[논문]광섬유 탐침과 고속가시화 기법을 이용한 원형탱크 내부의 기포직경 및 상승속도 측정

김규락; 최성환; 김윤기; 김경천

doi:10.5407/jksv.2012.10.2.014

문제 정의

이 연구에서는 유동가시화에 의해 얻어진 기포의 영상을 바탕으로 기포의 평균 직경과 상승 속도를 구하였는데, 불규칙한 기포의 영상으로 인해 정확도가 떨어지는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 원형 탱크 내부에서 분출되는 공기 기포에 대해 초고속카메라를 이용한 고속가시화 기술과 광섬유 탐침을 이용한 기포의 크기 및 기포분율 측정의 정확도를 검증하고, 두 개의 광섬유 탐침을 이용하여 기포의 상승속도를 정밀하게 측정하고자 한다.
⁽⁹⁾ 은 원형 탱크 내에서 기포로 구동되는 액체유동에 대한 동적 구조를 연구하였는데, 유동의 구조가 기포의 기하학적 및 운동학적 변수와 밀접한 관계가 있음을 보였다. 이 연구에서는 유동가시화에 의해 얻어진 기포의 영상을 바탕으로 기포의 평균 직경과 상승 속도를 구하였는데, 불규칙한 기포의 영상으로 인해 정확도가 떨어지는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 원형 탱크 내부에서 분출되는 공기 기포에 대해 초고속카메라를 이용한 고속가시화 기술과 광섬유 탐침을 이용한 기포의 크기 및 기포분율 측정의 정확도를 검증하고, 두 개의 광섬유 탐침을 이용하여 기포의 상승속도를 정밀하게 측정하고자 한다.

제안 방법

2에는 광섬유 탐침과 고속카메라의 동기에 사용한 타이밍 챠트를 보여주고 있다. 고속카메라를 구동하는 프로그램 상에서 사진촬영 시작과 동시에 Fiber optic probe 시스템으로 5V TTL 트리거 신호를 보낼 수 있으며, 이 후는 각각의 하드웨어 타이밍에 맞추어 각 신호를 수집하였다. 본 연구에서 사용된 DAQ 보드는 National Instrument사의 9401 제품으로서 2GHz의 대역폭을 가지는 것으로 버블 유동을 계측하기에 충분한 사양으로 선정하였다.
04 mm의 길이 변화가 생겼는데, 이는 기포의 평균 크기에 비해 1% 정도의 오차이며, 고속카메라의 영상에서도 이 정도의 크기 변화가 관찰되고 있다. 기포의 크기는 두 개의 탐침에서 측정된 크기를 평균하여 결정하였다.
본 연구에서는 고속카메라와 2개의 광섬유 탐침을 사용하였으며, 고속카메라 내의 트리거를 사용하여 고속카메라와 광섬유 탐침을 이용한 기포분율 측정을 높은 해상도로 동기화시켰다. 동기화된 신호의 높은 시간 분해능을 얻기 위해 고성능의 초고속카메라의 확보가 필수적이며 본 연구에서는 Photron사의 SA1.1 고속카메라를 이용하여 최대 5000 frame/s의 시간 분해능을 얻을 수 있었다. 이와 같은 결과는 Julia et al.
모든 광 경로는 5 μm의 코어직경을 가지는 싱글모드 광케이블(P3-SMF28-FC-5)을 이용하여 연결하였다.
본 연구에서는 고속카메라와 2개의 광섬유 탐침을 사용하였으며, 고속카메라 내의 트리거를 사용하여 고속카메라와 광섬유 탐침을 이용한 기포분율 측정을 높은 해상도로 동기화시켰다. 동기화된 신호의 높은 시간 분해능을 얻기 위해 고성능의 초고속카메라의 확보가 필수적이며 본 연구에서는 Photron사의 SA1.
압축 공기는 조절 밸브 및 유량계를 통하여 노즐로 공급이 되고 공기의 유량은 정확하게 유량계에 의해 제어된다. 압축 공기의 유량은 1 L/min, 3 L/min, 5 L/min로 변화시키면서 실험을 수행하였다.
따라서, 기포속도 및 크기를 계산하는 알고리즘을 적용하기 위해서는 평균 크기에서 많이 벗어난 신호에 대해서는 적절한 필터링을 해주어야 발생 가능한 오차를 줄일 수 있다. 이를 위해 획득된 신호에서 측정된 기포 크기에서 표준편차에서 3배의 편차를 벗어나는 신호는 제외하고 기포의 크기와 속도를 측정하였다.

대상 데이터

본 실험에서 사용한 광섬유는 외경이 900 μm인 Single core patch cable로서 코어의 직경은 10 μm 이다.
고속카메라를 구동하는 프로그램 상에서 사진촬영 시작과 동시에 Fiber optic probe 시스템으로 5V TTL 트리거 신호를 보낼 수 있으며, 이 후는 각각의 하드웨어 타이밍에 맞추어 각 신호를 수집하였다. 본 연구에서 사용된 DAQ 보드는 National Instrument사의 9401 제품으로서 2GHz의 대역폭을 가지는 것으로 버블 유동을 계측하기에 충분한 사양으로 선정하였다.
광섬유 탐침을 이용한 기포분율 측정에 있어 가장 중요한 고려사항은 높은 시간적/공간적 해상도 및 출력신호의 안정성이라 할 수 있다. 이를 효과적으로 구현하기 위해 통신용으로 많이 사용되는 Thorlabs사의 적외선 연속 광원 (1550 nm, S1FC1550)과 Photodiode 광검출기 (1.2GHz DET01CFC/M)를 이용하였다. 광원에서 출발한 광은 Beam coupler (6015-3-FC, Thorlabs)를 통해 광섬유 탐침에 도달하고 절단면에서 반사된 광은 Beam coupler를 거쳐 Photodiode에서 전압의 형태로 변환되어 실시간으로 컴퓨터에 저장된다.
원형 탱크는 투명한 아크릴 관이며, 영상의 왜곡을 방지하기 위해 외부에 아크릴 판으로 제작한 사각형 탱크 내부에 설치되어 있고, 사이에는 물로 채워져 있다. 작동 유체로는 물을 사용 하였으며, 기포의 형성은 압축공기를 사용하였다. 기포를 분출하기 전의 자유 표면 높이는 바닥으로부터 0.
3은 동기화된 고속카메라로부터 얻은 이미지와 시간에 따른 출력신호를 그래프로 나타낸 것이다. 정확도 검증을 위해 사용된 고속카메라의 해상도는 1,024픽셀 곱하기 1,280 픽셀이고, 관찰창의 크기가 가로 80 mm, 세로 100 mm 이므로 0.078 mm 의 공간 분해능을 가지고 있다. 기포의 평균 크기가 5 mm 정도임을 감안할 때, 공간 오차의 범위는 0.

성능/효과

이와 같은 결과는 Julia et al.(4)의 연구에서 사용되었던 고속카메라보다 5배 정도 빠른 데이터 수집 속도를 보였다. Fig.
2%이내의 정확도를 가지며, 기포직경은 순간적인 기포변형을 고려하더라도 1% 정도의 오차 범위 내에서 측정이 가능하였다. 두 개의 광섬유 탐침을 이용하여 원형탱크 내부에서 분출하는 기포의 평균 직경과 상승속도를 측정한 결과 기포의 움직임이 수직면에서 벗어남을 고려하더라도 5% 이내의 오차 범위 내에서 정확한 측정이 가능함을 보였다.
0002초 의 오차를 발견하였으나 이는 기포의 3차원 형상에 따른 오차로 사료된다. 두 번째의 탐침에서도 기포가 통과하는 순간인 0.1288초에서 신호의 급격한 하강을 관찰하였고, 기저 상태의 도달은 약간의 시간 편차를 두고 0.13초에 도달하였다. 기포가 두 개의 탐침을 통과하고 난 이후의 신호는 시간 0.
또한 첫 번째와 두번째 탐침 모두 지난다 하더라도 버블이 옆면만 스쳐지나간다면 탐침에서 검출되는 기포의 속도 및 크기 계산에는 상당히 큰 차이를 유발하게 된다. 따라서, 기포속도 및 크기를 계산하는 알고리즘을 적용하기 위해서는 평균 크기에서 많이 벗어난 신호에 대해서는 적절한 필터링을 해주어야 발생 가능한 오차를 줄일 수 있다. 이를 위해 획득된 신호에서 측정된 기포 크기에서 표준편차에서 3배의 편차를 벗어나는 신호는 제외하고 기포의 크기와 속도를 측정하였다.
본 연구에서 고속카메라와 광섬유 탐침을 동기시켜 원형 탱크 내부에서 분출되는 기포의 평균 직경과 상승 속도를 측정한 결과 광섬유 탐침은 기포의 경계면에서 상당히 빠른 반응속도를 가짐을 확인하였고, 이에 따라 기포의 상승 속도는 0.2%이내의 정확도를 가지며, 기포직경은 순간적인 기포변형을 고려하더라도 1% 정도의 오차 범위 내에서 측정이 가능하였다. 두 개의 광섬유 탐침을 이용하여 원형탱크 내부에서 분출하는 기포의 평균 직경과 상승속도를 측정한 결과 기포의 움직임이 수직면에서 벗어남을 고려하더라도 5% 이내의 오차 범위 내에서 정확한 측정이 가능함을 보였다.
6에는 공기의 유량이 1 L/min, 3 L/min, 5 L/min 일 때, 원형탱크 내에서 분출되는 기포가 두 개의 탐침을 지나갈 때 얻어진 반사광 신호를 시간에 따라 1초 동안의 변화를 나타낸 그림이다. 유량이 증가할수록 동일한 시간 동안 탐침을 통과하는 기포의 수가 증가하고 있음을 알 수 있고, 기포의 크기를 나타내는 높은 반사광의 지속시간도 길어짐을 알 수 있다. 탐침의 상대적 위치가 고정되어 있다 하더라도 기포는 항상 두개의 탐침의 중심을 지나지는 않는다.
Table 1에는 각각의 실험조건에서 측정한 기포의 평균 직경과 상승속도를 정리하였다. 측정오차는 95%의 신뢰성 영역에서 5% 이하의 정확도를 보였다. 노즐의 출구가 5 mm임을 고려해 볼 때, 기포는 부력에 의해 노즐에서 분리되기 까지 노즐 직경의 3-4배 크기로 커짐을 알 수 잇다.
정확도 검증 실험에서 광섬유 탐침은 기체-액체 경계면에서 매우 빠른 응답속도를 보이며, 두 개의 광섬유 탐침을 사용한다면 보다 정확한 기포의 상승속도를 측정할 수 있으리라 판단된다. 한편, 유동가시화 영상을 기준으로 구한 기포의 크기는 기포의 형상이 3차원이므로 정확도가 높지 않음을 알 수 있었다. 추후 연구에서 다수의 카메라로 3차원 촬영을 하고 기포의 3차원 형상을 재건하여 비교한다면 더욱 정확한 값을 얻을 수 있으리라 사료된다.

후속연구

Julia et al.(4)의 연구에서는 광섬유 탐침과 카메라를 직접적으로 동기화하지 않고 추가적인 광 측정장치를 트리거로 사용함으로써 측정신호간의 임의의 시간지연이 발생하는 한계가 있었다. Rojas et al.
이는 버블이 상승하면서 버블의 아랫 쪽 경계면이 볼록하게 나오는 현상에 의해 발생된 오차로 사료된다. 정확도 검증 실험에서 광섬유 탐침은 기체-액체 경계면에서 매우 빠른 응답속도를 보이며, 두 개의 광섬유 탐침을 사용한다면 보다 정확한 기포의 상승속도를 측정할 수 있으리라 판단된다. 한편, 유동가시화 영상을 기준으로 구한 기포의 크기는 기포의 형상이 3차원이므로 정확도가 높지 않음을 알 수 있었다.
한편, 유동가시화 영상을 기준으로 구한 기포의 크기는 기포의 형상이 3차원이므로 정확도가 높지 않음을 알 수 있었다. 추후 연구에서 다수의 카메라로 3차원 촬영을 하고 기포의 3차원 형상을 재건하여 비교한다면 더욱 정확한 값을 얻을 수 있으리라 사료된다.

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