자유낙하에 의한 각도 변화에 따른 쐐기형 구조물 주위의 유동특성에 관한 실험적 연구 An experimental study on the flow characteristics around to changes in the angle of the wedge type structure by free fall원문보기
본 연구에서는 자유낙하 하는 쐐기형 구조물의 각도 변화에 따른 충격압력 및 유동특성을 알아보고자 실험을 수행하였다. 유동장의 계측은 2-프레임 그레이레벨 상호상관 PIV기법을 이용하였으며, 충격압력의 계측은 압력계측장비인 Dewetron System을 이용하였다. 모델과 자유수면이 이루는 각도는 $15^{\circ}$, $25^{\circ}$, $35^{\circ}$ 및 $45^{\circ}$를 적용하여 다양성을 주어 실험하였으며, 속도장은 접수보다 이수에서 빠른 유동특성을 나타냈으며, 접수에서 보다 이수에서 시간이 더 소요됨을 보였다. 모델 하부에서의 충격압력은 쐐기의 각도 $45^{\circ}$ 보다, 입수각이 작은 $15^{\circ}$와 P1 지점에서 높게 나타났다.
본 연구에서는 자유낙하 하는 쐐기형 구조물의 각도 변화에 따른 충격압력 및 유동특성을 알아보고자 실험을 수행하였다. 유동장의 계측은 2-프레임 그레이레벨 상호상관 PIV기법을 이용하였으며, 충격압력의 계측은 압력계측장비인 Dewetron System을 이용하였다. 모델과 자유수면이 이루는 각도는 $15^{\circ}$, $25^{\circ}$, $35^{\circ}$ 및 $45^{\circ}$를 적용하여 다양성을 주어 실험하였으며, 속도장은 접수보다 이수에서 빠른 유동특성을 나타냈으며, 접수에서 보다 이수에서 시간이 더 소요됨을 보였다. 모델 하부에서의 충격압력은 쐐기의 각도 $45^{\circ}$ 보다, 입수각이 작은 $15^{\circ}$와 P1 지점에서 높게 나타났다.
This paper presents are experimental investigation to figure out impact pressure and flow characteristics of a wedge type structure in free fall. The flow field has been obtained by 2-frame grey level cross correlation PIV(Particle Image Velocimetry) method, the impact pressure of free fall structur...
This paper presents are experimental investigation to figure out impact pressure and flow characteristics of a wedge type structure in free fall. The flow field has been obtained by 2-frame grey level cross correlation PIV(Particle Image Velocimetry) method, the impact pressure of free fall structure by a pressure acquisition system apply to Dewetron system. The angles between a model and the free surface are adapted $15^{\circ}$, $25^{\circ}$, $35^{\circ}$ and $45^{\circ}$ respectively. Velocity field of water exit has higher better than water entry. The impact pressure under the bottom of the model has been appeared higher values at $15^{\circ}$ than $45^{\circ}$, and also at P1.
This paper presents are experimental investigation to figure out impact pressure and flow characteristics of a wedge type structure in free fall. The flow field has been obtained by 2-frame grey level cross correlation PIV(Particle Image Velocimetry) method, the impact pressure of free fall structure by a pressure acquisition system apply to Dewetron system. The angles between a model and the free surface are adapted $15^{\circ}$, $25^{\circ}$, $35^{\circ}$ and $45^{\circ}$ respectively. Velocity field of water exit has higher better than water entry. The impact pressure under the bottom of the model has been appeared higher values at $15^{\circ}$ than $45^{\circ}$, and also at P1.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 실험은 모형의 중량과 자유낙하높이가 같을때 선저경사각의 변화에 따른 충격압력과 유동특 성을 알아보고자 하였다. 선저경사각에 따른 모형을 제작하면서 높이와 길이는 같게 제작하였으나, 중량 및 자유낙하방법의 문제로 모형의 폭에 대한 동일성을 갖추지 못하였다.
본 연구에서는 수면과 접하는 쐐기형 모델의 입수각도별 자유낙하실험을 기반으로 충격압력 및 순간속도분포 특성을 고찰하였고 선저경사각에 따른 추가 연구의 기초자료를 확보하고자 한다.
제안 방법
선저경사각의 각도 변화에 따른 기초연구로 자유낙하실험에 의한 자유수면과 쐐기형 모델이 이루는 경사각을 15°, 25°, 35° 및 45°에서 충격압력과 유동특성을 계측하여 다음과 같은 결론을 얻을수 있었다.
0kg이다. 실험에서 자유 낙하 시 모델이 흔들리지 않고 정확한 입수각도로 수면에 낙하하도록 레일을 설치하는 방법을 사용하지 않고 평균 10회 이상의 자유낙하 실험을 하면서 고속카메라로 촬영한 후 영상을 확인하여 정확히 수직으로 낙하한 실험결과의 데이터를 결과 값으로 분석하였다. Table 2는 압력 계측 장치의 제원으로서 초당 10,000개의 샘플링이 가능하며 압력은 5bar 까지 계측이 가능하고 압력센서에서 획득한 값은 변환기를 통하여 출력 시 전압차를 시계열로 획득할 수 있다.
쐐기형 구조물의 입수각도 Θ는 15°, 25°, 35° 및 45°를 채택하였으며, 각도별로 모델을 제작하였다.
실험에 사용한 모델의 형상을 도시한 그림은 Figure 1과 같다. 투명아크릴로 재작된 모델은 충격 압력의 획득을 위해 모형의 길이방향 끝단 모서리로부터 50mm 간격으로 중앙으로부터 P1, P2, P3 및 P4의 센서를 설치하여 자유낙하 시 충격압력을 계측할 수 있도록 하였으며, Figure 2의 그림과 같은 수조에서 각도별로 제작한 모형으로 자유낙하 실험을 실시하여 충격압력 및 유동장을 획득하였다.
대상 데이터
PIV시스템에 관해서는 [6]에 의해 자세히 설명되어있다. 실험에서 사용한 광원은 직진성과 반사성이 우수한 500㎽의 광다이오드를 집적화한 2차원 광원을 계측영역에 조사하여 수행하였으며, 해상도는 초당 125프레임으로 촬영하여 유동정보를 계측하였으며, 유동장 계측을 위한 실험조건은 Table 3과 같다.
쐐기형 구조물의 입수각도 Θ는 15°, 25°, 35° 및 45°를 채택하였으며, 각도별로 모델을 제작하였다. 실험에서 실시한 모델의 자유낙하 높이는 300mm에서 수행하였고 이때 모델의 중량은 2.0kg이다. 실험에서 자유 낙하 시 모델이 흔들리지 않고 정확한 입수각도로 수면에 낙하하도록 레일을 설치하는 방법을 사용하지 않고 평균 10회 이상의 자유낙하 실험을 하면서 고속카메라로 촬영한 후 영상을 확인하여 정확히 수직으로 낙하한 실험결과의 데이터를 결과 값으로 분석하였다.
성능/효과
616초는 같은 시기임을 알 수 있다. 그리고 입수의 마지막은 Figure 9의 (b)와 같이 모형이 물속에서 정지한 상태인 40프레임에서 종료됨을 알 수 있으며 37프레임은 수면과 충돌 후 0.176초 후가 되면서 0.792초에서 입수는 종료되고 이수로 진행된다.
이수에서 형성되는 유동장은 입수에서 발생한 수직 하강하는 유동과 이수에서 발생한 수직 상승하는 유동이 만나 난류를 형성하며 난류는 모형의 영역에서 벗어난 수면부근에서 발생한다. 또한, 모형의 각도가 증가할수록 수직 상승하는 속도성분이 증가하였고, 양의 성분을 갖는 영역이 넓어졌다.
172초가 된다. 따라서 쐐기형 구조물의 충격압력이 클수록 충격압력의 지속시간은 짧아지며, 충격압력이 작을수록 지속시간은 길어지는 결과를 보였다.
이수에서 형성되는 유동장은 입수에서 발생한 수직 하강하는 유동과 이수에서 발생한 수직 상승하는 유동이 만나 난류를 형성하며 난류는 모형의 영역에서 벗어난 수면부근에서 발생한다. 또한, 모형의 각도가 증가할수록 수직 상승하는 속도성분이 증가하였고, 양의 성분을 갖는 영역이 넓어졌다.
이는 에어포켓의 영향으로 입수 시각도가 커질수록 에어포켓의 영향을 작게 받음으로 인해 충격압력의 감소로 나타나는 것을 의미한다. 또한, 유동장에서 수평속도성분이 작고 분포범위가 넓을수록 충격압력은 감소하며, 모형의 영역에서 벗어난 곳에서는 수직상승하는 속도성분이 작을수록 충격압력은 증가하는 관계를 나타냈다.
Table 5는 15°모형의 상태에 따른 충격압력과 시간의 상관 관계를 나타냈으며, 최고압력지속시간은 이러한 데이터와 고속카메라로 촬영한 영상을 분석하여 Figure 9에 나타냈고 이러한 표와 사진을 분석하여 Figure 10과 같이 정리하였다. 실험에서 고속카메라의 시간 해상도는 1/125초로 촬영하였으며, 이는 영상 1프레임당 요구되는 시간이 0.008초이며 이러한 근거로 영상과 압력데이터를 비교했다. Figure 9의(a)는 수면과 접촉한 영상이며 프레임 수는 15였고, 이때의 시간은 0.
입수각 15°, 25°, 35° 및 45°에서 자유낙하 시 발생한 충격압력을 살펴보면 P1에서는 쐐기의 입수 각도가 증가할수록 충격압력은 감소하는 경향을 나타내고 P2에서는 대체적으로 입수각의 증가에 따라 충격압력은 감소하지만 25°에서는 증가하는 결과를 보였다.
172초가 된다. 따라서 쐐기형 구조물의 충격압력이 클수록 충격압력의 지속시간은 짧아지며, 충격압력이 작을수록 지속시간은 길어지는 결과를 보였다.
후속연구
선저경사각에 따른 모형을 제작하면서 높이와 길이는 같게 제작하였으나, 중량 및 자유낙하방법의 문제로 모형의 폭에 대한 동일성을 갖추지 못하였다. 추후 이러한 기술적 문제를 해결하여 모형의 형상에 따른 충격압력의 영향에 관한 연구가 요구된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
슬래밍현상이란?
항행 중에 있는 선박이나 해양구조물의 하부가 파도에 의해 수면과의 충격으로 발생하는 슬래밍 (Slamming) 현상은 충격력 및 압력변화로 인해 구조물의 변형을 야기함으로 인해 중요한 연구 대상이 된다[1]. 이처럼 자유낙하로 발생하는 충격압력은 중력식 라이프보트의 구조기준, 요트 및 레저보트 활주 시 수면과 충격압력에 대한 안전기준 등과 관련해서 지속적인 연구가 이루어지고 있다[2].
자유낙하로 인해 발생하는 충격압력이 입수각도와 음의 상관관계를 가져야 하지만 예외 사항이 생기는 이유는?
자유낙하로 인해 발생하는 충격압력은 입수각도가 증가할수록 압력은 감소하는 결과로 나타났지만 오히려 증가하는 경우도 나타나고 있다. 이러한 이유는 모형과 수면이 접하는 각도에 따라 에어포 켓의 형성이 결정되기 때문이다.
슬래밍은 무엇을 야기하는가?
항행 중에 있는 선박이나 해양구조물의 하부가 파도에 의해 수면과의 충격으로 발생하는 슬래밍 (Slamming) 현상은 충격력 및 압력변화로 인해 구조물의 변형을 야기함으로 인해 중요한 연구 대상이 된다[1]. 이처럼 자유낙하로 발생하는 충격압력은 중력식 라이프보트의 구조기준, 요트 및 레저보트 활주 시 수면과 충격압력에 대한 안전기준 등과 관련해서 지속적인 연구가 이루어지고 있다[2].
참고문헌 (7)
Park and Chun, "Analysis of flow around a rigid body on water-entry & exit problems", Journal of the Society of Naval Architects of Korea, vol. 36, no. 4, pp. 37-47, 1999.
Lee, J. and Philip A. W., "Experimental study of the hydro-impact of slamming in a modern racing sailboat", Journal of Sailboat Technology, article 2010-01, pp. 1-29, 2010.
Baker, G. S. and Keary, E. M.. Experiments with Full-Sized Machines, British A.R.C. Reports and Memoranda No 683, pp. 1-10, 1920.
Von Karman, T., The Impact of Seaplane Floats during Landing, N.A.C.A. TN321 Washington, pp. 1-8, 1929.
Lee, Rim, Kim, Hea and Kim, "A study on measurement of flare slamming of large container vessel(II) Characteristic analysis of measured slamming pressure", Journal of the Society of Naval Architects of Korea, vol. 44, no. 3, pp. 279-284, 2007.
Lee and Cho, "A study on PIV measurement of unsteady flow around disk caused by slide type valve quick closing", Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety vol. 15, no. 3, pp. 251-256, 2009.
Park, Lee and Rim, "Whipping analysis of hull girders considering slamming impact loads", Journal of the Society of Naval Architects of Korea vol. 37, no. 3, pp. 99-109, 2000.
AI-Helper
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.