[논문]공기구동 이젝터를 이용한 ABB (Air Bubble Barrier)의 기포거동 특성 연구 (I): 영상처리 및 통계적분석방법 개발

서현덕; 알리유 무사 알리유; 김민균; 김경천

doi:10.5407/jksv.2017.15.2.048

[국내논문] 공기구동 이젝터를 이용한 ABB (Air Bubble Barrier)의 기포거동 특성 연구 (I): 영상처리 및 통계적분석방법 개발
A Study on Bubble Behavior Generated by an Air-driven Ejector for ABB (Air Bubble Barrier) (I): Development of Image Processing Method and Statistical Analysis 원문보기

한국가시화정보학회지= Journal of the Korean society of visualization, v.15 no.2, 2017년, pp.48 - 58

서현덕 (School of Mechanical Engineering, Pusan National University) , 알리유 무사 알리유 (School of Mechanical Engineering, Pusan National University) , 김민균 (Infra & Offshore Research Team, GS Engineering & Construction) , 김경천 (School of Mechanical Engineering, Pusan National University)

Abstract ▼ AI-Helper

To analyze bubbles generated by an ABB (Air Bubble Barrier), we developed image processing procedure and statistical analysis method. Air was discharged from 5 mm nozzle as swarm form at the bottom of 1 m3 water tank. Flow rates of discharged air are ranged from 2 L/min to 20 L/min and these are corresponding to Reynolds number of 1766-17663. Rise velocity of bubble is extracted by using image process pretending intrusive method. Mean equivalent velocity was calculated using void fraction weighting factor. Bubble diameter is obtained and compared with correlations in the literature. Also, we present a correlation according to the result of this study. Mean velocity and mean diameter of bubbles increase with increasing gas Reynolds number. But these parameters show an asymptotic trend when they approach to high Reynolds number.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 ABB의 군집 (swarm)형태로 발생하는 공기방울의 거동을 분석하기 위해 일련의 영상 처리 방법을 사용하였다. 공기방울의 상승속도를 분석하기 위해, 광섬유 탐침법을 모방하였으며, 공기방울의 크기 분포를 통계적으로 분석하였다.

가설 설정

이러한 연구는 여러 가지 가정을 통해 간단화 된다. (a) 공기방울은 구형의 형태를 유지한다. (b) 공기방울의 움직임은 주위 공기방울의 움직임에 영향을 받지 않는다.
(a) 공기방울은 구형의 형태를 유지한다. (b) 공기방울의 움직임은 주위 공기방울의 움직임에 영향을 받지 않는다. (c) 노즐로부터 토출되는 기상의 체적유량은 일정하다.
(b) 공기방울의 움직임은 주위 공기방울의 움직임에 영향을 받지 않는다. (c) 노즐로부터 토출되는 기상의 체적유량은 일정하다. (d) 액상은 Newtonian 유체이며, 그 성질 (밀도, 점도, 표면장력)등은 일정하다.
(c) 노즐로부터 토출되는 기상의 체적유량은 일정하다. (d) 액상은 Newtonian 유체이며, 그 성질 (밀도, 점도, 표면장력)등은 일정하다.

제안 방법

공기방울 영상 처리에 있어서, 추후에 배경으로 인한 Edge detection의 교란을 방지하기 위하여 공기방울 영상(IO)과 배경(IB)의 Grayscale value를 감해서 영상처리의 대상 이미지(I)를 생성한다.
본 연구에서는 ABB의 군집 (swarm)형태로 발생하는 공기방울의 거동을 분석하기 위해 일련의 영상 처리 방법을 사용하였다. 공기방울의 상승속도를 분석하기 위해, 광섬유 탐침법을 모방하였으며, 공기방울의 크기 분포를 통계적으로 분석하였다. 또한 이를 선행 문헌과 비교함으로써 본 접근법의 타당함을 확인하였다.
공기방울의 평균 상승 속도는 측정 위치별 기포율에 따라 가중치를 주어 계산하였는데, 그 이유는 기포율 또한 포물선 모양의 분포를 가졌으며, 포물선 끝에 달해서는 공기방울의 수평방향 움직임으로 인한 noise가 상당하여 충분한 양의 신호샘플을 얻지 못했기 때문이다. 또한 본 연구에서 개발된 영상 처리를 통해 얻어진 공기방울 크기 분포의 결과를 선행 문헌과 비교함으로써, 결과의 타당성을 얻는 한편, 노즐에서 토출되는 공기방울의 크기 분포를 예측할 수 있는 상관식을 제시하였다.
본 연구에서는 Matlab을 이용하여 이진화된 공기방울 거동 영상에서 공기방울의 개수, 각 공기방울의 픽셀화된 넓이를 구하였다. 세 번의 실험 및 영상 처리의 결과로써, 평균 공기방울의 숫자는 ±0.
상승 분포의 중간지점에 더욱 신뢰도를 부여하여 높게 가중시키고, 분포의 끝 지점은 오류이므로 무시되거나 가중치를 적게 주어야 한다. 본 연구에서는 유효한 추출 지점을 기포율의 CDF (Cumulative Distribution Function)값이 30% ~ 70% 이내인 지점으로 제한하고, 아래와 같이 등가 평균 상승 속도에 기포율을 이용하여 가중치를 주었다.
실험을 시작하기에 앞서, 카메라의 교정(calibration)을 위해 target이미지 촬영 후 각각 0.125mm/pix, 0.2mm/pix의 교정 값을 획득하였다.(1280ⅹ1024 pixels image of 1200hs, 1024ⅹ1024 pixels image of SA1.

대상 데이터

1 과 같이 구성되었다. Water tank는 가로, 세로, 높이가 각각 1m이며, 약 90cm 이상의 물을 채우고 실험하였다. 카메라는 PCO 1200hs CCD카메라 (500fps) 및 Photron 사의 SA1.
공기방울의 유동 속도 및 크기를 분석하기 위한 영상처리방법 및 통계적 분석방법에 대한 실험적 연구가 수행되었다. 공기방울영상 및 공기방울의 상승속도 및 크기 분포를 획득하기 위하여 1m³크기의 물탱크, 초고속 카메라, 5mm의 노즐 등이 사용되었다. 공기방울의 상승 속도 분포는 포물선모양의 분포였으며, 토출되는 공기의 양에 따라 증가하였다.
그리고 그 추출지점에 정상적인 신호에 비해 노이즈가 많이 존재하게 된다면, 적절한 사긴 차이를 구할 수 없게 되고 오류가 발생하게 된다. 본 실험의 영상 처리 및 Cross-correlation에서는, 총 240개의 추출 지점 중 약 20개의 오류가 발생하였다.
Water tank는 가로, 세로, 높이가 각각 1m이며, 약 90cm 이상의 물을 채우고 실험하였다. 카메라는 PCO 1200hs CCD카메라 (500fps) 및 Photron 사의 SA1.1 (750fps)을 사용하였다. 압축공기는 3bar의 압력으로 Dwyer 사의 체적유량계를 통해 2L/min ~ 20L/min으로 공급되었다.

이론/모형

공기방울의 등가 직경 및 속도는 Matlab을 이용한 Image processing을 통하여 Fig. 2와 같이 처리된 이미지를 통해 측정되었다. 일련의 영상 처리 알고리즘은 (1) background subtraction, (2) filtering, (3)edge detection, (4) edge dilatation, (5) filing holes, (6) edge eroding, (7) property extraction으로 구성되었다.
대상 이미지에 존재하여 Edge detection을 방해할 수 있는 Noise를 제거하기위한 방법으로, 본 연구에서는 Gaussian filter를 사용하였다.
필터링된 이미지에서 Grayscale value의 구배를 이용하여, 공기방울의 외곽선을 구해내서 이진화(Binary) 하는 방법이다. 본 연구에서는 Prewitt method를 사용하였다. 이 방법은 수직 및 수평 마스크를 이용하여 빠른 영상처리 속도를 갖고 있으나, 대각선 방향의 Edge detection에는 다소 약한 모습을 보여준다.
토출되는 공기의 관성력은 정지 상태의 물과 상호작용하게 되는데, 이 때 물의에 직접적으로 영향을 주게 된다. 이와 같은 밀도, 점도, 표면장력 등이 공기 방울의 거동현상을 기상의 관성력과 액상의 표면장력간의 관계를 의미하는Capillary number을 이용하여 표현하였다. 상수들은 비선형 회귀 방법을 통하여 다음과 같이 구하였다.
확장된 공기방울의 폐곡선 내부를 채우는 과정으로, Soille가 개발한 알고리즘을 사용하였다.^[9]

성능/효과

그 결과 Froude number은 아주 작은 영향을 끼쳐 생략되었다. Reynolds number지수는 음의 값을 가지므로, Reynolds number의 증가는 공기방울 크기의 감소에 영향을 주는 것으로 나타났다. 그러나 전체 상관식에서 노즐에서의 공기의 속력(u_b)의 지수를 고려한다면 약 0.
그러므로 공기방울에 대한 이론적 모델은 부력, 기상의 모멘텀, 표면장력, 항력, 관성력 등을 포함하는 비선형적인 미분대수방정식으로 구성되어야 한다. 낮은 유량의 공기방울 유동에서의 공기방울 크기, 상승 속도는 상대적으로 쉽게 수치해석적으로 계산되었다. 그러나 군집 형태의 공기방울의 계산에서 높은 시간적.
공기방울의 상승속도를 분석하기 위해, 광섬유 탐침법을 모방하였으며, 공기방울의 크기 분포를 통계적으로 분석하였다. 또한 이를 선행 문헌과 비교함으로써 본 접근법의 타당함을 확인하였다. 이를 토대로 앞으로 개발될 향상된 ABB시스템과의 성능 비교가 가능해질 것이다.
후자의 식의 경우, 다양한 기체 (Carbon dioxide, Nitrogen, Argon, Helium, and SF3)와 액체(n-Heptan, glycol, water and sodium sulphite solution)를 158mm내경의 원주기둥 내에서 실험한 결과를 토대로 세워졌다. 또한, 다양한 노즐 (단일 노즐, 구멍낸 평판, 다중 오리피스)을 사용하여 다양한 물리적 성질과 유동 조건을 만족하는 관계식을 세울 수 있었다.^[20-21]
세 번의 실험 및 영상 처리의 결과로써, 평균 공기방울의 숫자는 ±0.7% 에서 ±9.8%에 걸쳐 나타났다.
반면에 가장 정확한 결과를 보인 관계식은 Bhavaraju 등 (1978)과 Wilkinson 등 (1994)의 식이다. 이 식은 non-Newtonian 유체를 사용하여 얻어낸 식이지만, 철저한 수학적인 접근을 통해 식을 유도하였으며 결과적으로 공기방울의 직경은 수정된 Froude number와 Reynolds number 그리고 Capillary number에 영향을 받는 것을 보였다. 후자의 식의 경우, 다양한 기체 (Carbon dioxide, Nitrogen, Argon, Helium, and SF3)와 액체(n-Heptan, glycol, water and sodium sulphite solution)를 158mm내경의 원주기둥 내에서 실험한 결과를 토대로 세워졌다.
실험에서 사용된 노즐의 크기 및 채널의 크기의 차이와 대상 유체의 차이가 편차를 발생시킨 것으로 보인다. 이를 통해, 유체의 물리적 특성들을 고려한 무차원화 된 관계식이 본 연구에 더욱 적합함을 알 수 있었다.^[19]

후속연구

또한 이를 선행 문헌과 비교함으로써 본 접근법의 타당함을 확인하였다. 이를 토대로 앞으로 개발될 향상된 ABB시스템과의 성능 비교가 가능해질 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	관입식 방법의 문제점은 무엇인가?	관입식 방법의 예로는 광섬유 탐침법 등의 국소적 기포율 측정 및 기상의 유동속도 측정이 있다.[1-3] 그러나 관입식 방법은 측정 기구가 유동과 직접 맞닿게 되어 공기방울이 측정 시간 동안 형상의 왜곡이 생길 수 있으며, 공기방울이 측정기구를 뚫고 지나갈 수 있어야 한다는 문제점이 있다. 하지만 광섬유 탐침법의 경우, Sampling rate가 사용 장비에 따라 2 MHz 이상의 뛰어난 성능을 보인다.
	ABB의 장점은 무엇인가?	이와 같은 문제를 해결하기 위한 방법으로 여러가지 취수구 스크린 시스템이 제안되었으며 그 중 하나가 ABB (Air Bubble Barrier)이다. ABB는 다른 스크린에 비해 이물질 끼임이 없으며 이미 시공 완료된 취수구 시스템들에 추가적으로 설치가 가능하다는 장점이 있다.
	PTV 방법을 적용하는데 적절한 상항과 부적절한 상황은 어느 때인가?	최근에는 공기방울의 겹침 등을 영상 처리를 통해 복원하여 공기방울의 분포에 신뢰성을 높이는 연구가 진행되어 왔다. 그러나, 이는 ABB과 같이 높은 유량과 높은 Reynolds number 영역의 유동분석에는 적절하지 않으며, 공기방울의 병합 (coalescence) 및 분열 (brake-up)이 억제된 상태의 분산 기포류 (finely dispersed bubbly flow) 혹은 유동층 (fluidized bed) 내에서의 유동에 적절하다.[4-5]

참고문헌 (23)

Tayagi, P. and Buwa, V.V., 2017, "Experimental characterization of dense gas-liquid flow in a bubble column using voidage probes," Chemical Engineering Journal, Vol.308, pp.912-928.

상세보기
Kim, G., Choi, S.W., Kim, Y.K., Kim, K.C., 2012, "Measurement of Bubble Diameter and Rising Velocity in a Cylindrical Tank using an Optical Fiber Probe and a High Speed Visualization Technique," Journal of the Korean Society of Visualization, 10(2), pp.14-19.

원문보기 상세보기
Morris, D., Teyssedou, A., Lapierre, J. and Tapucu, A., 1987, "Optical fiber probe to measure local void fraction profiles," Applied Optics, Vol.26(21), p.4660.

상세보기
Busciglio, A., Vella, G., Micale, G. and Rizzuti, L., 2008, "Analysis of the bubbling behaviour of 2D gas solid fluidized beds Part I. Digital image analysis technique," Chemical Engineering Journal, Vol.140, pp.398-413

상세보기
Liu, L., Yan, H. and Zhao, G., 2015, "Experimental studies on the shape and motion of air bubbles in viscous Liquids," Experimental Thermal and Fluid Science, Vol.62, pp.109-121

상세보기
Liu, Z. and Zheng, Y., 2006, "PIV study of bubble rising behavior," Powder Technology, Vol.168(1), pp.10-20

상세보기
Sathe, M.J. Thaker, I.H., Strand and T.E., Joshi, J.B., 2010, "Advanced PIV/LIF and shadowgraphy system to visualize flow structure in two-phase bubbly flows," Chemical Engineering Science, Vol.65(8), pp.2431-2442

상세보기
Prewitt, J.M.S., 1970, "Object enhancement and extraction," Picture Processing and Psychopictorics, B. Lipkin and A. Rosenfeld, Eds., New York: Academic Press, pp.75-149.
Soille, P., 2004, "Morphological Image Analysis", Springer Berlin Heidelberg.
Yin, J., Li, J., Li, H., Liu, W. and Wang, D., 2015, "Experimental study on the bubble generation characteristics for an venturi type bubble generator," International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol.91, pp.218-224.

상세보기
Zheng, S., Yao, Y., Guo, F., Bi, R. and Li, J., 2010, "Local bubble size distribution, gas-liquid interfacial areas and gas holdups in an up-flow ejector," Chemical Engineering Science, Vol.65(18), pp.5264-5271.

상세보기
Gordiychuk, A. Svanera, M., Benini, S. and Poesio, P., 2016, "Size distribution and Sauter mean diameter of micro bubbles for a Venturi type bubble generator," Experimental Thermal and Fluid Science, Vol.70, pp.51-60.

상세보기
Nogami, S., Ogusu, T. and Shoji, M., 2001, Nonlinear interaction between bubble generation and micro-convection, University of Tokyo.
Zhang, L. and Shoji, M., 2001, Aperiodic bubble formation from a submerged orifice, Chemical Engineering Science, Vol.56(18), pp.5371-5381.

상세보기
Kumar, A., Degaleesan, T.E., Laddha, G.S. and Hoelscher, H.E., 1976, "Bubble Swarm Characteristics in Bubble Columns," The Canadian Journal of Chemical Engineering, Vol.5, pp.503-508.
Tsuge, H., Rudin, P. and Kammel, R., 1986. Bubble formation from a vertically downward facing nozzle in liquids and molten metals. Journal of Chemical Engineering of Japan, 19(4), pp.326-330.

상세보기
Al Ba'ba'a, H.B., Elgammal, T. & Amano, R.S., 2016, "Correlations of Bubble Diameter and Frequency for Air-Water System Based on Orifice Diameter and Flow Rate," Journal of Fluids Engineering, Vol.138(11), pp.114501.

상세보기
Akita, K. and Yoshida, F., 1974, "Bubble Size, Interfacial Area, and Liquid-Phase Mass Transfer Coefficient in Bubble Columns," Industrial & Engineering Chemistry Process Design and Development, Vol.13(1), pp.84-91.

상세보기
Moo-Young, M. and Blanch, H.W., 1981, "Design of biochemical reactors mass transfer criteria for simple and complex systems," In Reactors and Reactions. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, pp. 1-69.
Bhavaraju, S.M., Mashelkar, R.A. and Blanch, H.W.,1978, "Bubble Motion and Mass Transfer Non- Newtonian FIuids: Part I. Single Bubble in Power Law and Bingham Fluids," AIChE Journal, Vol.24(6), pp.1063-1070.

상세보기
Wilkinson, P.M., Haringa, H. and Van Dierendonck, L.L., 1994, "Mass transfer and bubble size in a bubble column under pressure," Chemical Engineering Science, Vol.49(9), pp.1417-1427.

상세보기
Jamialahmadi, M., Zehtaban, M.R., Muller- Steinhagen, H. Sarrafi, A. and Smith, J.M., 2001, "Study of Bubble Formation Under Constant Flow Conditions," Chemical Engineering Research and Design, Vol.79(5), pp.523-532.

상세보기
Azzopardi, B.J. and Hewitt, G.F., 1997, "Maximum Drop Sizes in Gas-Liquid Flows," Multiphase Science and Technology, Vol.9(2), pp.109-204.

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format