유사 흐름 측정을 위한 입자추적유속계 알고리듬의 개발

Abstract

유사 입자가 포함된 흐름이나 공기 방울이 포함된 흐름과 같은 이상류 (two-phase flow) 는 유체의 속도와 입자의 속도와 같은 두 가지 서로 다른 속도 분포가 존재한다. 이러한 이상류의 속도장 분석을 위해서는 두 가지 속도 분포를 별도로 측정할 수 있는 기법을 이용해야 한다. 공기 방울이 포함된 흐름에 대해서는 입자영상 유속계(PIV)나 입자추적유속계(PTV)를 이용하여 비교적 타당한 정도로 유속 분포를 측정하여 왔다. 그러나 자연 모래를 포함한 흐름 영상의 속도 분포 해석에서는 PIV나 PTV가 그다지 성공적이지 못했는데, 그것은 흐름 중에 있는 유사 입자가 영상을 해석하기 어렵게 만들기 때문이다. 유사 흐름의 속도 분석을 위해 다양한 영상 분석 기법을 결합한 방법을 제시하였다. 입자 추출 알고리듬으로 역치값, 경계 추출 알고리듬, 세선화 알고리듬을 조합한 새로운 방법을 제안하였다. 또한 입자의 이동 변위 계산을 위해서 PIV와 PTV를 조합한 새로운 방법을 개발하였다. 이 새로운 알고리듬은 다음과 같은 기능을 가지고 있다. (1) 새알고리듬은 유사 입자, 특히 자연 모래와 같이 불규칙한 형태를 갖는 입자의 경계를 정확히 찾아낼 수 있다. (2) 필요한 정보를 잃어버리지 않고, 반사광이나 난반사에 의한 영상을 효율적으로 제거할 수 있다. (3) 추적 입자가 유사입자 가까이에 있어 유사의 난반사 영역이 들어 있어도 이를 분리해 낼 수 있다. Two-phase flows, e.g. sediment-laden flow and bubbly flow, have two different flow profiles; flow velocity and sediment velocity. To measure velocity distributions of two-phase flows, it is necessary to use sophisticated instruments which can separate velocity profiles of two-phases. For bubbly flows, PIV (Particle Image Velocimetry) or PTV (Particle Tracking Velocimetry) has given fairly good velocity profiles of two-phases. However, for sediment-laden flows, the applications of PIV or PTV has not been so successful, because the sediment particles introduced to the flow kept the images from being analyzed. A new algorithm, which consists of several image analysis methods, is proposed to analyze sediment-laden flows. For detection algorithm, threshold method, edge detection method, and thinning method are adapted, and for finding matching pair PIV and PTV routines are combined. The proposed method can (1) detect sediment particles with irregular boundaries, (2) remove reflected images and scattered images, and (3) discriminate tracer particles from reflected images of sediment particles.