KR20090076175A - 교수-학습용 연기 유동가시화 장치 개발 - Google Patents

Abstract

연기 유동가시화 장치는 풍동의 시험부내에 연기를 공급함으로써 저속 공기 흐름에 대한 저항 물체 주위의 유체의 흐름을 가시적으로 관찰할 수 있도록 하는 장치이다. 하지만 국내에서는 교육 및 연구용 연풍동이 개발되어 제품화된 사례가 별로 없으며 유동의 가시화용 실험 장치로서 연풍동을 사용한 연구 결과가 극히 제한되어 있다. 또한 우리나라에서 유동가시화 장치는 공과대학 기계계열학과 내지는 항공연구소, 자동차 연구소 등 특정한 곳에서 고가의 장비로 사용하고 있으므로 중등학생들은 더욱 접하기 힘든 상황이다.

본 발명한 유동가시화 장치는 연기 발생 장치는 송풍부 바람을 활용하여 연기 발생 장치에서 발생시킨 연기를 연기 토출부로 불어 올려 풍동의 시험부 내(內)에 연기를 흐르게 하는 구조로 설계하였다. 본 발명으로 중등학교 학생들에게 유동장 주위의 유체의 흐름을 정성적으로 설명할 수 있고 유체의 저항 개념을 쉽게 이해할 수 있어 초-중등학교 고급 지식의 확산화가 용이하게 이루어질 수 있다.

학습용 풍동, 유동가시화, 유동장, 저항 모델

Description

교수-학습용 연기 유동가시화 장치 개발{Development of Flow Visualization Device with Smoke Generator for Teaching Learning}

도 1은 학습용 풍동의 연기 발생 장치 구성 개략도를 나타낸다.

도 2는 발연 부분(5) 제작을 나타낸다.

도 3은 연기 토출부(3) 개념도이다.

도 4는 실제 제작한 연기 토출부이다.

도 5는 연기 발생 장치 개념도이다.

도 6은 연기 수집 장치 제작 과정을 나타낸다.

도 7은 송풍부(2)에 적용한 발 펌프이다.

도 8은 학습용 풍동에 적용된 연기 유동가시화 장치 구성도이다.

김대훈(1995)의 출원번호 10-1995-0029131 “풍동 시험 가시화용 스모그 발생 장치 제작”에서 스팀라인의 내부구조와 팁의 접속구조를 개선하여 스팀라인의 분기작업을 용이하게 할 수 있는 동시에 각각의 분기 배관으로 공급되는 오일량의 정량제어가 가능하게 하였다. 다양한 경로의 유선을 동시에 여러 개 형성하여 풍동 시험 가시화 효과를 높이도록 하였다.

또한 김대훈(1996)의 출원번호 10-1996-0015757 “유동가시화 방법” 에서 자동차의 풍동실험시에 차량의 사이드 미러(side mirror)등 세밀한 부분에 수소이온농도(PH)를 변화시키면서 시험액을 도포하고 여기에 지시약을 분사하여 차량의 유동을 가시화하는 방법에 관한 것이다.

종래 기술은 대부분 항공관련 연구소나 자동차 연구소 등에서 공기 역학의 흐름현상을 가시화하기 위한 전문적인 실험장비로서 풍동 시험 관측부에 부착된 다양한 모델 등이 Smoke를 발생하여 모델 주위에서의 흐름 현상을 관측할 수 있는 장치이다. 하지만 고가의 장비로서 초-중등학교 수준의 교수 학습용 자료로 이용하기에는 불가능하다.

본 발명에서는 제작된 학습용 풍동을 기반으로 연기 유동가시화 장치를 개발함으로써 유동장 주의의 유체의 흐름을 정성적으로 설명할 수 있고 유체의 저항 개념을 쉽게 이해하는데 큰 도움이 될 수 있는 교수-학습용 자료를 개발하는데 있다.

연기를 발생시킬 수 있는 것으로 vapor, mist 등을 생각할 수 있으나 본 발명에서는 니크롬선에 유동파라핀과 엔진오일을 섞은 연료를 발라 전기를 공급하여 태우면 손쉽게 연기를 발생시킬 수 있다. 본 발명에서 가장 중요한 사항은 발생된 양질의 연기가 시험부 내에 계속적으로 공급하는것이다. 니크롬선에 직접 연료를 바르면 매우 짧은 시간에 연기가 발생하고 바로 사라진다. 이를 해결하기 위해 유리섬유를 사용하여 니크롬선을 스프링처럼 둥글게 말고 그 안쪽에 유리섬유를 끼 워넣어 연료를 머금고 계속적으로 연기를 발생시킬 수 있도록 한다.

도 1은 본 발명의 주요구성 부분을 나타내는 개략도이다. 연기 발생 장치(1)는 송풍부(2) 바람을 활용하여 연기 발생 장치에서 발생시킨 연기를 연기 토출부(3)로 불어 올려 시험부(4) 내(內)에 연기를 흐르게 하는 구조로 설계하였다.

1. 발연부(5)

연기 발생을 직접적으로 일으키는 니크롬선(6)을 일정하게 50 ㎜ 로 자르고 스프링처럼 동글게 말고 그 안쪽에 각각 0.03 g 의 유리섬유(7)를 끼워 넣었다. 유리섬유는 연료를 머금고 계속적으로 연기를 발생시키기 위함이다. 니크롬선(6)에 직접 연료를 바르면 매우 짧은 시간에 연기가 발생하고 바로 사라진다.도 2는 제작한 발연부이다.

2. 연기 토출부(3)

연기 발생 장치(1)에서 발생한 연기는 연기 토출부(3)를 통해 시험부(4)내에 공급된다. 시험부(4)에 공급된 연기가 각 모델에 따른 유체의 흐름을 가시화하는데 중요한 역할을 하므로 다량의 연기가 시험부(4)에 공급되는 것이 중요하다.

도 3은 정체부(8) 앞부분에 세로로 설치된 구멍 뚫린 관을 적용한 연기 토출부(3)의 개념도이며 도 4는 실제로 제작한 연기 토출부이다. 연기 토출부의 지지대(9)는 외경 19 mm, 길이 400 mm 인 파이프이고 여기에 최종적으로 연기가 토출되는 내경 2.5 mm, 길이 300 mm 의 스테인레스 튜브(10)를 10 mm 의 등간격으로 중앙부분에 10개를 설치하였다.

3. 연기 발생 장치(1)

시험부(4)에 양질의 연기를 공급하는 일은 본 연구에서 가장 중요한 사항이기 때문에 우수한 연기 발생 장치의 개발은 중요한 과제이다. 연기 발생 장치를 설계하기 위하여 다양한 재료를 고려하였다. 연기를 담아둘 수 있는 재료는 연기의 발생 정도를 육안으로 확인할 수 있으며 발생된 연기가 밀도에 의해 자연스럽게 연기 토출부로 올라갈 수 있는 구조로 된 깔대기(11)를 활용한다.

도 5에서 회로 기판(12)은 니크롬선(6)을 지지해 주는 받침으로서 열에 강하여 타지 않고 전기를 통하지 않는 절연 소재이기 때문에 적용하였다. 이 회로기판(12)과 연결된 니크롬선(6)과 깔대기(11)의 접촉을 피하기 위해 볼트(13)와 나사(14)를 이용하여 받침대(15)를 만들어 주었다. 전선 연결부(16)는 난방장치 등에 쓰이는 열에 강한 전선을 활용하였다. 이 전선 연결부(16)는 직류전원 공급 장치(17)(DC power supply)에 (+) 극과 (-) 극에 각각 연결한다. 전류가 니크롬선에 공급되어 열이 가해지면 유리섬유(7)를 감은 니크롬선(6)에서 연기가 발생하게 된 다. 이때 유리섬유(7)에는 예비 실험을 통해 연기가 가장 잘 발생하는 조건인 파라핀과 엔진오일의 비율 3 : 1 을 섞은 용액을 발라놓는다.

도 6은 연기 수집 장치의 제작 과정이다. 제작의 시작은 3 mm 두께의 아크릴(18)을 사용하였다. 이 아크릴 판(18) 위에 둥글게 감은 니크롬선(6)과 전선 연결부(16)를 연결한 회로 기판(12)을 고정시킨다. 동그랗게 감은 니크롬선(6)에 연료(파라핀과 엔진오일 3:1 비율)를 지속적으로 머금을 수 있는 유리섬유(7)를 끼워 넣는다. 여기에 깔대기를 올려놓은 후 발생된 연기가 새어나오지 않도록 글루건을 사용하여 깔대기(11)와 아크릴 판(18)의 접합 부분에 실리콘 처리를 한다

4. 송풍부(2)

연기 발생 장치(1)에서 발생한 연기는 연기 토출부(3)로 적은 양만 이동하고 수집 장치 안에 머물러 있는 경향이 있을 것이다. 따라서 연기를 연기 토출부(3)로 밀어 넣어줄 수 있는 송풍기 역할을 할 수 있는 도구를 선택하였다.

자전거나 공의 바람을 넣는데 사용하는 도 7의 발 펌프(2)를 이용하였다. 즉 송풍부 역할을 발 펌프가 하는 것이다. 한 번에 주입할 수 있는 공기의 양이 많기 때문에 연기를 관찰하는데 무리가 없었다. 또한 발로 공기의 주입속도를 조절해줄 수 있기 때문에 연기의 강약을 조절하는데 유리하였다. 고무 튜브인 공기 인입선(19)의 길이를 1.5 m 이상 충분히 길게 하여 학습용 풍동을 책상위에 올려놓았을 때 발 펌프(2)의 활용에 문제가 없도록 하였다.

도 8은 학습용 풍동을 기반으로 본 발명에서 개발한 장치를 적용한 개념도이다.

1. 본 발명품은 일상생활에서 발견할 수 있는 재료로 손쉽게 실험장치를 만들 수 있다.

2. 초-중등학교 현장에서 항공우주 기술에 대한 학생들의 호기심과 태도를 높일 수 있어 효과적으로 고급지식의 확산화를 얻을 수 있는 학습용 기자재로 사용될 수 있다.

3. 수송 영역에서 유체의 힘(양력/항력)과 저항 개념에 이해시킬 수 있는 실험 실습 교수 학습용 자료이다.

4. 고가의 힘 측정 장치에 비해 재료의 원가가 매우 경제적이며 제작이 용이하여 초-중등학교의 기술과학 실험 장치로 사용될 수 있다.

5. 비행기기 뜨는 현상을 정성적으로 쉽게 설명할 수 있으며 여러가지 물체의 형상에 따른 공기 유동을 볼 수 있는 가시화 실험이 가능하다.

Claims (1)

1. 풍동 실험 시 시험부 내 실험 모델에 따른 공기의 흐름을 가시화하기 위한 유동가시화 장치에 있어서:

   연기 유동가시화 장치의 전체적인 구성 즉 연기를 발생시키기 위한 연기 발생 장치(1), 연기 토출부(3), 송풍부(2) 구조;

   발생된 연기를 계속적으로 머금을 수 있는 유리섬유(7) 사용;

   발생된 연기를 수집할 수 있는 깔대기(11) 형상 구조;

   발생된 연기를 시험부에 밀어넣기 위한 발펌프(2);

   연기를 분사할 수 있는 스테인레스 튜브(10);

   본 발명의 목적은 학생들이 학습용 풍동의 연기 유동가시화 장치를 직접 제작하고 실험함으로써 항공 기술의 분야에 대한 태도와 흥미를 증진할 수 있는 교수-학습용 자료로 활용하여 교육 현장 학습에 적용하고자 하는 것이다.

   본 발명의 특징은 비행기의 뜨는 형상과 물체의 다양한 형상에 따른 유체의 저항 개념을 이해할 수 있고 공기의 흐름을 육안으로 쉽게 확인을 확인할 수 있다는 것이다.

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