KR101876138B1 - 3차원 레이저 속도계측 시스템을 이용한 대형캐비테이션 터널 내 유속 계측 방법 - Google Patents

3차원 레이저 속도계측 시스템을 이용한 대형캐비테이션 터널 내 유속 계측 방법 Download PDF

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설한신
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한국해양과학기술원
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Abstract

본 발명은 대형 캐비테이션 내 유동되는 유체의 유속을 계측함에 있어서, 서로 다른 색상 및 파장을 가지는 3색 5가지 종류의 3차원 레이저 빔을 대형 캐비테이션 내부로 방출함으로써 유체의 수직방향, 축방향 및 횡방향에 대한 3차원적인 유속을 정확히 계측할 수 있으며, 특히 대형캐비테이션 터널 내 별도 설치된 모형선의 설치 유무에 관계없이도 반류를 계측할 수 있도록 한 3차원 레이저 속도계측 시스템을 이용한 대형캐비테이션 터널 내 유속 계측 방법에 관한 것이다.

Description

3차원 레이저 속도계측 시스템을 이용한 대형캐비테이션 터널 내 유속 계측 방법{METHOD FOR MEASURING 3D FLOW VELOCITY IN LARGE CAVITATION TUNNEL USING 3D LDV SYSTEM}
본 발명은 3차원 레이저 속도계측 시스템을 이용한 대형캐비테이션 터널 내 유속 계측 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 대형 캐비테이션 내 유동되는 유체의 유속을 계측함에 있어서, 서로 다른 색상 및 파장을 가지는 3색 5선 레이저 빔을 대형 캐비테이션 내부로 방출함으로써 유체의 수직방향, 축방향 및 횡방향에 대한 3차원적인 유속을 정확히 계측할 수 있도록 하며, 특히 벡터해석이 요구되는 2방향 레이저 빔에 대한 동시 계측을 수행할 수 있는 3차원 레이저 속도계측 시스템을 이용한 대형캐비테이션 터널 내 유속 계측 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 예인수조에서 모형선미에 위치한 프로펠러면에서의 반류(wake) 계측을 위하여 종래에는 5공 피터관이 장착된 wakerake를 이용하게 된다.
이와 함께, 예인수조에서의 반류 계측은 저자항 시험과 함께 수행되는데, 저자항 계측장비와 반류계측 장비의 교체는 비교적 용이하다. 대형캐비테이션 터널에서는 캐비테이션 시험이 주로 수행되는데, 이때 고속의 환경에서 수행되기 때문에 구동모터 및 동력계 용량이 커 별도의 구조물을 제작, 크레인을 이용하여 구조물을 설치하게 된다.
또한 구동모터 및 동력계를 설치한 모형선을 대형캐비테이션 터널의 설치하는 과정은 약 1일의 시간이 소요되고 있으며, 대형캐비테이션 터널에 5공 피토관을 이용한 반류계측 장치를 설치하는 과정에도 설치 시간이 길다는 문제점을 가지고 있었다.
한편, 반류 및 유체의 유속을 계측하는 과정에서 있어서 레이저 속도 계측(LDV) 기술은 레이저 빔을 이용하여 유속을 계측하기 때문에, 캐비테이션 시험을 위한 모형선의 설치 상태에서도 별도로 반류를 계측할 수가 있다. 뿐만 아니라, 모형선 반류를 계측하는 별도의 장치가 유동장 내부에 설치되지 않으므로 유동장이 변경되지 않는 이점도 가지게 된다.
하지만, 한 방향의 유속을 계측하기 위해서는 2개의 레이저 빔의 초점을 맞추어야 하기 때문에 각 레이저 빔들의 정렬(alignment) 작업이 요구되는데, 대형캐비테이션 터널의 경우에는 100mm 두께의 아크릴 창 구조와 1.5m의 물을 통과하여 레이저 빔들의 초점을 맞추어야 하기 때문에, 레이저 빔의 강도조절 및 정렬이 힘들다는 문제점을 가지고 있었다.
뿐만 아니라, 종래에는 LDV를 이용하여 유체의 축방향 및 수직방향에 대해서만 유속을 계측하기 때문에 2차원 유동 계측 과정은 비교적 수월한 반면, 횡방향(예컨데, 레이저 빔이 방출된 방향과 동일한 방향으로 유동되는 유체의 방향)에 대한 유체의 유속 계측은 수행되기 어려운 실정이다.
이에 본 발명자는, 상술한 종래의 LDV를 이용하여 유체의 유속을 계측하는 과정에서 발생되는 한계점 및 문제점을 해결하기 위하여, 대형 캐비테이션 내 유동되는 유체의 유속을 계측함에 있어서, 서로 다른 색상 및 파장을 가지는 3색 5선 레이저 빔을 대형 캐비테이션 내부로 방출함으로써 유체의 수직방향, 축방향 및 횡방향에 대한 3차원적인 유속을 정확히 계측할 수 있도록 하며, 특히 벡터해석이 요구되는 2방향 레이저 빔에 대한 동시 계측을 수행할 수 있는 3차원 레이저 속도계측 시스템을 이용한 대형캐비테이션 터널 내 유속 계측 방법을 발명하기에 이르렀다.
한국등록특허 제10-1556251호
본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 대형 캐비테이션 내 유동되는 유체의 유속을 계측함에 있어서, 서로 다른 색상 및 파장을 가지는 3색 5선 레이저 빔을 대형 캐비테이션 내부로 방출함으로써 유체의 수직방향, 축방향 및 횡방향에 대한 3차원적인 유속을 정확히 계측할 수 있도록 하며, 특히 벡터해석이 요구되는 2방향 레이저 빔에 대한 동시 계측을 수행할 수 있는 3차원 레이저 속도계측 시스템을 이용한 대형캐비테이션 터널 내 유속 계측 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 레이저 속도계측 시스템을 이용한 대형캐비테이션 내 유속 계측 방법은 모형 프로펠러가 설치된 대형캐비테이션 터널의 내측을 향하도록 다수의 레이저 빔을 방출하는 제1 초점렌즈를 위치시키며, 각각 레이저 빔을 방출하는 한 쌍의 제2 초점렌즈를 상기 제1 초점렌즈와 동일한 수평선 상에 위치시키는 단계 및 유속 산출부를 통해, 상기 제1 및 제2 초점렌즈로부터 방출되는 레이저 빔을 이용하여 상기 대형캐비테이션 터널 내에서 유동되는 유체에 포함된 파티클(particle)에 대한 산란광의 주기를 계측한 후, 계측된 주기를 토대로 상기 유체의 유속을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 레이저 속도계측 시스템은 모형 프로펠러가 설치된 대형캐비테이션 터널의 내측을 향하도록 위치되며, 다수의 레이저 빔을 방출하는 제1 초점렌즈, 상기 제1 초점렌즈와 동일한 수평선 상에 위치되며 각각 레이저 빔을 방출하는 한 쌍의 제2 초점렌즈 및 상기 제1 및 제2 초점렌즈로부터 방출되는 레이저 빔을 이용하여 상기 대형캐비테이션 터널 내에서 유동되는 유체에 포함된 파티클(particle)에 대한 산란광의 주기를 계측하고, 계측된 주기를 토대로 상기 유체의 유속을 산출하는 유속 산출부를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 초점렌즈는 상기 대형캐비테이션 터널의 수직 방향으로 각각 위치되는 상측 레이저 빔 및 하측 레이저 빔 및 상기 상측 레이저 빔 및 하측 레이저 빔의 수직 방향 중앙부에 위치되는 중앙 레이저 빔을 포함하며, 상기 제2 초점렌즈는 상기 중앙 레이저 빔의 좌측에 위치되는 좌측 초점렌즈 및 상기 중앙 레이저 빔의 우측에 위치되는 우측 초점렌즈를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 유속 산출부는 상기 상측 레이저 빔 및 하측 레이저 빔으로부터 방출되는 레이저 빔을 토대로, 상기 파티클에 대한 산란광의 주기를 계측함으로써 상기 대형캐비테이션 터널의 수직 방향에 대한 상기 유체의 수직 방향 유속을 산출할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 상측 레이저 빔 및 하측 레이저 빔은 모두 황(yellow) 색상의 파장에 해당하는 레이저 빔을 방출하고, 상기 중앙 레이저 빔은 녹(green) 색상의 파장 및 청(blue) 색상의 파장에 해당하는 레이저 빔을 동시에 방출하며, 상기 좌측 초점렌즈 및 상기 우측 초점렌즈는 각각 청(blue) 색상의 파장 및 녹(green) 색상에 해당하는 레이저 빔을 방출할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 유속 산출부는 상기 중앙 레이저 빔, 상기 좌측 초점렌즈 및 상기 우측 초점렌즈 각각의 초점이 모두 일치되는 경우에 각 렌즈로부터 방출되는 레이저 빔을 토대로, 상기 파티클에 대한 산란광의 주기를 동시에 계측함으로써 상기 대형캐비테이션 터널의 축방향 및 횡방향에 대한 상기 유체의 축방향 유속 및 횡방향 유속을 산출할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 중앙 레이저 빔과 상기 좌측 초점렌즈 및 우측 초점렌즈 각각의 거리는 250mm에 해당할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 초점렌즈 및 제2 초점렌즈로부터 방출되는 레이저 빔 각각의 초점을 일치시키는 초점 일치부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 초점 일치부는 전하 결합 소자(CCD)가 적용될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 초점 일치부는 상기 상측 레이저 빔 및 하측 레이저 빔 각각의 초점을 일치시키거나, 상기 중앙 레이저 빔과 상기 좌측 초점렌즈 및 우측 초점렌즈 간의 초점을 일치시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 유속 산출부는 상기 대형캐비테이션 터널 내에서 유동되는 상기 유체에 포함된 파티클에 대한 산란광의 주기를 계측하되, 상기 상측 레이저 빔 및 상기 하측 레이저 빔의 일치화된 초점을 지나는 모든 파티클의 산란광의 주기를 무작위로 계측할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 유속 산출부는 상기 중앙 레이저 빔, 상기 좌측 초점렌즈 및 상기 우측 초점렌즈 각각의 초점이 모두 일치되는 경우에 각 렌즈로부터 방출되는 레이저 빔을 토대로, 상기 파티클에 대한 산란광의 주기를 동시에 계측하되, 상기 좌측 초점렌즈 및 상기 우측 초점렌즈를 통해 계측된 파티클의 산란광의 주기에 대한 각각의 계측 결과값을 벡터 분석함으로써 상기 유체의 축방향 유속 및 횡방향 유속을 산출할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 유속 산출부는 상기 유체의 수직 방향 유속 산출을 위한 랜덤 계측 모드(random mode) 신호가 인가되는 경우, 상기 상측 레이저 빔 및 상기 하측 레이저 빔으로부터 방출되는 레이저 빔을 이용하여 상기 대형캐비테이션 터널의 수직 방향에 대한 상기 유체의 수직 방향 유속만을 별도 산출하며, 상기 유체의 축방향 유속 및 횡방향 유속 산출을 위한 동시 계측 모드(coincidence mode) 신호가 인가되는 경우, 상기 중앙 레이저 빔, 상기 좌측 초점렌즈 및 상기 우측 초점렌즈로부터 방출되는 레이저 빔을 이용하여 상기 대형캐비테이션 터널의 축방향 및 횡방향에 대한 상기 유체의 축방향 유속 및 횡방향 유속만을 별도 산출할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 서로 다른 색상 및 파장을 가지는 3색 5선 레이저 빔을 대형 캐비테이션 내부로 방출함으로써 유체의 수직방향, 축방향 및 횡방향에 대한 3차원적인 유속을 정확히 계측할 수 있도록 하며, 특히 벡터해석이 요구되는 2방향 레이저 빔에 대한 동시 계측을 수행할 수 있는 이점을 가진다.
또한 본 발명의 일 측면에 따르면, 축방향 및 횡방향 유속 계측에 이용되는 청록색 광들만을 동시 계측 모드에 이용함에 따라 유속 계측 소요 시간이 단축되는 이점을 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 레이저 속도계측 시스템(100)의 개략적인 형태를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 제1 초점렌즈(110) 및 한 쌍의 제2 초점렌즈(120)의 배열상태를 정면을 기준으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 레이저 속도계측 시스템(100)을 이용하여 대형캐비테이션 터널 내의 모형선 선미에 발생되는 유체의 유속을 계측하는 상태를 도시한 도면이다.
도 4는 각 레이저 빔의 초점이 정확하게 일치되지 않은 상태에 대한 화면을 도시한 도면이다.
도 5는 초점 일치부(140)를 통해 한 점에 대하여 각 레이저 빔 간의 초점을 조정하여 일치시킨 상태에 대한 화면을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 레이저 속도계측 시스템(100)을 이용한 대형캐비테이션 터널 내 유속 계측 방법을 일련의 순서대로 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 레이저 속도계측 시스템(100)의 개략적인 형태를 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 제1 초점렌즈(110) 및 한 쌍의 제2 초점렌즈(120)의 배열상태를 정면을 기준으로 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2를 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 레이저 속도계측 시스템(100)은 크게 제1 초점렌즈(110), 한 쌍의 제2 초점렌즈(120) 및 유속 산출부(130)를 포함하여 구성될 수 있으며, 일 실시예에서 추가적으로 초점 일치부(140)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
제1 초점렌즈(110)는 모형 프로펠러가 설치된 대형캐비테이션 터널의 내측을 향하도록 위치되며, 이때 다수의 레이저 빔을 방출할 수 있는 구조를 가진다.
이를 위하여, 제1 초점렌즈(110)는 대형캐비테이션 터널의 수직 방향으로 각각 위치되는 상측 레이저 빔(110a) 및 하측 레이저 빔(110b)와, 상측 레이저 빔(110a) 및 하측 레이저 빔(110b) 사이에서 수직 방향 중앙부에 위치되는 중앙 레이저 빔(110c)을 포함하여 구성될 수 있다.
여기에서, 상측 레이저 빔(110a) 및 하측 레이저 빔(110b)은 모두 황(yellow) 색상의 파장에 해당하는 레이저 빔을 방출하는 렌즈소자가 적용될 수 있고, 중앙 레이저 빔(110c)은 녹(green) 색상의 파장과 청(blue) 색상의 파장에 해당하는 레이저 빔을 모두 방출하는 렌즈 소자가 각각 적용될 수 있다.
이때, 상측 레이저 빔(110a) 및 하측 레이저 빔(110b)은 그 배열적 특성 상 대형캐비테이션 터널의 수직 방향으로 레이저 빔을 방출하기 때문에, 유속 산출부(130)에서는 상측 레이저 빔(110a) 및 하측 레이저 빔(110b) 각각으로부터 방출되는 레이저 빔의 초점을 지나는 유체 내의 파티클(particle)의 산란광 주기를 계측함으로써 이를 토대로 유체의 수직 방향에 대한 수직 방향 유속을 산출하게 된다.
또한, 일 실시예에서 상측 레이저 빔(110a) 및 하측 레이저 빔(110b) 각각의 초점은 초점 일치부(140)에 의하여 일치하도록 조정될 수 있으며, 이때 초점 일치부(140)에는 전하 결합 소자(CCD)가 적용될 수 있다.
또한, 일 실시예에서 중앙 레이저 빔(110c)은 한 쌍의 제2 초점렌즈(120)와 동일한 수평선 상에 위치될 수 있으며, 이에 관해서는 후술하기로 한다.
한 쌍의 제2 초점렌즈(120)는 상술한 제1 초점렌즈(110) 중에서 중앙 레이저 빔(110c)와 동일한 수평선 상에 위치될 수 있으며, 이때 한 쌍의 제2 초점렌즈(120) 각각과 중앙 레이저 빔(110c) 간의 거리는 250mm가 될 수 있다.
여기에서, 제2 초점렌즈(120)는 중앙 레이저 빔(110c)의 좌측으로부터 250mm 거리에 위치되는 좌측 초점렌즈(120a)와, 중앙 레이저 빔(110c)의 우측으로부터 250mm 거리에 위치되는 우측 초점렌즈(120b)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기에서, 좌측 초점렌즈(120a)는 청(blue) 색상의 파장에 해당하는 레이저 빔을 방출하는 렌즈 소자가 적용될 수 있고, 우측 초점렌즈(120b)는 녹(green) 색상의 파장에 해당하는 레이저 빔을 방출하는 렌즈 소자가 적용될 수 있다.
이때, 좌측 초점렌즈(120a), 중앙 레이저 빔(110c) 및 우측 초점렌즈(120b)가 서로 동일한 수평선 상에 위치하되, 초점 일치부(140)에 의하여 좌측 초점렌즈(120a), 중앙 레이저 빔(110c) 및 우측 초점렌즈(120b) 각각으로부터 방출되는 레이저 빔의 초점이 일치될 수 있다.
이때, 좌측 초점렌즈(120a), 중앙 레이저 빔(110c) 및 우측 초점렌즈(120b)는 그 배열적 특성 상 대형캐비테이션 터널의 횡방향(transverse)으로 레이저 빔을 방출하기 때문에, 유속 산출부(130)에서는 좌측 초점렌즈(120a), 중앙 레이저 빔(110c) 및 우측 초점렌즈(120b) 각각으로부터 방출되는 레이저 빔의 초점을 지나는 유체 내의 파티클의 산란광 주기를 계측함으로써 이를 토대로 유체의 축방향 및 횡방향에 대한 축방향 유속 및 횡방향 유속을 산출하게 된다.
여기에서, 좌측 초점렌즈(120a), 중앙 레이저 빔(110c) 및 우측 초점렌즈(120b)는 각각 일치된 초점을 향해 레이저 빔을 방출함에 따라 동일한 수평면을 향해 서로 다른 색상 및 파장을 가진 3개의 레이저 빔을 방출하게 되는데, 유속 산출부(130)에서는 이러한 3개의 레이저 빔의 초점을 지나는 파티클에 대한 산란광의 주기를 동시에 계측하여 계측 데이터를 획득하고, 획득된 계측 데이터 중에서 녹(green) 색상의 파장에 해당하는 레이저 빔과 청(blue) 색상의 파장에 해당하는 레이저 빔으로부터 계측된 계측 데이터 각각의 속도의 벡터를 분석함으로써 유체의 유속을 산출할 수 있다.
이때, 유속 산출부(130)는 대형캐비테이션 터널 내에서 유동되는 유체에 포함된 파티클에 대한 산란광의 주기를 계측하되, 대형캐비테이션 터널의 수직방향 유속 성분을 계측하는 상측 레이저 빔(110a) 및 하측 레이저 빔(110b)은 다른 속도 성분과 서로 상관관계가 없기 대문에, 상측 레이저 빔(110a) 및 하측 레이저 빔(110b)의 일치화 된 초점을 지나는 파티클에 대해서는 모든 파티클의 산란광을 무작위로 계측하는 랜덤 모드를 통해 계측이 수행될 수 있다.
이를 위하여, 유속 산출부(130)는 유체의 수직 방향 유속 산출을 위한 랜덤 계측 모드(random mode) 신호가 인가되는 경우에는, 상측 레이저 빔(110a) 및 하측 레이저 빔(110b)로부터 방출되는 레이저 빔을 이용하여 대형캐비테이션 터널의 수직 방향에 대한 유체의 수직 방향 유속을 별도 산출하게 된다.
한편, 대형캐비테이션 터널의 축방향 및 횡방향에 대한 유속은 동일 파티클(입자)에서 2방향 유속을 동시에 계측하여야 하기 때문에 반드시 두방향 레이저 빔에 대한 초점이 서로 일치되어야 하며, 전혀 일치되지 않을 경우에는 축방향 및 횡방향에 대한 유속 계측이 불가능하게 된다.
따라서, 유속 산출부(130)는 좌측 초점렌즈(120a), 중앙 레이저 빔(110c) 및 우측 초점렌즈(120b) 각각의 초점이 모두 일치되는 경우에, 각 렌즈로부터 방출되는 레이저 빔을 토대로 파티클에 대한 산란광의 주기를 계측하되, 청(blue) 색상의 파장에 해당하는 레이저 빔과 녹(green) 색상의 파장에 해당하는 레이저 빔은 각각의 속도를 벡터 분석하여야 할 정도로 상호관계가 높기 때문에, 초점 일치부(140)를 이용하여 초점을 일치시킴에 있어서 반드시 녹(green) 색상의 파장에 해당하는 레이저 빔과 청(blue) 색상의 파장에 해당하는 레이저 빔을 기준으로 하여 초점을 일치시키게 된다.
또한, 일 실시예에서, 녹(green) 색상의 파장에 해당하는 레이저 빔과 청(blue) 색상의 파장에 해당하는 레이저 빔을 통해 계측되는 계측 데이터가 취득될 때마다 유속 산출부(130)에서는 해당 계측 데이터들을 실시간으로 축방향 유속 및 횡방향 유속으로 치환시키게 된다.
이를 위하여, 유속 산출부(130)는 유체의 축방향 유속 산출 및 횡방향 유속 산출을 위한 동시 계측 모드(coincidence mode) 신호가 인가되는 경우에는, 좌측 초점렌즈(120a), 중앙 레이저 빔(110c) 및 우측 초점렌즈(120b)로부터 방출되는 레이저 빔을 이용하여 대형캐비테이션 터널의 축방향 및 횡방향에 대한 유체의 축방향 유속 및 횡방향 유속을 별도 산출하게 된다.
이때, 5개의 레이저 빔의 초점이 모두 일치되지 않는 경우 동시 계측이 어려울 수 있으며, 초점이 완벽하게 일치하지 않는 경우 2방향 및 3방향 동시계측 모드는 계측시간의 차이가 크게 발생할 수 있으므로, 벡터해석을 수행하는 2방향 레이저 빔에 대해서 동시 계측을 수행하게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 레이저 속도계측 시스템(100)을 이용하여 대형캐비테이션 터널 내의 모형선 선미에 발생되는 유체의 유속을 계측하는 상태를 도시한 도면이다.
도 3을 살펴보면, 현재 대형캐비테이션 터널의 내측에는 모형선이 설치되어 있으며, 모형선의 선미에 발생되는 반류의 유속을 계측하기 위하여, 현재 중앙 레이저 빔(110c)로부터 녹(green) 색상의 파장에 해당하는 레이저 빔과 청(blue) 색상의 파장에 해당하는 레이저 빔이 대형캐비테이션 터널을 수직하는 방향으로 방출되는 것을 알 수 있다. 또한, 중앙 레이저 빔(110c) 양측 사이드 위치되는 좌측 초점렌즈(120a) 및 우측 초점렌즈(120b)로부터 각각 청(blue) 색상의 파장에 해당하는 레이저 빔과 녹(green) 색상의 파장에 해당하는 레이저 빔이 방출됨에 따라 일치된 초점을 통해 동일한 수평면을 향해 방출되는 것을 볼 수 있다.
이러한 점은, 모형선의 선미 프로펠러 축 상부면으로부터 발생되는 난류 강도가 높아 횡방향 유속 계측 범위가 매우 넓기 때문에 좌측 초점렌즈(120a), 중앙 레이저 빔(110c) 및 우측 초점렌즈(120b)를 모두 복합적으로 이용하여 축방향 유속 및 횡방향 유속을 효과적으로 계측하기 위함이다.
도 4는 각 레이저 빔의 초점이 정확하게 일치되지 않은 상태에 대한 화면을 도시한 도면이고, 도 5는 초점 일치부(140)를 통해 한 점에 대하여 각 레이저 빔 간의 초점을 조정하여 일치시킨 상태에 대한 화면을 도시한 도면이다.
도 4를 살펴보면, 일반적으로 3종의 색상 및 파장에 해당하는 5개의 레이저 빔의 초점을 일치시키는 과정에 있어서, 대형캐비테이션 터널의 아크릴 창두께(100t)의 경우 2mm정도의 두께차이가 날 수 있다. 이때, 초점에서의 레이저 빔의 직경은 약 0.2mm에 해당하기 때문에 0.1mm만 벗어나도 초점이 정확하게 일치하지 않게 된다. 따라서, 정확한 3차원 유속을 계측하기 위해서는 0.2mm 두께 오차를 갖는 아크릴 창이 요구되지만 이는 현실적으로 적용이 어려운 실정이다.
이를 CCD 소자를 이용하여 도 5와 같이 3종의 레이저 빔의 일부 영역들이 서로 한 점에서 초점을 일치시키더라도, 결국은 아크릴 창의 두께 차이에 의하여 다른 위치에서는 도 4와 같이 초점이 서로 어긋날 수 있다.
따라서, 본발명에서는 3종의 색상 및 파장에 해당하는 5개의 레이저 빔의 초점을 일치시키는 과정에 있어서, 황(yellow) 색상의 파장에 해당하는 레이저 빔만을 이용하여 수직방향 유속을 산출하고, 동일한 수평선 상에 위치되는 좌측 초점렌즈(120a), 중앙 레이저 빔(110c) 및 우측 초점렌즈(120b) 각각으로부터 동일한 수평면을 향해 방출되는 레이저 빔의 초점을 일치시킨 후, 해당 초점을 지나는 파티클의 산란광 주기를 계측하되 추후 계측된 주기를 토대로 벡터 분석을 수행함으로써 축방향 유속 및 횡방향 유속을 획득하게 된다.
다음으로는, 이러한 3차원 레이저 속도계측 시스템(100)을 이용하여 대형캐비테이션 터널 내 유속을 계측하기 위한 방법을 살펴보기로 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 레이저 속도계측 시스템(100)을 이용한 대형캐비테이션 터널 내 유속 계측 방법을 일련의 순서대로 도시한 도면이다.
도 6을 살펴보면, 먼저 모형 프로펠러가 설치된 대형캐비테이션 터널의 내측을 향하도록 제1 초점렌즈(110)와 한 쌍의 제2 초점렌즈(120)를 동일한 수평선 상에 위치시킨다(S601).
그 후, 대형캐비테이션 터널 내의 유체 유동이 개시됨에 따라, 제1 초점렌즈(110) 및 제2 초점렌즈(120)에서는 각각 레이저 빔을 방출하게 되고(S602), 초점 일치부(140)에서는 각 레이저 빔의 초점을 일치시킴으로써 파티클의 산란광을 계측하기 위한 포인트를 설정하게 되며(S603), 유속 산출부(130)에서는 일치된 초점을 지나는 파티클에 대한 산란광의 주기를 계측하고(S604), 계측된 주기를 토대로 유체의 수직방향, 축방향 및 횡방향에 대한 유속을 산출하게 된다(S605).
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 3차원 레이저 속도계측 시스템
110: 제1 초점렌즈
110a: 상측 레이저 빔
110b: 하측 레이저 빔
110c: 중앙 레이저 빔
120: 제2 초점렌즈
120a: 좌측 초점렌즈
120b: 우측 초점렌즈
130: 유속 산출부
140: 초점 일치부

Claims (12)

  1. 모형 프로펠러가 설치된 대형캐비테이션 터널의 내측을 향하도록 다수의 레이저 빔을 방출하는 제1 초점렌즈를 위치시키며, 각각 레이저 빔을 방출하는 한 쌍의 제2 초점렌즈를 상기 제1 초점렌즈와 동일한 수평선 상에 위치시키는 단계; 및
    유속 산출부를 통해, 상기 제1 및 제2 초점렌즈로부터 방출되는 레이저 빔을 이용하여 상기 대형캐비테이션 터널 내에서 유동되는 유체에 포함된 파티클(particle)에 대한 산란광의 주기를 계측한 후, 계측된 주기를 토대로 상기 유체의 유속을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 3차원 레이저 속도계측 시스템을 이용한 대형캐비테이션 터널 내 유속 계측 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 초점렌즈는,
    상기 대형캐비테이션 터널의 수직 방향으로 각각 위치되는 상측 레이저 빔 및 하측 레이저 빔; 및
    상기 상측 레이저 빔 및 하측 레이저 빔의 수직 방향 중앙부에 위치되는 중앙 레이저 빔;을 포함하며,
    상기 제2 초점렌즈는,
    상기 중앙 레이저 빔의 좌측에 위치되는 좌측 초점렌즈; 및
    상기 중앙 레이저 빔의 우측에 위치되는 우측 초점렌즈;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 3차원 레이저 속도계측 시스템을 이용한 대형캐비테이션 터널 내 유속 계측 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 계측된 주기를 토대로 상기 유체의 유속을 산출하는 단계는,
    상기 유속 산출부를 통해, 상기 상측 레이저 빔 및 하측 레이저 빔으로부터 방출되는 레이저 빔을 토대로, 상기 파티클에 대한 산란광의 주기를 계측함으로써 상기 대형캐비테이션 터널의 수직 방향에 대한 상기 유체의 수직 방향 유속을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 3차원 레이저 속도계측 시스템을 이용한 대형캐비테이션 터널 내 유속 계측 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 상측 레이저 빔 및 하측 레이저 빔은 모두 황(yellow) 색상의 파장에 해당하는 레이저 빔을 방출하고,
    상기 중앙 레이저 빔은 녹(green) 색상의 파장 및 청(blue) 색상의 파장에 해당하는 레이저 빔을 동시에 방출하며,
    상기 좌측 초점렌즈 및 상기 우측 초점렌즈는 각각 청(blue) 색상의 파장 및 녹(green) 색상에 해당하는 레이저 빔을 방출하는 것을 특징으로 하는, 3차원 레이저 속도계측 시스템을 이용한 대형캐비테이션 터널 내 유속 계측 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 계측된 주기를 토대로 상기 유체의 유속을 산출하는 단계는,
    상기 유속 산출부를 통해, 상기 중앙 레이저 빔, 상기 좌측 초점렌즈 및 상기 우측 초점렌즈 각각의 초점이 모두 일치되는 경우에 각 렌즈로부터 방출되는 레이저 빔을 토대로, 상기 파티클에 대한 산란광의 주기를 동시에 계측함으로써 상기 대형캐비테이션 터널의 축방향 및 횡방향에 대한 상기 유체의 축방향 유속 및 횡방향 유속을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 3차원 레이저 속도계측 시스템을 이용한 대형캐비테이션 터널 내 유속 계측 방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 중앙 레이저 빔과 상기 좌측 초점렌즈 및 우측 초점렌즈 각각의 거리는 250mm에 해당하는 것을 특징으로 하는, 3차원 레이저 속도계측 시스템을 이용한 대형캐비테이션 터널 내 유속 계측 방법.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제1 초점렌즈 및 제2 초점렌즈로부터 방출되는 레이저 빔 각각의 초점을 일치시키는 초점 일치부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 3차원 레이저 속도계측 시스템을 이용한 대형캐비테이션 터널 내 유속 계측 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 초점 일치부는,
    전하 결합 소자(CCD)가 적용되는 것을 특징으로 하는, 3차원 레이저 속도계측 시스템을 이용한 대형캐비테이션 터널 내 유속 계측 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 초점 일치부는,
    상기 상측 레이저 빔 및 하측 레이저 빔 각각의 초점을 일치시키거나,
    상기 중앙 레이저 빔과 상기 좌측 초점렌즈 및 우측 초점렌즈 간의 초점을 일치시키는 것을 특징으로 하는, 3차원 레이저 속도계측 시스템을 이용한 대형캐비테이션 터널 내 유속 계측 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 계측된 주기를 토대로 상기 유체의 유속을 산출하는 단계는,
    상기 유속 산출부를 통해, 상기 대형캐비테이션 터널 내에서 유동되는 상기 유체에 포함된 파티클에 대한 산란광의 주기를 계측하되, 상기 상측 레이저 빔 및 상기 하측 레이저 빔의 일치화 된 초점을 지나는 모든 파티클의 산란광의 주기를 무작위로 계측하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 3차원 레이저 속도 계측 시스템을 이용한 대형캐비테이션 터널 내 유속 계측 방법.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 계측된 주기를 토대로 상기 유체의 유속을 산출하는 단계는,
    상기 유속 산출부를 통해, 상기 중앙 레이저 빔, 상기 좌측 초점렌즈 및 상기 우측 초점렌즈 각각의 초점이 모두 일치되는 경우에 각 렌즈로부터 방출되는 레이저 빔을 토대로, 상기 파티클에 대한 산란광의 주기를 동시에 계측하되, 상기 좌측 초점렌즈 및 상기 우측 초점렌즈를 통해 계측된 파티클의 산란광의 주기에 대한 각각의 계측 결과값을 벡터 분석함으로써 상기 유체의 축방향 유속 및 횡방향 유속을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 3차원 레이저 속도 계측 시스템을 이용한 대형캐비테이션 터널 내 유속 계측 방법.
  12. 제2항에 있어서,
    상기 계측된 주기를 토대로 상기 유체의 유속을 산출하는 단계는,
    상기 유체의 수직 방향 유속 산출을 위한 랜덤 계측 모드(random mode) 신호가 인가되는 경우, 상기 유속 산출부를 통해 상기 상측 레이저 빔 및 상기 하측 레이저 빔으로부터 방출되는 레이저 빔을 이용하여 상기 대형캐비테이션 터널의 수직 방향에 대한 상기 유체의 수직 방향 유속만을 별도 산출하며,
    상기 유체의 축방향 유속 및 횡방향 유속 산출을 위한 동시 계측 모드(coincidence mode) 신호가 인가되는 경우, 상기 유속 산출부를 통해 상기 중앙 레이저 빔, 상기 좌측 초점렌즈 및 상기 우측 초점렌즈로부터 방출되는 레이저 빔을 이용하여 상기 대형캐비테이션 터널의 축방향 및 횡방향에 대한 상기 유체의 축방향 유속 및 횡방향 유속만을 별도 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 3차원 레이저 속도 계측 시스템을 이용한 대형캐비테이션 터널 내 유속 계측 방법.
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