[논문 리뷰] Experimental Study of the Interfacial Waves in Horizontal Stratified Gas-liquid Two-phase Flows by Using the Developed Image Processing Technique

Hadiyan Yusuf Kuntoro, Akhmad Zidni Hudaya외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 19.

Fluid Dynamics and Mixing참고 문헌 26인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 26 mm 내경의 투명한 아크릴 파이프를 사용하여 수평 분리된 기체-액체 유동에서의 계면파를 실험적으로 조사하며, 고속 영상 기록을 분석하기 위해 자체 개발한 이미지 처리 기법을 적용한다. 이 방법은 이전 데이터와 강한 일치를 보이며 정밀한 액체 보유율 분포 측정이 가능하여, 분리된 유동 특성에 대한 고품질 실험 데이터베이스를 구축한다.

ABSTRACT

Experimental series of stratified gas-liquid two-phase flows had been carried out in a 26 mm i.d. transparent acrylic horizontal pipe. The study was aimed to determine the interfacial wave characteristics of the flow and to develop a high quality database of it. The longitudinal section of the pipe was used as the reference section of image recording. Air and water were used as the test fluids, flowing co-currently inside the pipe. The flow behavior was recorded by using a high-speed video camera around 5 m in axial distance from the inlet pipe to ensure the fully-developed stratified gas-liquid two-phase flow. To correct the refraction due to the acrylic pipe, a correction box was employed in the visualization test section. The group of stratified smooth and wavy two-phase flows were successfully recorded and classified on the basis of the visualization study from 24 couples of test condition of superficial water and air velocities. Digital image processing technique was then used to perform quantitative analysis and the results were used to evaluate the existing data. In the present study, the image processing technique was performed to obtain the liquid holdup distribution. The present results show satisfactory agreement with previous works.

연구 동기 및 목표

• 다양한 표면 기체 및 액체 유속에서 수평 분리된 기체-액체 이상류에서의 계면파 거동을 특성화하기 위해.
• 기존 모델의 검증을 위한 계면파 특성에 대한 고품질 실험 데이터베이스를 구축하기 위해.
• 분리된 유동에서 액체 보유율 분포를 정량화하기 위해 새로운 이미지 처리 기법을 적용하기 위해.
• 유동 시각화 과정에서 아크릴 파이프 벽으로 인한 광학적 왜곡을 보정하기 위해 전용 보정 박스를 사용하기 위해.
• 파형 형태를 기반으로 시각적 및 정량적 분석을 통해 유동 유형(평탄하고 파도치는)을 분류하기 위해.

제안 방법

• 완전히 발달된 분리된 유동을 촬영하기 위해, 입구에서 5 m 축방향 거리에서 고속 영상 기록을 실시하였다. 이는 26 mm 내경의 투명한 아크릴 파이프에서 이루어졌다.
• 이미지 획득 과정에서 아크릴 파이프 벽으로 인한 굴절 효과를 보상하기 위해 보정 박스를 사용하였다.
• 디지털 이미지 처리 기법을 적용하여 기록된 영상에서 계면파 프로파일을 추출하고 액체 보유율 분포를 계산하였다.
• 이 기법을 통해 파형 형태를 기반으로 평탄한 유동과 파도치는 유동으로 나누어진 유동 유형을 분류할 수 있었다.
• 다양한 유동 조건을 커버하기 위해 표면 기체 및 수류 속도의 24가지 조합을 실험하였다.
• 결과는 기존 실험 데이터와의 비교를 통해 이미지 처리 방법의 정확성과 신뢰성을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수평 분리된 기체-액체 이상류에서 표면 기체 및 수류 속도의 변화에 따라 계면파 특성은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 이미지 처리 기법은 투명한 이상류 시스템에서 액체 보유율 분포를 얼마나 정확하게 정량화할 수 있는가?
• RQ3 보정 박자는 투명한 파이프 벽으로 인한 광학적 왜곡을 흐름 시각화 실험에서 효과적으로 줄일 수 있는가?
• RQ4 수평 이상류에서 평탄한 유동과 파도치는 유동 유형 간의 뚜렷한 시각적 및 정량적 특징은 무엇인가?
• RQ5 측정된 계면파 특성 및 액체 보유율 값은 이전에 보고된 데이터와 얼마나 잘 일치하는가?

주요 결과

• 개발된 이미지 처리 기법은 24개의 시험 조건 전역에서 평탄하고 파도치는 분리된 유동 유형을 성공적으로 촬영하고 분류하였다.
• 이미지 처리 방법을 통해 액체 보유율 분포가 정확하게 추출되었으며, 이는 이전 실험 연구와 강한 일치를 보였다.
• 보정 박자는 광학적 왜곡을 크게 감소시켜 계면파 프로파일 측정의 정확도를 향상시켰다.
• 계면파 패턴은 표면 기체 속도가 증가함에 따라 일관되게 변화하며, 평탄한 유동에서 파도치는 유동으로 전이되는 경향을 보였다.
• 이 연구에서 생성된 실험 데이터베이스는 이종류 흐름 모델 및 시뮬레이션의 검증을 위한 신뢰할 수 있고 고품질의 데이터를 제공한다.
• 이 방법은 투명한 수평 이상류 시스템에서 계면파 역학을 정량화하는 데 있어 뛰어난 내구성과 재현성을 입증하였다.