이 논문은 엄장호 선생님의 공학석사 논문으로 채택되었습니다. 한국해양대학교 대학원 냉동공조공학과.
연구배경
이러한 이유로 해양의 난류에 대한 해석이 필요하다고 판단되어 본 연구를 수행하게 되었다. 3차원 벡터장을 추출하기 위해서는 3차원 입자영상 속도측정 기술 중 가장 활발하게 연구가 진행되고 있는 Tomographic-PIV(이하 Tomo-PIV)를 사용한다.
연구목적
연구[14]에서는 단일 실린더에 대해 Tomo-PIV 해석과 함께 POD 해석을 수행하였으나, 본 연구의 목적은 해양플랜트 형상과 유사한 연속 실린더의 후류 및 난류를 해석하는 것이었다. 후방 실린더에 영향을 미치는 강도를 측정하여 실제 해양플랜트 구조물 설계에 반영할 수 있습니다.
Computer fluid dynamics
이는 벽 적분이 적용되는 낮은 레이놀즈 수 유동장에서 일반적으로 사용되며 경계층 유동 중 벽 근처 영역에서 효과적인 방정식입니다. 이 모델은 역압력구배 문제에 대해서는 다른 모델에 비해 낮은 정확도로 우수한 결과를 보이나, 자유전단유동에서는 위 식에서 설정된 값에 민감하기 때문에 낮은 정확도를 보인다.
Tomographic particle image velocimetry
두 대 이상의 카메라로 촬영한 영상을 이용하여 유동장을 측정하려면 카메라 영상 좌표계와 물리적 좌표계 간의 관계를 정확하게 파악해야 합니다. 이 프로세스에는 교정 단계가 추가됩니다.
CFD 해석
본 장에서는 실린더 후류에 대한 Tomo-PIV 계산과 함께 CFD 해석을 수행하였으며, 두 계산의 초기 실험 조건은 동일하게 설정하였다. 또한, Tomo-PIV와 CFD로부터 1차적으로 구한 물리량은 3차원 벡터이며, 이들 데이터의 후처리를 통해 Tomo-PIV로부터 와류의 크기를 구하고, CFX로부터 전체 압력과 난류 운동에너지를 구한다. 목적은 에너지를 얻는 것입니다.
PIV 실험 장치 설계
또한 원통을 고정하기 위해 실험모델의 바닥에 아크릴판을 배치하였고, 원통과 아크릴은 광원의 산란과 굴절을 줄이기 위해 검정색 무광 도료로 코팅하였다. 순환수조에서 생성된 흐름은 와류형태로 측정영역을 통과할 수 있으므로 토출구에 벌집구조를 설치하여 흐름의 균형을 맞추게 됩니다.
실험환경 설정
또한, 후반부 영역에서는 특징적인 맴돌이 구조가 나타나지 않았으며, 1/2 영역에서도 흐름 특성을 찾기 어려운 것으로 보인다. Tomo-PIV로 측정한 평균 벡터값은 후방에 위치한 실린더에 대해 Case별로 큰 차이를 보이지 않았으며, 이는 모든 Case에서 CFD해석 결과와 유사하였다. Case 1의 경우, 측면으로 분포된 와류는 실린더 근처에서 지속적으로 앞뒤로 이동하여 실린더에 하중을 생성할 것으로 예상됩니다.
Case 2는 작은 범위 내에서 Case 1보다 더 높은 강도를 갖는 명확한 난류 유동 형태를 나타내는 것으로 나타났습니다. Case 3의 경우 실린더 후면에서 발생하는 난류로 인해 유동변화가 빠를 것으로 예상되며, 전체적인 와도도 높은 값을 갖는 것으로 나타났다. 추가적인 tomo-PIV 실험에서 측정된 벡터는 CFD처럼 실린더 후면에서 큰 변화를 보이지 않았으며, Case 1의 경우 대체적으로 와도가 낮고, Case 2의 경우 전체적인 와도가 낮은 것으로 확인되었다. Case 1보다 원통 근처에 더 큰 와류가 생성되었음을 알 수 있다.
Tomo-PIV 실험은 두 번 진행되었으며, 초기 실험에서는 직경 d의 10배인 약 80mm의 넓은 면적과 느린 유속으로 실험을 진행하였다. 계산 결과, Case 1의 경우 후방 실린더의 후류 와류 분포가 낮은 것으로 나타났으며, Case 2의 경우 실린더 후방에 직접 와류가 발생하고, Case 3의 경우 측면과 후방에 상대적으로 큰 와류가 발생하는 것으로 나타났다. 뒷면.
Tomo-PIV 계측
CFD 해석결과
CFD 결과(벡터)
CFD 결과(전압력)
CFD 결과(Turbulent Kinetic Energy)
초기 실험에 대한 결과
개선된 실험에 대한 결과
결과 분석
초기 개선 전 실험에서는 Case 1에서는 특징적인 소용돌이 구조가 발견되지 않았고, Case 2와 Case 3에서는 소용돌이 구조가 발견되었다. 다만, 잉여 계산 영역이 1/2 이상인 점을 고려하여 '더 좁은'을 사용했다. 실험 결과를 개선하기 위한 영역입니다. 분석을 통해 정확한 실험 결과를 도출하기 위해 추가적인 실험을 진행하였다. CFD 결과를 통해 연속 실린더로부터 후방 실린더 스로트 라인에 대한 데이터를 얻었고, 이를 기반으로 Tomo-PIV 기법을 이용하여 연속된 2개의 실린더 후류의 벡터와 와도를 측정하고 분석하였다. 접촉 속도장 측정 기술 다음과 같은 결과가 도출되었습니다. 일반적인 해양플랜트 구조물이 원통형과 같은 원형이라는 점을 고려하면.
따라서 보다 넓은 범위로 배열된 다수의 실린더를 갖는 구조물의 유동해석과 함께 다양한 방향의 실험 및 해석이 추가된다면 해양플랜트 구조물의 설계 및 적용에 큰 도움이 될 것으로 사료된다.
