, and is mounted to the cranes that are used at ports, shipbuilding yards, off-shore structure, or construction sites that are influenced by wind, and it is used in conjunction with the safety system. L...
Anemometer is a meteorological instrument that measures wind direction and wind speed in real time, and is mounted to the cranes that are used at ports, shipbuilding yards, off-shore structure, or construction sites that are influenced by wind, and it is used in conjunction with the safety system. Load cell-type anemometer measures the wind direction through the ratio of load between 4 positions by mounting the thin plate to 4 load cells, and measures wind velocity through the summation of loads. According to previous research, the load ratio between two adjacent windswept with respect to the wind direction has unstable value due to vortex around windswept. This causes the result that increases an error on the wind direction. In this study we compared and analyzed the difference between the load ratio with respect to three type windswept shapes in order to suggest the proper windswept shape to reduce this error. The computational fluid flow analysis is carried out with ANSYS CFX to analyze the load ratio between three windswept shapes. Wind direction was adopted as the design variable, and selected 9 wind direction conditions from $0^{\circ}{\sim}90^{\circ}$ with $11.25^{\circ}$ interval for computational fluid flow analysis.
Anemometer is a meteorological instrument that measures wind direction and wind speed in real time, and is mounted to the cranes that are used at ports, shipbuilding yards, off-shore structure, or construction sites that are influenced by wind, and it is used in conjunction with the safety system. Load cell-type anemometer measures the wind direction through the ratio of load between 4 positions by mounting the thin plate to 4 load cells, and measures wind velocity through the summation of loads. According to previous research, the load ratio between two adjacent windswept with respect to the wind direction has unstable value due to vortex around windswept. This causes the result that increases an error on the wind direction. In this study we compared and analyzed the difference between the load ratio with respect to three type windswept shapes in order to suggest the proper windswept shape to reduce this error. The computational fluid flow analysis is carried out with ANSYS CFX to analyze the load ratio between three windswept shapes. Wind direction was adopted as the design variable, and selected 9 wind direction conditions from $0^{\circ}{\sim}90^{\circ}$ with $11.25^{\circ}$ interval for computational fluid flow analysis.
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문제 정의
그러나 하중 비는 수풍부 주위에 와류로 인해 불규칙한 값을 보이게 되며, 이는 풍향 오차를 증가시키는 원인이 된다. 따라서 본 연구에서는 로드 셀형 풍향풍속계의 상용화를 위해 세 가지 수풍부 형상에 따른 하중 비를 분석하고, 오차를 줄일 수 있는 수풍부 형상을 제시하고자 한다. 수풍부 형상에 따른 하중 비를 비교하기 위해 ANSYS CFX를 사용하여 유동해석을 수행하였으며(ANSYS Inc, 2010), 설계변수로 0도에서 90도까지 11.
이러한 결과는 하중 비와 풍향사이의 관계식을 도출할 때 편차를 발생시켜 측정오차를 발생시킨다. 따라서 오차를 최소화하기 위한 수풍부의 형상을 제시하기 위하여 세 가지 형상의 수풍부를 선정하여 수풍부의 형상이 하중 비에 미치는 영향을 평가하였다. 해석모델을 Fig.
본 연구에서는 로드 셀형 풍향풍속계를 상용화하는데 있어서 풍향과 하중 비 사이의 관계식을 1차식으로 유도하는 데 적합한 수풍부의 형상을 제시하기 위해 세 가지 수풍부 형상을 해석모델로 설정하고 전산유동해석을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
4는 해석을 위한 유동장과 경계조건을 나타낸다. 사면체요소를 사용하여 유한요소를 생성하였으며, 요소의 크기를 해석모델 주변은 평판 두께로 설정하였으며, 경계면에는 Default 값을 적용하였다.
선행연구에서 인접한 두 날개 사이의 하중 비는 풍속과 무관함을 확인하였으므로 세 가지 해석 모델의 상대비교를 위해 20m/s의 풍속을 적용하였으며, 0°에서 90°까지 11.25°간격으로 총 9가지 풍향조건을 설계변수로 하여 해석을 수행하였다.
따라서 본 연구에서는 로드 셀형 풍향풍속계의 상용화를 위해 세 가지 수풍부 형상에 따른 하중 비를 분석하고, 오차를 줄일 수 있는 수풍부 형상을 제시하고자 한다. 수풍부 형상에 따른 하중 비를 비교하기 위해 ANSYS CFX를 사용하여 유동해석을 수행하였으며(ANSYS Inc, 2010), 설계변수로 0도에서 90도까지 11.25도 간격으로 9가지 풍향조건을 설정하였다.
우측 출구는 Outlet으로 설정하고 좌우와 상하면은 Opening으로 경계조건을 설정하고 작용압력은 대기압으로 하였다. 수풍부의 각 평판에 영역을 할당하여 유동해석 후 수풍부에 작용하는 압력을 확인할 수 있도록 하였다. 전산유동해석을 위한 난류조건으로 k-ε모델을 채택하였다(Teixeira, 2005).
경계조건은 좌측 입구를 Inlet으로 설정하고 20 m/s의 풍속을 적용하였다. 우측 출구는 Outlet으로 설정하고 좌우와 상하면은 Opening으로 경계조건을 설정하고 작용압력은 대기압으로 하였다. 수풍부의 각 평판에 영역을 할당하여 유동해석 후 수풍부에 작용하는 압력을 확인할 수 있도록 하였다.
하중 비는 90° 간격으로 반복되므로 본 연구에서는 0°에서 90°까지의 구간에서 1번(N)과 2번(E) 날개의 하중 비를 산출하였다. 풍향에 따른 각 수풍부의 압력 합은 결과적으로 각 막대형 로드 셀의 하중이 되므로 유동해석결과로 각 날개의 하중 합을 산출하여 하중 비를 계산하였다. 전산유동해석은 ANSYS CFX를 사용하여 수행하였다.
하중 비는 90° 간격으로 반복되므로 본 연구에서는 0°에서 90°까지의 구간에서 1번(N)과 2번(E) 날개의 하중 비를 산출하였다.
대상 데이터
로드 셀형 풍향풍속계의 전산유동해석을 위한 유동장은 유동해석에 널리 사용되는 육면체로 구성하였으며, 경계면의 영향을 최소화하기 위하여 유동장의 폭과 높이는 해석 모델 크기의 5배, 전면부 길이는 4배, 후면부 길이는 10배로 생성하였다. Fig.
데이터처리
풍향에 따른 각 수풍부의 압력 합은 결과적으로 각 막대형 로드 셀의 하중이 되므로 유동해석결과로 각 날개의 하중 합을 산출하여 하중 비를 계산하였다. 전산유동해석은 ANSYS CFX를 사용하여 수행하였다.
이론/모형
전산유동해석을 위한 난류조건으로 k-ε모델을 채택하였다(Teixeira, 2005).
성능/효과
2) 세 가지 수풍부의 형상에 대해 전산유동해석을 수행한 결과 단순 직사각형일 때와 평판 중앙에 홈을 가공한 모델의 풍향에 따른 하중 비는 곡선의 형태를 띠는 반면에 양 측면에 홈이 가공된 모델은 직선에 가까운 형태를 보였다.
3) 로드 셀형 풍향풍속계의 상용화에 필요한 1차식으로 풍향과 하중 비 사이의 관계식을 도출하였을 때, 단순 직사각형의 수풍부 형상을 갖는 model 1의 오차 기준으로 중앙에 홈이 가공된 model 2의 오차는 오히려 21.6% 증가하였으나, 양 측면에 홈이 가공된 model 3의 오차는 62.5% 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 상용화를 위해서는 양 측면에 홈이 가공된 수풍부의 형상을 채택하여야 함을 알 수 있다.
후속연구
4) 본 연구결과는 해석과 실험을 병행한 선행 연구의 결과를 토대로 세 가지 수풍부 형상에 따른 전산유동해석을 수행하여 상용화에 필요한 적정 수풍부 형상을 제시하였으며, 이 연구 결과는 풍하중을 받는 다양한 구조물의 설계에 활용될 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
풍향풍속계는 어디에 사용되는가?
풍향풍속계는 실시간으로 풍향과 풍속을 측정하는 기상관측기구로서 바람의 영향을 많이 받는 항만, 조선소, 해상구조물, 또는 건설현장에서 사용되는 크레인에 장착되어 작업가능 여부를 알리거나 전도 사고를 예방하기 위한 안전시스템과 연동되어 사용된다. 로드 셀형 풍향풍속계는 4개의 수풍부에 연결된 로드 셀의 하중 합을 이용하여 풍속을, 하중 비를 이용하여 풍향을 측정한다.
풍향풍속계란?
풍향풍속계는 실시간으로 풍향과 풍속을 측정하는 기상관측기구로서 바람의 영향을 많이 받는 항만, 조선소, 해상구조물, 또는 건설현장에서 사용되는 크레인에 장착되어 작업가능 여부를 알리거나 전도 사고를 예방하기 위한 안전시스템과 연동되어 사용된다. 로드 셀형 풍향풍속계는 4개의 수풍부에 연결된 로드 셀의 하중 합을 이용하여 풍속을, 하중 비를 이용하여 풍향을 측정한다.
로드 셀형 풍향풍속계의 풍향 오차를 증가시키는 원인은?
로드 셀형 풍향풍속계는 4개의 수풍부에 연결된 로드 셀의 하중 합을 이용하여 풍속을, 하중 비를 이용하여 풍향을 측정한다. 선행연구에 따르면, 풍향에 따른 인접한 두 수풍부의 하중 비는 날개 주위에 와류로 인해 불규칙한 값을 보이게 되며, 이는 풍향 오차를 증가시키는 원인이 된다. 본 연구에서는 이러한 오차를 줄이기 위하여 세 가지 수풍부 형상에 따른 하중 비를 분석하고, 오차를 줄일 수 있는 수풍부 형상을 제시하고자 한다.
참고문헌 (7)
박도현, 예윤해(2006), "위상측정방식을 이용한 3차원 초음파 풍향풍속계의 특성분석", 센서학회지, 제15권, 제6호, pp. 442-448.
Kim, K. S., Lee, Y. N., Kim, J. S., Jung, J. R., Seo, D. J., Ga, C. H., Kim, D. S., Son, S. M., Go, H. J., Cha, K. H., Lee, J. D., Moon, C. J., and Kim J. S.(1991), "The Research about Anemometer", Ministry of Science and Technology, Vol. 1, No. 1, pp. 2-18.
Teixeira, F. P. and Awruch, M. A.(2005), "Numerical Simulation of Fluid-Structure Interaction using the Finite Element Method", Computers & Fluids, Vol. 34, pp. 249-273.
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