유체역학실험 | 유동 가시화(Flow Visualization)

 

 

 

TIP

 

 

1. 유동의 가시화를 위해서는 wall tracing방법, tuft방법, tracer방법등이 사용된다.
2. tracer방법인 수소기포 가시화 장치를 사용하여 platinum와이어에 의해 생성된 작은 수소 기포를 통해 여러 형상을 통과하는 유동의 모습을 관찰하자.

 

 

 

유동 가시화

유동가시화는 대부분 비접촉 방식으로 유동 자체를 교란시키지 않으면서 어떤 순간의 전체 유동장을 가시화함으로써 측정하고자 하는 유동에 대한 공간적인 유동정보를 제공한다.

 

그림 1. Leonardo da Vinci의 유동관찰 모습

 

그림 1은 Leonardo da Vinci(1452-1519)가 물체 주위 유동을 자세히 관찰하고 이를 회화적으로 그린 것으로 최초의 유동가시화 결과로 알려져 있다. 이것으로부터 유동 가시화의 역사가 무척이나 오래 되었다는 것을 알 수 있다. 유동가시화는 정성적 유동가시화 기법과 정량적인 유동가시화 기법으로 나눌 수 있는데, 유동형태(flow pattern)나 streamline 을 눈으로 보거나 사진으로 찍어서 관찰하여 유동장의 정성적 정보를 파악하는 방법이 정성적 유동가시화이다. 정량적 유동가시화는 가시화된 유동 영상(flow image)을 컴퓨터나 video카메라를 이용하여 정량적으로, 즉 유체역학적 정보를 디지털화하여 수치적으로 변환 표시하는 방법을 나타낸다.

 

편의상 유동가시화 기법을 고전적인 유동가시화 (제 1 세대)기법과 컴퓨터를 원용한 (computer aided)유동가시화(제 2 세대) 기법으로 구분하기도 한다. 고전적인 유동가시화는 Leonardo da Vinci시대부터 시작된 모든 고전적 유동가시화기법을 포함하는 1 세대 유동가시화 방법으로 wall tracing 기법, tracer 및 dye 주입법, tuft 법, 수소 기포법, smoke 기법, 광학적(optical) 기법 등이 포함된다.

 

가시화를 위해 유동에 투입되는 물질(tracer)은 일반적으로 contrast 를 이용하는 것과 유체유동을 그대로 추적 하는 미세한 seeding 입자 등이 있다. 고전적인 제1 세대 유동가시화 기법 중에서 유동장 해석용으로 최근까지 사용되고 있는 3방법으로는 전기제어법과 광학적 유동가시화기법이 있다. 전기제어기법에는 수소기포(hydrogen bubble)발생법과 smoke-wire 방법이 있는데, 이들은 물의 전기분해로 나오는 수소기포나 mineral oil 을 태워서 나오는 smoke filament를 tracer로 사용하며, 이들의 발생을 전기적으로 제어하는 것이 가능하다.

 

Shadowgraph 법, Schlieren 법, Mach-Zenhder interferometer, Holographic interferometer 등과 같은 광학적 가시화 방법은 유동장의 밀도변화, 즉 매질의 굴절률 변화를 이용하여 유동장 전체를 가시화한다. 고전적인 유동가시화 기법은 단지 유동의 정성적인 가시화 정보만을 제공하며 정량적인 유동정보를 얻지 못한다는 단점이 있다. 반면, 컴퓨터를 이용한 2 세대 유동가시화 기법은 취득한 유동영상을 컴퓨터 memory 에 저장해놓고 디지털 화상처리를 이용하여 여러 가지 다양한 처리 과정을 거치며 디지털 값으로 handling 하기 때문에, 원하는 유동 정보를 손쉽게 구현할 수 있다. 영상취득 장치로는 video 카메라나 CCD 카메라와 같은 imaging device 가 일반적인 많이 사용되고 있다. 최근의 컴퓨터, 전자산업 및 화상처리 기법의 급속한 발달은 유동가시화 분야의 발전에 많은 기여를 하고 있다.

728x90

 

 

실험 방법

1. 실험 준비

1) 반드시 전원플러그를 뺀 상태에서 작업한다.

 

2) 펌프소켓과 플러그를 극성에 맞추어 연결한다.

 

3) light소켓과플러그를 극성에 맞추어 연결한다.

 

4) 비커에 황산소다 250㎎을 따뜻한 물에 용해시켜 준비한다.

 

5) 물탱크에 물을 절반정도 채운 후 용해된 황산소다를 넣고 수위가 wire의 약간 위까지 오도록 물을 채운다.

 

6) platinum와이어를 쏠멘트등을 이용하여 깨끗이 닦은후 fork holder와 삼각대를 이용하여 실험장치를 설치한다.

 

7) 검정색 리드선의 crocodile clip을 fork holder 끝부분에 물린후 반대쪽 probe소켓의 검정색 부분에 연결한다.

 

8) 붉은섹 리드선의 crocodile clip을 metal weir support에 물린후 반대쪽 probe소켓의 붉은색 부분에 연결한다.

 

2. 실험 과정

1) 실험장치의 전원플러그를 연결하고 전원을 켠다.

 

2) 펌프 스피드 조절나사를 반시계방향으로 완전히 돌린 후 펌프스위치를 켠다. 펌프 스피드 조절나사를 시계방향으로 돌려 적절한 스피드가 되도록 맞추며 장치내 공기를 제거하고 황산소다 용액이 잘 섞이도록 한다. 만약 물이 흐르지 않으면 수위를 조절한다.

 

3) platinum와이어가 수면 바로 밑에 위치하도록 조정한다.

 

4) bubble start 버튼을 누른 후 전류가 22mA 정도 될 때까지 전류량을 조절하며 수소기포가 발생하는지 확인한다.

 

5) 전류량을 조절하며 수소기포의 크기가 변하는지 관찰한다.

 

6) pulse time duration조절 나사들을 돌리며 적당한 수소기포가 발생되도록 조절한다.

 

7) model mounting pillar에 다양한 모델을 바꿔가며 유동을 관찰하고 촬영한다.

 

 

 

[유체역학실험]유동 가시화 레포트