입자영상유속계를 이용한 분기관내 유동가시화

노형운,서상호,유상신,No, Hyeong-Un,Seo, Sang-Ho,Yu, Sang-Sin 대한의용생체공학회 1999 의공학회지 Vol.20 No.1

The objective of this study is to analyse the flow field in the branching duct by visualizing the flow phenomena using the PIV system. A bifurcation model is fabricated with transparent acrylic resin to visualize the whole flow field with the PIV system. Water was used as the working fluid and the conifer powder as the tracer particles. The single-frame and two-frame methods of the PIV system and 2-frame of the grey level correlation method are applied to obtain the velocity vectors from the images captured in the flow filed. The velocity distributions in a lid-driven cavity flow are compared with the so-called standard experimental data, which was obtained from by 4-frame method in order to validate experimental results of the PIV measurements. The flow patterns of a Newtonian fluid in a branching duct were successfully visualized by using the PIV system and the sub-pixel and the area interpolation method were used to obtain the final velocity vectors. The velocity vectors obtained from the PIV system are in good agreement with the numerical results of the 3-dimensional branch flow. The results of numerical analyses and the PIV experiments for the three-dimensional flows in the branch ing duct show the recirculation zone distal to the branching point and the sizes of the recirculation length and height of the tow different methods are in good agreement. 본 연구는 목적은 PIV 시스템을 이용하여 분기관내 유동현상을 가시화하여 분기부 영역의 유동특성을 분석하는데 있다. PIV 시스템으로 유동장을 가시화하기 위해서 분기관 모델은 투명 아크릴판으로 제작하였고 작동유체와 추적입자는 각각 물과 송화가루를 사용하였다. 유동장에서 획득된 영상으로부터 속도벡터를 얻기 위해서 입자추적방법의 1-프레임 법과 2-프레임 법, 상호상관 PIV법인 2-프레임법을 사용하였다. PIV 시스템으로 측정된 실험결과의 신뢰성을 확보하기 위해서 표면구동 캐비티 유동의 속도분포를 4-프레임법으로 얻어진 기준 실험 데이터와 비교하였다. 분기관에서 뉴턴유체의 유동현상을 효과적으로 가시화하는데 필요한 상호상관 PIV방법의 2-프레임법을 적용하는 알고리즘을 개발하였고, sub-pixel과 면적보간을 사용하여 오벡터를 제거후 최종속도벡터를 얻었다. PIV를 이용한 분기관내 유동가시와 실험결과를 신뢰할 수 있는 수치해석 결과를 이용하여 검증한 결과 PIV 실험으로 얻어진 속도벡터는 수치해석의 결과와 잘 일치하였다. PIV 실험과 수치해석 결과로부터 분기관모델의 분기점 원위부에 재순환영역이 형성됨이 확인되었고 두 다른 방법을 이용한 재순환영역의 길이와 높이는 거의 동일하였다.

상호상관 PIV를 이용한 예혼합 분무화염의 계측에 관한 연구

양영준,김봉환 한국에너지학회 2005 에너지공학 Vol.14 No.4

예혼합 분무화염의 상세한 연구기구를 관찰하기 위하여 예혼합 분무화염 중의 분무단면상의 확대촬영과 또한 연소시의 순간적 이차원 유동장을 얻기 위해 미소시간차를 가진 2연속 분무단면 화상에 대해 상호상관 PIV를 적용하였다. PIV에 통상 사용되어지는 펄스 레이저가 아닌 연속발진 레이저를 PIV에 적용하는 기법 등을 나타내었다. 또한 통계적 PIV 해석법을 이용하여 얻은 상호상관 PIV의 결과를 PDA에 의해 측정된 결과와 비교하여, 상호상관 PIV는 PDA의 계측에 의한 결과와 잘 일치한다는 결론에 이르렀다. 연속발진 레이저를 이용한 상호상관 PIV를 예혼합 분무화염에 적용하여 본 연구에서 적용한 기법이 분무화염의 구조를 관찰하는데 매우 유용함을 검증하였다.

임상용 X선관을 이용한 X-ray PIV시스템의 개발

임대현(Dae-hyun Yim),김국배(Guk Bae Kim),김도일(Do-Il Kim),이형구(Hyong-Koo Lee),이상준(Sang Joon Lee) 한국유체기계학회 2006 유체기계 연구개발 발표회 논문집 Vol.- No.-

A new medical X-ray PIV technique was developed using a conventional medical X-ray tube. To acquire images of micro-scale particles, the X-ray PIV system consists of an x-ray CCD camera with high spatial resolution, and a X-ray tube with small a focal spot. A new X-ray exposure control device was developed using a rotating disc shutter to make double pulses which are essential for PIV application. Synchronization methodology was also developed to apply the PIV technique to a conventional medical X-ray tube. In order to check the performance and usefulness of the developed X-ray PIV technique,it was applied to a glycerin flow in an opaque silicon tube. Tungsten particles which have high X-ray absorption coefficient were used as tracer particles. Through this preliminary test, the spatial resolution was found to be higher than ultrafast MRI techniques, and the temporal resolution was higher than conventional X-ray PIV techniques. By improving its performance further and developing more suitable tracers, this medical X-ray PIV technique will have strong potential in the fields of medical imaging or nondestructive inspection as well as diagnosis of practical thermo-fluid flows.

미세 생체유동 해석을 위한 첨단 유동가시화기법

이상준(Sang Joon Lee) 대한기계학회 2009 大韓機械學會論文集B Vol.33 No.1

Recently microscale biofluid flows have been receiving large attention in various research areas. However, most conventional imaging techniques are unsatisfactory due to difficulties encountered in the visualization of microscale biological flows. Recent advances in optics and digital image processing techniques have made it possible to develop several advanced micro-PIV/PTV techniques. They can be used to get quantitative velocity field information of various biofluid flows from visualized images of tracer particles. In this paper, as new advanced micro-PIV techniques suitable for biofluid flow analysis, the basic principle and typical applications of the time-resolved micro-PIV and X-ray micro-PIV methods are explained. As a 3D velocity field measurement technique for measuring microscale flows, holographic micro-PTV method is introduced. These advanced PIV/PTV techniques can be used to reveal the basic physics of various microscale biological flows and will play an important role in visualizing veiled biofluid flow phenomena, for which conventional methods have many difficulties to analyze.

PIV를 사용한 2차원 원형 실린더 주위의 유동해석

박건선(GUN-SUN PARK),곽영기(YOUNG-KI KWAK) 한국해양공학회 2004 韓國海洋工學會誌 Vol.18 No.3

Flow visualization and velocity field measurement methods have practical applications in the various fluid engineering fields, such as mechanics, ships, and heat fluids. In this study, the basic principles and theoretical methods are used to establish an application technique of Particle Image Velocimetry (abbreviated to PIV below). Accordingly, the measured results of velocity field distribution of a section inside the Circulating Water Channel (abbreviated to CWC below) are computed using the PIV is presented. The uniformity of velocity distribution of the section in CWC is confirmed, by comparing this PIV data with the existing current meter data. Also, in order to measure the flow fields of surroundings of 2-dimensional cylinder in the CWC, the flow visualization technique using the PIV is applied.

어파인변환 기반 하이브리드 PIV

도덕희(Deog Hee Doh),조경래(Gyong Rae Cho),이재민(Jae Min Lee) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集B Vol.35 No.6

입자추적유속계(PTV)는 나노 및 바이오 분야의 유체유동장에서는 각 입자들을 추적하여 속도측정을 하는 관계로 많은 강점이 있다. 그러나 측정원리상 보간에 의한 속도장 측정오차를 피할 수 없는 관계로 PTV기술을 사용함에 있어서 제한적이었다. 본 연구에서는 어파인변환 알고리듬을 PIV 및 PTV측정에 도입함으로써 보간에 의한 오차를 줄일 수 있는 어파인변환 기반 하이브리드 PIV알고리듬을 구축하였다. 구축된 알고리듬에 대한 성능평가를 위하여 Green-Taylor와유동의 수치적 데이터를 이용한 가상영상에 대한 시험을 실시하였으며, 이로부터 입자수가 2000개 이상일 때 최적의 측정성능임을 확인하였으며 상호상관PIV법 및 확률일치PTV법보다 우수한 측정성능임을 확인하였다. 나아가 길이비 2:1(6㎝ × 3㎝)인 장방형 물체후류(Re=5,300)에 대한 실험 영상에 대한 실제 계산을 통하여 구축된 알고리듬에 대한 측정성능의 우수성을 확인하였다. Since PTV (particle tracking velocimetry) provides velocity vectors by tracking each particle in a fluid flow, it has significant benefits when used for nano- and bio-fluid flows. However, PTV has only been used for limited flow fields because interpolation data loss is inevitable in PTV in principle. In this paper, a hybrid particle image velocimetry (PIV) algorithm that eliminates interpolation data loss was constructed by using an affine transformation. For the evaluation of the performance of the constructed hybrid PIV algorithm, an artificial image test was performed using Green?Taylor vortex data. The constructed algorithm was tested on experimental images of the wake flow (Re = 5,300) of a rectangular body (6 ㎝ × 3 ㎝), and was demonstrated to provide excellent results.

CFD 검증을 위한 풍동 및 PIV를 이용한 자연환기식온실 내부 공기유동 분석

하정수,이인복,권경석,하태환 (사) 한국생물환경조절학회 2014 생물환경조절학회지 Vol.23 No.4

The number of large scale greenhouses has recently been increasing to cope with mass consumption ofagricultural product. Korean government announced a new development plan for constructing greenhouse complex inreclaimed lands for the purpose of improvement in exports and activation of domestic market of agricultural product. Wind environment in the reclaimed land is totally different from that of inland area, and it can give a strong influence onventilation performance of naturally ventilated greenhouse facilities. In this study, internal airflow analysis of naturallyventilated greenhouse built on a reclaimed land was conducted using wind tunnel and PIV for validation research. Later,the PIV measured results will be used to improve the accuracy of 3 dimensional CFD simulation in the future. Windprofile at a reclaimed land was produced using ESDU program and it was applied to the wind tunnel. The calculatederror was only 5% and 0.96 of correlation coefficient, implying that the computed profiles were designed properly. From the measured results, when external wind speed changed from 1m·s−1 to 1.5m·s−1, air velocities inside the greenhousewhich PIV measured were also increased proportionately in case of both side vent open and side-roof vent open. Considering reduced ratio of air velocity inside the greenhouse, it was measured a minimum of 40% in case of side ventand 30% in case of side-roof vent compared with external wind speed from each vent type. From the quantitative andqualitative PIV analysis, the PIV measured results indicated that there were well ventilated and stagnant areas in thegreenhouse according to external wind condition as well as ventilation design. 본 연구에서는 간척지 풍 환경 특성에 따른 온실의 환기효율 분석 연구에 대한 기초연구로서 단동 양지붕형온실을 대상으로 간척지 풍 환경을 적용한 풍동실험 및PIV 실험을 수행하여 풍속, 환기방식에 다른 온실 내부공기유동 분석을 수행하였다. 실질적인 간척지 풍환경적용을 위하여 ESDU 프로그램을 활용하여 풍속 및 난류 프로파일을 설계하여 풍동실험에 적용하였으며 구현결과 ESDU 대비 5%의 오차 및 상관계수 0.96이 도출되었으며 적절한 오차범위라 판단하여 이를 기준으로 실험을 진행하였다. 벡터장, 컨투어장을 통한 분석 결과, 풍상측에서 유입되는 공기가 온실 하부로 주기류층을 형성하고 온실 상부로는 주풍방향과 반대방향으로 다소 약한 기류를 형성하는 것으로 측정되었다. 이는 환기 시, 온실 하부영역이 가장 환기가 원활한 위치이며 후류가 형성되는 상부영역은 저속의 순환구역으로 온실 내부에 있어 환기에가장 취약한 위치임을 알 수 있었다. 또한 외부풍속 대비 온실 유입구 유속의 경우 상이하게 나타난 바, 이는차후 환기량이나 환기효율의 산정에 있어 보다 실질적인수치가 될 것으로 사료된다. 온실 내부 중앙부 기준 수직 높이에 대한 높이별 유속수치 도출 및 분석결과, 풍속의 증가율에 비례하여 내부유속 분포 수치 또한 비례해서 증가하는 것을 알 수 있었다. 환기방식에 따른 내부 유속 저감 비율은 측창 환기, 측창-천창 환기의 경우 각각 약 40%, 30%로 나타났으며 측창-천창 환기조건에서는 천창을 추가적으로 개방함으로써 공기의 유입되는 면적이 증감함에 따라 온실을기준으로 발생되는 부압이 감소하여 오히려 측창 환기조건보다 더 큰 유속 수치가 도출된 것으로 사료된다. 이는 차후 질량교체 환기량, 추적가스 감쇠법 등의 방법을통한 환기량 산정에 있어 환기방식에 따른 환기량의 변화양상에 대한 분석을 추가적으로 수행할 필요성을 지니는 자료로 판단된다. 본 연구를 통하여 도출된 결과를 바탕으로 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD) 시뮬레이션에 접목하여 앞서 도출된 정량적인 높이별 유속 수치및 정성적 유동분포를 기준으로 검증 및 정확도 향상을통한 환기분석 모델을 설계하고자 하였다. 온실 내부의공기유동에 따른 보다 실질적인 환기 척도를 도출하여다양한 온실형태별, 환경조건별, 환기방식별 환기경향 분석 및 예측이 가능할 것으로 전망되며 시뮬레이션을 활용한 온실 체적 전체 및 구역별 환기량을 예측하여 환기 취약 구역을 파악, 보완할 수 있을 것으로 기대된다.

단일 광경로 스캔 PIV기법의 개발

김형범(Hyoung-Bum Kim),정인영(In-Young Jeong),오재근(Jae-Geun Oh),이상혁(Sang-Hyuk Lee),Jean Hertzberg 대한기계학회 2005 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2005 No.11

PIV(Particle image velocimetry) presents the flow velocity of whole flow fields in a fraction of a second. It is a unique method to capture the flow structure in complex flow and measure the turbulent properties with good accuracy by the development of digital image processing and optics. Conventional PIV method uses two optical axis configuration during the image grabbing process. That is, the illumination plane and the recording plane must be parallel. This configuration is very natural to grab the whole field without the image distortion. In the real problem, it is often to meet the situation which this configuration is hard to be fulfilled. In this study, we developed new PIV method which only uses single optical axis to grab the particle images. This new PIV method become possible by utilizing the scanning method similar to echo PIV technique. One particle image of scanning PIV consists of scanned several line images and by repeating this scanning process, two particle images ere grabbed and processed to produce the velocity vectors.

에코 PIV: in vivo 유동 측정기법

김형범(Hyoung-Bum kim),Jean Hertzberg,Robin Shandas 한국가시화정보학회 2005 한국가시화정보학회지 Vol.3 No.1

The combination of ultrasound echo images with digital particle image velocimetry (DPIV) method has resulted in a two-dimensional, two-component velocity field measurement technique appropriate for opaque flow conditions including blood flow in clinical applications. Advanced PIV processing algorithms including an iterative scheme and window offsetting were used to increase spatial resolution. The optimum concentration of the ultrasound contrast agent used for seeding was explored. Velocity validation tests in fully developed laminar pipe flow and pulsatile flow showed good agreement with both optical PIV measurements and the known analytic solution. These studies indicate that echo PIV is a promising technique for the non-invasive measurement of velocity profiles and shear stress.

PIV를 이용한 3차원 파형관 내부 유동장의 실험적 연구

김성균 대한설비공학회 2004 설비공학 논문집 Vol.16 No.4

A flow field in a passage with periodically converging-diverging cross-section is investigated experimentally by PIV measurement. A tube with a sinusoidally wavy cross section is one of several devices employed for enhancing the heat and mass transfer efficiency due to turbulence promotion and unsteady vortical motion. While the numerical flow visualization results have been limited to the fully developed cases, existing experimental results of this flow were simple qualitative ones by smoke or dye streak test. Therefore, the main purpose of this study is to produce quantitative flow data for fully developed and transient flow regime by the Correlation Based Correction PIV (CBC PIV) and to conjecture the analogy between flow characteristics and heat transfer enhancement with low pumping power. Another purpose of this paper is to examine the onset position of the transition and the global mixing, which results in transfer enhancement. At Re=2000, evidences of the global mixing are captured at 2.5 wavy module through the variation of RMS values and instantaneous velocity plot.