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문제 정의
- 본 연구를 통해 적외선 열화상 방식을 통하여 표면온도 측정의 왜곡 보정 기술을 확보하였다. 해당 기법을 사용해 공력특성 실험을 수행하였고, 통상적으로 사용되는 이차원 모델의 정성적 일뿐 아니라 정량적인 분석은 적외선 카메라의 흑체 보정, 카메라와 렌즈의 불완전한 평형 등으로 야기되는 왜곡 보정이 고려되어야 함을 확인 하였다.
제안 방법
- 본 연구의 실험 모델으로 이중압축램프를 사용하였다. Fig. 2에서와 같이 앞전의 무딘 정도에 따른 영향을 극대화하기 위하여 날카로운 모델 (sharp model)과 무딘 모델(blunt model)의 앞전 반지름(leading edge roundness)을 각각 0.0mm, 2.0mm으로 선정하였다. 이중압축램프에 사용되는 두 가지 경사각은 13°, 40°의 경사각을 사용 하였고 모델 재질은 열화상가시화방식에 영향을 미치는 방사율과 열 전도성을 고려하여 Acrylic 소재(PMMA; Poly Methyl Meta Acrylate)를 사용하였다.
- IR 카메라의 신호감지 신뢰성 확보를 위하여 흑체를 실험모델과 동일한 거리에 두고 두 가지 온도에 대하여 보정작업을 수행한다(Fig. 7).
- 격자는 두 가지 종류(30mm 5×6, 21mm 8×11)를 사용하였으며, 본프로그램은 Zhang의 카메라 보정기법을 사용하므로 보다 나은 결과를 위해 4장 이상의 이미지를 사용하였다[7].
- 카메라 내부속성을 나타내는 camera matrix는카메라 내부파라미터인 초점거리(focal length), 주점(principal point)과 왜곡계수(distortion coefficient)로 구성된다(식 2). 격자이미지 (chessboard)를 통해 모서리 점들을 감지하여 카메라 내부파라미터를 추출하는 공개프로그램인 GML camera calibration toolbox를 통해 얻은 파라미터들을 Table 2에 요약하였다.
- 1에 나타내었다. 경계층 효과 (boundary layer effect) 등과 같은 유동흐름에 미치는 영향을 일정하게 유지하기 위하여 모든 실험에서 노즐(nozzle)과 디퓨저(diffuser)와의 거리를 일정하게 유지하였다. 그리고 지지대를 이용하여 노즐의 중앙과 모델의 중앙이 동일선상에 위치하도록 고정하였다.
- 4). 그리고 노즐 출구의 세로방향 높이에 따른 마하수의 분포를 확인하여 유동의 평형 상태를 검증하였다(Fig. 5).
- 경계층 효과 (boundary layer effect) 등과 같은 유동흐름에 미치는 영향을 일정하게 유지하기 위하여 모든 실험에서 노즐(nozzle)과 디퓨저(diffuser)와의 거리를 일정하게 유지하였다. 그리고 지지대를 이용하여 노즐의 중앙과 모델의 중앙이 동일선상에 위치하도록 고정하였다.
- 노즐 출구 중앙점의 시간에 따른 압력변화 측정을 통해 정상 유동(steady flow)상태를 확인하였다(Fig. 4). 그리고 노즐 출구의 세로방향 높이에 따른 마하수의 분포를 확인하여 유동의 평형 상태를 검증하였다(Fig.
- 95의 일정한 크기의 방사율(ε), IR 카메라의 노출시간과 파장의 함수인 R, IR 카메라 파장의 함수 B, 그리고항상 1의 값을 갖는 상수 F로 구성된다[6]. 두 개의 변수를 구하기 위하여 2가지 온도(40℃, 10 0℃)에서 흑체 보정을 수행하였다.
- 본 연구에서는 IRT 기법 결과를 그대로 사용한 기존 연구들과 다르게 초음속 유동조건에서의 이중압축램프 표면온도측정의 정량적 분석을 위해 왜곡보정을 수행하였다. 모델 표면에서 감지된 신호를 흑체 보정을 통해 온도값으로 변환하고, 카메라 보정과 좌표변환을 통해 보정된 온도 분포를 삼차원으로 구현하였다. 이를 통해 간단한 이차원 모델 사용시에도 정량적 분석을 위해 서는 왜곡 보정이 고려되어야 함을 확인하였다.
- 11과 12는 두 가지 모델에 대해 동일한 위치에서 온도 보정과 왜곡 보정 결과를 3가지 흐름선으로 x축과 y축에 따라 나타내었다. 보정 없이 픽셀이미지로부터 얻은 raw data와 왜곡 보정을 통해 정확한 위치에서 추출된 corrected data를 비교하였다. 흐름선 1번은 스팬길이 중간 지점의 온도값을 유동방향 길이에 따라 나타내고, 2번과 3번은 앞전으로부터 0.
- 본 연구에서는 IR camera를 통해 이차원 픽셀 이미지로 구성되는 모델 표면의 감지신호 (detected signal)로부터 삼차원 실제 이미지로 좌표변환을 수행한다. 좌표변환은 흑체 보정(blackbody calibration), 카메라 보정(camera calibration) 및 영상처리기법(OpneCV)을 통해 신호변환상수(R, B, F), 카메라 내부·외부파라미터들을 확보한다.
- 본 연구에서는 IRT 기법 결과를 그대로 사용한 기존 연구들과 다르게 초음속 유동조건에서의 이중압축램프 표면온도측정의 정량적 분석을 위해 왜곡보정을 수행하였다. 모델 표면에서 감지된 신호를 흑체 보정을 통해 온도값으로 변환하고, 카메라 보정과 좌표변환을 통해 보정된 온도 분포를 삼차원으로 구현하였다.
- 본 연구의 실험모델은 첫 번째와 두 번째 경사각이 각각 13°, 40° 이므로 방사각에 따른 방사율에 대한 고려를 무시하고, PMMA 재질의 방사율은 0.90 으로 약 ±5% 오차를 갖는 일반적으로 사용되는 수치를 사용하였다.
- 열화상카메라 이미지를 카메라 보정 프로그램에서 선명히 감지되기 위하여 검정색과 흰색으로 방사율 차이를 최대화 할 수 있는 검정 시트(self adhesive film)를 사용하였다. 격자는 두 가지 종류(30mm 5×6, 21mm 8×11)를 사용하였으며, 본프로그램은 Zhang의 카메라 보정기법을 사용하므로 보다 나은 결과를 위해 4장 이상의 이미지를 사용하였다[7].
- 풍동시험은 건국대학교 초음속 풍동 시험장비 (MAF, The Model Aerodynamic Facility)에서 수행되었다. 본 시험에서는 적외선 영역대 7.
- 픽셀 좌표계에서의 이차원 모델이미지를 실객체 좌표계에서 z축 방향을 추가 고려한 삼차원 모델이미지로 변환하였다. Fig.
대상 데이터
- 본 시험에서는 적외선 영역대 7.5-13.0 ㎛, 해상도 640×480인 FLIR 사의 A655SC IR 카메라와 anti-reflection 코팅처리가된 ZnSe(Zinc Selenide) 광학창을 사용하였다.
- 이중압축램프에 사용되는 두 가지 경사각은 13°, 40°의 경사각을 사용 하였고 모델 재질은 열화상가시화방식에 영향을 미치는 방사율과 열 전도성을 고려하여 Acrylic 소재(PMMA; Poly Methyl Meta Acrylate)를 사용하였다.
- 획득된 데이터는 6개 데이터당 1개데이터를 표현하였으며, 데이터 추적은 목표지점±0.1 mm 오차범위 내에서 이루어졌다.
데이터처리
- 결과값은 약 ±10%의 정확도를 가지며, 일반 디지털카메라와 열화상카메라로 획득한 이미지를 Fig. 8에 비교하였다.
이론/모형
- 본 연구의 실험 모델으로 이중압축램프를 사용하였다. Fig.
성능/효과
- 이는 무딘 모델 앞전에 생기는 수직충 격파로 인해 유동이 가열되었음을 보여준다. 그리고 박리충격파 이후 형성되는 박리거품 (separation bubble)에 의해 발생하는 온도감소량이 상대적으로 작아졌으며, 무딘 모델에서는큰 온도변화 없이 모델 끝부분까지 거의 일정한 온도가 유지되는 결과를 보였다. 무딘 모델 연구결과는 앞전반지름으로 인해 형성되는 수직충격파가 앞전을 가열하고, 박리거품의 냉유동(cold flow) 또한 가열되는 현상을 정량적 비교를 통해 보여준다.
- 흐름선 2번에서는 왜곡 보정 전에는 왜곡현상으로 인하여 스팬길이에 따라 온도가 선형적으로 상승되었지만, 왜곡 보정후에는 스팬길이에 따라 일정한 온도분포를 가짐을 확인하였다. 또한, 상대적으로 균일한 두번째 램프의 온도분포와 유동방향을 따라 감소 되는 왜곡정도로 인해 흐름선 3번의 경우에는 모델 양쪽에서의 왜곡보정이 크지 않음을 확인하였다.
- 본 연구를 통해 적외선 열화상 방식을 통하여 표면온도 측정의 왜곡 보정 기술을 확보하였다. 해당 기법을 사용해 공력특성 실험을 수행하였고, 통상적으로 사용되는 이차원 모델의 정성적 일뿐 아니라 정량적인 분석은 적외선 카메라의 흑체 보정, 카메라와 렌즈의 불완전한 평형 등으로 야기되는 왜곡 보정이 고려되어야 함을 확인 하였다. 또한 보다 상세한 분석을 위해서는 모델 표면에서 미세한 차이를 갖는 시야각의 방사율 보정 등이 고려되어야 한다.
- 흐름선 1번의 경우, 박리충격파와 힌지포인트로 인한 온도변화 경향이 일치하였고, 약 3℃의온도가 보정되었다. 흐름선 2번에서는 왜곡 보정 전에는 왜곡현상으로 인하여 스팬길이에 따라 온도가 선형적으로 상승되었지만, 왜곡 보정후에는 스팬길이에 따라 일정한 온도분포를 가짐을 확인하였다. 또한, 상대적으로 균일한 두번째 램프의 온도분포와 유동방향을 따라 감소 되는 왜곡정도로 인해 흐름선 3번의 경우에는 모델 양쪽에서의 왜곡보정이 크지 않음을 확인하였다.
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