KR102479085B1 - 비등방성 유동 투과율 측정 방법 및 이를 이용한 비등방성 유동 투과율 측정 장치 - Google Patents

비등방성 유동 투과율 측정 방법 및 이를 이용한 비등방성 유동 투과율 측정 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR102479085B1
KR102479085B1 KR1020210031783A KR20210031783A KR102479085B1 KR 102479085 B1 KR102479085 B1 KR 102479085B1 KR 1020210031783 A KR1020210031783 A KR 1020210031783A KR 20210031783 A KR20210031783 A KR 20210031783A KR 102479085 B1 KR102479085 B1 KR 102479085B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
transmittance
flow
anisotropic
differential pressure
porous material
Prior art date
Application number
KR1020210031783A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102479085B9 (ko
KR20220127467A (ko
Inventor
김덕종
정규영
조현민
Original Assignee
경상국립대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 경상국립대학교산학협력단 filed Critical 경상국립대학교산학협력단
Priority to KR1020210031783A priority Critical patent/KR102479085B1/ko
Publication of KR20220127467A publication Critical patent/KR20220127467A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102479085B1 publication Critical patent/KR102479085B1/ko
Publication of KR102479085B9 publication Critical patent/KR102479085B9/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/08—Investigating permeability, pore-volume, or surface area of porous materials
    • G01N15/082—Investigating permeability by forcing a fluid through a sample
    • G01N15/0826—Investigating permeability by forcing a fluid through a sample and measuring fluid flow rate, i.e. permeation rate or pressure change
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/08—Investigating permeability, pore-volume, or surface area of porous materials
    • G01N15/0806—Details, e.g. sample holders, mounting samples for testing
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/08—Investigating permeability, pore-volume, or surface area of porous materials
    • G01N15/088—Investigating volume, surface area, size or distribution of pores; Porosimetry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N7/00—Analysing materials by measuring the pressure or volume of a gas or vapour
    • G01N7/10—Analysing materials by measuring the pressure or volume of a gas or vapour by allowing diffusion of components through a porous wall and measuring a pressure or volume difference

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
  • Measuring Volume Flow (AREA)

Abstract

본 발명은 비등방성 유통 투과율 측정 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 비등방성 구조를 가지는 다공성 샘플의 방향별 유동 투과율을 샘플 가공이나 정렬상태 변화 없이 측정하는 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명에 따른 비등방성 유동 투과율 측정 제2방법은, 비등방성의 다공성물질(A) 하단에 오리피스를 설치한 뒤, 제1-2압력 및 제1-2유량을 측정하는 1-2단계; 상기 오리피스를 제거하고 상기 비등방성 다공성물질(A) 하단에 다른 오리피스를 설치한 뒤, 제2-2압력 및 제2-2유량을 측정하는 2-2단계; 상기 제1-2단계 및 2-2단계에서 측정한 값으로 유동 해석 모델과 비교하여 상기 비등방성 다공성물질(A)의 투과율을 계산하는 3단계;로 구성하되, 상기 투과율은, 상기 다공성물질(A)을 등방성으로 가정하여 측정된 유속(q) 및 차압을 상기 유동 해석 모델에 대입하여 투과율(k)을 계산하는 제3-1단계; 상기 투과율(k)을 기준으로 일정 간격으로 변화시켜 가며 임의의 투과율을 설정하고 상기 임의의 투과율을 상기 유동 해석 모델에 대입하여 유량 및 차압을 계산한 뒤, 상기 측정된 차압 과의 오차를 계산하는 제3-2단계;
상기 측정된 차압 결과와 비교하여 상기 제3-2단계(S320)에서 계산된 차압의 오차 중 최대 오차가 최소화되는 투과율을 찾는 3-3단계; 상기 제3-3단계에서 계산된 최소화 된 최대 오차가 이전 반복에서의 최대 오차와 비교하여 일정 비율 이하로 변화한 경우 상기 3-3단계에서 찾아낸 투과율을 투과율(k)로 설정하고, 일정 비율을 초과한 경우 상기 제3-2단계에서 임의의 투과율의 변화 간격을 줄여 반복 시행하여 투과율(k)로 설정하는 제3-4단계;에 의해 유동 투과율을 측정하는 것을 특징으로 한다.

Description

비등방성 유동 투과율 측정 방법 및 이를 이용한 비등방성 유동 투과율 측정 장치{MEASUREMENT METHOD FOR ANISOTROPIC PERMEABILITY AND APPARATUS FOR ANISOTROPIC PERMEABILITY THEREOF}
본 발명은 비등방성 유통 투과율 측정 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 비등방성 구조를 가지는 다공성 샘플의 방향별 유동 투과율을 샘플 가공이나 정렬상태 변화 없이 측정하는 방법에 관한 것이다.
에어로젤은 공극률이 매우 높은 다공성 물질로서, 실리카 계열로 제작하는 경우 뛰어난 단열 성능을 나타내어 우주선용 단열재로 많이 사용되고 있다. 최근에는 열전도성 소재를 가지고 에어로젤을 만들어 단열이 아닌 열전달을 촉진하는 용도로도 가능성이 있다. 향후에는 에어로젤의 활용도가 더욱 높아질 것으로 예상된다.
에어로젤을 열 및 물질 전달에서 활용하기 위해서는 내부에서 일어나는 유동 및 열전달을 해석하는 것이 필요하다. 이를 위해서는 운동방정식 및 유체와 고체 영역에 대한 에너지 방정식을 이용해야 하며, 운동방정식의 경우 유동 투과율 K를 알아야 하고 에너지 방정식의 경우 유효 열전도도 및 열전달 계수가 필요하다. 유동 투과율, 유효 열전도도 및 열전달 계수는 보통 실험을 통해 결정된다.
그러나 최근에 발표되는 에어로젤을 살펴보면 비등방성 구조도 다양하게 나오고 있어 이러한 구조에 대한 유동 투과율이나 유효 열물성을 효과적으로 구하는 방법이 필요하다. 유동 투과율을 측정하려면 측정하고자 하는 방향으로 유체를 통과시키며 압력차를 측정하고 이를 운동방정식 해와 맞춰 결과를 구해야 한다.
비등방성 투과율 측정을 위해 기존에 사용된 방법들을 살펴보면, 투과율을 측정하고자 하는 샘플을 통과하는 유동의 방향을 도 4와 같이 달리하며 유량과 샘플에서의 압력 차를 측정하도록 장치를 구성할 수 있다. 또한, 유체가 샘플을 통과하는 경로가 다르도록 도 5와 같이 다르게 가공된 샘플을 가지고 유량과 차압을 측정하여 방향별 투과율을 구하는 두 가지 방법이 대표적이다.
그러나 전자의 경우 유동 방향을 전환하도록 측정 장비가 복잡하게 구성되어야 하는 문제가 있고, 후자의 경우 샘플을 가공하는 과정에서 에어로젤의 미세 구조가 손상되어 측정값이 왜곡될 수 있어 샘플을 절단하지 않고도 유동 투과율을 측정할 수 있는 방법이 필요하다.
또한, 종래의 경우 다공성 샘플의 방향별 유동 투과율을 측정할 때 측정하고자 하는 방향에 맞춰 샘플을 가공하고 정렬해야 하는데, 가공하는 과정에서 샘플의 기공 구조가 변형되어 샘플의 원래 유동 특성을 파악하는데 어려움이 있다.
또한, 측정 방향별로 샘플을 별도로 준비해야 하는 번거로움이 있고, 샘플 간 편차에 따른 오차가 나타는 문제점이 있었다.
한국등록특허 제10-1384386호
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 가공에 의해 미세구조가 변형될 위험이 큰 다공성 샘플의 유동 투과율을 측정할 수 있는 비등방성 유동 투과율 측정 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 유량과 샘플의 차압을 측정하여 다공성 샘플의 방향별 유동 투과율을 측정할 수 있는 비등방성 유동 투과율 측정 방법을 제공하는 것이다.
발명이 해결하고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 비등방성 유동 투과율 측정 장치는,
비등방성 다공성물질(A)의 차압 측정하는 챔버(40);
상기 챔버(40)에 질소를 공급하는 질소탱크(10);
상기 챔버(40)와 연결되어 상기 챔버(40)에 유입되는 질소 가스의 흐름을 조절하는 MFC(30);
상기 챔버(40)와 연결되어 상기 비등방성 다공성물질(A)의 차압을 측정하는 차압계(90);
상기 차압계(90)와 연결되어 상기 차압계(90)에서 측정 된 데이터를 컴퓨터로 전달하는 DAQ(80);
상기 MFC(30)와 연결되어 상기 질소 가스의 유량을 조절하는 흐름제어부(20); 및
상기 챔버(40)와 연결되어 상기 챔버(40)에서 배출된 질소 가스를 포집하는 배출부(70);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 비등방성 유동 투과율 측정 제1방법은,
비등방성의 다공성물질(A) 상단 및 하단에 오리피스를 각각 설치한 뒤, 제1-1압력 및 제1-1유량을 측정하는 1-1단계;
상기 비등방성의 다공성물질(A) 상단에 위치한 오리피스를 제거한 뒤, 제2-1압력 및 제2-1유량을 측정하는 2-1단계;
상기 제1-1단계 및 2-1단계에서 측정한 값으로 유동 해석 모델과 비교하여 상기 비등방성 다공성물질(A)의 투과율(K)을 계산하는 3단계;로 구성하되,
상기 투과율은,
상기 다공성물질(A)을 등방성으로 가정하여 측정된 유속(q) 및 차압을 상기 유동 해석 모델에 대입하여 투과율(k)을 계산하는 제3-1단계;
상기 투과율(k)을 기준으로 일정 간격으로 변화시켜 가며 임의의 투과율을 설정하고 상기 임의의 투과율을 상기 유동 해석 모델에 대입하여 유량 및 차압을 계산한 뒤, 상기 측정된 차압 과의 오차를 계산하는 제3-2단계;
상기 측정된 차압 결과와 비교하여 상기 제3-2단계(S320)에서 계산된 차압의 오차 중 최대 오차가 최소화되는 투과율을 찾는 3-3단계;
상기 제3-3단계에서 계산된 최소화 된 최대 오차가 이전 반복에서의 최대 오차와 비교하여 일정 비율 이하로 변화한 경우 상기 3-3단계에서 찾아낸 투과율을 투과율(k)로 설정하고, 일정 비율을 초과한 경우 상기 제3-2단계에서 임의의 투과율의 변화 간격을 줄여 반복 시행하여 투과율(k)로 설정하는 제3-4단계;에 의해 유동 투과율을 측정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 비등방성 유동 투과율 측정 제2방법은,
비등방성의 다공성물질(A) 하단에 오리피스를 설치한 뒤, 제1-2압력 및 제1-2유량을 측정하는 1-2단계;
상기 비등방성 다공성물질(A) 하단에 중앙의 천공이 상기 제1-2단계의 오리피스와 달리 마련된 오리피스를 설치한 뒤, 제2-2압력 및 제2-2유량을 측정하는 2-2단계;
상기 오리피스는 상기 중앙의 천공을 조절할 수 있도록 마련된다.
상기 과제의 해결 수단에 의해, 본 발명은 가공에 의해 미세구조가 변형될 위험이 큰 다공성 샘플의 유동 투과율을 측정할 수 있는 비등방성 유동 투과율 측정 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 유량과 샘플의 차압을 측정하여 다공성 샘플의 방향별 유동 투과율을 측정할 수 있는 비등방성 유동 투과율 측정 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 다공성 샘플은 그대로 두고 주변 유로 구조를 오리피스를 가지고 간단하게 변형하여 유량과 샘플에서의 차압을 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 비등방성 유동 투과율 측정 장치를 나타내는 구조도이다.
도 2는 본 발명의 제1일실시예에 따라, 상단오리피스(50) 및 하단오리피스(60) 사이에 다공성물질(A)이 설치된 제1-1압력 측정방법(A) 및 하단오리피스(60) 상단에 다공성물질(A)이 설치된 제2-1압력 측정방법(B)을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2일실시예에 따라, 제1하단천공(61)이 마련된 하단오리피스(60) 상단에 다공성물질(A)이 설치된 제1-2압력 측정방법(A) 및 제2하단천공(62)이 마련된 하단오리피스(60) 상단에 다공성물질(A)이 설치된 제2-2압력 측정방법(B)을 나타낸 도면이다.
도 4는 종래 비등방성 투과율 측정을 위해 사용 된 방법을 나타낸 도면으로, 유동 방향을 달리하여 압력 차를 측정하는 장치를 나타 낸 도면이다.
도 5는 종래 비등방성 투과율 측정을 위해 사용 된 또 다른 방법을 나타낸 도면으로, 유체가 샘플을 통과하는 경로가 다르도록 (A) 및 (B)와 같이 다르게 가공된 샘플로 유량과 차압을 측정하여 방향별 투과율을 구하는 방법을 나타 낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라, 다공성물질(A)로 제작된 에어로젤을 나타낸 사진이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따라, 비등방성 에어로젤의 투과율을 확인한 그래프로, 투과율이 올바르게 수렴하는지 수치해석적으로 살펴본 결과이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 일실시예에 따라, 비등방성 에어로젤의 투과율을 확인한 그래프로, 투과율이 올바르게 수렴하는지 수치해석적으로 살펴본 결과이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따라, 등방성 에어로젤의 투과율을 확인한 그래프로, 투과율이 올바르게 수렴하는지 수치해석적으로 살펴본 결과이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따라, 수직으로 배향된 다공성의 에어로젤을 나타낸 사진이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따라, 도 10에 나타난 다공성의 에어로젤에 대해 레이디얼(radial) 및 엑시얼(axial) 투과율을 확인한 결과를 나타낸 결과이다.
도 12는 본 발명인 비등방성 유동 투과율 측정 방법을 나타낸 제1순서도이다.
도 13은 본 발명인 또 다른 비등방성 유동 투과율 측정 방법을 나타낸 제2순서도이다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명에 대한 해결하고자 하는 과제, 과제의 해결 수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시 예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명인 비등방성 유동 투과율 측정 방법을 이용한 비등방성 유동 투과율 측정 장치는 챔버(40), 질소탱크(10), MFC(30), 차압계(90), DAQ(80), 흐름제어부(20) 및 배출부(70)로 구성되는 것이 바람직하다.
먼저, 상기 챔버(40)는 오리피스를 이용하여 비등방성 다공성물질(A)에서의 유체 흐름 경로를 변화시켜가며 차압을 측정한다. 보다 구체적으로, 제1실시예로 상기 챔버(40) 내부에 상기 비등방성 다공성물질(A)을 넣고 상기 하단오리피스(60) 및 상단오리피스(50) 사이에 설치하여 상기 챔버(40)와 연결된 상기 차압계(90)를 이용하여 차압을 측정한다. 또한, 제2실시예로 제1실시예로 상기 챔버(40) 내부에 상기 제1하단천공(61) 및 제2하단천공(62)이 마련된 두 개의 하단오리피스(60) 상단에 상기 비등방성 다공성물질(A)을 넣고 상기 챔버(40)와 연결된 상기 차압계(90)를 이용하여 차압을 측정한다.
보다 구체적으로, 도 2에 나타난 바와 같이, 제1실시예로 상기 오리피스는 상기 하단오리피스(50) 및 하단오리피스(60)로 마련된다. 상기 하단오리피스(60)는 상기 비등방성 다공성물질(A) 하단에 설치된다. 상기 상단오리피스(50)는 상기 비등방성 다공성물질(A) 상단에 설치된다. 상기 상단오리피스(50) 및 하단오리피스(60)는 상기 질소가 이동하도록 중앙이 천공 된 원형판 형태로 마련된다.
또한, 도 3에 나타난 바와 같이, 제2실시예로 상기 오리피스는 상기 비등방성 다공성물질(A) 하단에 설치되는 두 개의 하단오리피스(60)로 마련하되, 상기 하단오리피스(60)는 상기 질소가 이동하도록 중앙이 천공 된 원형판 형태로 마련된다. 상기 하단오리피스(60)는 상기 천공의 직경이 다른 제1하단천공(61) 및 제2하단천공(62)으로 마련된 두 개의 하단오리피스(60)로 마련하되, 상기 제2하단천공(62)이 제1하단천공(61)보다 상대적으로 직경이 더 큰 것이 바람직하다. 상기 제2하단천공(62)은 상기 다공성물질(A)의 직경 미만의 최대 크기로 마련되어 상기 제2하단천공(62)이 마련된 하단오리피스(60) 상단에 다공성물질(A)을 적층하였을 때 상기 다공성물질(A)이 빠지지 않을 수 있는 최대 크기의 제2하단천공(62)으로 제조하는 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 질소탱크(10)는 상기 챔버(40)에 질소를 공급한다.
다음으로, 상기 MFC(30)는 상기 챔버(40)와 연결되어 상기 챔버(40)에 유입되는 질소 가스의 흐름을 조절한다.
다음으로, 상기 차압계(90)는 상기 챔버(40)와 연결되어 상기 비등방성 다공성물질(A)의 차압을 측정한다.
상기 차압계(90)에서 측정된 차압을 이용하여 유동 해석 모델과 비교하여 상기 비등방성 다공성물질(A)의 투과율(k)을 계산한다.
상기 유동 해석 모델은 다공성 샘플 형상 내의 유속 및 압력 분포를 아래 [수학식 1]의 운동 방정식을 이용하여 계산하는 것으로, 이 때 어떤 투과율 값이 사용되느냐에 따라 실험 결과와의 오차가 달라진다.
Figure 112021028639746-pat00001
(여기서, β는 유효점도(effective viscosity), p는 압력, q는 유속, k는 투과율, μ는 유체의 점도이다.)
보다 구체적인 투과율(k) 계산 방법은 아래에 설명할 비등방성 유동 투과율 측정 방법을 통해 계산할 수 있다.
다음으로, 상기 DAQ(80)는 상기 차압계(90)와 연결되어 상기 차압계(90)에서 측정 된 데이터를 컴퓨터로 전달한다.
다음으로, 상기 흐름제어부(20)는 상기 MFC(30)와 연결되어 상기 질소 가스의 유량을 조절한다.
다음으로, 상기 배출부(70)는 상기 챔버(40)와 연결되어 상기 챔버(40)에서 배출된 질소 가스를 포집한다.
본 발명인 비등방성 유동 투과율 측정 방법은 도 2에 마련된 상단 오리피스 및 하단오리피스(60)를 이용하여 측정하는 제1방법(도 12)와 도 3에 마련된 두 개의 하단오리피스(60)를 이용하여 측정하는 제2방법(도 13)로 실행될 수 있다.
도 12에 나타난 바와 같이, 본 발명인 제1방법의 비등방성 유동 투과율 측정 방법은 아래 단계에 의해 실시되는 것이 바람직하다.
먼저, 제1-1단계(S110)는 적층 된 오리피스 사이에 비등방성의 다공성물질(A)을 설치한 뒤, 제1-1압력 및 제1-1유량을 측정한다. 도 2(A)에 나타난 바와 같이, 상기 비등방성의 다공성물질(A) 상단과 하단에 각각 오리피스를 설치하여 제1-1압력 및 제1-1유량을 측정한다.
상기 오리피스는 상기 비등방성 다공성물질(A) 하단에 설치되는 하단오리피스(60) 및 상기 비등방성 다공성물질(A) 상단에 설치되는 상단오리피스(50)로 마련되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 오리피스는 질소가 이동하도록 중앙이 천공 된 원형판 형태로 마련되는 것이 바람직하다.
다음으로, 제2-1단계(S210)는 상기 비등방성의 다공성물질(A) 상단에 위치한 상단오리피스(50)를 제거한 뒤, 상기 하단오리피스(60)만 둔 채로 제2-1압력 및 제2-1유량을 측정한다. 상기 제2-1압력 및 제2-1유량은 상기 제1단계(S100)에서 상기 상단오리피스(50)를 제거한 뒤 상기 하단오리피스(60) 상단에 상기 다공성물질(A)을 놓고 상기 제2-1압력 및 제2-1유량을 측정한다.
도 2(B)에 나타난 바와 같이, 상기 비등방성의 다공성물질(A) 하단에만 오리피스를 설치하여 제2-1압력 및 제2-1유량을 측정한다.
다음으로, 제3단계(S300)는 상기 제1-1단계(S110) 및 2-1단계(S210)에서 구한 압력 및 유량값을 유동 해석 모델과 비교하여 상기 비등방성 다공성물질(A)의 투과율을 계산한다.
상기 유동 해석 모델은 다공성 샘플 형상 내의 유속 및 압력 분포를 아래 [수학식 1]의 운동 방정식을 이용하여 계산하는 것으로, 이 때 어떤 투과율 값이 사용되느냐에 따라 실험 결과와의 오차가 달라진다.
[수학식 1]
Figure 112021028639746-pat00002
(여기서, β는 유효점도(effective viscosity), p는 압력, q는 유속, k는 투과율, μ는 유체의 점도이다.)
보다 구체적으로, 상기 투과율(k)은 아래 단계에 의해 계산하는 것으로, 아래 단계에 의해 측정된 차압에 최대한 근접한 차압을 계산하기 위한 투과율(k) 값을 찾을 수 있다.
먼저, 제3-1단계(S310)는 상기 다공성물질(A)을 등방성으로 가정하여 측정된 유속(q) 및 차압값을 상기 [수학식 1]에 대입하여 투과율(k)을 계산한다.
다음으로, 제3-2단계(S320)는 상기 투과율(k)을 기준으로 일정 간격으로 변화시켜 가며 임의의 투과율을 설정하고 상기 임의의 투과율을 상기 [수학식 1]에 대입하여 차압을 계산한 뒤, 상기 제3-1단계(S310)의 측정된 차압 과의 오차를 계산한다. 보다 구체적으로, 상기 투과율(k)을 중심으로 두 방향(엑시얼(axial) 또는 레이디얼(radial)) 투과율을 일정 간격으로 변화하면 두 방향 투과율의 여러 조합을 얻을 수 있다. 또한, 상기 오차는 x, y 및 z축 방향별로 세 개 이상 계산하는 것이 바람직하다.
다음으로, 제3-3단계(S330)는 상기 제3-1단계(S310)의 측정된 차압 결과와 비교하여 상기 제3-2단계(S320)에서 계산된 차압의 오차 중 최대 오차가 최소화되는 투과율을 구한다.
다음으로, 제3-4단계(S340)는 제3-2단계(S320)에서 계산된 오차가 이전 반복에서의 최대 오차와 비교하여 일정 비율 이하로 변화한 경우 상기 3-3단계(S330)에서 찾아낸 투과율을 투과율(k)로 설정하고, 일정 비율을 초과한 경우 상기 제3-2단계(320)에서 임의의 투과율의 변화 간격을 줄여 반복 시행하여 투과율(k)로 설정한다. 보다 구체적으로, 상기 일정 비율은 상기 최대 오차와 비교하여 10% 이하인 것이 바람직하다.
도 7 내지 도 11에 나타난 바와 같이, 상기 제3-1단계(S310) 및 제3-2단계(S320)를 반복하여 최종적으로 수렴된 값은 투과율의 참값(true permeability)에 가까운 값임을 확인할 수 있다.
도 13에 나타난 바와 같이, 본 발명인 제2방법의 비등방성 유동 투과율 측정 방법은 아래 단계에 의해 실시되는 것이 바람직하다.
먼저, 제1-2단계(S120)는 비등방성의 다공성물질(A) 하단에 오리피스를 설치한 뒤, 제1-2압력 및 제1-2유량을 측정한다. 도 3(A)에 나타난 바와 같이, 상기 비등방성의 다공성물질(A) 하단에 오리피스를 설치하여 제1-1압력 및 제1-2유량을 측정한다.
상기 오리피스는 상기 비등방성 다공성물질(A) 하단에 설치되는 하단오리피스(60)로 마련되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 오리피스는 질소가 이동하도록 중앙이 천공 된 원형판 형태로 마련되는 것이 바람직하다.
다음으로, 제2-2단계(S220)는 상기 비등방성 다공성물질(A) 하단에 오리피스를 설치하여 제2-2압력 및 제2-2유량을 측정한다. 보다 구체적으로, 상기 제2-2단계(S220)에서 사용한 오리피스는 상기 제1-2단계(S120)의 오리피스의 중앙 천공이 다른 것이 바람하다. 또한, 상기 제1-2단계(S120)의 오리피스와 상기 제2-2단계(S220)의 오리피스와 동일한 것을 사용하되, 상기 중앙 천공을 조절할 수 있도록 마련될 수도 있다.
도 3(B)에 나타난 바와 같이, 상기 비등방성의 다공성물질(A) 하단에만 상기 중앙 천공이 다른 오리피스를 설치하여 제2-2압력 및 제2-2유량을 측정한다.
보다 구체적으로, 도 3에 나타난 바와 같이, 상기 제2-2단계(S220)에서 사용한 오리피스의 제2하단천공(62)이 상기 제1-2단계(S120)에서 사용한 오리피스의 제1하단천공(61) 보다 상대적으로 직경이 더 큰 것이 바람직하며, 상기 제2하단천공(62)은 상기 다공성물질(A)의 직경 미만의 최대 크기로 마련하는 것이 바람직하다.
다음으로, 제3단계(S300)는 상기 제1-2단계(S120) 및 2-2단계(S220)에서 구한 값을 유동 해석 모델과 비교하여 상기 비등방성 다공성물질(A)의 투과율(K)을 계산한다. 앞서 기재한 바와 같이, 상기 유동 해석 모델은 다공성 샘플 형상 내의 유속 및 압력 분포를 아래 [수학식 1]의 운동 방정식을 이용하여 계산한다.
[수학식 1]
Figure 112021028639746-pat00003
(여기서, β는 유효점도(effective viscosity), p는 압력, q는 유속, k는 투과율, μ는 유체의 점도이다.)
보다 구체적으로, 상기 투과율(K)은 아래 단계에 의해 계산하는 것으로, 아래 단계에 의해 차압의 측정값에 최대한 근접한 차압을 계산하기 위한 투과율(k)을 값을 찾을 수 있다.
먼저, 제3-1단계(S310)는 상기 다공성물질(A)을 등방성으로 가정하여 측정된 유속(q) 및 차압값을 상기 [수학식 1]에 대입하여 투과율(k)을 계산한다.
다음으로, 제3-2단계(S320)는 상기 투과율(k)을 기준으로 일정 간격으로 변화시켜 가며 임의의 투과율을 설정하고 상기 임의의 투과율을 상기 [수학식 1]에 대입하여 차압을 계산한 뒤, 상기 제3-1단계(S310)의 측정된 차압과의 오차를 계산한다. 상기 오차는 x, y 및 z축 방향별로 세 개 이상 계산하는 것이 바람직하다.
다음으로, 제3-3단계(S330)는 상기 제3-1단계(S310)의 측정된 차압 결과와 비교하여 상기 제3-2단계(S320)에서 계산된 차압의 오차 중 최대 오차가 최소화되는 투과율을 구한다.
다음으로, 제3-4단계(S340)는 제3-2단계(S320)에서 계산된 오차가 이전 반복에서의 최대 오차와 비교하여 일정 비율 이하로 변화한 경우 상기 3-3단계(S330)에서 찾아낸 투과율을 투과율(k)로 설정하고, 일정 비율을 초과한 경우 상기 제3-2단계(320)에서 임의의 투과율의 변화 간격을 줄여 반복 시행하여 투과율(k)로 설정한다. 보다 구체적으로, 상기 일정 비율은 상기 최대 오차와 비교하여 10% 이하인 것이 바람직하다.
상기 과제의 해결 수단에 의해, 본 발명은 가공에 의해 미세구조가 변형될 위험이 큰 다공성 샘플의 유동 투과율을 측정할 수 있는 비등방성 유동 투과율 측정 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 유량과 샘플의 차압을 측정하여 다공성 샘플의 방향별 유동 투과율을 측정할 수 있는 비등방성 유동 투과율 측정 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 다공성 샘플은 그대로 두고 주변 유로 구조를 오리피스를 가지고 간단하게 변형하여 유량과 샘플에서의 차압을 측정할 수 있다.
이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
A. 다공성물질
10. 질소탱크
20. 흐름제어부
30. MFC
40. 챔버
50. 상단오리피스
51. 상단천공
60. 하단오리피스
61. 제1하단천공
62. 제2하단천공
70. 배출부
80. DAQ
90. 차압계
S110. 비등방성의 다공성물질(A) 상단 및 하단에 오리피스를 각각 설치한 뒤, 제1-1압력 및 제1-1유량을 측정하는 1-1단계
S210. 상기 비등방성의 다공성물질(A) 상단에 위치한 오리피스를 제거한 뒤, 제2-1압력 및 제2-1유량을 측정하는 2-1단계
S120. 비등방성의 다공성물질(A) 하단에 오리피스를 설치한 뒤, 제1-2압력 및 제1-2유량을 측정하는 1-2단계
S220. 상기 오리피스를 제거하고 상기 비등방성 다공성물질(A) 하단에 다른 오리피스를 설치한 뒤, 제1-2압력 및 제1-2유량을 측정하는 2-2단계
S300. 상기 제1-1단계 및 2-1단계에서 측정한 값으로 유동 해석 모델과 비교하여 상기 비등방성 다공성물질(A)의 투과율(K)을 계산하는 3단계
S310. 상기 다공성물질(A)을 등방성으로 가정하여 측정된 유속(q) 및 차압을 상기 유동 해석 모델에 대입하여 투과율(k)을 계산하는 제3-1단계
S320. 상기 투과율(k)을 기준으로 일정 간격으로 변화시켜 가며 임의의 투과율을 설정하고 상기 임의의 투과율을 상기 유동 해석 모델에 대입하여 유량 및 차압을 계산한 뒤, 상기 측정된 차압 과의 오차를 계산하는 제3-2단계
S330. 상기 측정된 차압 결과와 비교하여 상기 제3-2단계(S320)에서 계산된 차압의 오차 중 최대 오차가 최소화되는 투과율을 찾는 3-3단계
S340. 상기 제3-3단계에서 계산된 최소화 된 최대 오차가 이전 반복에서의 최대 오차와 비교하여 일정 비율 이하로 변화한 경우 상기 3-3단계에서 찾아낸 투과율을 투과율(k)로 설정하고, 일정 비율을 초과한 경우 상기 제3-2단계에서 임의의 투과율의 변화 간격을 줄여 반복 시행하여 투과율(k)로 설정하는 제3-4단계

Claims (13)

  1. 비등방성의 다공성물질(A) 상단 및 하단에 오리피스를 각각 설치한 뒤, 제1-1압력 및 제1-1유량을 측정하는 1-1단계;
    상기 비등방성의 다공성물질(A) 상단에 위치한 오리피스를 제거한 뒤, 제2-1압력 및 제2-1유량을 측정하는 2-1단계;
    상기 제1-1단계 및 2-1단계에서 측정한 값으로 유동 해석 모델과 비교하여 상기 비등방성 다공성물질(A)의 투과율(k)을 계산하는 3단계;로 구성하되,
    상기 투과율은,
    상기 다공성물질(A)을 등방성으로 가정하여 측정된 유속(q) 및 차압을 상기 유동 해석 모델에 대입하여 투과율(k)을 계산하는 제3-1단계;
    상기 투과율(k)을 기준으로 일정 간격으로 변화시켜 가며 임의의 투과율을 설정하고 상기 임의의 투과율을 상기 유동 해석 모델에 대입하여 유량 및 차압을 계산한 뒤, 상기 측정된 차압 과의 오차를 계산하는 제3-2단계;
    상기 측정된 차압 결과와 비교하여 상기 제3-2단계(S320)에서 계산된 차압의 오차 중 최대 오차가 최소화되는 투과율을 찾는 3-3단계;
    상기 제3-3단계에서 계산된 최소화 된 최대 오차가 이전 반복에서의 최대 오차와 비교하여 일정 비율 이하로 변화한 경우 상기 3-3단계에서 찾아낸 투과율을 투과율(k)로 설정하고, 일정 비율을 초과한 경우 상기 제3-2단계에서 임의의 투과율의 변화 간격을 줄여 반복 시행하여 투과율(k)로 설정하는 제3-4단계;에 의해 유동 투과율을 측정하는 것을 특징으로 하는 비등방성 유동 투과율 측정 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 오리피스는,
    질소가 이동하도록 중앙이 천공 된 원형판 형태로 마련되는 것을 특징으로 하는 비등방성 유동 투과율 측정 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 유동 해석 모델은 아래 [수학식 1]을 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 비등방성 유동 투과율 측정 방법 :
    [수학식 1]
    Figure 112021028639746-pat00004

    (여기서, β는 유효점도(effective viscosity), p는 압력, q는 유속, k는 투과율, μ는 유체의 점도이다).
  4. 비등방성의 다공성물질(A) 하단에 오리피스를 설치한 뒤, 제1-2압력 및 제1-2유량을 측정하는 1-2단계;
    상기 비등방성 다공성물질(A) 하단에 다른 오리피스를 설치한 뒤, 제2-2압력 및 제2-2유량을 측정하는 2-2단계;
    상기 제1-2단계 및 2-2단계에서 측정한 값으로 유동 해석 모델과 비교하여 상기 비등방성 다공성물질(A)의 투과율을 계산하는 3단계;로 구성하되,
    상기 투과율은,
    상기 다공성물질(A)을 등방성으로 가정하여 측정된 유속(q) 및 차압을 상기 유동 해석 모델에 대입하여 투과율(k)을 계산하는 제3-1단계;
    상기 투과율(k)을 기준으로 일정 간격으로 변화시켜 가며 임의의 투과율을 설정하고 상기 임의의 투과율을 상기 유동 해석 모델에 대입하여 유량 및 차압을 계산한 뒤, 상기 측정된 차압 과의 오차를 계산하는 제3-2단계;
    상기 측정된 차압 결과와 비교하여 상기 제3-2단계(S320)에서 계산된 차압의 오차 중 최대 오차가 최소화되는 투과율을 찾는 3-3단계;
    상기 제3-3단계에서 계산된 최소화 된 최대 오차가 이전 반복에서의 최대 오차와 비교하여 일정 비율 이하로 변화한 경우 상기 3-3단계에서 찾아낸 투과율을 투과율(k)로 설정하고, 일정 비율을 초과한 경우 상기 제3-2단계에서 임의의 투과율의 변화 간격을 줄여 반복 시행하여 투과율(k)로 설정하는 제3-4단계;에 의해 유동 투과율을 측정하는 것을 특징으로 하는 비등방성 유동 투과율 측정 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 오리피스는,
    질소가 이동하도록 중앙이 천공 된 원형판 형태로 마련하되,
    상기 제2-2단계에서 사용한 오리피스의 제2하단천공(62)이 상기 제1-2단계에서 사용한 오리피스의 제1하단천공(61)보다 상대적으로 직경이 더 큰 것을 특징으로 하는 비등방성 유동 투과율 측정 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제2하단천공(62)은,
    상기 다공성물질(A)의 직경 미만의 최대 크기로 마련되는 것을 특징으로 하는 비등방성 유동 투과율 측정 방법.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 유동 해석 모델은 아래 [수학식 1]을 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 비등방성 유동 투과율 측정 방법 :
    [수학식 1]
    Figure 112021028639746-pat00005

    (여기서, β는 유효점도(effective viscosity), p는 압력, q는 유속, k는 투과율, μ는 유체의 점도이다).
  8. 비등방성 다공성물질(A)의 차압 측정하는 챔버(40);
    상기 챔버(40)에 질소를 공급하는 질소탱크(10);
    상기 챔버(40)와 연결되어 상기 챔버(40)에 유입되는 질소 가스의 흐름을 조절하는 MFC(30);
    상기 챔버(40)와 연결되어 상기 비등방성 다공성물질(A)의 차압을 측정하는 차압계(90);
    상기 차압계(90)와 연결되어 상기 차압계(90)에서 측정된 데이터를 컴퓨터로 전달하는 DAQ(80);
    상기 MFC(30)와 연결되어 상기 질소 가스의 유량을 조절하는 흐름제어부(20); 및
    상기 챔버(40)와 연결되어 상기 챔버(40)에서 배출된 질소 가스를 포집하는 배출부(70);를 포함하고,
    상기 비등방성의 다공성물질(A) 상단 및 하단에 마련되고 상기 질소가 이동하도록 중앙이 천공 된 원형판 형태로 구성되는 오리피스를 마련하되,
    상기 오리피스는,
    상기 비등방성 다공성물질(A) 하단에 설치되는 하단오리피스(60); 및
    상기 비등방성 다공성물질(A) 상단에 설치되는 상단오리피스(50);로 마련되고,
    상기 하단오리피스(60)는 상기 천공의 직경이 다른 제1하단천공(61) 및 제2하단천공(62)으로 마련된 두 개의 하단오리피스(60)로 마련하되,
    상기 제2하단천공(62)이 제1하단천공(61)보다 상대적으로 직경이 더 큰 것을 특징으로 하는 비등방성 유동 투과율 측정 장치.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제 8항에 있어서,
    상기 제2하단천공(62)은,
    상기 다공성물질(A)의 직경 미만의 최대 크기로 마련되는 것을 특징으로 하는 비등방성 유동 투과율 측정 장치.
KR1020210031783A 2021-03-11 2021-03-11 비등방성 유동 투과율 측정 방법 및 이를 이용한 비등방성 유동 투과율 측정 장치 KR102479085B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210031783A KR102479085B1 (ko) 2021-03-11 2021-03-11 비등방성 유동 투과율 측정 방법 및 이를 이용한 비등방성 유동 투과율 측정 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210031783A KR102479085B1 (ko) 2021-03-11 2021-03-11 비등방성 유동 투과율 측정 방법 및 이를 이용한 비등방성 유동 투과율 측정 장치

Publications (3)

Publication Number Publication Date
KR20220127467A KR20220127467A (ko) 2022-09-20
KR102479085B1 true KR102479085B1 (ko) 2022-12-16
KR102479085B9 KR102479085B9 (ko) 2023-03-23

Family

ID=83446247

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210031783A KR102479085B1 (ko) 2021-03-11 2021-03-11 비등방성 유동 투과율 측정 방법 및 이를 이용한 비등방성 유동 투과율 측정 장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102479085B1 (ko)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3247195B2 (ja) 1992-04-24 2002-01-15 コア ホールディングス ビー．ヴィ． 非定常状態プロフイル透過率計の方法と装置
JP2007205797A (ja) 2006-01-31 2007-08-16 Nissan Motor Co Ltd 多孔体の酸素拡散係数測定方法およびその測定装置
JP2014160069A (ja) * 2013-02-12 2014-09-04 Fraunhofer-Ges Zur Foerderung Der Angewandten Forschung Ev バリア材の透過度を測定する方法及び装置

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AUPQ788000A0 (en) * 2000-05-30 2000-06-22 Structural Monitoring Systems Ltd Apparatus and method for measurement of the permeability of materials
FR2840071B1 (fr) * 2002-05-22 2004-07-23 Saint Gobain Isover Dispositif de determination de la finesse de fibres minerales
KR20090105493A (ko) * 2008-04-02 2009-10-07 성균관대학교산학협력단 다공성 물질의 물성 동시 측정 방법
KR101384386B1 (ko) 2012-10-25 2014-04-10 전남대학교산학협력단 저 투과성 암체의 물성 측정 시스템
KR101537661B1 (ko) * 2013-12-02 2015-07-17 한국표준과학연구원 기체투과도 측정 장치 및 기체투과도 측정 방법

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3247195B2 (ja) 1992-04-24 2002-01-15 コア ホールディングス ビー．ヴィ． 非定常状態プロフイル透過率計の方法と装置
JP2007205797A (ja) 2006-01-31 2007-08-16 Nissan Motor Co Ltd 多孔体の酸素拡散係数測定方法およびその測定装置
JP2014160069A (ja) * 2013-02-12 2014-09-04 Fraunhofer-Ges Zur Foerderung Der Angewandten Forschung Ev バリア材の透過度を測定する方法及び装置

Also Published As

Publication number Publication date
KR102479085B9 (ko) 2023-03-23
KR20220127467A (ko) 2022-09-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Garnier et al. Local measurements on flow boiling of refrigerant 12 in a vertical tube
AU2003255059B2 (en) Device for determining fineness of mineral fibers
CN109100278B (zh) 一种考虑页岩孔径分布特征的表观渗透率计算方法
Li et al. Experimental study on capillary pumping performance of porous wicks for loop heat pipe
KR100820653B1 (ko) 내식 금속제 유체용 센서 및 이것을 이용한 유체 공급 기기
US10895544B2 (en) Measurement of liquid parameters using a microfluidic device
Medraj et al. The effect of microstructure on the permeability of metallic foams
Jafari et al. An investigation of porous structure characteristics of heat pipes made by additive manufacturing
CN109916780B (zh) 一种基于轴对称液滴轮廓曲线的表面张力测量方法
Slinker et al. CNT‐based artificial hair sensors for predictable boundary layer air flow sensing
KR102479085B1 (ko) 비등방성 유동 투과율 측정 방법 및 이를 이용한 비등방성 유동 투과율 측정 장치
US20110210757A1 (en) Apparatus and method to measure properties of porous media
CN114577677B (zh) 基于储层非均质性的致密油藏非线性渗流表征方法
CN109959676B (zh) 一种石墨与石墨薄膜材料接触热阻测试方法
JP2010087474A (ja) 基板の温度を決定する方法および装置
Fernández-Cabán et al. Experiments in a large boundary layer wind tunnel: Upstream terrain effects on surface pressures acting on a low-rise structure
Nassehi et al. Numerical analyses of bubble point tests used for membrane characterisation: model development and experimental validation
Zhou et al. Fabrication of the nanofluidic channels type leak assembly based on the glass frit sealing method
JP2009210500A (ja) マイクロチャンネルのボイド率計測方法及びその装置
He et al. A new method for online monitoring of boiling process in mini‐channels
Najmi et al. Flow configuration influence on darcian and forchheimer permeabilities determination
Huang et al. Highly subcooled boiling in crossflow
Quaade et al. Fabrication and modeling of narrow capillaries for vacuum system gas inlets
US9958426B2 (en) Device and method for determining mixing ratios of flowing media
CN114235273B (zh) 一种微孔压力探针的标定方法

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
G170 Re-publication after modification of scope of protection [patent]