[논문]공기유입구를 가진 벤츄리 형상의 기포발생기에서 토출되는 기포 유동 특성의 가시화 측정 분석

배현우; 이승민; 송문수; 성재용

doi:10.5407/jksv.2019.17.1.060

공기유입구를 가진 벤츄리 형상의 기포발생기에서 토출되는 기포 유동 특성의 가시화 측정 분석
Flow visualizations and analysis on characteristics of bubbly flows exhausted from a venturi-type bubble generator with an air vent 원문보기

한국가시화정보학회지= Journal of the Korean society of visualization, v.17 no.1, 2019년, pp.60 - 68

배현우 (Graduate School, Department of Mechanical Engineering, Seoul National University of Science and Technology) , 이승민 (Graduate School, Department of Mechanical Engineering, Seoul National University of Science and Technology) , 송문수 (Department of Mechanical and Automotive Engineering, Seoul National University of Science and Technology) , 성재용 (Department of Mechanical and Automotive Engineering, Seoul National University of Science and Technology)

Abstract ▼ AI-Helper

Flow visualizations have been carried out to analyze the characteristics of bubby flows exhausted from a venturi-type bubble generator with an air vent. For various design parameters and operating conditions of the bubble generator, the images of bubbly flows was recorded using a high-speed camera and a microscope. Then the amount and size distribution of bubble was evaluated by an image processing technique. The results show that for increasing the amount of bubble, it is more effective to reduce the venturi throat than to enlarge the air vent diameter. If the water flow rate increases, the bubble generation rate increases but reaches a status of saturation, whose condition depends on Reynolds number at a given air vent diameter. The bubble size increases as the diameter of venturi throat decreases and Reynolds number increases. However, the air vent diameter is not a significant factor on bubble size.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Geometry of a bubble generator
그림 Fig. 2. Experimental setup for visualizing micro bubbly flows
그림 Fig. 3. Images of bubbly flows according to the type of the bubble generator and water flow rate; Q_water = (a) 400 ml/min, (b) 500 ml/min, (c) 600 ml/min
표 Table 1. Design parameters and operation conditions
$Fig. 4. Area fraction of bubble with respect to liquid phase$ 그림 Fig. 4. Area fraction of bubble with respect to liquid phase
$Fig. 5. Variations of bubble area fraction according to Reynolds number at the venturi throat$ 그림 Fig. 5. Variations of bubble area fraction according to Reynolds number at the venturi throat
그림 Fig. 6. Bubble size distributions for each type of bubble generator; (a) type 1, (b) type 2,(c) type 3, (d) type 4
그림 Fig. 7. Bubble diameter according to the evaluation methods for each type of bubble generator; (a) type 1, (b) type 2, (c) type 3, (d) type 4
그림 Fig. 8. Variations of bubble diameter according to Reynolds number at venturi throat

AI 본문요약
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문제 정의

다양한 형태의 기포발생기를 제작하고, 노즐에서 토출되는 기포수를 초고속 카메라와 현미경을 이용하여 가시화 한다. 가시화 영상을 기반으로 기포 크기 및 기포량을 측정 분석하여 기포가 생성되는 특성을 살펴보고자 한다.
앞선 연구들은 공기유입구나 노즐 입구의 크기가 수 cm 정도로 큰 편이서 mm 크기의 기포가 생성된다. 본 연구는 mm 크기의 기포수를 생성하여 구강 세정에 적용을 목적으로 한다. 본 연구의 이전연구⁽⁵⁾에서는 다공성 물질을 노즐 내부에 삽입하여 캐비테이션(cavitation)에 의한 기포수를 생성하였으나 기포의 양이 많지 않아 실용성이 떨어졌다.
본 연구의 목적은 공기유입구가 형성된 벤츄리 구조의 소형 기포발생기에 대하여 설계 인자와 작동 조건이 기포의 크기 및 기포량에 미치는 영향을 고찰하고자 한다. 다양한 형태의 기포발생기를 제작하고, 노즐에서 토출되는 기포수를 초고속 카메라와 현미경을 이용하여 가시화 한다.

제안 방법

7에서 비교하였다. 2장에서 설명하였던 기포 크기 평가방법으로 D10, D32, D_v0.5지수를 계산하였으며, 각 type에 대해 유량에 따른 이들 지수의 변화를 살펴보았다. Figure 5에서 이 세가지 지수의 값은 D_v0.
기포수 내에 존재하는 기포의 양은 측정된 영상에서 관측영역 대비 기포가 차지하는 면적의 비를 통해 구하였다. 엄밀하게는 물과 기포의 체적비인 volume fraction을 계산하여야 하나 현미경을 이용한 3차원 계측이 어려우므로 본 연구에서는 다음과 같이 정의된 면적비(area fraction)로 기포량을 평가하였다.
기포의 크기는 가시화 영상에서 기포의 경계를 영상처리 기법으로 찾아내고, 영상에서의 픽셀 크기로부터 scale factor를 곱하여 물리적인 크기를 산출하였다. 자세한 영상처리 방법은 본 연구의 이전 연구⁽⁸⁾를 참고하기 바란다.
본 연구의 목적은 공기유입구가 형성된 벤츄리 구조의 소형 기포발생기에 대하여 설계 인자와 작동 조건이 기포의 크기 및 기포량에 미치는 영향을 고찰하고자 한다. 다양한 형태의 기포발생기를 제작하고, 노즐에서 토출되는 기포수를 초고속 카메라와 현미경을 이용하여 가시화 한다. 가시화 영상을 기반으로 기포 크기 및 기포량을 측정 분석하여 기포가 생성되는 특성을 살펴보고자 한다.
본 연구의 이전연구⁽⁵⁾에서는 다공성 물질을 노즐 내부에 삽입하여 캐비테이션(cavitation)에 의한 기포수를 생성하였으나 기포의 양이 많지 않아 실용성이 떨어졌다. 따라서 본 연구에서는 벤츄리 형상에 공기유입구를 설치하여 액체 내에 기체가 혼입되는 방식을 채택하였다. 또한, 구강 세정에 적용하기 위해서는 전체적인 노즐의 크기가 mm 크기로 작은 소형 기포발생기의 설계가 필요하다.
본 연구에서는 여러 설계요소 중 공기유입구의 직경(d_air)과 벤츄리 목의 직경(d_th)을 설계 변수로 설정하여 각각 2가지 씩 총 4가지 type의 기포발생기를 제작하였다. 또한 기포발생기로 유입되는 물의 유량(Q_water)은 400, 500, 600 ml/min로 총 3가지를 적용하였다. 그 외의 설계요소인 노즐 입구 직경은 D = 2.
8에서는 기포 크기에 대한 3가지 평가 방법을 벤츄리 목에서의 Re 수에 대해 나타내었다. 또한, 공기유입구의 직경이 0.5 mm와 1 mm인 경우로 나누어 기포 크기 변화를 살펴보았다. 이 그림에서 Re 수가 증가하면 기포 크기가 대체로 증가하는 모습을 볼 수 있다.
본 연구에서는 공기유입구가 있는 벤츄리 형상의 기포발생기에서 설계 인자 및 물의 유량에 따른 기포량과 기포 크기를 초고속 카메라와 현미경을 이용하여 측정하고 분석하였다. 그 결과를 정리하면 다음과 같다.
이러한 방식의 기포발생기는 입구 직경과 벤츄리 목의 직경의 비율, 공기유입구의 크기와 개수 등의 다양한 설계요소에 따라 토출 특성이 결정된다^(6-7). 본 연구에서는 여러 설계요소 중 공기유입구의 직경(d_air)과 벤츄리 목의 직경(d_th)을 설계 변수로 설정하여 각각 2가지 씩 총 4가지 type의 기포발생기를 제작하였다. 또한 기포발생기로 유입되는 물의 유량(Q_water)은 400, 500, 600 ml/min로 총 3가지를 적용하였다.
기포의 양이 많을 경우 영상에서 겹쳐지는 기포가 존재하기 때문에 area fraction이 volume fraction과 다를 수 있다. 본 연구에서는 이를 최소화하기 위해 관측부의 채널 높이를 1 mm로 얇게 설계하여 영상의 수직방향 변화를 줄였다.
기포수는 물로 채워진 챔버 내부로 분사되는데, 챔버 내부에 높이 1 mm의 채널을 형성하고 채널 내부로 기포 유동이 흐르도록 하였다. 얇은 채널 내부를 지나는 기포수를 할로겐 광원과 10배율 렌즈의 현미경(Nikon, Eclipse Ti-U), 그리고 고속카메라(Phantom, Miro M110)를 이용하여 200 frame/s로 촬영하였다. 관측 영역은 1280 x 800 pixels의 해상도를 가지며, FOV(field of view) 면적은 3.
기포수 내에 존재하는 기포의 양은 측정된 영상에서 관측영역 대비 기포가 차지하는 면적의 비를 통해 구하였다. 엄밀하게는 물과 기포의 체적비인 volume fraction을 계산하여야 하나 현미경을 이용한 3차원 계측이 어려우므로 본 연구에서는 다음과 같이 정의된 면적비(area fraction)로 기포량을 평가하였다.
이러한 포화 조건은 벤츄리 목에서의 Re 수와 공기유입구의 크기에 의해 결정된다. 이를 확인하기 위해서 Fig. 5에서는 벤츄리 목에서의 Re 수에 따른 기포량의 변화를 공기유입구 직경이 0.5 mm와 1 mm인 경우에 대해 각각 비교하였다. 이 그림에서 Re 수가 증가하면 기포량이 증가하는 것을 볼 수 있지만, 공기유입구의 직경이 1.

대상 데이터

가압구간인 확대관은 90°의 급속 확대 형태로 제작하였으며, 확대관에서 토출구까지의 길이는 40 mm이다.
얇은 채널 내부를 지나는 기포수를 할로겐 광원과 10배율 렌즈의 현미경(Nikon, Eclipse Ti-U), 그리고 고속카메라(Phantom, Miro M110)를 이용하여 200 frame/s로 촬영하였다. 관측 영역은 1280 x 800 pixels의 해상도를 가지며, FOV(field of view) 면적은 3.89 mm²이다. 생성된 기포는 실험 조건에 따라 1 ~ 2 m/s로 관측 영역을 아주 빠르게 통과하므로 이를 순간적으로 잔상없이 선명하게 촬영하기 위하여 카메라의 노출 시간(exposure time)은 2 ms로 매우 짧게 설정하였다.
생성된 기포는 실험 조건에 따라 1 ~ 2 m/s로 관측 영역을 아주 빠르게 통과하므로 이를 순간적으로 잔상없이 선명하게 촬영하기 위하여 카메라의 노출 시간(exposure time)은 2 ms로 매우 짧게 설정하였다. 본 실험 장치를 통해 관측할 수 있는 가장 작은 크기의 기포의 크기는 약 2 mm이며 가시화된 이미지의 기포는 scale factor를 사용하여 실제 크기로 환산하였다.
본 실험에서는 Re 수의 범위가 5×103 ≲ Re ≲ 104 이며, We 수의 범위는 10-4 ≲ We ≲ 1이다.

성능/효과

이 그림에서 Re 수가 증가하면 기포 크기가 대체로 증가하는 모습을 볼 수 있다. 공기유입구의 직경 변화에 대해서는 동일 Re 수에서 공기유입구의 직경이 큰 점선의 경우가 직경이 작은 실선의 경우보다 기포 크기가 대체로 크게 나타났다. 그러나 이러한 경향은 항상 성립되는 것은 아니며, 기포 크기의 평가방법에 따라 달라지기도 한다.
또한, 벤츄리 목에서의 레이놀즈수가 증가하면 기포 크기가 대체로 증가하였다. 그러나 벤츄리 목 직경이 작은 경우는 유량 및 공기유입구 직경에 따라 기포 크기에 많은 변화가 있었지만, 목 직경이 큰 경우는 유량 및 공기유입구 직경이 기포 크기에 거의 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
본 실험에서 사용된 4가지 type에 대해 100 mm 전후의 기포가 가장 많이 생성되고, 200 mm 이상 크기의 기포는 그 수가 급격히 감소하는 모습을 보인다. 기포 크기에 대한 확률밀도함수는 대부분 경우 특정 기포 크기에서 단일 피크를 가지지만, type 2의 경우는 단일 피크가 아닌 이중 피크를 가지고 있는 것으로 나타났다. 이는 생성된 기포들이 유동 중에 주위 기포들과 합쳐지는 융합(coalescence)현상에 의한 것으로 기포 발생 후 이동하면서 기포의 거동 특성이 변하기 때문이다⁽⁹⁾.
유동 박리에 의한 와류유동은 목에서 발생한 기포가 서로 뭉치거나 깨지는데 큰 역할을 한다. 따라서 와류가 크게 형성되는 목 직경 1.25 mm에서는 유량조건에 따른 기포 크기의 변화가 심하고, 목 직경 1.75 mm에서는 그 변화가 미약하게 나타났다. 요약하면, 벤츄리 형상의 노즐에 공기유입구를 설치하여 물과 공기가 혼합되어 기포를 생성하는 과정은 여러 가지 파라메터에 의해 달라지게 되는데, 노즐 목에서의 압력, 유속, 공기유입관의 저항, 벤츄리 확대관의 형상 및 노즐 토출구까지의 거리 등 복합적인 요소가 작용한다.
기포량에 비해 기포의 크기에 영향을 주는 요소는 매우 복잡한 메카니즘에 의해 결정되는데, 본 연구의 조건에서는 주어진 물의 유량에서 벤츄리 목이 좁을수록 큰 기포가 생성된다. 또한, 벤츄리 목에서의 레이놀즈수가 증가하면 기포 크기가 대체로 증가하였다. 그러나 벤츄리 목 직경이 작은 경우는 유량 및 공기유입구 직경에 따라 기포 크기에 많은 변화가 있었지만, 목 직경이 큰 경우는 유량 및 공기유입구 직경이 기포 크기에 거의 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
6에서는 각 type 별로 유량에 따른 기포 크기의 분포를 확률밀도함수(probability density function)로 나타내었다. 본 실험에서 사용된 4가지 type에 대해 100 mm 전후의 기포가 가장 많이 생성되고, 200 mm 이상 크기의 기포는 그 수가 급격히 감소하는 모습을 보인다. 기포 크기에 대한 확률밀도함수는 대부분 경우 특정 기포 크기에서 단일 피크를 가지지만, type 2의 경우는 단일 피크가 아닌 이중 피크를 가지고 있는 것으로 나타났다.

후속연구

주요 무차원수로는 노즐 목에서의 We 수와 Re 수가 있으나 벤츄리 확대관에서의 와류도 기포 크기에 큰 영향을 미치므로 단순한 해석으로는 이를 규명하기 어렵다. 따라서 후속 연구를 통해 벤츄리 목 부분에서 기포가 발생하는 과정과 벤츄리 확대관에서의 기포와 와류의 상호작용을 가시화함으로써 여러 가지 파라메터가 기포 크기에 어떠한 영향을 미치는지 규명하는 것이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	서로 다른 상(phase)인 액체와 기체를 혼합하여 함께 수송하는 유체기계의 활용도는?	서로 다른 상(phase)인 액체와 기체를 혼합하여 함께 수송하는 유체기계는 화학, 기계, 환경등 많은 산업분야에서 다양한 용도로 널리 사용 되고 있다. 유동중인 액체에 유입된 기체는 각유체의 물성치와 내부유동장의 유동특성에 따라 슬러그(slug)나 기포화 된 형태인 기포수(bubble column) 등으로 분사된다.
	유동중인 액체에 유입된 기체는 각유체의 물성치와 내부유동장의 유동특성에 따라 어떻게 되는가?	서로 다른 상(phase)인 액체와 기체를 혼합하여 함께 수송하는 유체기계는 화학, 기계, 환경등 많은 산업분야에서 다양한 용도로 널리 사용 되고 있다. 유동중인 액체에 유입된 기체는 각유체의 물성치와 내부유동장의 유동특성에 따라 슬러그(slug)나 기포화 된 형태인 기포수(bubble column) 등으로 분사된다. 기포수의 경우 연료나 액적의 분사 등 다양하게 사용되는데 특히, 마이 크로 크기의 기포들로 분사되는 경우 마이크로 기포가 터질 때 발생하는 고압, 고온의 충격파를 이용하여 세정 및 살균 용도로 널리 사용된다(1).
	액체와 기체의 혼합으로 기포수를 생성하는 장치로서 다양한 종류의 기포발생기가 연구되고 있는데 Sadatomi 등(2)은 무엇을 제시했는가?	액체와 기체의 혼합으로 기포수를 생성하는 장치로서 다양한 종류의 기포발생기가 연구되고 있다. Sadatomi 등(2)은 오리피스관에 구 모양의 물체를 유동로에 설계하여 공기가 유입되어 기포가 생성될 때 난류유동에 의하여 더욱 작게 깨질 수 있도록(break up)하는 장치를 제시하였다. Sadatomi 등(3)은 이후에 수행된 후속연구에서 공기가 유입되는 경로에 다공성 물질(porous) 를 적용하여 미립화(atomization) 된 공기가 액체에 유입될 수 있는 형태의 장치를 개발하였다.

참고문헌 (9)

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상세보기
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저자의 다른 논문 :

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].

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