1. 머리말

최근 화상처리 기술 발전 및 컴퓨터의 성능 향상에 힘입어 흐름 가시화 기술에 디지털 화상처리 기술을 융합한 입자 화상 유속 측정법(Particle Image Velocimetry 이하 PIV라고 한다)이 실용화되고 있다. 종전에 일반적으로 사용했던 PIV 시스템은 비교적 좁은 범위를 대상으로 하고 있어 실제 크기의 실내 기류분포를 대상으로 시간적·공간적으로 연속해 PIV 측정한 예는 없었다. 실제로 건물 공간을 대상으로 PIV 측정이 가능하다면 건물 실내의 바닥부터 천장까지 기류분포에 대한 시간적·공간적 데이터를 끊임없이(seamless) 얻을 수 있다. 또한 인체, 창문, 문 등의 이동체 주변 기류분포도 측정할 수 있다. 

본 연구에서는 종전에 사용된 PIV 측정범위(300 ×300mm 정도)에서 실제 크기의 실내 공간으로 측정범위를 확장하기 위한 기초단계로서 우선 비교적 넓은 범위를 대상으로 한 가시화 방법 및 촬영조건을 검토한다(실험①). 측정 대상은 급기구와 배기구를 가진 전형적인 축척 실내 모형으로 하고 PIV 측정으로 모형 내부의 기류분포를 명확히 한다. PIV 측정에서는 양호한 트레이서 입자의 움직임을 포착한 연속적 가시화 화상을 얻는 것이 매우 중요하다. 이를 위해 본 실험에서는 실제 크기의 실내 공간을 대상으로 한 PIV 측정을 목표로 트레이서 입자 선택 및 시딩(seeding) 기법을 검토하고 실제 크기 실내 공간에서의 PIV 측정에 관한 과제를 분명히 한다. 다음은 실제 크기의 실험실 공간에서 발열 인체 모형(서멀 마네킹)을 이용해 인체 주변의 기류를 측정한다(실험②). 실제 크기 실내 공간 사이즈의 가시화 및 촬영을 통해 과제 및 문제점을 파악한다. 

2. 축척 실내 모형을 대상으로 한 시딩 기법 검토(실험①)

2.1  측정대상의 개요 

축척 실내 모형의 상세를 <그림 1>에, 실험장치의 개요(실험①)를 <그림 2>에 각각 나타낸다. 

실내 모형은 두께 5mm의 투명한 아크릴 판으로 제작됐고 치수는 600×400×400mm, 양측 면에는 40×40mm의 급기구(A, B, C)와 배기구(D, E, F)가 3개소 설치됐다. 본 실험에서는 급기구를 B, 배기구를 E로 하고 측정한다. 급기덕트 내에는 허니컴 메시로 제작된 정류판과 스로틀, DC 팬을 설치한다. 급기구로부터의 풍속은 DC 팬에 접속된 DC 전원으로 조정한다. 

2.2  실험기기의 개요 

실험기기의 개요(실험①)를 <표 1>에 나타낸다. 그리고 출력 1W와 2W의 2대 연속 광 레이저를 동시에 사용한다. 출력 2W의 레이저를 가시화 측정영역 전체에 조사(照査)하고 레이저 시트 선단부에서는 상대적으로 어두워지기 때문에 출력 1W의 레이저를 비교적 입자밀도가 조밀한 급기구 부근에 조사함으로써 가시화 측정영역 전체를 균일하게 가시화한다. 복수대의 레이저를 사용함으로써 레이저광 경계선상에서 휘도치 변화로 인한 오(誤)벡터 증가라든가 복수대 레이저 광원으로 인한 간섭무늬 발생 등이 염려됐지만 본 실험에서는 그런 현상이 발견되지 않았다. 고속 카메라로는 하이 스피드 CCD 카메라 K-Ⅱ를, 획득한 연속 가시화 화상을 해석하는 데는 Flow-Expert를 사용한다. 

레이저광을 입사시키는 면 이외 모형 내부의 벽면은 울 페이퍼(흑색)로 덮어 가시화 측정영역에 대한 아크릴 내 벽면에서의 레이저광 반사를 저감시킨다. 

2.3  해석조건

PIV 측정 변수(실험①)를 <표 2>에 나타낸다. 본 논문의 PIV 측정에는 직접 상호 상관법을 적용한다. 실제 길이와 화상에서의 길이 환산치인 캘리브레이션 값은 0.94mm/pixel이다. 열선 풍속계로 급기구 부근의 풍속을 계측해 고속 카메라와 PIV 측정에 가장 적합한 측정 변수를 결정한다. 실험①에서는 각 측정 Case에서 최대 풍속이 달라지기 때문에 탐사범위를 10~20 픽셀까지로 하고 각각의 최대 풍속에 맞춰 탐사범위를 설정한다. 

2.4  실험조건

각 Case의 실험조건(실험①)을 <표 3>에 나타낸다. 본 실험에서는 트레이서로 난연성 스모크(DAINICHI PORTA SMOKE PS-2002, 입경 : 수10㎛), 액체질소와 열탕을 혼합해 얻은 물 미스트(입경 : 수10㎛), 인편상(鱗片狀) 금속 파우더(얇기 12㎛, 입도 44㎛ 이하가 85% 이상, 88㎛ 이하가 95% 이상)의 3종류를 사용하고 트레이서 각각의 특성 및 실용성 등에 대해 검토한다. 

스모크, 액체질소에 의한 물 미스트를 사용한 시딩(시딩이란 트레이서를 발생시켜 흐름장으로 트레이서를 공급하는 것을 말한다)은 급기용 덕트로 유입시킨다. 금속 파우더를 사용한 시딩에서는 급기용 덕트 내에 설치한 금속 파우더 공급장치를 사용한다<그림 2>. 금속 파우더를 사용한 실험에서는 리턴용 플렉시블 덕트를 설치하고 배기구에서 배출된 기류를 다시 급기구로 되돌려 트레이서를 순환시킨다. 

실험 시 급기 풍속은 양호한 연속 가시화 화상을 얻기 위해 액체질소에 의한 미스트 측정에서 3.0m/s, 스모크 및 금속 파우더 측정에서 1.5m/s에 각각 설정한다. 

2.5  평균 풍속 벡터의 PIV 측정결과 

각 측정 Case에서의 평균 풍속 벡터분포(급기구B, 배기구E)를 <그림 3>에 나타낸다. 출력 1W와 2W의 2대 레이저를 사용하면 가시화 측정영역을 균일하게 가시화하므로 어느 트레이서를 사용한 경우에도 측정대상 영역 전체에서 풍속 벡터를 산출할 수 있다. 

그러나 스모크와 액체질소를 사용한 경우(Case1-1, Case1-2)에는 PIV 측정에 의한 급기구 직후의 풍속이 열선풍속계로 측정한 풍속(Case1-1 : 1.5m/s, Case1-2 : 3.0m/s)에 비해 현저히 느린 풍속으로 산출됐다. Case1-3에서는 열선풍속계와 거의 동등한 풍속이 산출된다. 

스모크(Case1-1)라든가 금속 파우더(Case1-3)를 사용한 경우에는 측정대상 영역 전체의 기류 성상을 측정할 수 있지만 후자에서는 X=0~200mm로 관찰되는 소용돌이의 크기도 상하 대칭이어서 더 올바르게 측정할 수 있다. 

이번에 사용한 실험장치로 축척 실내 모형을 대상으로 PIV 측정을 할 경우에는 금속 파우더를 트레이서로 사용하는 것이 가장 적당하다. 

단, 실제로 실내 공간에서 금속 파우더로 측정하기란 실내의 기기나 거주자에게 끼치는 영향이 있어 곤란하므로 실제 크기의 실내 공간에서는 기기 및 거주자에게 미치는 영향이 비교적 작은 스모크를 사용해 PIV 측정하는 것이 좋다. 

 2019년 9월 월간 설비기술 특집 3에서 일부 발췌