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문제 정의
- 본 연구에서는 레이놀즈수에 따른 공기력계수의 민감도를 평가하기 위하여 이순신대교의 유선형 트윈박스를 대상으로 축척 1:30 강체 모형을 제작하고 최대풍속 70m/s 조건하에서 공기력을 측정하였다. 이러한 고레이놀즈수 풍동실험 결과와 기존 저레이놀즈수 풍동실험 결과와 비교 분석하였으며, 그 결과를 정리하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 기존 저레이놀즈수 영역에서 실험한 풍동실험 결과가 실제로 구조물 설계에 유용한 데이터가 되기 위해서는 반드시 레이놀즈수에 독립적인 범위 내에서 수행되어야 하며, 저레이놀즈수 풍동실험의 한계를 이해하고 레이놀즈수의 영향을 정확히 평가하여야 한다. 이에 본 연구에서는 유선형 단면을 가지는 이순신대교를 대상으로 1/30의 대축척 모형을 제작하여 레이놀즈수에 민감도에 대한 연구를 수행하였다.
제안 방법
- Dummy part와 metric part 사이의 갭은 2.5mm이내로 최소화하였고, 모형의 진동으로 부딪혀 힘이 전달되는 경우를 막기 위해 fouling sensor를 설치하여 dummy part와 metric part가 닿았을 경우 신호음이 울리도록 연결하였다. 모형 전체 무게는 약 250kg이며, 측정을 위한 metric part의 길이는 0.
- 공기력 측정 실험시 기류는 등류로 한정하였으며 가드레일의 유무와 경계층 촉진장치 부착에 따른 변화를 살펴보았다. 가드레일의 조건 변화에 따라 영각은 -5도에서 +5도까지 달리하여 실험을 응답을 측정하였다(Table 3). 공기력의 정의는 Fig.
- 공기력 측정 실험시 기류는 등류로 한정하였으며 가드레일의 유무와 경계층 촉진장치 부착에 따른 변화를 살펴보았다. 가드레일의 조건 변화에 따라 영각은 -5도에서 +5도까지 달리하여 실험을 응답을 측정하였다(Table 3).
- 실험을 수행한 전북대학교 소형풍동과 공군사관학교 아음속 풍동의 크기 및 제원은 Table 1에 나타나있다. 공기력 측정을 위해 공군사관학교 피라미드식 외부밸런스(Table 2, Fig. 5)를 이용하여 모형에 작용하는 공기력을 측정하였다.
- 모형의 외형은 풍속 70m/s이상에서도 견딜 수 있는 알루미늄과 강재를 사용하여 충실히 재현하였다. 모형은 측정을 위한 한 개의 metric part와 3차원 효과를 막기 위한 두 개의 dummy part로 구분하였다.
- 본 연구에서는 레이놀즈수 민감도 분석을 위해 다른 2개의 실험시설에서 풍동실험을 각각 수행하였다. 실험을 수행한 전북대학교 소형풍동과 공군사관학교 아음속 풍동의 크기 및 제원은 Table 1에 나타나있다.
- 본 연구에서는 레이놀즈수에 따른 공기력계수의 민감도를 평가하기 위하여 이순신대교의 유선형 트윈박스를 대상으로 축척 1:30 강체 모형을 제작하고 최대풍속 70m/s 조건하에서 공기력을 측정하였다. 이러한 고레이놀즈수 풍동실험 결과와 기존 저레이놀즈수 풍동실험 결과와 비교 분석하였으며, 그 결과를 정리하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
대상 데이터
- 5mm이내로 최소화하였고, 모형의 진동으로 부딪혀 힘이 전달되는 경우를 막기 위해 fouling sensor를 설치하여 dummy part와 metric part가 닿았을 경우 신호음이 울리도록 연결하였다. 모형 전체 무게는 약 250kg이며, 측정을 위한 metric part의 길이는 0.8m이다. dummy part가 하부의 2개의 스팅을 통해 외부 피라미드식 밸런스에 직접 연결된다.
- 본 연구의 대상이 되는 교량은 주경간장이 1,545m이고 주탑의 높이가 270m가 넘는 세계적인 규모의 3경간 현수교이다. 거더의 폭은 29.
데이터처리
- 실험 조건별 풍속에 따른 공기력 측정 결과를 전북대학교 소형풍동에서 수행한 1/70 모형 결과와 비교하였다(Fig. 8). 이때 레이놀즈수는 트윈박스 교량의 전체 폭(B)이 아닌 거더 하나의 단면 폭(b)으로 무차원화하였다.
성능/효과
- (1) 본 연구대상인 이순신대교 트윈박스 거더에 작용하는 공기력은 레이놀즈수의 영향을 상당히 받는 것으로 나타났다. 특히 항력과 양력의 급격한 변화가 발생하는 임계 레이놀즈수 영역은 1.
- (2) 가드레일이 없는 경우 레이놀즈수의 영향을 훨씬 더 많이 받는 것으로 나타났으며, 항력계수의 경우 가드레일이 있는 경우에 비해 약 38% 정도 작게 측정되었다. 이는 연구대상 거더의 높이가 매우 낮아서 상대적으로 가드레일이 받는 수풍 면적이 상당하기 때문인 것으로 판단된다.
- (3) 가드레일이 설치된 경우에 레이놀즈수가 증가함에 따라 항력계수는 감소하고 양력계수 및 피칭모멘트 계수는 증가하는 것으로 나타났다. 실제 자연 현상에 가까운 초임계 레이놀즈수 영역에서는 항력계수가 기존 저레이놀즈수 풍동실험에서 측정한 결과보다 약 23% 줄어드는 것으로 나타났다.
- (4) 가드레일이 설치된 경우에 (+) 영각에서 레이놀즈수 영향을 상당히 받으며, 영각에 따라 임계 레이놀즈수 구간이 바뀌는 것으로 나타났다. 하지만 (-) 영각에서는 가드레일의 영향으로 공기력이 레이놀즈수의 영향을 받지 않는 것으로 나타났다.
- (5) 가드레일과 경계층 촉진장치가 둘 다 설치된 경우에, 모든 영각에서 레이놀즈수가 공기력에 미치는 영향은 미미한 것으로 나타났다. 이는 경계층 촉진장치가 기류의 박리점을 일정하게 함으로써 (+) 영각에서 나타났던 레이놀즈수의 영향을 없앤 것으로 판단된다.
- 가드레일과 경계층 촉진장치가 둘 다 설치된 경우 모든 영각에서 공기력이 레이놀즈수에 독립적인 것으로 나타났다. 이는 경계층 촉진장치가 기류의 박리점을 일정하게 함으로써 Case 2 조건에서 나타나던 레이놀즈수 효과를 상쇄하기 때문이다.
- 이는 연구대상 교량의 높이가 매우 낮아서 상대적으로 가드레일이 받는 수풍 면적이 상당하기 때문인 것으로 판단된다. 가드레일이 설치된 Case 2의 경우 레이놀즈수 증가에 따라 항력계수는 감소하고 양력계수 및 피칭모멘트 계수는 증가하는 것으로 나타났으며, 기존 1/70 저레이놀즈수 실험 결과와 상당히 연속된 값을 보이고 있다.
- 가드레일이 없는 Case 1의 경우 레이놀즈수의 영향을 크게 받는 것으로 나타났으며, 항력계수의 경우 가드레일이 있는 경우(Case 2)의 항력계수보다 약 38% 정도 작게 측정되었으며, 양력 및 피칭모멘트 역시 다른 실험조건에 비해 상대적으로 작은 값을 보인다. 이는 연구대상 교량의 높이가 매우 낮아서 상대적으로 가드레일이 받는 수풍 면적이 상당하기 때문인 것으로 판단된다.
- 실제 자연현상에 가까운 고레이놀즈수 영역에서는 기존 저레이놀즈수 풍동실험에서 측정한 공기력계수 결과보다 항력계수가 약 23% 줄어드는 것으로 나타났다. 경계층 촉진장치를 추가로 부착한 Case 3의 경우 Case 2와 매우 유사한 실험 결과를 보이고 있는 것으로 보아 영각 0도에서는 경계층 촉진장치를 이용하여 하부 단면의 박리점을 달리하여도 전체 공기력에 미치는 영향은 미미한 것으로 나타났다.
- (3) 가드레일이 설치된 경우에 레이놀즈수가 증가함에 따라 항력계수는 감소하고 양력계수 및 피칭모멘트 계수는 증가하는 것으로 나타났다. 실제 자연 현상에 가까운 초임계 레이놀즈수 영역에서는 항력계수가 기존 저레이놀즈수 풍동실험에서 측정한 결과보다 약 23% 줄어드는 것으로 나타났다.
- 1×105영역에서 항력과 양력이 급격한 변화를 보이는 임계 레이놀즈수(Critical Reynolds number) 영역이 나타났다. 실제 자연현상에 가까운 고레이놀즈수 영역에서는 기존 저레이놀즈수 풍동실험에서 측정한 공기력계수 결과보다 항력계수가 약 23% 줄어드는 것으로 나타났다. 경계층 촉진장치를 추가로 부착한 Case 3의 경우 Case 2와 매우 유사한 실험 결과를 보이고 있는 것으로 보아 영각 0도에서는 경계층 촉진장치를 이용하여 하부 단면의 박리점을 달리하여도 전체 공기력에 미치는 영향은 미미한 것으로 나타났다.
- 이는 경계층 촉진장치가 기류의 박리점을 일정하게 함으로써 Case 2 조건에서 나타나던 레이놀즈수 효과를 상쇄하기 때문이다. 이러한 결과로 미루어 보아 연구 대상 교량의 박리 후 재부착점에 대한 기류 특성이 충분히 파악된 경우에 경계층 촉진장치를 적절한 위치에 부착하면 저레이놀즈수 실험 조건에서 고레이놀즈수 모사실험이 가능하다고 판단된다.
후속연구
- 결론적으로 이순신대교 거더와 같은 유선형 단면의 경우에 레이놀즈수에 따라 공기력계수가 상당히 바뀌는 것으로 나타났으며, 기존 저레이놀즈수 풍동실험이 안전측의 결과를 제시하지만 교량의 경제성을 고려하면 고레이놀즈수 풍동실험을 통하여 공기력을 정밀하게 측정할 필요가 있다고 판단된다.
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