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찬환 애
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1 대한조선학회논문집 Journal of the Society of Naval Architects of Korea pissn: , Vol. 52, No. 4, pp , August 2015 eissn: , 마찰저항감소에영향을주는난류경계층내미세기포 (microbubble) 의가시화연구 백부근 1,2, 임근태 1 김광수 1,2 김경열 1 김유철 1 한국해양과학기술원부설선박해양플랜트연구소 1 과학기술연합대학원대학교선박해양플랜트공학 2 Visualization of Microbubbles Affecting Drag Reduction in Turbulent Boundary Layer Bu-Geun Paik 1,2, Geun-Tae Yim 1 Kwang-Soo Kim 1,2 Kyoung-Youl Kim 1 Yoo-Chul Kim 1 Korea Research Institute of Ships & Ocean Engineering 1 Ship and Ocean Plant Engineering, University of Science and Technology(UST) 2 This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License( which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Microbubbles moving in the turbulent boundary layer are visualized and investigated in the point of frictional drag reduction. The turbulent boundary layer is formed beneath the surface of the 2-D flat plate located in the tunnel test section. The microbubble generator produces mean bubble diameter of μm. To capture the micro-bubbles passing through the tiny measurement area of 5.6 mm 2 to 200 mm 2, the shadowgraphy system is employed appropriately to illuminate bubbles. The velocity field of bubbles reveals that Reynolds stress is reduced in the boundary layer by microbubbles' activity. To understand the contribution of microbubbles to the drag reduction rate more, much smaller field-of-view is required to visualize the bubble behaviors and to find the 2-D void fraction in the inner boundary layer. Keywords : Microbubble( 미세기포 ), Turbulent boundary layer( 난류경계층 ), Skin friction( 마찰저항 ), PIV(particle image velocimetry: 입자영상유속계 ), Shadowgraphy( 그림자기법 ) 1. 서론 최근의고유가시대에발맞추어해양을항행하는운송체의연료를절감하기위한많은노력들이지속되고있다. 해양운송체의연료절감은유체역학적인저항을감소시키는연구와밀접한관련이있어마찰, 압력, 조파 (wave making), 공기저항등의저항을감소시키는구체적인방법들에대한관심이높아지고있다. 특히, 유가급등과 IMO(International Maritime Organization) 의온실가스 (greenhouse gas) 배출에대한국제환경규제등의요인으로인해에너지절감형해양운송체의설계와기술에대한관심은더욱커져가고있는상황이다. 해양운송체에서나타나는저항중마찰저항은유체의점성 (viscosity) 에의해지배적으로나타나기때문에점성저항이라고도불린다. 유체유동의속도가증가함에따라마찰저항도증가하게되는데물체표면에서나타나는마찰저항을감소시키기위해수동적 (passive) 또는능동적 (active) 방법들이이용되어왔다. 특히난류구조나경계층의형상에변화를주거나부가물들을물체표면에부착하는수동적방법들은물체또는물체외부에서추가적인에너지공급을하지않아도되므로많은연구자들의관심의대상이되어왔다. 능동적방법들은난류구조나경계층을직접간섭하여마찰저항을감소시키는메커니즘을가지고있어그효과가작지않다. 난류경계층내에공기층 (Kim, et al., 2011) 이나기포들을주입시켜경계층의특성을바꾸거나점성치를변화시키는방법들은많이진행되어왔다. 특히, 기포를활용한마찰저항감소법에는분사되는기포의크기에따라일반기포또는미세기포를활용하는방법으로나뉠수있다. 여기서일반기포는 100 μm ~ 1 mm 의직경분포를가지며미세기포는 100 μm 이하의직경을갖는기포를의미한다. 국내에서도미세기포를활용한마찰저항감소법에대한연구가진행된바있다 (Kim, et al., 2003). 하지만당시미세기포를생성하고주입하는기법이아직성숙지않아서사용된기포는약 200~600 μm 정도의미소기포를사용한연구이며, 본격적으로 100 μm 이하의미 Received : 5 December 2014 Revised : 27 July 2015 Accepted : 7 August 2015 Corresponding author : Bu-Geun Paik, ppaik@kriso.re.kr

백부근 임근태 김광수 김경열 김유철 세기포를활용한국내연구는현재까지없는실정이다. 해외에서는미세기포를활용한마찰저항감소의물리적특성을파악하기위한다양한실험적연구가진행되어왔다. 저항감소를확인하기위해서는마찰센서나로드셀등을이용하여힘계측방법을이용할수있으나저항감소또는증가의물리적특성을파악하는것은쉽지않다.

PIV 기법은유체내에추적입자를균일하게분포시키고카메라와레이저조명을동기 (synchronization) 시켜추적입자의변위를계측하여유동의속도를계측하는방법인데추적입자로서 TiO 2 와같은고체뿐만아니라기포를사용하여기포유동장을계측하기도한다 (Paik, et al., 2009).

2 백부근 임근태 김광수 김경열 김유철 세기포를활용한국내연구는현재까지없는실정이다. 해외에서는미세기포를활용한마찰저항감소의물리적특성을파악하기위한다양한실험적연구가진행되어왔다. 저항감소를확인하기위해서는마찰센서나로드셀등을이용하여힘계측방법을이용할수있으나저항감소또는증가의물리적특성을파악하는것은쉽지않다. 특히압력또는형상저항을제외한대부분의저항은유체와벽면사이의경계층내마찰에기인하므로벽면위에형성되는경계층을조사하는실험적기법이필요하다. 본연구에서는마찰저항증감의물리적특성을살펴보기위한실험적기법으로서 PIV 와그림자기법을이용하였다. PIV 기법은유체내에추적입자를균일하게분포시키고카메라와레이저조명을동기 (synchronization) 시켜추적입자의변위를계측하여유동의속도를계측하는방법인데추적입자로서 TiO 2 와같은고체뿐만아니라기포를사용하여기포유동장을계측하기도한다 (Paik, et al., 2009). 물론 LDV(laser Doppler velocimetry) 를이용하여정밀하게평판위에생성되는경계층을계측하여 (Paik, et al. 2013) 물리적특성을조사할수도있으나기포가경계층에다량존재할경우강한산란광으로인해 PM(photomultiplier) 튜브의손상가능성이있으며용수속에존재하고있는고체추종입자로부터발생하는도플러신호와기포로부터발생하는도플러신호를분리분석하지않을경우계측결과해석이난해할수있다. 그림자기법의경우수조의앞과뒤에카메라와조명을배치하여수조내이동하는기포의크기 (Paik et al. 2013) 나거동을조사하기위해서사용한다. 이때관측면의크기는수 mm 에서수십 cm 에이를수있는데미세기포의경우관측면에대한상대적인크기를고려하여가능한작은관측면에서고속카메라등을이용하여관찰해야하고노출감소에따라조명의세기를조절해야한다. Jacob, et al. (2010) 은난류경계층내의국부 Kolmogrov scale 에필적할만한직경을가지는 100 μm이하의미세기포를평판유동의경계층에주입하고 PIV 등의유동가시화방법을이용하여마찰저항감소현상을연구하였다. 이연구에서는난류경계층내에서미세기포의군집특성과거동특성을계측하여난류경계층의유속구배 (gradient) 를변화시키고난류응력을저감시키는물리적특성을파악하고자하였다. 본연구에서는미세기포를활용한마찰저항저감기법의기초적인연구자료를확보하기위한목적으로, 본연구소가보유한중형캐비테이션터널에서 100 μm 이하의미세기포를생성시켜 2차원평판의경계층으로분사하고그마찰저항감소효과를조사하였다. 또한, PIV 및그림자기법의유동가시화기술을이용하여난류경계층내에서미세기포의거동특성및군집특성을분석하여미세기포로인한난류경계층내유동특성의변화및난류응력변화등의마찰저항저감의물리적특성을조사하였다. 2. 실험장치및실험방법 본연구에서는미세기포를생성하기위하여가압융해방식 (pressurization & dissolution type) 을사용하였는데일반가압펌 프를이용하여흡입구 (intake) 에서미세하게공기를흡입한후가압펌프의높은압력을출수노즐에구성된압력구멍 (hole) 을통하여여러겹의철망을때려흡입한공기가물속에녹아출수되도록하는방식이다. 가압융해방식의미세기포생성장치 ( Raon Wellness) 에서토출되는기포의평균크기는 μm 이고공극률 (void fraction) 은약 5% 이며노즐끝의토출 (discharge) 유량은약 5.5 liter/min 이다. 미세기포를활용한평판의마찰저항감소시험은본연구소가보유한중형캐비테이션터널 (Fig. 1) 에서수행되었다. 터널의시험부제원은 0.6 W x 0.6 H x 2.6 L m 3 이다. 시험부에서최대유속은 12 m/s 이며시험부에서정압을 10.1 kpa 부터 202 kpa 까지가변할수있다. Fig. 1 Medium-sized cavitation tunnel of KRISO Fig. 2 Sketch of the experimental set-up 터널관측부에총길이 (L) 2 m의평판을설치하고미세기포생성장치토출부를평판경계층으로분사시킬수있는실험장치를 Fig. 2 및 3과같이배치하였다. 토출노즐은 X/L = 0.23에위치한다 (X는평판의 leading edge 로부터하류방향으로떨어진거리 ). 또한토출노즐의분사각도는 15 도이하가되도록유지하였다. 평판에는별도의난류촉진장치를부착하지않았다. 유동가시화를위하여터널관측부중앙에평판을몰수시켜스트럿으로지지하였다. PIV 속도장계측및그림자기법으로미세기포들을가시화한위치는 X/L = 0.5 이었다. 평판의국부마찰저항을계측하기위해서 2개의마찰력센서 ( 원방포스택 ) 를 X/L = 0.53 과 0.93 에부착하였다. JSNAK, Vol. 52, No. 4, August

마찰저항감소에영향을주는난류경계층내미세기포 (microbubble) 의가시화연구 미세기포를활용한평판마찰저항시험을위해서터널시험부내유속을 1 m/s 부터 3.5 m/s 까지 0.5 m/s 간격으로변화하였다. 이때노즐에서토출되는이상유동의유량은약 5.

Cinematic PIV 시스템은미세기포발생장치, 고속카메라, 렌즈, 메탈램프로구성되어있다. Fig. 5에고속카메라와펄스레이저, 렌즈모듈을나타내었다.

기포가없는경우에는유체유동추종입자로서 TiO 2 입자 ( 평균직경 3 μm) 를사용하였으며일반적인 PIV 용카메라를이용하였다. 또한 200 mj 펄스레이저를사용하였고관측면의크기는 14 x 14 mm 2 이었다.

연속광을사용할경우 PIV 용카메라와레이저를동기 (synchronization) 시키는것이불가능하기때문에고시간분해능 (high time resolution) 을갖는고속카메라를사용하여빠른속도로영상을취득하였다.

3 마찰저항감소에영향을주는난류경계층내미세기포 (microbubble) 의가시화연구 미세기포를활용한평판마찰저항시험을위해서터널시험부내유속을 1 m/s 부터 3.5 m/s 까지 0.5 m/s 간격으로변화하였다. 이때노즐에서토출되는이상유동의유량은약 5.77 liter/min 으로고정하였다. 유속변화와기포의공급유량에따른마찰저감량을평판에부착된마찰력센서를통하여계측하였다. Fig. 3 Photo of experimental set-up Fig. 4와같은유동가시화실험장치를구성하였다. Cinematic PIV 시스템은미세기포발생장치, 고속카메라, 렌즈, 메탈램프로구성되어있다. Fig. 5에고속카메라와펄스레이저, 렌즈모듈을나타내었다. 유동가시화는평판바로아래난류경계층에대해서적용하였는데기포가없는상태 (w/o bubble, single phase) 의경계층과기포가있는경우 (w/ bubble, gas phase) 의경계층을분리하여실험하였다. 기포가없는경우에는유체유동추종입자로서 TiO 2 입자 ( 평균직경 3 μm) 를사용하였으며일반적인 PIV 용카메라를이용하였다. 또한 200 mj 펄스레이저를사용하였고관측면의크기는 14 x 14 mm 2 이었다. 기포가있을경우에는레이저광이기포에닿아매우강한산란광을발산시키므로실험자의시력손상뿐만아니라 CCD 카메라의셀 (cell) 을손상시킬가능성이크다. 따라서고에너지의펄스레이저를사용할수없기때문에 4W 연속레이저나메탈램프를사용하였다. 연속광을사용할경우 PIV 용카메라와레이저를동기 (synchronization) 시키는것이불가능하기때문에고시간분해능 (high time resolution) 을갖는고속카메라를사용하여빠른속도로영상을취득하였다. 이때선택된관측면의크기는 17 x 14 mm 2 이었다. 고속카메라는최대초당 100 만프레임으로촬영가능하나수조의관측면내기포의이동속도를고려하여초당 프레임 (frame), 800 x 600 pixels 의공간해상도로촬영하였다. Fig. 4 Sketch of shadowgraphy method (a) 1.0 m/s Fig. 5 Experimental set-up for PIV 미세기포들을가시화하고각기포의유속을계측하기위해서 (b) 3.5 m/s Fig. 6. High speed photos of bubbly flow 358 대한조선학회논문집제 52 권제 4 호 2015 년 8 월

백부근 임근태 김광수 김경열 김유철 3. 결과및고찰 미세기포를주입하지않은상태에서 X/L = 0.5 위치에서경계층을계측한결과 1.5 x 10 6 < Re < 3.

6은터널유속이각각 1 m/s, 3.5 m/s 일때평판의토출부에서주입된미세기포가평판경계층근처에서거동하는모습을나타낸사진이다.

7에나타내었다. 결과에의하면개방된기포토출노즐수가증가하면미세기포의토출유량이많아져마찰저항저감율이높아짐을확인할수있다. 또한유속이빨라지면그저감율은점차낮아지는경향을보이며유속이 1.

결국미세기포에의한마찰저항감소원인을살펴보기위해서는미세기포가경계층내에서어떠한거동을하고어떠한군집분포를갖는지조사하는작업이필요하다. 본연구에서는평판의경계층내에서거동하는미세기포들의물리적특성을살펴보기위하여유동가시화기법을이용하였다.

4 백부근 임근태 김광수 김경열 김유철 3. 결과및고찰 미세기포를주입하지않은상태에서 X/L = 0.5 위치에서경계층을계측한결과 1.5 x 10 6 < Re < 3.2 x 10 6 이었고 3500 < Re θ ( 모멘텀두께 θ에기초한레이놀즈수 ) < 6000, 1.28 < H ( 형상계수 ) < 1.42 로써난류경계층이잘발달되었음을확인하였다. Fig. 6은터널유속이각각 1 m/s, 3.5 m/s 일때평판의토출부에서주입된미세기포가평판경계층근처에서거동하는모습을나타낸사진이다. 유속변화에따라미세기포를평판에토출시켰을때고속카메라 (SA5, Photron) 를활용하여영상을획득하였고평판의국부마찰저항을계측하였다. 미세기포가토출되지않을때의평판의마찰저항대비미세기포로인해저감된마찰저항에대해비교한그림을 Fig. 7에나타내었다. 결과에의하면개방된기포토출노즐수가증가하면미세기포의토출유량이많아져마찰저항저감율이높아짐을확인할수있다. 또한유속이빨라지면그저감율은점차낮아지는경향을보이며유속이 1.5 m/s 일때평판마찰저항저감율은최대약 16% 에도달함을확인할수있다. 이러한경향은평판의상류부와하류부모두유사하게나타나고있다. 평판경계층의두께는유속이빨라짐에따라얇아지게되어마찰력저감에기여하는미세기포의양이감소하는것으로판단된다. 결국미세기포에의한마찰저항감소원인을살펴보기위해서는미세기포가경계층내에서어떠한거동을하고어떠한군집분포를갖는지조사하는작업이필요하다. 본연구에서는평판의경계층내에서거동하는미세기포들의물리적특성을살펴보기위하여유동가시화기법을이용하였다. (a) Upstream sensor(x/l=0.53) (a) w/o bubbles (b) Downstream sensor(x/l=0.93) Fig. 7 Comparison of drag reduction ratio with micro-bubbles (b) w/ bubbles Fig. 8 Particle images for PIV processing Fig. 8 은기포유무에따라상기시스템을이용하여취득한입 JSNAK, Vol. 52, No. 4, August

5 마찰저항감소에영향을주는난류경계층내미세기포 (microbubble) 의가시화연구 자영상이다. Fig. 8(a) 는기포가없을때고체입자들이레이저평면광에의해산란되어밝은점으로나타난영상이며 Fig. 8(b) 는발생된기포들을레이저가아닌백색광으로조사하여얻어진그림자영상인데검정색으로보이는작은입자들이기포들이다. 취득된입자영상들을이용하여 PIV 속도장을얻을수있으며그결과들을 Fig. 9에표시하였다. Y(mm) U(m/s) 계측된속도를보면관측영역이점성저층 (viscous sublayer) 약간과완충층 (buffer layer), 내층 (log-law region) 에걸쳐서설정되었음을볼수있다. 다소아쉬운것은대부분의마찰저항감소현상이점성저층과완충층에서이루어지는바관측면의크기가다소커서관심영역을제대로조사하지못한것이다. (1) 5 10 X(mm) (a) w/o bubbles Y(mm) X(mm) U(m/s) Fig. 10 Velocity profiles of fluid flow in boundary layer (X/L = 0.5) (b) w/ bubbles Fig. 9 Typical velocity fields of boundary layer flow w/ and w/o bubbles Fig. 9의그림에서입자속도는적색으로갈수록속도가빠르며푸른색으로갈수록속도가낮아진다. 고체입자의경우 top 에위치한 wall 의영향으로속도영역이 x축에따라균일하게형성되고있으나기포입자의경우기포들의이동속도를계측한것이므로 y 방향을따라위아래로거동하는기포가많아속도층이균일하지않으며높은속도층이고체입자의경우와다르게형성되었음을확인할수있다. Fig. 10 은경계층내기포가없는유체유동의속도 profile 을표시한것인데높이방향거리 Y와유속 U를마찰속도 (Uτ) 와동점성계수 (ν) 로무차원화하여 Y + 와 U + 로표시하였다. Fig. 11 Velocity profiles of bubble in boundary layer (X/L = 0.5) Fig. 11 은기포만을가시화한경우로서점성저층으로접근함에따라속도분포가 Fig. 10 의그것과다소다름을확인할수있다. 기포들만의속도분포를무차원화하여그래프로나타낼때, 기포들만의마찰속도 (Uτ) 를정의하기힘들다. 미세기포와액상 360 대한조선학회논문집제 52 권제 4 호 2015 년 8 월

이결과를볼때, 미세기포들은내층 (log-law region) 에서는기포가없는유동장과동일한거동을하지만벽면에더가까워지는완충층과점성저층에서속도분포의변화가나타나고있음을보이는결과이며, 평판마찰저항저감은완충층과점성저층에존재하는미세기포들의거동특성에관련이있다는사실을나타내고있다. 본가시화연구의주목적은미세기포에의해마찰저항이감소하는원인을분석하고자함에있다.

6 백부근 임근태 김광수 김경열 김유철 (water phase) 이함께존재할때의국부마찰저항을기준으로마찰속도 (Uτ) 를정의하여무차원화해서나타내면, Fig. 10에나타낸기포가없는경우의내층의그래프에겹치지못하고유속에따라평행하게옮겨져나타난다. 다만내층 (log-law region) 에서의기울기는기포가없는유체의경우와거의같지만완충층 (buffer layer) 과점성저층 (viscous sublayer) 의영역에서는미세기포의무차원화속도분포기울기가다르게나타남을확인할수있다. 이결과를볼때, 미세기포들은내층 (log-law region) 에서는기포가없는유동장과동일한거동을하지만벽면에더가까워지는완충층과점성저층에서속도분포의변화가나타나고있음을보이는결과이며, 평판마찰저항저감은완충층과점성저층에존재하는미세기포들의거동특성에관련이있다는사실을나타내고있다. 본가시화연구의주목적은미세기포에의해마찰저항이감소하는원인을분석하고자함에있다. 이러한목적을달성하기위해서는난류경계층의특성에대해서살펴보아야한다. 난류경계층내에는일관된 (coherent) 난류구조가존재하게되는데난류구조내보텍스 (vortex) 의거동에의해서난류이벤트 (event) 가다양하게출현한다. 난류변동속도성분 u' 은 u'=u-u(mean) 을의미하며난류이벤트는 sweep, ejection, inward/outward interaction 등의 4가지로분류되는데 u' 과 v' 의곱에의해나타나는값들을이용하여해석하는방형구해석 (quadrant analysis) 을통해난류의소산과생성에대해서예측할수있다 (Kim, et al., 1987). 으로나타낼수있고이레이놀즈스트레스값의경향을살펴보면미세기포에의한영향을조사할수있게된다. Fig. 13 을보면기포가없을경우완충층에서레이놀즈스트레스값의크기가크고음의값을띄고있어난류생성이활발히진행되고있음을알수있다. 그러나기포의경우레이놀즈스트레스값의크기가작고오히려 2 m/s 에서는양의값을띄고있어난류의생성이많이감소되었음을잘알수있다. Y m/s, single phase m/s, gas phase m/s, single phase m/s, gas phase m/s, single phase 2.5m/s, gas phase Reynolds stress Fig. 13 Reynolds stress distribution in single and gas phases Fig. 12 Quadrant analysis for turbulence events Fig. 12 에서보는바와같이 1상한 (Q1) 과 3상한 (Q3) 은난류가소산 (dissipation) 되는영역으로서 u' 과 v' 의곱이양 (positive) 의값을취한다. 그러나 2, 4 상한의경우 ejection 과 sweep 이일어나는구간으로서 u' 과 v' 의곱이음의값을취하며난류가생성 (production) 된다. 결국난류가생성되면난류경계층에의한마찰항력이증가하게되므로 ejection 과 sweep 이벤트가얼마나강하게발생하는지조사할필요가있다. 사실 u' > 0, v' < 0 인영역에서 sweep 이벤트가나타나며주된마찰항력증가가발생하게되므로이영역을자세히파악해야하나본연구에서는 u'v' < 0인영역에대해서초점을맞추어조사하였다. u' 과 v' 의곱은일반적으로레이놀즈스트레스 (Reynolds stress) 라고불리는항 Fig. 14 Long distance microscope and high speed camera Table 1 Experimental condition for bubble visualization Flow speed (m/s) Field of view (mm 2 ) Spatial resolution (pixels) FPS (frame/.sec.) x x x x x x x x x x JSNAK, Vol. 52, No. 4, August

마찰저항감소에영향을주는난류경계층내미세기포 (microbubble) 의가시화연구 이상의결과는미세기포크기나경계층의두께에비해비교적큰관찰영역에대해계측한속도장을해석한것이다. 즉, 큰관찰영역에서직경이 70 μm 보다작은기포에대해서는영상으로취득되지못했을가능성이크다.

5 m/s 카메라의시간분해능및공간해상도 (spatial resolution) 를고려하여 Table 1에나타낸시험조건으로평판의경계층내를이동하는미세기포들을가시화하고자하였다. 유속이빨라질수록이동하는기포들을잔상없이포착하기위해서는초당프레임수를높여야하고고속카메라의정해진메모리에따라공간해상도가감소하게된다. 이때 1~1.5 m/s 유속에서가장큰 3.12 x 1.

7 마찰저항감소에영향을주는난류경계층내미세기포 (microbubble) 의가시화연구 이상의결과는미세기포크기나경계층의두께에비해비교적큰관찰영역에대해계측한속도장을해석한것이다. 즉, 큰관찰영역에서직경이 70 μm 보다작은기포에대해서는영상으로취득되지못했을가능성이크다. 경계층, 특히완충층내영역에서미세기포의군집특성및유속에따른공극률이어떻게나타나는가를자세히조사하기위해서는원거리현미경 (long distance microscope, 단텍다이너믹스사 ) 등을이용한세밀한유동가시화연구가필요하다. (a) 1.5 m/s 카메라의시간분해능및공간해상도 (spatial resolution) 를고려하여 Table 1에나타낸시험조건으로평판의경계층내를이동하는미세기포들을가시화하고자하였다. 유속이빨라질수록이동하는기포들을잔상없이포착하기위해서는초당프레임수를높여야하고고속카메라의정해진메모리에따라공간해상도가감소하게된다. 이때 1~1.5 m/s 유속에서가장큰 3.12 x 1.79 mm 의관측면크기를얻게된다. Table 1의가시화조건에따라취득한전형적인기포영상을 Fig. 15 에나타내었다. 영상상부의평행한경계는평판의아크릴창바닥면을의미한다. 원거리현미경의초점깊이 (focal depth) 가매우얇고많은수의렌즈가배열되어있는고유의광학계특성으로인해 macro 렌즈로취득한기포영상에비해다소화질이떨어지기는하였으나 shadow processing 소프트웨어 ( 단텍다이너믹스사 ) 를통해초점이잘맞은기포들을분석하는것은가능하였다. 각기포의추출및추적을위해서는기포를인지하고기포의경계를결정하는수치적기법이필요하다. 본연구에서는 threshold level method, edge height/edge slope/area validation methods 등을적절히이용하여기포영상을해석하였다. Shadow processing 을통해기포들을추출한후기포의크기 ( 직경 ) 정보를얻을수있다. 각기포의윤곽 (boundary) 은정확한원모양이아니기때문에같은면적의원모양으로전환후등가직경 (equivalent diameter) 정보를취하게된다. (b) 2.5 m/s Fig. 15 Typical shadow images captured in the boundary layer 실험용으로많이사용되는 macro 렌즈는초점길이가 200 mm 이하이며관측면의크기도 10 mm 이하로낮추는것이어렵기때문에비교적먼거리 (30 cm) 에서도활용이가능한현미경 (microscope) 이필요하다. 기포의직경분포를정확히해석하는것외에도난류경계층의완충층이하의영역을가시화하기위해서는최소 2 mm 이하의관측면을관찰해야한다. 본연구에서는 Fig. 14 와같은원거리현미경 (long distance microscope) 을구비하여미세기포를가시화하고자하였다. 이원거리현미경의초점거리 (focusing distance) 는 38 cm 이고최소관측면크기는 2 mm 이었다. 원거리현미경과고속카메라를동시에미세이동가능하도록높이방향 1축이송시스템 (traverse) 과광학테이블위에설치하였다. 2 mm 정도의매우작은관측면적을상대적으로빠르게지나가는기포들을가시화하기위해서는강한광원으로해당영역을조명해야한다. 광량및광세기가큰 metal 램프의백색광을관측면의후면에서조사하여미세기포의그림자영상을취득하였다. 중형캐비테이션터널의시험부를흐르는유동의유속과고속 Fig. 16 Equivalent diameter of bubbles Fig. 16 은 500 장의기포영상으로부터추출한기포들의등가직경을보인다. 등가직경 μm 를갖는기포들은약 28.6%, μm은 24.6%, μm은 34.8% 정도를차지한다. 기포들의등가직경을얻으면면적을구할수있고 2차원공극률 (void fraction) 을아래의식에따라계산할수있다. (2) 362 대한조선학회논문집제 52 권제 4 호 2015 년 8 월

8 백부근 임근태 김광수 김경열 김유철 여기서 A G 는해당영상에서기포가차지하는면적이고 A L 은액상이차지하는면적을의미한다. Fig. 17 에계산된공극률을나타내었는데각유속에서추출된기포의면적이 shadow processing 방법과기포들의거동에따라조금씩달라지므로각유속에대해서공극률 error bar 를같이표시하였다. 관찰된가시화영역에서공극률결과를살펴보면 1.5 m/s 유속의경우최대약 3.4% 의공극률이나타났으며마찰력을계측하여얻은마찰저항감소율결과와유사하게공극률이발생한것을잘알수있다. 결국, 2 ~ 4% 정도의공극률이경계층내에발생해야충분한마찰저항감소효과가나타남을알수있다. Fig dimensional void fraction with error bars References Jacob, B. Olivieri, A. Campana, E.F. & Piva, R., Drag Reduction by Microbubbles in a Turbulent Boundary Layer. Physics of Fluids, 22, pp Kim, D.S. Kim, H.T. & Kim, W.J., Experimental Study of Friction Drag Reduction in Turbulent Flow with Microbubble Injection. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 40(3), pp.1-8. Kim, J. Moin, P. & Moser R., Turbulence Statistics in Fully Developed Channel Flow at Low Reynolds number. Journal of Fluids Mechanics, 177, pp Kim, J.H. Oh, J.Y. Seo, D.W. & Lee, S.H., A Study on the Characteristics of an Air Cavity Attached under a Flat Plate. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 48(5), pp Paik, B.G. Kim, K.Y. & Ahn, J.W., Measurements of High Velocity Gradient Flow using Bubble Tracers in a Cavitation Tunnel. Journal of Fluids Engineering, 131, pp Paik, B.G. Kim, K.Y. Cho, S.R. Ahn, J.W. Cho, S.R. Kim, K.R. & Chung, Y.U., Study on the Drag Performance of the Flat Plates Treated by Antifouling Paints. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 50(6), pp 결론 본연구에서는기포발생장치를이용하여미세기포를생성시켰는데 50 μm 크기이하의미세기포가약 53% 정도를차지하였다. 2차원평판에서나타나는난류경계층내로생성된미세기포들을성공적으로유입시켰으며평판에매입설치된마찰센서 (friction sensor) 를이용하여 10-16% 의저항감소효과를계측하였다. 난류경계층내미세기포거동에의해레이놀즈응력의 (Reynolds stress) 크기가감소하여난류생성을저감시켰으며국소공극률 (local void fraction) 은유속에따라다르게나타났다. 최종적으로 2.5 ~ 3.6% 의공극률이마찰저항을감소시키는데기여하였음을알게되었다. 백부근임근태김광수김경열 후기 본연구는본연구는 PES1810 과제및 PNS2420, PNS2430 과제의지원으로수행되었으며이에감사드립니다. 김유철 JSNAK, Vol. 52, No. 4, August

[ 물리 ] 과학고 R&E 결과보고서 유체내에서물체의마찰력에미치는 표면무늬에대한연구 연구기간 : ~ 연구책임자 : 홍순철 ( 울산대학교 ) 지도교사 : 김영미 ( 울산과학고 ) 참여학생 : 김형규 ( 울산과학고 ) 노준영 (

[ 물리 ] 과학고 R&E 결과보고서 유체내에서물체의마찰력에미치는 표면무늬에대한연구 연구기간 : 2013. 4. 1 ~ 2014. 12. 31 연구책임자 : 홍순철 ( 울산대학교 ) 지도교사 : 김영미 ( 울산과학고 ) 참여학생 : 김형규 ( 울산과학고 ) 노준영 ( 울산과학고 ) 권범석 ( 울산과학고 ) 김진영 ( 울산과학고 ) 조희제 ( 울산과학고 ) .