본문내용
1. PIV(Particle Image Velocimetry)
1.1. PIV란?
Particle Image Velocimetry(PIV)란 입자 이미지 속도 측정법으로, 교육 및 연구에 사용되는 광학적 방법이다. PIV는 유체의 순간 속도를 측정하고 관련 속성을 얻는데 사용된다. 유체에는 충분히 작은 입자에 대해 유체 역학을 충실하게 따르는 추적 입자가 시딩된다. 혼입 입자가 있는 유체는 입자가 보이도록 조명된다. 시딩 입자의 운동은 연구중인 흐름의 속도와 방향 속도 필드를 계산하는데 사용된다. 이와 달리 다른 기술은 한 지점에서의 속도만을 측정한다는 점에서 PIV의 특징이라고 할 수 있다. 일반적인 PIV 장치는 CCD 카메라, 점멸 조명등이나 레이저, 싱크로나이저, 추적할 입자와 관찰할 유체로 구성된다. 또한 컴퓨터와 PIV 소프트웨어를 이용해 광학 이미지를 후처리한다.
1.2. PIV 원리
PIV 원리는 다음과 같다. 유동입자들의 변위정보를 담고 있는 입자화상을 이용한 입자화상속도계측(Particle Image Velocimetry)기법이 개발되어 정성적인 순간 유동정보 뿐만 아니라 정량적인 속도장 정보를 제공하고 있다. 지난 10여년간 이와 같은 속도장 계측기술은 매우 빠른 속도로 발전하여 이제는 복잡한 비정상(unsteady), 난류운동(turbulent flow)의 유동구조를 높은 공간 분해능으로 정확히 해석하는 것도 가능하게 되었다.
속도장 계측기법의 기본원리는 시간간격t 동안 움직인 tracer 입자들의 변위정보를 화상입력장치에 저장한 후, 디지털 화상처리기법을 이용하여 입자변위를 계측하고 시간간격 t 로 나누어 줌으로써 속도벡터를 추출하는 것이다. 속도장 계측은 입자화상(particle image)을 취득, 속도벡터를 추출하고, 추출한 속도장 결과를 나타내는 3단계 과정으로 이루어진다.
입자화상을 취득하는 과정은 먼저 적절한 tracer입자를 선정하고, Cylindrical 렌즈를 이용하여 레이저 평면광을 만들어 계측하고자 하는 유동평면을 조사하게 한다. CCD카메라와 같은 화상입력장치를 평면광에 수직으로 설치하여 입자화상을 취득하게 된다. 입자화상 취득 시 tracer입자의 크기와 concentration, 카메라 노출시간, 시간 간격t등은 실험조건 및 사용하는 PIV 계측기법의 종류에 따라 다르게 설정하여야 한다.
취득한 입자화상으로부터 속도벡터를 추출하는 과정은 입자변위를 어떻게 구하느냐에 따라 여러 가지 방법이 사용되고 있으며, 추출 algorithm도 다양하다. PIV 계측기법을 시간과 공간에 따라 급격하게 변화하는 난류유동에 적용하기 위해서는 계측오차가 적고 효율적인 속도취득algorithm의 개발과 더불어 난류 통계치를 구하는 데 들어가는 계산시간을 줄이려는 노력이 필요하다. 속도장 계측 결과에 들어 있는 error vector elimination routine도 속도벡터 추출과정에 포함된다.."
1.3. PIV 활용사례
1.3.1. 프로펠러 후류 유동장 측정
프로펠러 후류 유동장 측정은 입자영상유속계(PIV)를 이용하여 프로펠러 회전에 따른 후류 유동장을 효율적으로 측정하는 방법이다. 이는 프로펠러의 작동 성능을 평가하고 개선하는데 활용된다.
PIV를 이용한 프로펠러 후류 유동장 측정의 핵심은 프로펠러의 회전 주파수와 PIV 측정 주파수를 동기화시켜 프로펠러의 특정 위상각에서의 유동장 정보를 정확하게 얻는 것이다. 이를 위해 엔코더가 프로펠러의 각도 정보를 측정하여 펄스 컨트롤러에 전송하고, 펄스 컨트롤러는 특정 위상각에서 트리거 신호를 동기화 장치에 보내 레이저 조사를 제어한다. 이로써 프로펠러 회전과 동기화된 유동장 정보를 효율적으로 획득할 수 있다.
이러한 방법을 통해 제한된 시간 내에 최대한 많은 유동장 정보를 얻을 수 있으며, 프로펠러 회전에 따른 유동장의 변화를 상세히 분석할 수 있다. 이를 통해 프로펠러 성능 최적화, 유동 소음 저감 등 다양한 공학적 응용이 가능해진다.
1.3.2. 가두리 망지의 난류강도 계측
이 연구는 순환하는 수로에 있는 케이지망의 유체역학적 특성을 분석하기 위한 것이다. PIV(Particle imaging velocimety)를 이용해 웨이크 흐름을 시각화하고 유속 분포를 분석했다. 또한 경락유량 분포에서 경락강도와 난류강도를 분석하여 유속별 변화를 비교하였다.
순환수 채널의 평균 난류 강도는 0.2~0.8m/s 범위에서 1% 미만으로 매우 안정적이었다. 네트팅에 영향을 미치는 드래그 계수는 1.35...
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