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문제 정의
- 본 논문에서는 물고기의 옆줄을 모방하여 표면의 압력 분포를 통해 흐르는 유체의 유속과 방향을 예측하는 방법에 대해서 제안하였다. 2장에서는 이론 및 시뮬레이션에 대해서, 3장에서는 실험장치 구성, 4장에서는 수류의 유속 측정, 5장에서는 수류의 방향 측정에 대해 논하고 마지막으로 결론 순으로 글을 기술하였다.
- 본 논문에서는 절대값 방식 압력센서를 통해 흐르는 유체의 유속 및 방향을 측정하였다. 운동에너지에 영향을 끼치는 압력을 통해 유속을 측정할 수 있었으며, 평판의 압력 분포 양상을 통해 2D 방향을 측정할 수 있었다.
제안 방법
- 2002년 Zhifang Fane Strain Sensor를 이용하여 물고기의 Cupula 역할을 하는 센서를 개발하여, 물의 흐름이나 진동을 감지하는 연구결과를 발표하였다[3]. 2016년 Wei Wange 물고기 형상의 로봇 옆면에 9개의 압력센서를 배치하여 분산된 압력과 각속도를 통해 로봇의 속도를 추정하는 비선형 예측 모델을 제안하였다[4]. 2011년 Vicente I.
- 때문에 CFD를 통해 근사값을 구하였다. CFD 해석 툴인 Ansys Fluent 15.0을 사용하였으며, Fig. 2와 같이 형상을 설계하여 형상의 피치(Pitch) 값을 변경하면서 총 4가지 경우에 대해 해석해 보았다.
- Fig. 11의 그림과 같이 0.715m/s의 일정한 유속에서 피치 각도 (0 , 30 , 60 , 90°)와 요 각도 (0°, 30°, 60°, 90°) 2축의 각도를 변화시켜 총 16가지의 압력 데이터 값을 측정하였다.
- 많다. 따라서 피치 각도 가 30°일 때, 요 각도를 10° 단위로 증가하면서 실험해 보았다. 실험 결과는 Fig.
- 메쉬(mesh) 모양은 사면체(tetrahedron), 형상 주위에 인플레이션(inflation)을 주어 형상 근처의 해석을 주되게 하였으며, Table 1과 같은 경계조건을 주어 해석하였다.
- 앞서 각도에 따른 압력 분포 양상을 파악하였다. 유체의 방향과 수직 또는 수평인 평면의 데이터는 임계점의 위치로 데이터 양상이 뚜렷하게 보이지 않는다.
- 앞서 설명한 Navier-Stokes 방정식의 해를 해석적으로 구하지 못하기 때문에 CFD를 통해 근사값을 구하였다. CFD 해석 툴인 Ansys Fluent 15.
- 피치 각도 는 360 를 10 마다, 요(yaw) 각도는 0 , 30 , 60 , 90 각도를 바꿀 수 있는 실험 장치를 Fig. 6와 같이 설계 후 3D 프린터를 사용하여 제작하였다. 이때 압력센서 사이의 간격은 가로, 세로 6cm로 배치하였다.
- 위치에 따른 압력 분포 양상을 구할 수 있다. 하지만 Navier- Stokes 방정식의 해를 해석적으로 구하는 방법이 없기 때문에 전산유체역학(CFD) 방법을 사용하여 수치해석적으로 근사값을구하고자 한다.
- 흐르는 유체의 유속을 측정하는 실험을 하기 위해, 회류 수조에 Fig. 8와 같이 4개의 압력센서를 부착시킨 평판을 달아 유속에 따라 압력센서들의 데이터 값을 측정하였다.
대상 데이터
- 서술하였다. 본 논문에서 사용된 장치들은 크게 측정 시스템과 실험 장치로 구성되어 있다.
- 본 논문에서 사용한 압력센서는 MS5803-01BA이다. 이는 절대값 방식 압력 센서이며, 방수를 하여 수중에 사용 가능하게 하였다.
- 회류 수조에서 실험을 하였으며, 실험 섹션(test section)의 크기는 0.1×0.15×1.0(m)이고 최대 유속은 약 1.2m/s이다.
데이터처리
- Bernoulli 방정식을 통해 유속에 따른 운동에너지와 앞서 구한 센서들의 압력을 평균하여 비교분석하였다. 압력 값들의 측정함에 있어 손실 수두, 압력 센서 자체의 오차 및 환경적인 요소로 인한 오차가 발생하기 때문에 보정 계수를 구하여 보정한 결과 Fig.
이론/모형
- Bernoulli 방정식을 통해 속도와 압력의 관계에 대해 알 수 있으며, Navier-Stokes 방정식을 통해 형상의 압력 분포를 측정하였다. Navier-Stokes 방정식은 해석적인 해를 구할 수 없기 때문에 수치적으로 해를 구하는 CFD를 통해 압력 분포를 알아보았다.
- Navier-Stokes 방정식을 사용하여 유체가 흐를 때 형상 표면의 위치에 따른 압력 분포 양상을 구할 수 있다. 하지만 Navier- Stokes 방정식의 해를 해석적으로 구하는 방법이 없기 때문에 전산유체역학(CFD) 방법을 사용하여 수치해석적으로 근사값을구하고자 한다.
- 5와 같이 구성하였다. 유속 측정은 FLO-BTA를 사용하여 측정하였다.
- 이번 장에서는 Bernoulli 방정식과 Navier-Stokes 방정식을 서술하였다. Bernoulli 방정식을 통해 속도와 압력의 관계에 대해 알 수 있으며, Navier-Stokes 방정식을 통해 형상의 압력 분포를 측정하였다.
성능/효과
- 3와 같이 유체 방향과 수직으로 압력 분포가 형성하는 것을 알 수 있다. Pitch의 각도가 증가할수록 압력 분포의 간격이 더 크게 나타나며, 평판에 수직(피치 각도 값 0 ) 또는 수평(피치 각도 값 90 )하게 유속이 존재할 때에는 압력 분포는 위치에 따라 압력 차이가 크지 않다는 것을 알 수 있다.
- 경향을 보인다. 실험 각도가 이론 각도를 잘 따라 간다는 실험결과를 통해 절대값 방식 압력 센서로 수류의 방향 측정이 가능하다는 것을 확인할 수 있다.
- 실험을 통해 유속에 따른 실험값이 이론 값을 잘 따라가는 것을 확인할 수 있었으며, 평판에서 4개의 절대값 방식 압력 센서를 통해 흐르는 유체의 유속을 측정 가능하다는 것을 알 수 있다.
- 및 방향을 측정하였다. 운동에너지에 영향을 끼치는 압력을 통해 유속을 측정할 수 있었으며, 평판의 압력 분포 양상을 통해 2D 방향을 측정할 수 있었다. 임계 값에서는 방향 측정에 있어 어려움 이 존재하지만, 향후 하나의 평판이 아닌 여러 평판의 배치를 통해 압력센서들의 데이터를 추출하여 2D 방향에서 3D로 흐르는 유체의 방향을 측정할 수 있을 것으로 판단된다.
- 해석 결과 평판에서의 압력 분포는 Fig. 3와 같이 유체 방향과 수직으로 압력 분포가 형성하는 것을 알 수 있다. Pitch의 각도가 증가할수록 압력 분포의 간격이 더 크게 나타나며, 평판에 수직(피치 각도 값 0 ) 또는 수평(피치 각도 값 90 )하게 유속이 존재할 때에는 압력 분포는 위치에 따라 압력 차이가 크지 않다는 것을 알 수 있다.
후속연구
- 운동에너지에 영향을 끼치는 압력을 통해 유속을 측정할 수 있었으며, 평판의 압력 분포 양상을 통해 2D 방향을 측정할 수 있었다. 임계 값에서는 방향 측정에 있어 어려움 이 존재하지만, 향후 하나의 평판이 아닌 여러 평판의 배치를 통해 압력센서들의 데이터를 추출하여 2D 방향에서 3D로 흐르는 유체의 방향을 측정할 수 있을 것으로 판단된다.
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