다중 주파수를 이용한 캐비테이션 기포의 분포량 추정

Abstract

캐비테이션 기포 (cavitation bubble)가 존재하는 유체 내에서 다중 주파수 (multi-frequency)를 송수신할 때 음파의 감쇠(attenuation)와 음속 (sound speed) 변화가 발생되었고, 이 특징을 이용하여 기포의 크기와 분포량을 추정하였다. 음향실험은 20∼300kHz 대역의 다중 주파수를 이용하여 실시하였고, 기포가 존재하는 경우와 존재하지 않는 경우의 주파수별 음속 비와 음파의 감쇠 값을 측정하였다. 캐비테이션 기포는 모터 끝에 장착된 둥근 막대형 블레이드 (blade)를 물 속에서 고속회전시켜 발생되었다. 캐비테이션 기포의 크기 및 분포량은 모터의 회전 속도, 블레이드 끝단 (tip)의 겉넓이를 변화시키며 관측하였고, 기포 생성 후 시간별 기포량 감소율을 측정하였다. 실험 결과 발생된 기포의 크기는 반경 10∼60μm 였고, 10∼20μm 와 20∼30μm 반경의 기포가 전체의 약 45%와 25%를 차지하였다. 세부실험 결과로 모터의 회전 속도가 증가할수록 더 많은 양의 기포가 발생되지만 블레이드 끝단 면적의 증가와 기포 발생량의 변화는 상관성이 없음을 확인하였다. 또한 기포량의 감소율은 지속시간별로 일정하였고, 2분 이내에 전체량의 80%가 소멸됨을 관측하였다. 음향실험의 결과를 검증하기 위해 동일한 조건에서 광학카메라로 촬영한 기포 분포량과 비교하였다.

Distribution of cavitation bubbles relative to change of the sound speed and attenuation in the water was estimated using acoustic signal from 20 to 300 kHz in two cases that cavitation bubbles exist and do not exist. To study generation and extinction property of cavitation bubble, bubble distribution was estimated in three cases: change of rotation speed (3000-4000 rpm), surface area of blade ( 32−98mm2 ) and elapsed time (30-120 sec). As a result, the radii of the generated bubbles ranged from 10 to 60μm , and bubble radius of 10−20μm and 20−30μm was accounted for 45 and 25% of the total number of cavitation bubbles, respectively. And generation bubble population correlated closely with the rotating speed of the blades but did not correlate with the surface area of blade. It was observed that 80% of total bubble population disappeared within 2 minutes. Finally, acoustic data of bubble distribution was compared with optical data.