[기계공학실험A+보고서]속도실험A

목차

1) PIV 실험 구성과 PIV 기법에 대해 설명하기.
2) 순간 속도벡터장을 사용하여, 수조 내 평균 속도벡터장을 계산하고 그래프로 도시하기. (Matlab 사용)
3) 펌프의 출력에 따라, 수조 내 평균 속도가 어떻게 변하는지 그래프를 그리고 추세선 그리기. (본 그래프는 실험 B,C에 사용할 예정)
4) 결론에 관한 고찰

참고문헌

본문내용

* PIV 기법이란 ?
PIV (Particle Image Velocimetry : 입자 영상 유속계)는 관측 대상인 유동장에 추적 입자를 넣고, 적절한 조명을 비추어 촬영한 데이터를 통하여, 유동장에 대한 속도벡터를 측정하고 이를 통해 유체역학적 특성을 파악하는 기법이다. PIV는 전유동장의 속도 성분을 동시에 계측할 수 있다는 특성을 가진 계측기법이기 때문에 실험 유체역학 분야에서 비정상 유동의 계측 및 해석부터 난류 유동의 계측까지 폭넓게 활용되고 있다.
실제 실험과정을 살펴보면 입자가 들어있는 물이 수조에 주입되고, 레이저가 만들어내는 2차원 평면을 지나는 유동을 카메라로 촬영하는 과정을 통해 유동장에 대한 정성적인 정보를 얻게 된다. 이후 PIV 프로그램을 이용하여 출력을 증가시키며 촬영된 사진을 통해 순간 속도를 정량적으로 분석하는 과정을 거치게 된다. 이 과정에서 필요한 배경지식은 다음과 같다.

- 유동가시화
유동가시화 (flow visualization)의 원리는 관측 대상인 유동장에 추적입자를 넣고 적절한 조명을 비추고 촬영한 영상을 이용해 유동장의 유체역학적 특성을 직접 관찰하는 방법이다. 이러한 방법은 관측 대상의 거시적인 유동형태를 직관적으로 파악할 수 있기 때문에 널리 사용되고 있다. 유동을 가시화 하기 위해 실험에서 사용되는 추적입자는 유체와 비중이 비슷하고 유체의 유동을 교란하지 않는 PVC, Nylon, smoke(기체)등이 사용되며, 이번 실험에서는 주방세제 (퐁퐁)이 사용되었다.

- 교정 (Calibration)
촬영된 데이터는 픽셀 (pixel)로 구성되어 있고, 실제 거리는 알 수 없기 때문에 이 데이터를 분석에 유용한 정보로 사용될 수 있도록 보정해주는 과정을 지칭한다. 이를 통해 유동의 특성에 대한 정량적 분석이 가능해진다.

위의 그림은 교정과정의 예시로. 자를 촬영한 사진에서 5mm 간격에 156 pixel이 포함되어 있음을 이용해 1 pixel을 30.3µm로 교정할 수 있다는 결론을 얻는다.

참고 자료

Deng, Zhiqun & Richmond, Marshall & Guensch, Gregory & Mueller, Robert. (2004). Study of Fish Response Using Particle Image Velocimetry and High-Speed.
조대환, 이영호. (1998). PIV(입자영상유속계)의 원리와 적용(Ⅰ). 한국동력기계공학회지
서울대학교 기계항공공학부, 기계공학실험 2 (2019년도 1학기 개정판) pp 11~pp 43