유체역학 실험 - 광학기기를 이용한 유동장 측정 실험
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1실험 주제
많은 공학적 문제에 있어서 유동 현상을 해석하는 것이 필수적이다. 이를 위해서 유동의 속도계측이 중요하며, 그 측정방법으로 피토관 (Pitot - tube)과 열선(Hot-wire)을 삽입하여 측정하는 방법 및 광학 계측기기를 이용하는 방법 등이 있다. 그러나 대부분의 공학 응용 유동장은 3차원 속도성분 및 박리가 발생하는 복잡한 형태를 보이며, 그로 인해 유동장 내에 센서를 삽입하는 측정은 센서에 의한 유동장 방해가 발생하며 정확한 측정이 어렵게 된다. 따라서 최근의 측정 실험의 경우 대부분 광학 계측기기를 이용하고 있다. 본 실험에서는 대표적인 광학 계측 장비 중 하나인 PIV를 이용하여 유속 측정을 통해 유동현상을 이해하는 것을 목적으로 한다.
2이론적 배경
㉠ 광학측정기기(LDV 및 PIV)의 측정 원리, 두 측정 기기의 특성
PIV
1.측정원리
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.
2.특성
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.
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