[논문]마찰저항 감소에 영향을 주는 난류 경계층 내 미세기포(microbubble)의 가시화 연구

백부근; 임근태; 김광수; 김경열; 김유철

doi:10.3744/snak.2015.52.4.356

문제 정의

본 가시화 연구의 주 목적은 미세 기포에 의해 마찰 저항이 감소하는 원인을 분석하고자 함에 있다. 이러한 목적을 달성하기 위해서는 난류 경계층의 특성에 대해서 살펴 보아야 한다.
본 연구에서는 미세기포를 활용한 마찰 저항 저감 기법의 기초적인 연구자료를 확보하기 위한 목적으로, 본 연구소가 보유한 중형 캐비테이션 터널에서 100 μm이하의 미세기포를 생성시켜 2차원 평판의 경계층으로 분사하고 그 마찰 저항 감소 효과를 조사하였다. 또한, PIV 및 그림자 기법의 유동 가시화 기술을 이용하여 난류경계층 내에서 미세기포의 거동특성 및 군집특성을 분석하여 미세기포로 인한 난류 경계층 내 유동특성의 변화 및 난류응력변화 등의 마찰저항저감의 물리적 특성을 조사하였다.
(2010)은 난류경계층내의 국부 Kolmogrov scale에 필적할만한 직경을 가지는 100 μm이하의 미세기포를 평판유동의 경계층에 주입하고 PIV 등의 유동가시화 방법을 이용하여 마찰 저항 감소 현상을 연구 하였다. 이 연구에서는 난류경계층 내에서 미세기포의 군집특성과 거동특성을 계측하여 난류경계층의 유속 구배(gradient)를 변화시키고 난류응력을 저감시키는 물리적 특성을 파악하고자 하였다.

제안 방법

본 연구에서는 기포 발생 장치를 이용하여 미세기포를 생성시켰는데 50 μm 크기 이하의 미세기포가 약 53% 정도를 차지하였다. 2차원 평판에서 나타나는 난류경계층 내로 생성된 미세기포들을 성공적으로 유입시켰으며 평판에 매입 설치된 마찰 센서(friction sensor)를 이용하여 10 - 16%의 저항 감소 효과를 계측하였다.
본 연구에서는 미세기포를 활용한 마찰 저항 저감 기법의 기초적인 연구자료를 확보하기 위한 목적으로, 본 연구소가 보유한 중형 캐비테이션 터널에서 100 μm이하의 미세기포를 생성시켜 2차원 평판의 경계층으로 분사하고 그 마찰 저항 감소 효과를 조사하였다. 또한, PIV 및 그림자 기법의 유동 가시화 기술을 이용하여 난류경계층 내에서 미세기포의 거동특성 및 군집특성을 분석하여 미세기포로 인한 난류 경계층 내 유동특성의 변화 및 난류응력변화 등의 마찰저항저감의 물리적 특성을 조사하였다.
미세기포를 활용한 평판 마찰저항시험을 위해서 터널 시험부 내 유속을 1 m/s부터 3.5 m/s까지 0.5 m/s 간격으로 변화하였다. 이 때 노즐에서 토출되는 이상유동의 유량은 약 5.
5에 고속카메라와 펄스 레이저, 렌즈 모듈을 나타내었다. 유동 가시화는 평판 바로 아래 난류경계층에 대해서 적용하였는데 기포가 없는 상태(w/o bubble, single phase)의 경계층과 기포가 있는 경우(w/ bubble, gas phase)의 경계층을 분리하여 실험하였다.
77 liter/min으로 고정하였다. 유속변화와 기포의 공급유량에 따른 마찰 저감량을 평판에 부착된 마찰력 센서를 통하여 계측하였다.

대상 데이터

4와 같은 유동가시화 실험장치를 구성하였다. Cinematic PIV 시스템은 미세기포발생장치, 고속카메라, 렌즈, 메탈램프로 구성되어있다. Fig.
기포가 없는 경우에는 유체유동 추종 입자로서 TiO2 입자(평균 직경 3 μm)를 사용하였으며 일반적인 PIV용 카메라를 이용하였다. 또한 200 mJ 펄스 레이저를 사용하였고 관측면의 크기는 14 × 14 mm2이었다.
기포가 없는 경우에는 유체유동 추종 입자로서 TiO2 입자(평균 직경 3 μm)를 사용하였으며 일반적인 PIV용 카메라를 이용하였다. 또한 200 mJ 펄스 레이저를 사용하였고 관측면의 크기는 14 × 14 mm2이었다. 기포가 있을 경우에는 레이저광이 기포에 닿아 매우 강한 산란광을 발산시키므로 실험자의 시력 손상뿐 만 아니라 CCD 카메라의 셀(cell)을 손상시킬 가능성이 크다.
터널 관측부에 총 길이(L) 2 m의 평판을 설치하고 미세기포 생성장치 토출부를 평판 경계층으로 분사시킬 수 있는 실험 장치를 Fig. 2 및 3과 같이 배치하였다.

이론/모형

각 기포의 추출 및 추적을 위해서는 기포를 인지하고 기포의 경계를 결정하는 수치적 기법이 필요하다. 본 연구에서는 threshold level method, edge height/edge slope/area validation methods 등을 적절히 이용하여 기포 영상을 해석하였다. Shadow processing을 통해 기포들을 추출한 후 기포의 크기(직경) 정보를 얻을 수 있다.
특히 압력 또는 형상 저항을 제외한 대부분의 저항은 유체와 벽면 사이의 경계층 내 마찰에 기인하므로 벽면 위에 형성되는 경계층을 조사하는 실험적 기법이 필요하다. 본 연구에서는 마찰 저항 증감의 물리적 특성을 살펴 보기 위한 실험적 기법으로서 PIV와 그림자 기법을 이용하였다. PIV 기법은 유체 내에 추적입자를 균일하게 분포시키고 카메라와 레이저 조명을 동기(synchronization)시켜 추적입자의 변위를 계측하여 유동의 속도를 계측하는 방법인데 추적입자로서 TiO2와 같은 고체뿐 만 아니라 기포를 사용하여 기포 유동장을 계측하기도 한다 (Paik, et al.
결국 미세기포에 의한 마찰 저항 감소 원인을 살펴 보기 위해서는 미세기포가 경계층 내에서 어떠한 거동을 하고 어떠한 군집 분포를 갖는지 조사하는 작업이 필요하다. 본 연구에서는 평판의 경계층 내에서 거동하는 미세기포들의 물리적 특성을 살펴 보기 위하여 유동가시화 기법을 이용하였다.

성능/효과

결과에 의하면 개방된 기포 토출 노즐 수가 증가하면 미세기포의 토출 유량이 많아져 마찰 저항 저감율이 높아짐을 확인할 수 있다. 또한 유속이 빨라지면 그 저감율은 점차 낮아지는 경향을 보이며 유속이 1.
난류 경계층 내 미세기포 거동에 의해 레이놀즈 응력의(Reynolds stress) 크기가 감소하여 난류생성을 저감시켰으며 국소 공극률(local void fraction)은 유속에 따라 다르게 나타났다. 최종적으로 2.
본 연구에서는 기포 발생 장치를 이용하여 미세기포를 생성시켰는데 50 μm 크기 이하의 미세기포가 약 53% 정도를 차지하였다. 2차원 평판에서 나타나는 난류경계층 내로 생성된 미세기포들을 성공적으로 유입시켰으며 평판에 매입 설치된 마찰 센서(friction sensor)를 이용하여 10 - 16%의 저항 감소 효과를 계측하였다.
다만 내층(log-law region)에서의 기울기는 기포가 없는 유체의 경우와 거의 같지만 완충층(buffer layer)과 점성저층(viscous sublayer)의 영역에서는 미세기포의 무차원화 속도분포 기울기가 다르게 나타남을 확인할 수 있다. 이 결과를 볼 때, 미세기포들은 내층(log-law region)에서는 기포가 없는 유동장과 동일한 거동을 하지만 벽면에 더 가까워지는 완충층과 점성저층에서 속도분포의 변화가 나타나고 있음을 보이는 결과이며, 평판 마찰저항저감은 완충층과 점성저층에 존재하는 미세기포들의 거동특성에 관련이 있다는 사실을 나타내고 있다.
난류 경계층 내 미세기포 거동에 의해 레이놀즈 응력의(Reynolds stress) 크기가 감소하여 난류생성을 저감시켰으며 국소 공극률(local void fraction)은 유속에 따라 다르게 나타났다. 최종적으로 2.5 ~ 3.6%의 공극률이 마찰저항을 감소시키는 데 기여하였음을 알게 되었다.

후속연구

결국 미세기포에 의한 마찰 저항 감소 원인을 살펴 보기 위해서는 미세기포가 경계층 내에서 어떠한 거동을 하고 어떠한 군집 분포를 갖는지 조사하는 작업이 필요하다. 본 연구에서는 평판의 경계층 내에서 거동하는 미세기포들의 물리적 특성을 살펴 보기 위하여 유동가시화 기법을 이용하였다.
즉, 큰 관찰영역에서 직경이 70 μm 보다 작은 기포에 대해서는 영상으로 취득되지 못했을 가능성이 크다. 경계층, 특히 완충층 내 영역에서 미세기포의 군집특성 및 유속에 따른 공극률이 어떻게 나타나는 가를 자세히 조사하기 위해서는 원거리 현미경(long distance microscope, 단텍 다이너믹스사) 등을 이용한 세밀한 유동가시화 연구가 필요하다.

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