[논문]공기 분사 장치에 의한 수막 형성 억제 특성 분석

고광수; 문정우; 윤현곤; 송시몬

doi:10.5407/jksv.2015.13.2.033

공기 분사 장치에 의한 수막 형성 억제 특성 분석
Experimental Analysis on Hydroplaning Inhibition by Air Jetting Devices 원문보기

한국가시화정보학회지= Journal of the Korean society of visualization, v.13 no.2, 2015년, pp.33 - 37

고광수 (한양대학교 기계공학부) , 문정우 (한양대학교 기계공학부) , 윤현곤 (한양대학교 기계공학부) , 송시몬 (한양대학교 기계공학부)

초록
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매년 장마철에는 수막현상으로 인한 교통사고가 빈번하게 발생한다. 본 연구는 수막 형성 억제를 위해 타이어 앞부분에 설치되는 공기 분사 장치의 성능을 평가하는 것으로서, 공기 분사에 의한 수막 형성 억제를 모사할 수 있는 실험 장치를 제작하고, 수막 형성 억제 과정을 가시화하여 공기 분사 장치의 성능을 파악하고자 한다. 실험 변수로서 노즐의 형상 3가지와 수막에 대한 분사각 3가지에 대해 상세히 그 영향을 조사하였으며, 그 결과 분사각은 10도(지면에 대해서는 80도), 노즐 형상은 일자형일 때 수막 억제 효과가 가장 큰 것으로 파악되었다.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이를 위해 수막 유동을 가시화할 수 있는 실험 장치를 개발하고, 다양한 조건에서 공기 분사에 의한 수막 형성 억제 특성을 조사하고자 한다. 또한 주어진 운전 조건에 가장 최적화된 공기 분사 노즐 형상 및 설치 방법을 제시하는 것을 목표로 한다.
본 연구는 장마철 교통사고의 주된 원인인 수막 현상을 억제하기 위한 최적의 공기 분사 모델을 찾는 것이 목표였다. 이를 위해 공기 분사 장치에 의한 수막 형성 억제를 가시화할 수 있는 장치를 제작하였다.
본 연구의 목표는 공기 분사 노즐의 형상과 설치 방법이 수막 형성 억제에 미치는 영향을 파악하는 것이다. 이를 위해 수막 유동을 가시화할 수 있는 실험 장치를 개발하고, 다양한 조건에서 공기 분사에 의한 수막 형성 억제 특성을 조사하고자 한다.
본 연구의 목표는 공기 분사 노즐의 형상과 설치 방법이 수막 형성 억제에 미치는 영향을 파악하는 것이다. 이를 위해 수막 유동을 가시화할 수 있는 실험 장치를 개발하고, 다양한 조건에서 공기 분사에 의한 수막 형성 억제 특성을 조사하고자 한다. 또한 주어진 운전 조건에 가장 최적화된 공기 분사 노즐 형상 및 설치 방법을 제시하는 것을 목표로 한다.

제안 방법

이 레일과 평행하게 벨트를 설치하였으며 벨트는 DC 모터에 의해 구동될 수 있도록 하였다. 공기 분사 노즐은 벨트와 레일을 이어주는 평판에 고정하여 모터의 회전에 따라 노즐이 안정적으로 움직이도록 하였다. 공기 분사 노즐은 컴프레서와 연결하였으며 컴프레서에서 공급한 압축공기를 분사하여 실험장치에 조성된 수막을 억제한다.
노즐은 수막에 대해 공기 분사 각도를 변경할 수 있도록 설치하였다. 또한 공기 분사에 의한 수막 유동의 변화를 관찰하기 위해 레일을 따라 움직이는 평판에 카메라를 노즐과 함께 고정하였다.
모터의 회전속도는 500rpm으로 고정시켰고, 압축공기의 분사압력은 컴프레서에 있는 레귤레이터를 이용하여 6 bar로 조정하였다. 모터를 작동시켜 노즐과 카메라가 붙어 있는 평판이 레일을 따라 움직이기 시작할 때에 맞춰 압축공기를 분사하고 이를 영상으로 촬영한다. 촬영된 영상을 분석하여 정상상태에 이르렀을 때를 기점으로 0.
실험 조건 및 방법은 다음과 같다. 모터의 회전속도는 500rpm으로 고정시켰고, 압축공기의 분사압력은 컴프레서에 있는 레귤레이터를 이용하여 6 bar로 조정하였다. 모터를 작동시켜 노즐과 카메라가 붙어 있는 평판이 레일을 따라 움직이기 시작할 때에 맞춰 압축공기를 분사하고 이를 영상으로 촬영한다.
3m)에 얇게 물을 채워 수막이 형성되도록 하였다. 물로 인해 합판이 변형되는 것을 막기 위해서 흰색 방수 페인트를 바르고 또한 합판의 틈새로 물이 새지 않도록 방수처리 하였다. 수막의 높이를 일정하게 유지할 수 있도록 틀의 한 쪽 면에 물이 빠져나갈 수 있는 슬릿형 배수구를 만들어 주었는데 이 배수구의 턱과 바닥과의 높이를 수막의 높이와 같게 제작하였다.
본 실험의 첫 번째 단계로, 노즐의 진행 속도와 공기 분사 압력을 각각 2.64 km/h와 6 bar로 정한 뒤, 일자형 노즐(180°)을 이용하여 수막에 대한 분사 각도를 변화시켜가며 수막 형성 억제를 관찰하였다.
물로 인해 합판이 변형되는 것을 막기 위해서 흰색 방수 페인트를 바르고 또한 합판의 틈새로 물이 새지 않도록 방수처리 하였다. 수막의 높이를 일정하게 유지할 수 있도록 틀의 한 쪽 면에 물이 빠져나갈 수 있는 슬릿형 배수구를 만들어 주었는데 이 배수구의 턱과 바닥과의 높이를 수막의 높이와 같게 제작하였다. 수막의 두께가 10mm일 때 수막현상 발생 시 관성의 효과가지배적이기 때문에⁽⁴⁾ 본 실험에서는 수막의 두께를 10mm로 고정하였다.
실험 변수에 따른 수막 형성 억제 결과를 바탕으로 각 변수에 대해 효과가 상대적으로 큰 세 가지 경우를 조합하여 총 9개의 경우의 수에 대해 수막 형성 억제 실험을 수행하였다. Fig.
05초 간격으로 5프레임을 추출한다. 이렇게 추출한 사진들을 한국 표준색 색채 분석프로그램⁽⁵⁾을 이용해서 32색으로 간소화시킨 후, 색채별 비율과 각 색상의 K값을 수치화한다.
본 연구는 장마철 교통사고의 주된 원인인 수막 현상을 억제하기 위한 최적의 공기 분사 모델을 찾는 것이 목표였다. 이를 위해 공기 분사 장치에 의한 수막 형성 억제를 가시화할 수 있는 장치를 제작하였다. 다양한 노즐 형상과 분사각에 대해 수막 형성 억제 효과를 색채 분석을 이용하여 조사한 결과, 분사각은 10°일 때, 노즐 형상은 일자형일 때 가장 좋은 수막 억제 효과를 보여 주였다.
1은 실험 장치의 설계도이다. 합판으로 만든 직사각형의 틀(폭 1.2m, 길이 2m, 높이 0.3m)에 얇게 물을 채워 수막이 형성되도록 하였다. 물로 인해 합판이 변형되는 것을 막기 위해서 흰색 방수 페인트를 바르고 또한 합판의 틈새로 물이 새지 않도록 방수처리 하였다.

대상 데이터

둘째는 노즐 형상으로서 일자형(180°), V자형(160°, 140°, 120°)을 이용하였다.

성능/효과

⁽²⁾ 수막현상이란 자동차가 젖은 노면을 빠른 속도로 달릴 때 타이어와 지면 사이에 얇은 막이 생기게 되고 이 막에서 발생하는 수압이 타이어를 지면으로부터 밀어 올리는 현상으로, 자동차의 제동 성능 저하 혹은 심각한 경우 조정성 상실로 인한 사고를 초래할 수 있다.⁽³⁾ 만일 타이어 앞부분에 압축공기를 분사해주면 수막 형성을 억제하거나 방지할 수 있다.
결과를 종합하여 보면, 노즐 형상이 180°에서 140°로 감소함에 따라 노즐에서 분사되는 공기의 폭이 좁아져 제거되는 수막도 감소하기 때문인 것으로 사료된다.
그 결과, 노즐형상이 140° 혹은 160°일 때에 비해 180°일 때 남아있는 수막 형성이 가장 잘 억제되며, 분사각은 10°일 때 수막이 잘 억제되는 것으로 파악되었다.
다양한 노즐 형상과 분사각에 대해 수막 형성 억제 효과를 색채 분석을 이용하여 조사한 결과, 분사각은 10°일 때, 노즐 형상은 일자형일 때 가장 좋은 수막 억제 효과를 보여 주였다.
이 결과에 따르면 분사각이 0°인 경우(수막과 수직)가 수막 억제 효과가 제일 좋고, 분사각이 30°일 때 수막 형성억제 효과가 가장 나빠지는 것으로 파악되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수막현상을 방지하는 방법은?	(2) 수막현상이란 자동차가 젖은 노면을 빠른 속도로 달릴 때 타이어와 지면 사이에 얇은 막이 생기게 되고 이 막에서 발생하는 수압이 타이어를 지면으로부터 밀어 올리는 현상으로, 자동차의 제동 성능 저하 혹은 심각한 경우 조정성 상실로 인한 사고를 초래할 수 있다.(3) 만일 타이어 앞부분에 압축공기를 분사해주면 수막 형성을 억제하거나 방지할 수 있다.
	수막현상이란?	(1) 비오는 날 교통사고가 증가하는 주된 원인은 도로에서 발생하는 수막현상으로 보고되고 있다.(2) 수막현상이란 자동차가 젖은 노면을 빠른 속도로 달릴 때 타이어와 지면 사이에 얇은 막이 생기게 되고 이 막에서 발생하는 수압이 타이어를 지면으로부터 밀어 올리는 현상으로, 자동차의 제동 성능 저하 혹은 심각한 경우 조정성 상실로 인한 사고를 초래할 수 있다.(3) 만일 타이어 앞부분에 압축공기를 분사해주면 수막 형성을 억제하거나 방지할 수 있다.
	비오는 날 교통사고가 증가하는 주된 원인은?	4% 높다.(1) 비오는 날 교통사고가 증가하는 주된 원인은 도로에서 발생하는 수막현상으로 보고되고 있다.(2) 수막현상이란 자동차가 젖은 노면을 빠른 속도로 달릴 때 타이어와 지면 사이에 얇은 막이 생기게 되고 이 막에서 발생하는 수압이 타이어를 지면으로부터 밀어 올리는 현상으로, 자동차의 제동 성능 저하 혹은 심각한 경우 조정성 상실로 인한 사고를 초래할 수 있다.

참고문헌 (5)

Report by Transportation weather conditions Institute of Hyundai Marine & Fire Insurance, 2014.
Ung-Won Park, Su-Jae Yu, 2012, Rain Causes of Traffic Accidents and Preventive Measures, v.9 no.4, 69-74.
Jung Sam Son, 2005, Development of GUI-based program for generating MSC/Dytran's input file for the hydroplanning analysis.
Kyung Ah Lee, 2003, A Study on the Simulation Methodology for the Tire Hydroplaning.
Korea Standard Color Analysis by Korean Agency for Technology and Standards, 2010. (http://www.kats.go.kr/content.do?cmsid87)

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