스테레오 PIV-PTV 성능검정을 위한 표준영상제작과 난류유동 측정성능 검정에 관한 연구

Abstract

유동장의 유체와 동일한 비중의 미소추적입자를 투입 하여 광원과 카메라로 가시화 한 후 디지털화상처리를 이용하여 이들 입자들의 운동을 정량적으로 추적하는 방법을 PIV(particle image velocimetry)법이다. 이 방법은 동시 다점계측이라는 장점으로부터 많이 이용되어 왔으나 대부분이 2차원적인 정보를 제공해 왔다. 그러나, 산업현장에서 나타나는 대부분의 유동장이 3차원성이 강한 난류라는 점으로부터 3차원 PTV를 이용한 난류유동계측의 필요성은 있어왔으나 3차원 계측기술의 한계로 인하여 극히 제약적 유동조건에 대한 연구 성과들만이 보고 되어왔다.

3차원 계측법 중의 하나로 스테레오 PIV(Stereoscopic Particle Image Velocimetry

SPTV)법을 개발하였다. 이들은 유전알고리듬을 이용한 3차원 PTV계측법에 의거한 SPTV계측법 구축에 성공함으로써 out-of-plane의 속도성분에 대한 측정오차를 줄이면서 in-plane상에서 격자보다 작은 스케일의 측정가능성을 제시하였다.

SPIV법과 SPTV법에 대한 지금까지의 연구들은 각각이 가지고 있는 측정법의 성능을 향상시키는 방향으로 진행되어 왔는데 SPIV법에서의 속도벡터 계산상, 격자보다 작은 스케일에 대한 측정성능, 즉 난동성분에 대한 측정성능이 어느 정도이며, SPTV법이 난동성분에 대하여 얼마나 측정성능이 우수한 지에 대한 평가가 없는 관계로 연구자들은 SPIV 혹은 SPTV 측정시스템의 사용에 즈음하여 측정결과의 비교검토가 어려워왔다. 이는 각각의 연구 성과들에서 행해진 실험조건들이 다를 뿐만 아니라 동일한 실험조건이라 할지라도 사용자의 실험경험 및 방법에 따라 다르게 되므로 이들 측정법에 의한 측정결과들 간의 차이에 대한 원인분석 및 비교평가가 어려웠다.

본 연구에서는 수치적 표준데이터를 이용함으로써 사용자의 실험경험 및 방법에 의존하지 않는 표준영상을 제작하고 이들 표준영상에 대하여 기존의 SPIV법과 SPIV법을 적용함으로써 유동장의 난동성분측정에 있어서의 이들 측정법들의 성능을 비교 검증하는 것을 연구의 목적으로 하였다.

SPIV측정법과 SPIV측정법의 성능비교검정을 위해서는 이들 측정법에 대한 측정원리 정립이 선행되어야 하므로 이들 측정법에 대한 이론적 배경을 정리하고, 두 측정법의 성능에 대한 비교평가를 위하여 기준이 될 수 있는 표준영상이 필요한데 이를 위하여 스테레오영상 제작법을 구축하였다.

스테레오 영상제작에 필요한 원시데이터는 일본가시화정보학회가 제공하고 있는 충돌분류에 대한 LES(Large Eddy Simulation)데이터를 표준의 수치데이터로 사용하였다.

구축된 표준영상에 대한 성능시험결과와 원래의 수치계산데이터와의 비교를 통하여 이들 두 측정법에 대한 성능평가를 수행하였다.

SPIV) 계측법은 현재 시판되고 있는 PIV분야 계측장비들의 성능을 최대한 활용함으로써 유동의 상세 구조까지 제공할 수 있다는 점으로부터 최근 많이 이용되고 있다. 이 계측법은 보통 두 대의 카메라를 사용하여 측정한다. 이 시스템에서는 레이저 평면 광으로 조명된 유동 단면에서의 3가지 속도성분을 측정하게 되는데, 일반적으로 out-of-plane의 속도성분은 바로 측정되어지지 않고 두 대의 카메라로 측정한 평면 데이터로부터 도출하게 된다. SPIV 계측법에는 접근 방법에 따라 2대의 카메라렌즈를 유동가시영역에 대하여 평형으로 설치하여 계측하는 Translation 방법과 2대의 카메라렌즈가 유동가시영역과 수직하지 못하고 조명의 평면과 소정의 각도를 이루게 하여 속도 장을 측정하는 Angular 방법이 있다. Translation법은 투시 방향에 대한 왜곡이 거의 없기 때문에 기록면의 좌표를 유체내부 입자좌표로 쉽게 변환할 수 있으며 확대율이 영상 기록면의 변위에 무관하므로 3차원 속도 성분을 쉽게 계산할 수 있는 장점이 있지만 카메라 측정각도가 제한되기 때문에 out-of-plane 속도성분의 오차를 줄이는데 한계가 있으며, 일반적으로 렌즈의 왜곡을 고려하지 않기 때문에 성능이 우수한 렌즈를 사용하여야 한다. 반면에 Angular 법은 측정각도에 거의 제약이 따르지 않으나 취득한 영상에 강한 투시왜곡에 발생하게 되므로 영상 기록면 좌표와 측정단면 좌표 사이의 상관 함수를 구하는 작업이 필요할 뿐만 아니라 유동장의 가시용 벽면에 의한 굴절의 영향으로 카메라렌즈의 설치를 가능하면 지상면을 기준으로 평행하게 설치해야 하는 단점이 있다.

윤과 이는 이와 같은 점을 고려하여 렌즈가 Tilting기능이 있는 카메라를 사용한 Scheimpflug방식의 SPIV법을 구축하였으며 도 등은 Angular법의 장점을 살리고 유동계측의 제약을 주었던 카메라의 배치에 자유성을 부여할 수 있도록 영상의 기하학적 변환(Geometric transforma tion)을 통하여 굴절과 수차의 영향을 고려함으로써 Translation법과 Angular법의 단점을 극복한 SPIV법을 제시하였다. 그러나 PIV는 원리상 얻어지는 속도벡터가 격자상에서 얻어지는 결과이므로 격자보다 작은 유동속도성분을 얻어내기란 쉽지가 않다.

게다가 SPIV법은 PIV계산에 의거하고 있는 관계로 in-plane의 격자크기 이내의 속도성분 즉 난동성분에 대한 측정성능향상이 어려울 뿐만 아니라 out-of-plane의 속도성분에 대한 측정오차가 크게 나타나는 특징이 있다.

한편, 일반적으로 PTV계측법은 입자 하나 하나에 대한 운동정보를 가지고 있으므로 격자보다 작은 스케일의 입자운동측정에 적합하다. 도 등은 PTV계측법의 장점을 살려 스테레오 PTV(Stereoscopic Particle Tracking Velocimetry