초록

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본 연구에서는 천해역에서 수평 방향으로 방류되는 비부력 원형 난류제트에 대한 수리모형실험을 수행하여, 파랑이 제트의 확산에 미치는 영향을 검토하였다. 수리모형실험시 대상 파랑은 진폭이 작은 규칙파를 적용하였으며, 난류제트의 순간적인 유속장은 입자화상유속계(particle image velocimetry, PIV)기법을 이용하여 측정하였다. 평균유속장은 PIV기법으로 측정된 순간유속장을 위상평균하여 계산하였으며, 파의 진폭을 변화시키며 실험을 수행하였고, 파의 진폭변화에 따른 제트의 유속분포로부터 제트의 중심선과 제트단면을 추정하였다. 제트의 중심선속도는 파의 진폭이 증가함에 따라 중심선속도의 감소 시점이 빨라졌으며, 제트의 횡단면분포의 고유특성인 자기상사성(self-similarity)이 단계적으로 사라졌다. 제트 중심선의 속도와 제트 유속 단면은 제트의 확산정도를 알 수 있는 중요한 인자로서 파랑 진폭의 크기에 따른 이들 인자의 변화로부터 파랑의 분산이 난류제트의 확산현상에 미치는 영향을 알 수 있었다.

본 연구에서는 천해역에서 수평 방향으로 방류되는 비부력 원형 난류제트에 대한 수리모형실험을 수행하여, 파랑이 제트의 확산에 미치는 영향을 검토하였다. 수리모형실험시 대상 파랑은 진폭이 작은 규칙파를 적용하였으며, 난류제트의 순간적인 유속장은 입자화상유속계(particle image velocimetry, PIV)기법을 이용하여 측정하였다. 평균유속장은 PIV기법으로 측정된 순간유속장을 위상평균하여 계산하였으며, 파의 진폭을 변화시키며 실험을 수행하였고, 파의 진폭변화에 따른 제트의 유속분포로부터 제트의 중심선과 제트단면을 추정하였다. 제트의 중심선속도는 파의 진폭이 증가함에 따라 중심선속도의 감소 시점이 빨라졌으며, 제트의 횡단면분포의 고유특성인 자기상사성(self-similarity)이 단계적으로 사라졌다. 제트 중심선의 속도와 제트 유속 단면은 제트의 확산정도를 알 수 있는 중요한 인자로서 파랑 진폭의 크기에 따른 이들 인자의 변화로부터 파랑의 분산이 난류제트의 확산현상에 미치는 영향을 알 수 있었다.

AI 본문요약

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• 연구 주제
• 연구 방법
• 연구 결과

문제 정의

• 본 연구는 중성부력을 갖는 원형 난류제트의 거동에 대한 진행규칙파의 영향을 연구하였다. 제트는 파랑전파의 반대방향으로 중간수심에서 방류되었으며 제트의 유속장은 입자화상유속계 (particle image velocimetry, PIV)기법을 적용하여 측정되었다.

제안 방법

• Mori and Chang(2003)은 규칙파 아래에서 제트의 중심선의 움직임을 연구하였다. LIF(Iaser induced fluorescence)기법을 이용한 제트의 중심선의 측정을 통해 파랑아래의 제트의 거동을 파와 제트의 운동량의 비에 따라 3가지의 유형으로 분류하고 이를 이용하여 제트의 중심선의 움직임을 모의하였다.
• 수리모형실험은 폭 0.9m, 높이 1.2m, 길이 36m의 유리벽으로 제작된 2차원 단면조파수조에서수행되었으며, 수심은 0.8m로 유지하였다. 스테인레스철로 만들어진 직경 4.
• 54mm의 원형 제트는 조 파기에서 21m 떨어진 지점의 중간수심에서 수조의 중앙선을 따라 파랑 전파의 반대방향으로수평하게 방류되었다. 제트의 방류속도를 일정하게 유지하기 위하여 수조위에 일정수두탱크 (constant head tank)를 설치하고 이로부터 제트를 방류하였다. 수조 및 실험장치는 Fig 1에 도시되었다.
• 이미지 기록 장치로는 초당 8 프레임의 최대 프레임률(fps), 1024X1280픽셀의 해상도와 12비트의 동적영역 (dynamic range)을 갖는 CCD 카메라를 사용하였다. 조파기의 조절신호는 파고계와 카메라 조작 신호와 더불어 동기화(synchronization)시켰다. 제트의 출구 속도 uj는 1.
• 제트는 파랑전파의 반대방향으로 중간수심에서 방류되었으며 제트의 유속장은 입자화상유속계 (particle image velocimetry, PIV)기법을 적용하여 측정되었다. 즉정된 영역은 zone of establishment에 해당되는 영역으로 축방향거리가 제트출구직경의 35배인 지점에서 부터 90배까지의 지점까지 측정하였다. 측정된 순간유속장은 위상평균을 하여 평균유속장을 구하였으며, 유속의 분포로부터 제트의 중심선(centerline)과 반폭(half width)의 위치를 확인하였다.
• 즉정된 영역은 zone of establishment에 해당되는 영역으로 축방향거리가 제트출구직경의 35배인 지점에서 부터 90배까지의 지점까지 측정하였다. 측정된 순간유속장은 위상평균을 하여 평균유속장을 구하였으며, 유속의 분포로부터 제트의 중심선(centerline)과 반폭(half width)의 위치를 확인하였다. 파랑이 제트확산에 주는 영향의 정도를 규명하기 위하여 파가 없는 상태의 동일한 조건의 제트와 다양한 크기의 진폭을 갖는 파랑 아래의 제트의 실험을 수행하였다.
• 측정된 순간유속장은 위상평균을 하여 평균유속장을 구하였으며, 유속의 분포로부터 제트의 중심선(centerline)과 반폭(half width)의 위치를 확인하였다. 파랑이 제트확산에 주는 영향의 정도를 규명하기 위하여 파가 없는 상태의 동일한 조건의 제트와 다양한 크기의 진폭을 갖는 파랑 아래의 제트의 실험을 수행하였다.

대상 데이터

• 유속의 측정을 위하여 PIV기법을 적용하였다. P1V 시스템의 광원으로는 파장 532nm, 최대출력에너지 400mJ, 파동지속시간(pulse duration) 6ns 와 laser head당 최대 10Hz의 반복 비를 갖는 dual-head frequency-doubled Nd:YAG laser를 사용하였다. 광막(Light sheet)의 생성을 위하여 실린더식(cylindrical)과 구체식(spherical)으로 구성된 광학렌즈가 사용되었다.
• 광막에 의해 발광 되는 미세입자로 각각 57nm와 12iim의 평균직경을 갖는 두 종류의 입자가 쓰였으며, 두 입자의 침강속도(settling velocity)는 측정될 속도에 영향을 주지 않을 만큼 매우 작다. 이미지 기록 장치로는 초당 8 프레임의 최대 프레임률(fps), 1024X1280픽셀의 해상도와 12비트의 동적영역 (dynamic range)을 갖는 CCD 카메라를 사용하였다. 조파기의 조절신호는 파고계와 카메라 조작 신호와 더불어 동기화(synchronization)시켰다.

이론/모형

• P1V 시스템의 광원으로는 파장 532nm, 최대출력에너지 400mJ, 파동지속시간(pulse duration) 6ns 와 laser head당 최대 10Hz의 반복 비를 갖는 dual-head frequency-doubled Nd:YAG laser를 사용하였다. 광막(Light sheet)의 생성을 위하여 실린더식(cylindrical)과 구체식(spherical)으로 구성된 광학렌즈가 사용되었다. 광막에 의해 발광 되는 미세입자로 각각 57nm와 12iim의 평균직경을 갖는 두 종류의 입자가 쓰였으며, 두 입자의 침강속도(settling velocity)는 측정될 속도에 영향을 주지 않을 만큼 매우 작다.
• 본 연구에서는 파랑수역안의 중성부력 난류원형제트의 실험적 연구를 PIV기법을 적용하여 수행하였다. 파의 진폭이 증가함에 따라 중심선속도의 감소시점이 빨라졌으며, 제트의 폭도 증가하였다.
• 수조 및 실험장치는 Fig 1에 도시되었다. 유속의 측정을 위하여 PIV기법을 적용하였다. P1V 시스템의 광원으로는 파장 532nm, 최대출력에너지 400mJ, 파동지속시간(pulse duration) 6ns 와 laser head당 최대 10Hz의 반복 비를 갖는 dual-head frequency-doubled Nd:YAG laser를 사용하였다.
• 제트는 파랑전파의 반대방향으로 중간수심에서 방류되었으며 제트의 유속장은 입자화상유속계 (particle image velocimetry, PIV)기법을 적용하여 측정되었다. 즉정된 영역은 zone of establishment에 해당되는 영역으로 축방향거리가 제트출구직경의 35배인 지점에서 부터 90배까지의 지점까지 측정하였다.

성능/효과

• 두 특성값의 관계로부터 파의 진폭이 증가할 때 日값이 일정하게 증가함을 알 수 있으며, 특히 진폭이 가장 큰 실험안의 경우 3값은 자유제트의 그 값에 비해 40%감소하였다. 위의 관계로부터 진폭이 큰 파랑일수록 중심선 속도는 일찍 감소한다는 결과를 알 수 있다.
• 3배나 증가하였다. 본 연구에서는 일정한 파주기를 이용하였으므로 이는 파의 진폭이 제트의 폭의 확장과 상관이 있음을 보여주고, 결국 제트의 확산에 영향을 준다는 것을 알 수 있다.
• 파의 진폭이 증가함에 따라 중심선속도의 감소시점이 빨라졌으며, 제트의 폭도 증가하였다. 제트의 중심선속도와 유속단면의 폭은 제트의 확산의 정도를 나타내는 인자로서 파랑 진폭의 크기에 따른 이들 인자의 변화로부터 파랑의 분산이 제트의 확산을 증가시킨다는 것을 알 수 있었다.
• 파의 진폭이 증가함에 따라 중심선속도의 감소시점이 빨라졌으며, 제트의 폭도 증가하였다. 제트의 중심선속도와 유속단면의 폭은 제트의 확산의 정도를 나타내는 인자로서 파랑 진폭의 크기에 따른 이들 인자의 변화로부터 파랑의 분산이 제트의 확산을 증가시킨다는 것을 알 수 있었다.

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