KR101749259B1 - 항력 측정 장치 - Google Patents

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KR101749259B1
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박상덕
서정헌
김영환
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강릉원주대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 유체 흐름 속에 있는 특정 물체에 유체가 가하는 항력을 측정할 수 있는 항력 측정 장치에 관한 것으로서, 다공성 재료를 담을 수 있는 시료통을 수용할 수 있는 수용공간이 형성된 본체와, 상기 본체의 상기 수용공간에 유체를 공급할 수 있는 유체 공급 장치 및 상기 시료통에 연결되어 상기 시료통을 통과하는 상기 유체로 인해 발생되는 상기 다공성 재료의 항력을 측정하는 항력 측정부를 포함할 수 있다.

Description

항력 측정 장치{Drag force measuring apparatus}
본 발명은 항력 측정 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 유체 흐름 속에 있는 특정 물체에 유체가 가하는 항력을 측정할 수 있는 항력 측정 장치에 관한 것이다.
최근 들어 세계적으로 기상이변에 따른 재난이 많이 발생하고 있으며, 국내에서도 매년 여름 집중호우로 인한 피해가 자주 발생하고 있다. 특히 호우로 인한 홍수는 많은 인명과 재산의 피해를 유발하고 있기 때문에 다양한 방법으로 재해를 예측하고 방재계획을 세우는데 많은 노력을 기울이고 있다.
홍수는 일시에 많은 물이 하류로 밀려들어 발생하는 현상으로 상류에서 유출하는 유량, 토석, 유목 등을 정확하게 파악할 수 있다면 재해 예방에 효과적으로 대응할 수 있게 된다. 홍수 시 유수에 의해 운반되는 토석이나 유목 등의 물체는 유수에 의한 항력(drag force)을 받게 된다. 일반적으로, 유체 흐름에 의한 항력 측정 기술은 유체 흐름이 일으킨 물체의 변위를 측정하여 항력을 산출하는 방법 등이 있다.
그러나, 이러한 종래의 항력 측정 기술은 유체의 흐름에 의한 물체의 변위 변화를 측정하여 항력을 유추하는 것으로 하천이나 계곡의 바닥에 퇴적되어 있는 모래, 자갈, 호박돌, 전석 등과 같은 집합체의 공극을 통해서 흐르는 유체가 상기 집합체에 가하는 정확한 항력을 측정하는 데는 한계가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함한 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 모래, 자갈, 호박돌, 전석 등과 같은 공극이 형성된 집합체가 받는 유체의 흐름에 의한 항력을 정확하게 측정할 수 있는 항력 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 항력 측정 장치가 제공된다. 상기 항력 측정 장치는, 다공성 재료를 담을 수 있는 시료통을 수용할 수 있는 수용공간이 형성된 본체; 상기 본체의 상기 수용공간에 유체를 공급할 수 있는 유체 공급 장치; 및 상기 시료통에 연결되어 상기 시료통을 통과하는 상기 유체로 인해 발생되는 상기 다공성 재료의 항력을 측정하는 항력 측정부;를 포함할 수 있다.
상기 항력 측정 장치에서, 상기 항력 측정부는, 상기 다공성 재료를 담을 수 있고, 상기 유체가 통과할 수 있도록 적어도 하나 이상의 관통홀이 형성되는 상기 시료통; 상기 시료통과 연결되어 상기 다공성 재료의 상기 항력으로 인해 발생되는 하중을 전달받는 하중 전달 부재; 상기 하중 전달 부재를 지지하여 상기 하중을 측정하는 로드셀이 설치된 상부 프레임; 및 상기 상부 프레임과 대향되게 형성되어 일측에 상기 상부 프레임을 지지하는 프레임 기둥부가 형성되는 하부 프레임;을 포함할 수 있다.
상기 항력 측정 장치에서, 상기 항력 측정부는, 상기 로드셀의 최대 허용하중을 조절할 수 있도록, 상기 하부 프레임의 일단에 설치되어 상기 상부 프레임과 상기 하부 프레임의 간극을 조절하는 허용하중 조절부; 및 상기 상부 프레임의 일단에 설치되어 상기 하중 전달 부재를 지지하고 장력을 조절하는 장력 조절부;를 더 포함할 수 있다.
상기 항력 측정 장치에서, 상기 항력 측정부는, 상기 시료통에 담긴 상기 다공성 재료의 상기 항력을 측정할 때 상기 항력 측정부가 상기 항력만 정확하게 측정할 수 있도록, 상기 본체에 설치되어 상기 시료통 및 상기 다공성 재료의 하중을 상쇄하는 밸런스 장치;를 더 포함할 수 있다.
상기 항력 측정 장치에서, 상기 밸런스 장치는, 일단이 상기 시료통과 연결되는 와이어; 상기 와이어를 지지하는 도르레; 상기 와이어의 타단과 연결되어 상기 시료통 및 상기 다공성 재료의 하중을 상쇄하는 무게추; 및 상기 와이어가 급격한 변위를 받을 경우 로드셀의 측정허용 변위를 과도하게 초과하지 않도록 변위를 제한하는 와이어 안내부;를 포함할 수 있다.
상기 항력 측정 장치에서, 상기 본체는, 상기 유체 공급 장치로부터 공급되는 상기 유체를 수용할 수 있도록 하부 일측에 유체 유입구가 형성된 외측 덕트부; 및 적어도 일부분이 상기 외측 덕트부 내부에 설치되어 상기 시료통을 수용할 수 있는 상기 수용공간이 형성되고, 상기 외측 덕트부의 상기 유체 유입구로 유입된 상기 유체가 상부로 유입되어 상기 수용공간을 통과한 후 하부에 형성된 유체 배출구를 통해 배출되는 내측 덕트부;를 포함할 수 있다.
상기 항력 측정 장치에서, 상기 내측 덕트부의 상기 유체 배출구와 연결되게 설치되어, 상기 수용공간을 통과한 상기 유체의 유량을 측정하는 유량계;를 더 포함할 수 있다.
상기 항력 측정 장치에서, 상기 유체 공급 장치는, 일측이 상기 내측 덕트부의 상기 유체 배출구와 연결되고 타측이 상기 외측 덕트부의 상기 유체 유입구와 연결되어 상기 유체를 재순환 시키는 재순환관; 및 상기 재순환관에 상기 유체를 재순환 시킬 수 있는 압력을 인가하는 펌프;를 포함할 수 있다.
상기 항력 측정 장치에서, 상기 펌프는, 상기 본체로 공급되는 상기 유체의 공급량을 조절할 수 있도록, 상기 펌프와 연결되어 상기 펌프의 회전수를 조절하는 유체 공급량 조절부;를 포함할 수 있다.
상기 항력 측정 장치에서, 상기 항력 측정부와 통신 가능하게 연결되어 상기 항력 측정부에서 측정되는 항력 측정 데이터를 실시간으로 출력하고, 상기 항력 측정 데이터를 저장하여 관리하는 항력 측정 데이터 관리부;를 더 포함할 수 있다.
상기 항력 측정 장치에서, 상기 유량계와 통신 가능하게 연결되어 상기 유량계에서 측정되는 유량 데이터를 저장하여 관리하는 유량 데이터 관리부;를 더 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 모래, 자갈, 호박돌, 전석 등과 같은 집합체의 공극을 통해서 흐르는 유체가 상기 집합체에 가하는 항력을 정확하게 측정할 수 있다.
또한, 흐르는 유체가 단일 물체에 가하는 항력을 정확하게 측정할 수 있으며, 측정된 상기 집합체 또는 상기 단일 물체의 항력 데이터를 이용하여 모래, 자갈, 호박돌, 전석 등과 같은 집합체가 형성된 하천이나 계곡에서 발생하는 항력을 정확하게 예측할 수 있으며, 이에 따라, 홍수 등과 같은 하천이나 계곡에서 발생할 수 있는 자연 재해 예방에 효과적으로 대응할 수 있는 항력 측정 장치를 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 항력 측정 장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 항력 측정 장치의 항력 측정부를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 1의 항력 측정 장치에서 측정한 항력을 나타내는 그래프이다.
도 4는 도 3의 측정된 항력을 유발한 실험유량을 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 항력 측정 장치(100)를 나타내는 개략적인 단면도이고, 도 2는 도 1의 항력 측정 장치(100)의 항력 측정부(30)를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
먼저, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 항력 측정 장치(100)는, 크게 본체(10)와, 유체 공급 장치(20) 및 항력 측정부(30)를 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본체(10)는, 다공성 재료(S)를 담을 수 있는 시료통(31)을 수용할 수 있는 수용공간이 형성될 수 있다. 더욱 구체적으로, 본체(10)는, 유체 공급 장치(20)로부터 공급되는 유체를 수용할 수 있도록 하부 일측에 유체 유입구(11a)가 형성된 외측 덕트부(11) 및 적어도 일부분이 외측 덕트부(11) 내부에 설치되어 시료통(31)을 수용할 수 있는 상기 수용공간이 형성되고, 외측 덕트부(11)의 유체 유입구(11a)로 유입된 상기 유체가 상부로 유입되어 상기 수용공간을 통과한 후 하부에 형성된 유체 배출구(12a)를 통해 배출되는 내측 덕트부(12)를 포함할 수 있다.
외측 덕트부(11) 및 내측 덕트부(12)는, 내부에 유체 및 시료통(31)을 수용할 수 있는 수용공간을 가지는 적절한 강도와 내구성을 갖는 원통형 또는 다각형의 구조체일 수 있다. 예컨대, 이러한 외측 덕트부(11) 및 내측 덕트부(12)는, 아크릴, 유리, 스틸, 스테인레스, 알루미늄, 마그네슘 및 아연 중 어느 하나 이상의 재질을 선택하여 구성되는 원통형 또는 다각형의 구조체일 수 있다. 그러나, 외측 덕트부(11) 및 내측 덕트부(12)는, 도 1에 반드시 국한되지 않고, 내부에 상기 유체 및 시료통(31)을 수용할 수 있는 매우 다양한 재질의 부재들이 적용될 수 있다.
또한, 외측 덕트부(11) 및 내측 덕트부(12)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 별도의 프레임 구조체에 의해 지지될 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 프레임 구조체는, 외측 덕트부(11) 및 내측 덕트부(12)를 충분히 지지할 수 있는 일종의 프레임 구조체일 수 있다. 예컨대, 이러한 상기 프레임 구조체는, 일체형 사출 구조물이나, 주물이나, 다양한 형상의 판재, 선재, 파이프재, 수직 부재, 수평 부재 및 경사 부재들을 서로 용접하거나 연결하여 이루어지는 프레임 구조체일 수 있다.
따라서, 외측 덕트부(11)의 하부 일측에 형성된 유체 유입구(11a)를 통해서 유체 공급 장치(20)로부터 공급되는 유체가 유입되고, 상기 유체는 외측 덕트부(11)의 내측벽과 내측 덕트부(12)의 외측벽 사이의 공간을 통해서 외측 덕트부(11)의 상부로 유동될 수 있다. 이어서, 외측 덕트부(11)의 상부로 유동한 상기 유체가 내측 덕트부(12)의 개방된 상부로 유입되고, 다공성 재료(S)가 담김 시료통(31)이 수용된 수용공간을 통과하여 내측 덕트부(12)의 하부에 형성된 유체 배출구(12a)를 통해서 상기 유체가 배출될 수 있다.
그러므로, 외측 덕트부(11)의 유체 유입구(11a)를 통해서 유입된 유체가, 외측 덕트부(11)의 내측벽과 내측 덕트부(12)의 외측벽 사이의 공간을 통해 우회해서 내측 덕트부(12)로 유입되도록 유도하여, 유체로 인해 발생되는 다공성 재료(S)의 항력 측정 시, 상기 유체가 유입되는 압력으로 인하여 측정되는 상기 항력에 영향을 받지 않도록 할 수 있다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 유체 공급 장치(20)는, 본체(10)의 시료통(31)을 수용할 수 있는 수용공간에 유체를 공급할 수 있다. 더욱 구체적으로, 유체 공급 장치(20)는, 일측이 내측 덕트부(12)의 유체 배출구(12a)와 연결되고, 타측이 외측 덕트부(11)의 유체 유입구(11a)와 연결되어 상기 유체를 재순환 시키는 재순환관(21) 및 재순환관(21)에 상기 유체를 재순환 시킬 수 있는 압력을 인가하는 펌프(22)를 포함할 수 있다.
예컨대, 재순환관(21)의 중간에 펌프(22)가 연결되어 유체 배출구(12a)를 통해 배출된 유체를 유체 유입구(11a)로 공급할 수 있도록 재순환관(21) 내에 압력을 형성할 수 있다.
이때, 펌프(22)는, 재순환관(21) 내에서 재순환되어 본체(10)로 공급되는 상기 유체의 공급량을 조절할 수 있도록, 펌프(22)와 연결되어 펌프(22)의 회전수를 조절하는 유체 공급량 조절부(22a)를 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로, 유체 공급량 조절부(22a)는 펌프(22)와 전기적으로 연결되어, 펌프(22)에 공급되는 전력량을 조절함으로써 펌프(22)의 회전수를 조절할 수 있다. 더불어, 재순환관(21)과 펌프(22)의 연결부에 탄성재질로 형성된 커넥터(C)가 설치되어, 펌프(22)에서 발생되는 진동이 재순환관(21)으로 전달되는 것을 감쇠시켜, 진동에 의한 피로도 누적으로 재순환관(21)이 파손되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 유체 공급 장치(20)는, 재순환관(21)에 드레인 밸브(D)를 더 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로, 드레인 밸브(D)는, 재순환관(21)에 허용량 이상의 유체가 흘러 과도한 압력이 발생하거나, 재순환관(21) 내에 유입된 공기로 인하여 맥동이 발생할 때, 드레인 밸브(D)를 통하여 상기 유체 또는 상기 공기를 배출하여 재순환관(21)의 파손 및 소음발생을 방지할 수 있다.
또한, 유체 공급 장치(20)는, 재순환관(21)의 펌프(22)와 인접한 부분에 토출 분배 밸브(V2)를 더 포함하여, 본체(10)가 복수개로 설치될 경우 사용자의 필요에 따라 토출 분배 밸브(V2)를 조절하여 유체가 공급되는 방향을 선택함으로써, 복수개의 본체(10)에서 동시에 항력 측정 시험을 할 수 있다.
따라서, 유체 공급 장치(20)는, 사용자의 필요에 따라 유체 공급량 조절부(22a)를 통하여 펌프(22)의 회전수를 조절함으로써, 유체 배출구(12a)로 배출되어 유체 유입구(11a)로 재공급되는 유체의 유속 및 유량을 용이하게 조절할 수 있다. 아울러, 유체 공급 장치(20)는, 재순환관(21)에 유속 조절 밸브(V1)을 더 포함하여, 유속 조절 밸브(V1)의 개방량을 조절하는 것으로 유체 배출구(12a)로 배출되어 유체 유입구(11a)로 재공급되는 유체의 유속 및 유량을 조절할 수도 있다.
그러므로, 항력 측정 장치(100)의 항력 측정 시 사용자가 유체 공급 장치(20)를 통하여 본체(10)로 공급되는 유체를 순환식으로 공급할 수 있고, 공급되는 상기 유체의 유량 및 유속을 다양하게 조절할 수 있으므로, 다양한 실험 조건을 설정하여 다공성 재료(S)의 항력을 용이하게 측정할 수 있다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 항력 측정 장치(100)는, 내측 덕트부(12)의 유체 배출구(12a)와 연결되게 설치되어, 본체(10)의 시료통(31)을 수용하는 수용공간을 통과한 유체의 유량을 측정하는 유량계(40)를 더 포함할 수 있다.
예컨대, 유체 배출구(12a)와 연결된 유량계(40)를 통해 상기 수용공간을 통과하는 유체의 유량을 실시간으로 파악하여, 시험 설정 조건과 실제 상기 유체의 유량이 일치하는지 실시간으로 확인할 수 있다.
또한, 항력 측정 장치(100)는, 항력 측정부(30)와 통신 가능하게 연결되어 항력 측정부(30)에서 측정되는 항력 측정 데이터를 실시간으로 출력하고, 상기 항력 측정 데이터를 저장하여 관리하는 항력 측정 데이터 관리부(50)와, 유량계(40)와 통신 가능하게 연결되어 유량계(40)에서 측정되는 유량 데이터를 저장하여 관리하는 유량 데이터 관리부(60)를 더 포함할 수 있다.
예컨대, 항력 측정 데이터 관리부(50) 및 유량 데이터 관리부(60)는 각각 별도의 프로세서 컴퓨터로 구성하여 관리 시스템의 구성 비용 절감 및 관리 편의를 높일 수 있다. 그러나, 반드시 도 1에 국한되지 않고, 사용자의 필요에 따라 항력 측정 데이터 관리부(50)와 유량 데이터 관리부(60)를 단일 프로세서 컴퓨터로 구성할 수도 있다.
그러므로, 항력 측정 장치(100)는, 항력 측정 데이터 관리부(50) 및 유량 데이터 관리부(60)를 구비하여, 유량 공급 장치(20)에서 공급되는 유체의 유량에 따라, 측정되는 상기 유체로 인해 발생되는 다공성 재료(S)의 항력을 유기적으로 저장 및 관리하여, 상기 유체의 유량 변화에 따른 상기 항력 변화를 더욱 효율적으로 측정하여, 다공성 재료(S)의 상기 항력을 더욱 정확하게 시험할 수 있다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 항력 측정부(30)는, 시료통(31)에 연결되어 시료통(31)을 통과하는 유체로 인해 발생되는 다공성 재료(S)의 항력을 측정할 수 있다.
더욱 구체적으로, 항력 측정부(30)는, 다공성 재료(S)를 담을 수 있고, 상기 유체가 통과할 수 있도록 적어도 하나 이상의 관통홀이 형성되는 시료통(31)과, 시료통(31)과 연결되어 다공성 재료(S)의 항력으로 인해 발생되는 하중을 전달받는 하중 전달 부재(32)와, 하중 전달 부재(32)를 지지하여 상기 하중을 측정하는 로드셀(L)이 설치된 상부 프레임(33) 및 상부 프레임(33)과 대향되게 형성되어 일측에 상부 프레임(33)을 지지하는 프레임 기둥부가 형성되는 하부 프레임(34)을 포함할 수 있다.
예컨대, 시료통(31)은, 내부에 다공성 재료(S)를 수용할 수 있는 수용공간을 가지는 적절한 강도와 내구성을 갖는 원통형 또는 다각형의 구조체일 수 있다. 이러한 시료통(31)은, 스틸, 스테인레스, 알루미늄, 마그네슘 및 아연 중 어느 하나 이상의 재질을 선택하여 구성되는 원통형 또는 다각형의 구조체일 수 있다. 그러나, 시료통(31)은, 도 2에 반드시 국한되지 않고, 내부에 다공성 재료(S)를 수용할 수 있는 매우 다양한 재질의 부재들이 적용될 수 있다.
아울러, 다공성 재료(S)는, 모래, 자갈, 호박돌, 전석 등과 같은 공극을 이루는 집합체일 수 있다. 그러나, 다공성 재료(S)는 도 2에 반드시 국한되지 않고, 단일 구조체가 적용될 수도 있다. 여기서, 상기 공극은 입자 사이의 틈을 말하며, 상기 입자의 크기가 고를수록 입자 사이의 틈이 많아 상기 공극이 커질 수 있다.
또한, 하중 전달 부재(32)는, 금속선인 와이어 로프 또는 금속재질로 이루어지는 금속 봉 중 어느 하나 일 수 있다. 상기 와이어 로프는 복수개의 철사를 꼬아서 만든 선으로, 다공성 재료(S)의 항력으로 인해 발생되는 하중을 충분히 견딜 수 있는 강도를 가질 수 있다. 또한, 상기 금속 봉은 강철로 이루어지는 봉으로, 다공성 재료(S)의 항력으로 인해 발생되는 하중을 충분히 견딜 수 있는 강도를 가질 수 있다.
또한, 하중 전달 부재(32)에 걸리는 상기 하중을 측정할 수 있는 로드셀(L)이 설치된 상부 프레임(33)과, 일측에 상부 프레임(33)을 지지하는 프레임 기둥부가 형성된 하부 프레임(34)이 서로 대향되게 형성되어 전체적으로 U자 형태를 가질 수 있다. 예컨대, 상부 프레임(33)과 하부 프레임(34)의 일측은 상기 프레임 기둥부로 연결되고, 상부 프레임(33)과 하부 프레임(34)의 타측은 서로 간격을 가지고 마주보는 형상일 수 있다.
더욱 구체적으로, 하중 전달 부재(32)를 지지하는 로드셀(L)에 하중이 걸리면, 로드셀(L)이 설치된 상부 프레임(33)의 일단이 하부 프레임(34) 방향으로 처지면서 로드셀(L)이 인장될 수 있다. 이때, 로드셀(L)이 인장되는 변형량을 전기신호로 검출하여 하중 전달 부재(32)에 걸리는 하중을 측정할 수 있다.
아울러, 항력 측정부(30)는, 로드셀(L)의 최대 허용하중을 조절할 수 있도록, 하부 프레임(34)의 일단에 설치되어 상부 프레임(33)과 상기 하부 프레임(34)의 간극을 조절하는 허용하중 조절부(35)를 포함할 수 있다.
더욱 구체적으로, 허용하중 조절부(35)는 하부 프레임(34)과 나사 결합되어 허용하중 조절부(35)의 회전에 따라 하부 프레임(34)을 기준으로 상승 또는 하강을 할 수 있다. 예컨대, 허용하중 조절부(35)가 상승을 하면 상부 프레임(33)과 하부 프레임(34) 간의 간격이 작아짐으로써, 상부 프레임(33)이 최대로 처질 수 있는 양이 작아지고, 허용하중 조절부(35)가 하강을 하면 상부 프레임(33)과 하부 프레임(34) 간의 간격이 커짐으로써, 상부 프레임(33)이 최대로 처질 수 있는 양이 커질 수 있다. 이에 따라, 상부 프레임(33)의 최대 처짐량을 조절함으로써, 로드셀(L)에 걸리는 최대 허용하중을 조절할 수 있다.
또한, 장력 조절부(36)가 상부 프레임(33)의 일단에 설치되어 하중 전달 부재(32)를 지지하고 하중 전달 부재(32)의 장력을 조절할 수 있다. 더욱 구체적으로, 장력 조절부(36)는 상부 프레임(33)과 나사 결합되어 장력 조절부(36)의 회전에 따라 상부 프레임(33)을 기준으로 상승 또는 하강을 할 수 있다. 예컨대, 장력 조절부(36)가 상승하면 하중 전달 부재(32)가 당겨지면서 장력이 강해지고, 장력 조절부(36)가 하강하면 하중 전달 부재(32)가 느슨해지면서 장력이 약해질 수 있다.
따라서, 항력 측정부(30)는, 항력 측정 장치(100)의 항력 측정 시험 시, 다공성 재료(S)가 담긴 시료통(31)에 걸리는 하중을 하중 전달 부재(32)를 통하여 로드셀(L)로 전달받아 상기 하중을 측정하여 다공성 재료(S)의 항력을 정확하게 측정할 수 있다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 항력 측정부(30)는, 시료통(31)에 담긴 다공성 재료(S)의 항력을 측정할 때 항력 측정부(30)가 상기 항력만 정확하게 측정할 수 있도록, 본체(10)에 설치되어 시료통(31) 및 다공성 재료(S)의 하중을 상쇄하는 밸런스 장치(37)를 더 포함할 수 있다.
더욱 구체적으로, 밸런스 장치(37)는, 일단이 시료통(31)과 연결되는 와이어(37a)와, 와이어(37a)를 지지하는 도르레(37b)와, 와이어(37a)의 타단과 연결되어 시료통(31) 및 다공성 재료(S)의 하중을 상쇄하는 무게추(37c) 및 와이어(37a)가 흔들리지 않도록 와이어(37a)를 안내하는 와이어 안내부(37d)를 포함할 수 있다.
예컨대, 와이어(37a)는 일단이 시료통(31)과 연결되어 시료통(31) 및 시료통(31)에 담긴 다공성 재료(S)의 무게를 지지할 수 있다. 또한, 와이어(37a)의 타단이 무게추(37c)와 연결되고, 이때, 무게추(37c)는, 시료통(31) 및 다공성 재료(S)의 하중을 상쇄할 수 있도록 시료통(31) 및 다공성 재료(S)의 무게와 동일할 수 있다. 아울러, 와이어 안내부(37d)는, 와이어(37a)에 걸리는 하중으로 인하여, 로드셀(L)의 허용인장 최대 변형량의 한도를 초과할 수도 있는 급격한 하중변화가 하중 전달 부재(32)에 전달되는 것을 제한할 수 있고, 와이어(37a)가 흔들리지 않도록 와이어(37a)의 이동경로를 안내할 수 있다. 이때, 와이어 안내부(37d)는 하중 전달 부재(32)의 이동경로도 함께 안내할 수 있다.
따라서, 항력 측정부(30)의 밸런스 장치(37)는, 항력 측정 장치(100)의 항력 측정 시험 시, 시료통(31)과 와이어(37a)를 통해 연결된 무게추(37c)가 시료통(31) 및 다공성 재료(S)의 무게에 따른 하중을 상쇄하여, 항력 측정부(30)가, 시료통(31)을 통과하는 유체로 인해 발생되는 다공성 재료(S)의 항력만 정확하게 측정할 수 있도록 유도 할 수 있다.
그러므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 항력 측정 장치(100)는, 다공성 재료(S)의 공극을 통해서 흐르는 유체가 다공성 재료(S)에 가하는 항력을 정확하게 측정할 수 있다. 또한, 다공성 재료(S)의 상기 항력을 활용하여 모래, 자갈, 호박돌, 전석 등과 같은 집합체가 형성된 하천이나 계곡에서 발생하는 항력을 정확하게 예측할 수 있으며, 이에 따라, 홍수 등과 같은 하천이나 계곡에서 발생할 수 있는 자연 재해 예방에 효과적으로 대응할 수 있는 효과를 가질 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 상술한 기술적 사상을 적용한 실험 예를 설명한다. 다만, 하기의 실험 예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실험 예에 의해서 한정되는 것은 아니다.
도 3은 도 1의 항력 측정 장치(100)에서 측정한 항력을 나타내는 그래프이고, 도 4는 도 3의 그래프에서 측정된 항력을 유발한 실험유량을 나타내는 그래프이다.
본 실험 예는, 다공성 재료(S)로는 직경이 35mm인 유리구슬 1,334개를 시료로 하여 균일한 다공성 재료(S)에 작용하는 유수의 항력을 측정하였다. 도 3은 항력을 측정한 그래프이며, 여기서 가로축은 시간(s)이고, 세로축은 로드셀(L)을 이용하여 측정한 항력(g)을 나타낸다. 도 4는 상기 항력을 유발한 실험유량을 나타낸 그래프이며, 여기서 가로축은 시간(s)이고, 세로축은 유량(L/min)이다.
본 실험 예는 다음과 같은 순서에 따라 실험하였다.
1) 시료통(31)에 다공성 재료(S)를 넣는다.
2) 시료통(31)과 밸런스 장치(37)를 연결한다.
3) 무게추(37c)를 밸런스 장치(37)와 연결하여 시료통(31)의 상단이 내측 덕트부(12)의 상단에 밀착되는 높이에서 무게추(37c)의 무게를 조절하여 시료통(31)과 밸런스 장치(37)의 균형을 잡는다.
4) 시료통(31)과 항력 측정부(30)의 로드셀(L)을 연결하고, 로드셀(L)의 측정하중이 1kg이내가 되도록 장력 조절부(36)를 조절하여 하중 전달 부재(32)의 장력을 조절한다.
5) 유체 공급 장치(20)의 펌프(22)와 연결된 유체 공급량 조절부(22a)를 조절하여, 본체(10)로 공급되는 유체의 유량을 단계적으로 증가시키면서 상기 유체로 인해 발생되는 다공성 재료(S)의 항력을 측정한다.
6) 로드셀(L)의 측정 한계를 고려하여 측정 항력이 9kg에 가까이 이르면 밸런스 장치(37)에 무게추(37c)를 추가하여 측정 항력을 감소시켜 시료통(31)과 밸런스 장치(37)의 균형을 잡는다.
7) 위 상태에서, 유량을 추가로 증대시켜 항력을 측정한다.
상술한 실험 예와 같은 절차에 따라 진행한 실험에서 도 4에 도시된 바와 같이 최대 실험유량 958.6L/min의 경우 다공성 재료(S) 입자의 직경이 35mm이고, 도 3에 도시된 바와 같이 다공성 재료(S)에 작용한 항력은 36.3kg으로 측정되었다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 항력 측정 장치는, 다공성 재료(S)의 공극을 통해서 흐르는 유체가 다공성 재료(S)에 가하는 항력을 정확하게 측정할 수 있다. 또한, 다공성 재료(S)의 상기 항력을 활용하여 모래, 자갈, 호박돌, 전석 등과 같은 집합체가 형성된 하천이나 계곡에서 발생하는 항력을 정확하게 예측할 수 있으며, 이에 따라, 홍수 등과 같은 하천이나 계곡에서 발생할 수 있는 자연 재해 예방에 효과적으로 대응할 수 있는 효과를 가질 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 본체
20: 유체 공급 장치
30: 항력 측정부
40: 유량계
50: 항력 측정 데이터 관리부
60: 유량 데이터 관리부
S: 다공성 재료
L: 로드셀
100: 항력 측정 장치

Claims (11)

  1. 다공성 재료(S)를 담을 수 있는 시료통(31)을 수용할 수 있는 수용공간이 형성된 본체(10);
    상기 본체(10)의 상기 수용공간에 유체를 공급할 수 있는 유체 공급 장치(20); 및
    상기 시료통(31)에서 발생되는 하중을 전달받을 수 있도록 연결되어, 상기 다공성 재료(S)가 담긴 상기 시료통(31)을 통과하는 상기 유체로 인해 발생되는 하중을 전달받아 상기 다공성 재료(S)의 항력을 측정하는 항력 측정부(30);를 포함하고,
    상기 항력 측정부(30)는,
    상기 다공성 재료(S)를 담을 수 있고, 상기 유체가 통과할 수 있도록 적어도 하나 이상의 관통홀이 형성되는 상기 시료통(31);
    상기 시료통(31)과 연결되어 상기 다공성 재료(S)의 상기 항력으로 인해 발생되는 하중을 전달받는 하중 전달 부재(32);
    상기 하중 전달 부재(32)를 지지하여 상기 하중을 측정하는 로드셀(L)이 설치된 상부 프레임(33);
    상기 상부 프레임(33)과 대향되게 형성되어 일측에 상기 상부 프레임(33)을 지지하는 프레임 기둥부가 형성되는 하부 프레임(34);
    상기 로드셀(L)이 설치된 상기 상부 프레임(33) 일단의 최대 처짐량을 조절하여 상기 로드셀(L)이 받는 최대 허용하중을 조절할 수 있도록, 상기 하부 프레임(34)의 일단에 설치되어 상기 상부 프레임(33)의 일단과 상기 하부 프레임(34)의 일단의 간극을 조절하는 허용하중 조절부(35); 및
    상기 상부 프레임(33)의 일단에 나사 결합으로 설치되어 상기 하중 전달 부재(32)를 지지하고, 상기 나사 결합의 회전량에 따라 상기 하중 전달 부재(32)의 장력을 조절하는 장력 조절부(36);
    를 포함하는, 항력 측정 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 항력 측정부(30)는,
    상기 시료통(31)에 담긴 상기 다공성 재료(S)의 상기 항력을 측정할 때 상기 항력 측정부(30)가 상기 항력만 정확하게 측정할 수 있도록, 상기 본체(10)에 설치되어 상기 시료통(31) 및 상기 다공성 재료(S)의 하중을 상쇄하는 밸런스 장치(37);
    를 더 포함하는, 항력 측정 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 밸런스 장치(37)는,
    일단이 상기 시료통(31)과 연결되는 와이어(37a);
    상기 와이어(37a)를 지지하는 도르레(37b);
    상기 와이어(37a)의 타단과 연결되어 상기 시료통(31) 및 상기 다공성 재료(S)의 하중을 상쇄하는 무게추(37c); 및
    상기 와이어(37a)의 이동경로에 설치되어, 상기 와이어(37a)가 급격한 변위를 받을 경우 로드셀(L)의 측정허용 변위를 과도하게 초과하지 않도록, 상기 와이어(37a)의 변위를 제한하는 와이어 안내부(37d);
    를 포함하는, 항력 측정 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 본체(10)는,
    상기 유체 공급 장치(20)로부터 공급되는 상기 유체를 수용할 수 있도록 하부 일측에 유체 유입구(11a)가 형성된 외측 덕트부(11); 및
    적어도 일부분이 상기 외측 덕트부(11) 내부에 설치되어 상기 시료통(31)을 수용할 수 있는 상기 수용공간이 형성되고, 상기 외측 덕트부(11)의 상기 유체 유입구(11a)로 유입된 상기 유체가 상부로 유입되어 상기 수용공간을 통과한 후 하부에 형성된 유체 배출구(12a)를 통해 배출되는 내측 덕트부(12);
    를 포함하는, 항력 측정 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 내측 덕트부(12)의 상기 유체 배출구와 연결되게 설치되어, 상기 수용공간을 통과한 상기 유체의 유량을 측정하는 유량계(40);
    를 더 포함하는, 항력 측정 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 유체 공급 장치(20)는,
    일측이 상기 내측 덕트부(12)의 상기 유체 배출구(12a)와 연결되고 타측이 상기 외측 덕트부(11)의 상기 유체 유입구(11a)와 연결되어 상기 유체를 재순환 시키는 재순환관(21); 및
    상기 재순환관(21)에 상기 유체를 재순환 시킬 수 있는 압력을 인가하는 펌프(22);
    를 포함하는, 항력 측정 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 펌프(22)는,
    상기 본체(10)로 공급되는 상기 유체의 공급량을 조절할 수 있도록, 상기 펌프(22)와 연결되어 상기 펌프(22)의 회전수를 조절하는 유체 공급량 조절부(22a);
    를 포함하는, 항력 측정 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 항력 측정부(30)와 통신 가능하게 연결되어 상기 항력 측정부(30)에서 측정되는 항력 측정 데이터를 실시간으로 출력하고, 상기 항력 측정 데이터를 저장하여 관리하는 항력 측정 데이터 관리부(50);
    를 더 포함하는, 유체의 항력 측정 장치.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 유량계(40)와 통신 가능하게 연결되어 상기 유량계(40)에서 측정되는 유량 데이터를 저장하여 관리하는 유량 데이터 관리부(60);
    를 더 포함하는, 유체의 항력 측정 장치.
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