유동가시화

목차

1. 유동의 정의
2. 유 동 해 석
(1) 층류와 난류
(2) 유한 검사체적법
(3) 물체와 자유표면의 교차점 주의에서의 유체유동
(4) 유 동 모 양
(5) Fluid Analysis
(6) Non-Structural Analysis
(7) 자연균열 저류층에서의 유체 유동해석
(8) 미세 유로에서의 비등 열전달
3. 유동의 실험
(1) 미세 수평 사각유로에서의 2상 유동 양식　
(2) DARPA가 선정한 5가지 초소형 유동제어 기술
4. 유동의 가시화
(1) 유동과 레이놀즈수의 관계
(2) CFD 응용분야
(3) 자유유동 난류의 천이에의 영향에 대한 LES를 이용한 전산 해석적 연구
(4) 유동 가시화의 종류

본문내용

기 위해서 염료를 우유 와 섞기도 한다.
그리고 이 방법은 염료가 계속해서 유체를 오염시키기 때문에 폐유동관로 연 구에는 부적당하다. 유맥선을 관찰하기 위해 염료가 갖추어야 할 조건은 작동 유체의 밀도와 같아야 하고 잘 보여야 한다.
우유의 경우 이러한 조건을 비교적 잘 충족시키므로 많이 사용된다. 유맥선 의 가시성(visibility)을 개선하기 위해 염료에 알코올을 섞기도 하는데, 이때 주 의할 것은 이러한 혼합액은 순수한 용액이 아니므로 관성력 또는 원심력과는 다른 양상이 나타날 수 있다는 점이다.
염료의 선택은 주어진 유동조건에 따라 선택되어지며 아래 표는 염료용액의 몇가지 예를 나타낸 것이다. 아래 그림은 식용염료(food coloring) 을 사용하여 원통 내의 스월유동(swirling flow)를 관찰한 결과를 보여주고 있다.
[원관내 스월유동에 따른 염료선]
*실험방법
염료로 사용되는 것에는 페놀프탈레인 용액, 우유, AL 분말, 포스터 칼 라 등이 있다.
선체의 원하는 위치에 튜브를 삽입하여 선체 내부로부터 염료를 주입시 킬 수 있게 한다.
선체 내부에 삽입되는 튜브의 지름은 0.9 ㎜(내경) 정도가 좋다.
　
5) 화학반응 Tracer법
이 방법은 화학반응에 의한 발색, 변색, 소색, 발광을 이용해서 유동장을 가시 화하는 tracer법의 일종이며, 화학반응의 이용방법, 화학물질에 따라 다양한 방법 이 있다.
이 방법은 화학물질의 접촉에 의해서 화학반응을 일으켜 이용하는 비전해법과 전기분해를 이용하는 전해발색법으로 구분할 수 있다. 비전해법에는 물체표면반 응법, 유체간 반응법, tracer내 반응법이 있으며, 전해발색법에는 전해미립자 발색 법과 전해액 발색법이 있다. 이들 중에서 많이 이용되고 있는 물체표면 반응법의 일종인 연백법은 다음과 같이 실험을 수행한다.
*실험방법
염기성 탄산염과 알코올을 약 1:1의 중량비로 혼합한 다음 polyvinyl butyral 를 조금 첨가하여 혼합액을 만든다.
혼합액을 스프레이건을 사용하여 선체 표면에 바른다.
주사기, 고무튜브, 주사기 바늘을 연결하여 암모늄 용액 주입기를 만든다.
선체를 수조내에 띄운 후 수조를 가동한다.
주입기를 통하여 선체 표면의 혼합액 위에 암모늄 용액을 주입시킨다.
실험이 끝나면 선체를 꺼내어 사진 촬영을 한다.
과산화수소수를 물에 희석하여 제거액을 만든다.
제거액을 스프레이건을 사용하여 혼합액 위에 여러번 뿌리면 선체에 묻어 있는 혼합액을 제거할 수가 있다.
6) 전기제어법
사용유체로부터의 생성물을 tracer로써 사용하는 tracer법의 일종으로, 그 발생을 전기적으로 제어하는 것이 가능한 가시화 방법이다. 여기에는 수소기포발생법, smoke wire법 등이 속한다.
① 수소기포발생법
물속에 두 전극을 담그고 직류 전압을 걸어주면 전기분해 가 일어나 음극 (cathode)에서는 수소기포가 양극(anode)에서는 산소가 발생하는 원리를 이 용하여, 산소에 비해 크기가 무척 작은 수소기포를 tracer로 이용하는 방법 이다. 음극이 유동에 수직으로 놓여진 매우 가는 전선이고 짧은 주기의 electric pulse를 걸어주면 전선을 따라 수소기포의 열(column)이 발생해 유 동을 따라가게 된다.
전선은 직경이 0.01∼0.02 ㎜정도의 stainless steel 로 만들어진다. 유체는 주로 물을 사용하며, 전기 전도성을 높이기 위해 sodium sulfate를 첨가하기 도 한다. 부력으로 인해 기포가 떠오르게 되는데 이를 최소화하려면 수소기 포의 크기가 작아야 한다.
발생한 미세한 수소기포는 발생하자마자 주위의 기포와 뭉치려는 경향을 갖고 있는데 이럴 경우 음극의 전선에서 발생하는 수소기포의 직경은 전선 직경의 위수인 것으로 알려져 있다. 그러나 전선의 직경과 함께 기포크기를 결정하는 인자는 유체의 전도도, 전극 양단에 걸리는 전압과 전류 등이 있 는데, 이들을 적절히 조절하면 더욱 미세한 수소기포를 발생시킬 수 있다.
발생한 수소기포는 다시 용해되므로 관찰 가능한 시간은 제한된다. Re수 가 증가할수록 기포의 확산은 증대되고 난류에서는 더 빨라진다. 따라서 이 기법은 저속유동(최대 속도가 20∼30㎝/sec )에 제한된다. Re수를 작게 유지 하기 위해서 설탕물이 사용되기도 한다. 층류 후류이론으로부터 기포의 속 도는 음극 전선에서 직경의 70∼100 배 정도 떨어진 위치에서 자유유동속도 에 도달함을 알 수 있으므로, 시험유동장은 적어도 전선으로부터 직경의 100배 이상 뒤에 위치해야 한다. 전극 양단에 일정한 간격으로 전압을 걸어 주면 시간선과 유맥선이 결합된 형태를 관찰할 수 있어, 보텍스구조연구에 이 기법이 많이 적용된다.
② Smoke Wire법
관측하고 싶은 기류 중에 금속세선(약0.1㎜ 정도)을 설치하여 그 곳에 기 름을 바르면 표면에 유막을 형성하던가 혹은 표면장력에 의해 보다 작은 유 적선으로 되어 거의 등간격으로 금속세선에 부착하게 된다.
이때 금속세선에 전류를 통하게 하면 흰 연기가 발생하여 유동장을 가시 화할 수 있다. 감지할 만한 충분한 빛을 얻기 위해서는 smoke입자의 직경은 0.15㎛ 보다는 커야 한다. (참고로 담배연기의 크기는 0.2∼ 0.4 ㎛ 정도이 다.) 연소시킴으로써 smoke를 발생시킬 경우 인체에 해로운 성분이 발생하 기 때문에 상용되고 있는 smoke generator 의 대부분은 보다 안전한 hydrogen carbon oils의 기화를 이용하고 있다.
이러한 oil들 중에서 석유가 평균입자크기, 증발온도, 그리고 화염성 측면 에서 장점이 많기 때문에 보편적으로 사용하는 oil이다. 하지만 재순환 풍동 에서의 유동가시화를 위해 이렇나 smoke를 사용하면 일정시간 후엔 터널안 이 연기로 가득차게 되는 문제가 발생한다. 이러한 단점을 해결하기 위해 액체질소와 같은 찬 물질과 섞여 있는 stream이 공기유동에 노출되는 연무 현상이 형성되는 점을 이용하여 tracer로 증기를 사용하기도 한다. 이러한 smoke는 공기의 주유동과 평행하게 놓여진 smoke 분사파이프를 통해 외부 에서 주입할 수 있다.

키워드

열유체실험,   유동의가시화,   유동,   층류와난류