[논문]로드셀형 풍향풍속계 개발

전병하; 한동섭; 이권희

doi:10.3795/ksme-a.2013.37.5.685

로드셀형 풍향풍속계 개발
Development of Load-Cell-Based Anemovane 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.37 no.5, 2013년, pp.685 - 691

전병하 (동아대학교 기계공학과) , 한동섭 (동아대학교 기계공학과) , 이권희 (동아대학교 기계공학과)

초록
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로드셀형 풍향풍속계는 바람의 벡터적 성질을 이용한다. 본 연구를 통해 개발된 풍향풍속계는 기존과 달리 풍속계의 날개부가 회전하지 않는 고정형이다. 로드셀형 풍향풍속계를 개발하기 위해서는 측정된 4개 날개의 압력비와 풍향, 압력합과 풍속사이의 관계식을 각각 도출해야 한다. 본 연구에서는 압력비와 풍향사이의 관계식을 도출하기 위하여 각각 ANSYS CFX를 이용한 해석적 접근과 풍동실험을 이용한 실험적 접근을 적용하였다. 해석시 $0^{\circ}$에서 $90^{\circ}$까지 $7.5^{\circ}$ 간격으로 풍향조건을, 실험시 $10^{\circ}$ 간격으로 10가지 풍향조건을 설정하였다. 또한 실험 및 해석적 접근을 통해 압력비와 풍향사이의 관계식을 도출하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A load-cell-type anemovane operates based on wind vector properties. The developed load-cell-type anemovane is of a fixed type in which the wing does not rotate, unlike in the case of existing anemovanes. The load-cell-type anemovane is required to accurately derive the correlation between the load ratio and the wind direction in order to develop a qualified product. This is because the load ratio repeats every $90^{\circ}$ owing to the use of four load cells, and its value varies nonlinearly according to the wind direction. In this study, we compared analytical results with experimental results. Fluid analysis was carried out using ANSYS CFX. Furthermore, the prototype was tested using a self-manufactured wind tunnel. The wind direction was selected as the design variable. 13 selected wind direction conditions ranging from $0^{\circ}$ to $90^{\circ}$ with an interval of $7.5^{\circ}$ for analysis were defined. Furthermore, 10 wind direction conditions with an interval of $10^{\circ}$ for the experiment were defined. We derived the relations between the pressure ratio and the wind direction through the experiment and fluid analysis.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

기상관측의 목적은 현재의 기상실황을 정확히 파악하고, 동시에 분석하여 기상예보 및 기상학을 연구하는 데 필요한 기초 자료를 얻기 위한 것이다. 기상관측을 하는 방법으로는 풍향풍속계가 대표적이다.
^(1,3) 반면에 초음파 풍향풍속계의 경우 장비가 고가이며, -30 ℃이하의 온도에서는 반응속도가 저하되는 단점을 가지고 있다. 따라서 기존 풍향풍속계의 단점을 보완하여 상호 보완적으로 사용할 수 있는 로드셀형 풍향풍속계를 제안한다.
본 연구에서는 기존에 사용되고 있는 기계식 풍향풍속계와 초음파식 풍향풍속계의 단점을 보완하고, 저온에서 사용 가능한 풍향풍속계를 설계하고자 한다. 또한, 로드셀형 풍향풍속계에 대한 유동해석 및 풍동실험을 수행하여 측정부에서의 풍향 및 풍속의 관계식을 제시하고자 한다.
본 연구에서 유동해석은 로드셀형 풍향풍속계를 고안하기 위해 수행되었으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 기존에 사용되고 있는 기계식 풍향풍속계와 초음파식 풍향풍속계의 단점을 보완하고, 저온에서 사용 가능한 풍향풍속계를 설계하고자 한다. 또한, 로드셀형 풍향풍속계에 대한 유동해석 및 풍동실험을 수행하여 측정부에서의 풍향 및 풍속의 관계식을 제시하고자 한다.

가설 설정

5°의 간격으로 설정하였고, 풍속은 0m/s~30m/s까지 5m/s의 간격으로 설정하였다. 유동해석을 위한 해석조건으로서 유동장내의 유체는 상온의 공기로 가정하였고, 난류조건으로서 SST(Shear Stress Transport) 모델을 선정하였다. 김범석등⁽¹⁰⁾의 연구에서는 CFD 코드에서 채택하고 있는 표준 K-ε 난류모델 및 SST 조건에 대해 설명하고 있다.

제안 방법

(1) 유동해석을 수행하기 위한 설계조건은 풍향을 0°~90° 까지 7.5°의 간격으로 설정하였고, 풍속은 0m/s~30m/s까지 5m/s의 간격으로 설정하였다.
(2) 각도와 풍속에 따른 유동해석의 결과로 얻어진 압력값을 로드셀에 도출되는 하중값을 대신하였고, 기준 압력비를 이용하여 풍향 관계식을 도출 하였다. 또한 압력값들의 합을 이용하여 풍속을 결정하였다.
또한 풍하중이 작용할 때 날개에서 굽힘이 일어난다. 날개에 홀을 생성하여 스트레인게이지를 부착하고 스트레인게이지에 도출되는 하중값을 측정할 수 있도록 하였다.
로드셀형 풍향풍속계는 풍향 및 풍속을 로드셀을 이용하여 하중을 측정하지만 해석결과는 압력을 산출한다. 따라서 해석 시 각 지점의 압력을 산출하였다. 각 하중 측정부에 Fig.
유동장의 모델은 각풍향에 맞게 모델을 수정하여 적용하였다. 또한 모델의 각 수풍부는 각 영역을 설정하여 유동해석 후, 수풍부에 작용하는 압력을 확인할 수 있도록 하였다. 또한 해석수행을 위한 해석옵션의 경우, 반복횟수는 1000으로 하였으며 residual target의 경우 1 ⨯ 10^-6으로 설정하였으며 각 유동해석은 3GHz 워크스테이션급 컴퓨터로 약 2시간이 소요되었다.
(2) 각도와 풍속에 따른 유동해석의 결과로 얻어진 압력값을 로드셀에 도출되는 하중값을 대신하였고, 기준 압력비를 이용하여 풍향 관계식을 도출 하였다. 또한 압력값들의 합을 이용하여 풍속을 결정하였다.
또한, 모델을 턴테이블에 설치하고 10°의 간격으로 회전시켜 풍향을 계측 하였다.
본 연구에서는 시제품을 이용하여 풍동실험을 진행하였다. 풍동실험의 조건으로서 일정한 속도를 발생하도록 하였으며 0m/s∼10m/s의 속도범위의 조건을 부여하였다.
8mm이다. 생성된 유동장을 ANSYS-CFX에 적용하기 위해 격자를 생성하였다. 유동해석에서 사용된 격자의 크기는 유동장의 경우 15 mm이며 곡률 각도는 18°로 적용하였으며 전체 요소수는 10,071,716개이며 노드수는 1,760516개이다.
유동모델의 경계조건은 Fig. 2와 같이 Inlet, Outlet, Opening으로 나누어 설정하였다. 설계조건과 동일한 각각의 풍속을 Inlet에 설정하였다.
유동장의 윗면과 옆면의 경우 Opening 조건을 설정하였으며 작용압은 대기압을 설정하였다. 유동장의 모델은 각풍향에 맞게 모델을 수정하여 적용하였다. 또한 모델의 각 수풍부는 각 영역을 설정하여 유동해석 후, 수풍부에 작용하는 압력을 확인할 수 있도록 하였다.
0 mm이다. 유동해석 수행을 위해, ANSYS WORKBENCH의 Design-modeler를 이용 육면체 유동장을 생성하였다. Fig.
풍동실험의 조건으로서 일정한 속도를 발생하도록 하였으며 0m/s∼10m/s의 속도범위의 조건을 부여하였다.
풍속은 5m/s와 10m/s를 적용하였으며 풍향각도는 0°<θ<90° 까지 10°씩 증가하여 적용하였다.
풍하중 작용시 풍속 및 풍향에 따른 응력값을 도출하기 위하여 유동해석을 수행하였다.⁽¹⁾ 유동해석을 수행하기 위한 설계조건은 풍향을 0°~90° 까지 7.

대상 데이터

유동해석에서 사용된 격자의 크기는 유동장의 경우 15 mm이며 곡률 각도는 18°로 적용하였으며 전체 요소수는 10,071,716개이며 노드수는 1,760516개이다.

성능/효과

(3) 해석 수행시 풍향의 경우 7.5°간격으로, 풍속의 경우 5m/s간격으로 수행하였다.

후속연구

또한 난류에 의한 부압의 영향을 명확히 할 필요가 있다. 위 보완사항들을 향후 과제로서 보다 정밀도를 높여 보완 및 적용할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	로드셀형 풍향풍속계는 무엇을 이용하는가?	로드셀형 풍향풍속계는 바람의 벡터적 성질을 이용한다. 바람은 벡터로 표현 할수 있는데 이를 바람벡터라고 한다.
	로드셀형 풍향풍속계는 기존 풍속계와 어떤 점이 다른가?	또한 기존 풍속계와는 달리 풍속계의 날개부가 회전하지 않는 고정형 타입이다. 이는, 풍차형 풍향 풍속계와 달리 볼베이링이 필요 없다. 또한 각 날개에 스트레인게이지를 부착하여 본체 전체가 하나의 로드셀의 역할을 하게 된다. 이는 풍향풍속계의 날개에 풍하중이 발생하고 로드셀에 인장·압축 하중이 작용한다. 그 하중은 로드셀에 부착된 스트레인 게이지에 저항변화가 발생하고 저항변화가 하중(혹은 압력)의 변화로 도출하게 된다.
	풍향풍속계는 어떻게 분류되는가?	기상관측을 하는 방법으로는 풍향풍속계가 대표적이다. 일반적으로 풍향풍속계는 기계형 풍향풍속계와 열선 및 초음파형 풍속계로 분류한다.(1,2) 기계형 풍향풍속계는 풍차형 풍향풍속계로서 풍차를 공기 흐름속에 두면 회전이 생기고, 이회전의 속도는 풍속에 비례하게 된다.

참고문헌 (11)

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Lee, J. H., Song, C. K. and Park, S. H., 2011, "Optimum Structure Design of a Triaxial Load Cell for Wind Tunnel Test," Jounal of KSPE, Vol. 28, No. 2, pp. 226-232.
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Ansys CFX, 2010, Release 12.0 Documentations, Ansys Inc.

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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