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문제 정의
- 본 연구는 가두리 망지의 유체역학적 특성을 파악하기 위하여 육분력계를 이용하여 레이놀즈수에 따른 항력과 양력계수를 측정하고, PIV를 이용하여 망지 후류 입자영상유속계를 이용한 가두리 망지의 난류강도 계측를 가시화하고, 화상 해석으로 유동의 속도분포를 분석하였다. 후처리를 통해 후류 유동장의 와도 및 난류강도를 수치해석하였으며, 유속에 따른 변화를 비교 분석하였다.
- 본 연구에서는 가두리 망지의 레이놀즈수에 따른 유체력 계수를 측정하여 실험 구간을 결정하고, 망지를 구성하는 망사와 망목사이의 후류를 PIV을 이용하여 유동가시화하고, 와도와 난류강도를 정량적으로 분석하였다. 이러한 결과는 향후 그물감 주변의 유동장 특성을 해석하고 어망과 망사에 의해 발생되는 유동의 특성을 연구하기 위한 기초 자료로 활용하고자 하였다.
- 본 연구에서는 모형실험을 통해 어구 주변의 유동을 분석하거나 경계층를 측정하지는 못하였으나 가두리 망지를 통과한 흐름을 정량적, 정성적으로 분석할 수 있었으며, 향후 모형망을 대상으로 후류 전 영역의 유동 해석이 가능할 것으로 판단되었다. 이러한 결과를 향후 가두리 망의 유동장과 생물반응 연구의 기초자료로 활용하고자 하였다.
제안 방법
- 속도장 측정을 위해서는 먼저 유동을 잘 추종하는 작은 크기의 입자를 유동 속에 투입한다. 그리고 측정 하고자 하는 유동단면을 레이저 평면광으로 조사하면, 이 빛에 의해 조명되어진 유동입자들은 산란하게 되고, 화상을 카메라에 담아 수치해석을 통해 분석한다.
- 회류수조에서 몰수체의 유체력을 측정할 경우 정확한 유속은 매우 중요한 실험 인자이며, 후류의 유동을 가시화하고 이를 계측하기 위해서는 수조의 난류강도 및 유동 안정성이 확보되어야 실험이 가능하다. 따라서 PIV에 의한 망지의 유동장을 측정하기 앞서 실험 영역 내 유동장의 균일성이 확인하기 위하여 관측영역의 평균유속분포와 난류강도를 측정하였다.
- 0×103 이상이 되면, 형상항력이 총 항력의 95%정도가 되며, 항력계수는 Re 수에 무관하게 되고, 즉 항력이 점성력보다 관성력에 의해 지배된다. 따라서, 고레이놀즈수 영역에서 망지의 저항계수는 약 1.35로 안정화된 것으로 판단할 수 있으며, 이를 기준으로 PIV실험은 층류와 난류가 존재하는 0.2~0.8 m/s 구간에서 망지의 후류의 특성을 분석하였다.
- 망사의 굵기 (Dt)는 1.8 ㎜, 그물코의 크기 (ML)는 40 ㎜인 PE 망지를 가로성형률 약 0.707로 하여 영각 90°에서 측정하였다.
- 망지의 후류 유동장 측정에 앞서 PIV를 이용하여 수조 내 유동 안정성을 계측하였다. 측정결과 회류수조 0.
- 본 실험에서 저 레이놀즈영역과 고 레이놀즈영역이 혼재하는 저속구간에 설치 운용되는 가두리 망지의 복잡한 유동장 특성을 파악하기 위하여 레이놀즈수 변화에 따른 유체력계수를 측정하고, PIV 유동가시화를 통해 망목과 매듭사이에서 유속변화와 전체 유동을 가시화하였으며, 정량적으로 소멸과 확산 과정을 확인할 수 있었다. 또한, 조사영역 내 망지 후류의 속도 감소를 분석하여 고 레이놀즈영역에서 형상 항력계수를 망지와 같은 유연체에서도 동일하게 적용가능함을 확인하였다.
- 본 연구에서는 가두리 망지의 레이놀즈수에 따른 유체력 계수를 측정하여 실험 구간을 결정하고, 망지를 구성하는 망사와 망목사이의 후류를 PIV을 이용하여 유동가시화하고, 와도와 난류강도를 정량적으로 분석하였다. 이러한 결과는 향후 그물감 주변의 유동장 특성을 해석하고 어망과 망사에 의해 발생되는 유동의 특성을 연구하기 위한 기초 자료로 활용하고자 하였다.
- 본 연구에서는 가두리용으로 주로 사용되고 있는 PA 무결절망지를 한변의 길이가 500 mm 정사각형 틀에 고 정하고, 육분력계 (DL-61025 Denshikogyo Co., Japan)를 이용하여 유속에 따른 양력 및 항력을 측정하고 각각의 유체력 계수를 계산하였다.
- 실험 방법은 레이저 평면광에 산란된 입자영상 1장을 CCD카메라와 같은 입상입력장치로 취득하고, 시간 간격 Δt가 지난 t2 = t1 + Δt 순간에 2번째 입자영상을 취득한다.
- 이렇게 얻어진 2장의 입자영상을 2차원 화상데이터로 컴퓨터에 저장한 후, 디지털 화상처리기법으로 분석함으로써 시간간격 (Δt)동안 움직인 유동입자들의 변위정보 ΔS를 계측한다.
- 평면 망지의 유동장을 망지 중앙을 중심으로 XY평면 상의 200 mm×200 mm영역을 PIV로 계측하고, 화상분석하였다.
- 본 연구는 가두리 망지의 유체역학적 특성을 파악하기 위하여 육분력계를 이용하여 레이놀즈수에 따른 항력과 양력계수를 측정하고, PIV를 이용하여 망지 후류 입자영상유속계를 이용한 가두리 망지의 난류강도 계측를 가시화하고, 화상 해석으로 유동의 속도분포를 분석하였다. 후처리를 통해 후류 유동장의 와도 및 난류강도를 수치해석하였으며, 유속에 따른 변화를 비교 분석하였다.
대상 데이터
- 광원은 200 mj 이중노출 Nd-YAG 레이저 (New wave Inc.)를 사용하였다. 카메라의 촬영시간은 동조기를 통해 제어되며 두 레이저는 카메라의 조리개가 열려 있을 때 주사되는데, 조리개가 닫혔다가 다시 열리는 시간 (TPW, Transfer pulse width)은 10 μs이다.
- 본 실험에 사용된 회류수조는 280 톤 규모의 수직순환형으로 수조 본체의 재질은 스테인레스 스틸 (SUS 304 L)로 길이 25 m, 최대 폭 5 m, 높이 8.2 m, 관측부 크기는 길이 8 m, 폭 2.8 m, 높이 1.8 m, 수심 1.4 m 이며, 유속범위는 0.1~3.0 m/s이다. 기존 연구기관의 회류 수조에 비하여 고속가동이 가능하며 이를 위하여 각 코너에는 기포제거장치가 설치되어 있다.
- 영상입력장치로 2048×2048 해상도의 고정도의 디지털 CCD 카메라 (Kodak, ES-4.0, 2×2k pixel)를 이용하여 화상을 취득하였다.
- 0, 2×2k pixel)를 이용하여 화상을 취득하였다. 추종입자는 10 ㎛ Silver coated glass spheres를 사용하였다. 사용된 PIV소프트웨어는 2Frame Cross-Correlation 알고리즘을 이용하는 Thinkseye 2D (Tientech) 프로그램을 사용하였다.
이론/모형
- 레이놀즈 수에 따른 망지의 양력과 항력 계수 측정은 Fridman (1986)의 실험방법을 따랐다. 평면 망지의 저항은 식 (1)과 같다.
- 추종입자는 10 ㎛ Silver coated glass spheres를 사용하였다. 사용된 PIV소프트웨어는 2Frame Cross-Correlation 알고리즘을 이용하는 Thinkseye 2D (Tientech) 프로그램을 사용하였다.
- 이때 변위 Δx는 Δx/Δt가 속도성분 u와 잘 일치하도록 충분히 작아야 한다. 영상 해석에 사용된 알고리즘은 계조치상호상관법 (Grey level cross-correlation method)을 사용하였다. 미소시간동안 유동장의 화상의 계조패턴은 크게 변화하지 않는다고 가정하면 제1프레임 (1st image frame)에서의 상관영역 내의 계조치 분포와 미소 시간 후의 제2프레임 (2nd image frame)에서의 계조치 분포는 유사한 특성을 나타낸다.
성능/효과
- 35로 나타났다. PIV를 이용한 회류수조 조사구간의 평균난류강도는 0.2~0.8 m/s 구간에서 1% 미만으로 나타나 매우 안정적인 흐름을 보여주었다.
- 88%로 나타났으며, 망사와 매듭에 의한 난류 강도 변화를 정성적 정량적으로 확인할 수 있었다. PIV에 의한 속도분포 계측 결과를 후처리 과정을 통하여 망지의 유체역학적 특성 분석에 이용하는 것이 효과적임을 확인하였다.
- 가두리 망지의 레이놀즈수에 따른 망지의 유체력을 측정한 결과, 레이놀즈수가 8.0×102 이상에서 안정적이었으며, 항력 계수는 1.35로 나타났다.
- 9%로 속도 증가와 관계없이 일정한 값을 보였다. 난류강도는 실험 전 1% 미만에서 유속 0.2 m/s에서 0.8 m/s로 증가할수록 2.7%, 3.01%, 3.27%, 3.88%로 나타났으며, 망사와 매듭에 의한 난류 강도 변화를 정성적 정량적으로 확인할 수 있었다. PIV에 의한 속도분포 계측 결과를 후처리 과정을 통하여 망지의 유체역학적 특성 분석에 이용하는 것이 효과적임을 확인하였다.
- 본 실험에서 저 레이놀즈영역과 고 레이놀즈영역이 혼재하는 저속구간에 설치 운용되는 가두리 망지의 복잡한 유동장 특성을 파악하기 위하여 레이놀즈수 변화에 따른 유체력계수를 측정하고, PIV 유동가시화를 통해 망목과 매듭사이에서 유속변화와 전체 유동을 가시화하였으며, 정량적으로 소멸과 확산 과정을 확인할 수 있었다. 또한, 조사영역 내 망지 후류의 속도 감소를 분석하여 고 레이놀즈영역에서 형상 항력계수를 망지와 같은 유연체에서도 동일하게 적용가능함을 확인하였다. 다만, 망지의 경계층 형성 변화를 정량적으로 구분하기 에는 입자군의 분포 상관관계로 측정하는 PIV로써는 관측영역을 줄이지 않으면 곤란할 것으로 판단되었으며, 향후 모형망 주변의 3차원 유동장 해석을 위해서는 개별입자의 중심을 이용해서 입자속도벡터를 구해내는 3D PTV (Particle Tracking Velocimetry)에 의한 해석이 필요할 것으로 판단되었다.
- 레이놀즈수가 8.0×102 에서 Cd 1.29로 나타났으며, 이후 일부 증가하가도 하였으나, 안정적인 상태를 보였다.
- 망지의 가운데 지점에서 회류수조의 유동방향과 수심을 기준으로 XY평면을 조사 영역으로 PIV를 이용하여 유동해석을 실시하였으며, 후류의 유속 감소는 0.2 m/s 구간에서는 2.1%였으며, 0.4 m/s이상에서는 6.6~6.9%로 속도 증가와 관계없이 일정한 값을 보였다. 난류강도는 실험 전 1% 미만에서 유속 0.
- 29로 나타났으며, 이후 일부 증가하가도 하였으나, 안정적인 상태를 보였다. 이상의 레이놀즈 영역에서 저항계수의 변화가 매우 작으며, 거의 일정하게 나타나는 것을 알 수 있었다. Song et al.
- 84%로 나타났다. 전체 관측영역에서 난류강도는 1% 미만으로 매우 안정적인 유동장을 보여주었다.
- Table 4에서 유속이 증가하며 난류강도도 증가 하는 것으로 나타났다. 전체적으로 망지를 통과한 후 난류강도가 강하게 나타나고 망지와 멀어질수록 난류강도는 줄어드는 것으로 나타났다.
- 망지의 후류 유동장 측정에 앞서 PIV를 이용하여 수조 내 유동 안정성을 계측하였다. 측정결과 회류수조 0.2 m/s 설정시 PIV에 의해 측정된 유속은 0.191 m/s, 평균난류강도 Ti는 0.92%였으며, 0.4 m/s에서 유속 0.392 m/s, Ti는 0.84%, 0.6 m/s에서 유속 0.59 m/s, Ti는 0.89%, 0.8 m/s에서 유속 0.79 m/s, Ti는 0.84%로 나타났다. 전체 관측영역에서 난류강도는 1% 미만으로 매우 안정적인 유동장을 보여주었다.
후속연구
- 또한, 조사영역 내 망지 후류의 속도 감소를 분석하여 고 레이놀즈영역에서 형상 항력계수를 망지와 같은 유연체에서도 동일하게 적용가능함을 확인하였다. 다만, 망지의 경계층 형성 변화를 정량적으로 구분하기 에는 입자군의 분포 상관관계로 측정하는 PIV로써는 관측영역을 줄이지 않으면 곤란할 것으로 판단되었으며, 향후 모형망 주변의 3차원 유동장 해석을 위해서는 개별입자의 중심을 이용해서 입자속도벡터를 구해내는 3D PTV (Particle Tracking Velocimetry)에 의한 해석이 필요할 것으로 판단되었다.
- 본 연구에서는 모형실험을 통해 어구 주변의 유동을 분석하거나 경계층를 측정하지는 못하였으나 가두리 망지를 통과한 흐름을 정량적, 정성적으로 분석할 수 있었으며, 향후 모형망을 대상으로 후류 전 영역의 유동 해석이 가능할 것으로 판단되었다.
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