우리는 주변에서 다양한 유체의 존재 및 흐름을 경험하게 된다. 회전하는 풍력발전기 프로펠러 주위의 공기 유동, 파이프에서 제트처럼 뿜어져 나오는 가스나 물, 선박이나 잠수정이 운항될 때 선체를 따라 흘러가는 유체 유동 등, 정확히 볼 수는 없지만 존재하고 있다는 것은 알 수 있다. 일찍이 레오나르도 다빈치는 시냇물에 놓인 원기둥 후방으로 소용돌이가 발생하는 것을 보고 정성적으로 스케치하여 그 현상을 기록하였다. 빠르게 흐르는 공기의 흐름 속에 원기둥과 같은 물체를 놓게 되면 눈에 보이지는 않지만 원기둥 후방으로 소용돌이가 발생하게 된다. 많은 사람들이 보이지 않는 공기나 물속에서 일어나는 현상을 가시화(visualization)하기 위해 많은 노력을 기울여왔다. 우리가 자주 접하게 되는 자동차나 유람선 주변의 유체 흐름을 가시화할 수 있다면 소용돌이 등으로 인해 발생하는 에너지 낭비의 원인을 밝힐 수 있고 진동이나 소음을 감소시킬 수 있는 설계안을 만들 수 있기 때문에 기계문명이 발달한 이래 유체를 가시화하기 위한 노력은 계속되어왔다. 

 처음 시도된 가시화 방법은 정성적인(qualitative) 방법이었다. 정성적 유동가시화 방법에는 추적입자 및 염료 주입법, 터프트(tuft) 기법, 수소기포법, 연기(smoke) 기법, 광학적(optical) 기법 등이 포함된다. 가시화를 위해 유동에 투입되는 물질(tracer)은 일반적으로 명암 대비를 이용하는 것과 유체유동을 그대로 추적하는 미세한 추적 입자 등이 있다. 그림 1은 물이 일정한 속도로 회전하는 회류수조 내에 설치한 수소기포 발생장치를 이용하여 원기둥 후방의 유동을 가시화하고 있는 사진이다. 정성적인 유동가시화 방법은 유체 유동을 시각적으로 볼 수 있게 해준다는 데에 그 의미가 있으나 단지 유동의 정성적인 가시화 정보만을 제공하기 때문에 속도, 방향 등의 정량적인(quantitative) 유동정보를 얻지 못한다는 단점이 있다.

 눈에 보이지 않는 유체 유동의 정량적인 가시화를 위해서도 많은 방법들이 개발되어 왔다. 가장 많이 사용되고 있는 방법이 피토관이나 LDV(laser doppler velocimetry)등을 사용하는 점(point) 측정 방식인데 지금까지도 널리 사용되고 있다. 최근 들어 점(point) 보다 넓은 개념인 장(field) 측정 방식이 각광을 받고 있는데, 한 순간에 여러 개의 점에서 속도나 방향을 동시에 측정할 수 있다는 장점으로 인하여 그 쓰임새가 점차 커지고 있다. 특히 입자영상속도계(particle image velocimetry)라는 속도장(velocity field) 측정 방법이 기계 유체 분야뿐만 아니라 전자, 의학 분야 등에 도입되어 활발히 적용되고 있다. 
 유동 속에 투입한 추적 입자들의 입자영상(particle image)을 화상처리하여 주어진 유동의 속도장을 측정하는 입자영상속도계를 그림 2에 나타내었다. 화상처리를 이용한 속도장 측정시스템은 크게 레이저와 카메라, 컴퓨터, 추적입자 등으로 구성되어 있다. 속도장 측정을 위해서는 먼저 유동을 잘 추종하는 작은 크기의 입자를 유동 속에 주입한다. 그리고 측정하고자 하는 유동단면을 레이저 평면광(laser light sheet)으로 조사하게 되면, 이 빛에 조명되어진 유동입자들이 산란하게 된다. 레이저 평면광은 원주형 렌즈와 구형 렌즈 등을 통하여 만들 수 있다. 일정 시간간격 동안 움직인 유동입자들의 움직인 거리를 시간간격으로 나누어 속도를 얻을 수 있게 된다. 

 입자영상속도계를 이용한 속도장 측정기술은 매우 빠른 속도로 발전하여 이제는 시간의 흐름에 따라 변화하는 복잡한 비정상 유동(unsteady flow)이나 난류(turbulent flow) 등을 자세하게 가시화하여 해석하는 것이 가능하게 되었다. 해양운송신기술연구단에서는 기존의 점 측정 가시화 방법 외에 속도장 측정 방법인 입자영상속도계를 개발하였으며, 유동의 2차원 속도 성분뿐만 아니라 3차원 속도 성분까지도 얻을 수 있게 되어 선체나 프로펠러 주위의 복잡한 유동 구조를 정확히 분석할 수 있게 되었다. 해양시스템안전연구소의 중요한 연구 중 하나가 조선사나 선주의 다양한 요구에 따라 선박 모형을 제작하거나 모형 시험을 수행하여 선박의 성능을 예측하고 검증하는 일이다. 특히 선박의 추진기로 사용되는 프로펠러의 경우, 정확하고 신뢰성 있는 성능 검증이 요구된다. 입자영상속도계를 사용하여 프로펠러 후방의 유동을 측정하게 되면 프로펠러에서 발생하는 날개 끝 와류(tip vortex)와 뒷날 와도(trailing vorticity) 등을 가시화할 수 있고, 이들을 분석하게 되면 프로펠러가 바르게 설계 또는 제작되었는지 판단할 수 있다. 더 나아가 프로펠러 후방 유동 가시화 정보는 프로펠러 설계에 사용되고 있는 각종 수치해석 프로그램을 위한 검증 실험 자료로써 사용할 수 있다. 그림 3은 2차원 입자영상속도계를 이용하여 계측한 프로펠러 후방 유동의 속도장을 나타낸 것이다. 입자영상속도계는 수상선뿐만 아니라 수중체에 대해서도 이용할 수 있는데, 와류의 강도나 난류 세기 분포 등을 적절히 분석하게 되면 선체의 저항을 감소시키고 추진성능을 증가시킬 수 있는 기초자료를 마련할 수 있다. 또한 강한 와류나 난류 세기가 나타나는 영역은 유동 소음을 유발할 수 있으므로 수중소음원의 평가 및 제어에도 정량적인 가시화 방법을 활용할 수 있어 추후 해군 함정의 성능 개선이나 검증에 적절히 이용될 수 있을 것이다. 입자영상속도계 방법을 선박이나 해양 구조물 주위 유동해석에 적용하려는 연구는 세계적으로 활발히 진행되고 있으며 더 나아가 미국, 일본 등에서는 해양이나 하천의 거시적인 흐름이나 유동구조 연구에도 적용하려는 시도가 계속되고 있다.   

 안정적이지 못하고 시간에 따라 빠르게 변화하는 유동을 조사하고 분석하기 위해서는 시간분해능(time resolution)을 높인 time-resolved 입자영상속도계가 필요하다. 일반적인 입자영상속도계는 CCD(charge-coupled device) 카메라의 한계로 인하여 초당 4개의 속도장만을 얻을 수 있으나 개발된 time-resolved 입자영상속도계는 초당 최대 6000개의 속도장을 얻을 수 있어 수중에서 기화된 기포 유동 즉, 캐비티(cavity) 유동을 적절히 계측하여 분석할 수 있게 한다. 그림 4는 공동수조의 관측부에 설치된 대형 방향타에 대한 실험 결과인데,  흰색으로 나타난 캐비티 뿐만 아니라 방향타 표면을 지나가는 추적입자들을 이용하여 속도벡터들을 얻을 수 있다. 이처럼 고속카메라와 적절한 광원을 이용하게 되면 시간 분해능을 높인 정성적, 정량적 가시화가 가능하므로 캐비테이션에 대한 평가가 중요시 되는 추진기나 선체 부가물 등에 대한 설계 자료로 사용될 수 있다. 입자영상속도계는 추적입자로 일반적인 고체형 입자뿐만 아니라 1mm 이하의 평균 직경을 갖는 기포를 사용할 수도 있다. 

 그림 5는 공동수조 내에 발생한 기포 입자들이며 그림 6은 이 기포 입자들을 사용하여 얻은 속도장 결과이다. 입자영상속도계의 운용에 있어서 기포 입자들을 추적입자로 사용하게 되면 고체형 입자의 사용이 어려운 실험 조건에서도 적절한 속도장 측정이 가능하다.  

 눈에 보이지 않는 유체 유동을 가시화하겠다는 다양한 시도로부터 출발하여 이제는 매우 정확도 높고 신뢰성이 좋은 정량적 가시화 방법이 개발되고 있다. 정량적 가시화 방법 중의 하나인 입자영상속도계는 우주, 항공, 자동차, 생명, 의학, 환경 분야뿐 만 아니라 조선 해양 분야에서 사용되는 빈도수가 점차 증가하고 있다. 유동 가시화 기법의 특성에 대한 이해와 함께 유체 유동에 대한 관심이 곁들여 진다면 재미있고 유용한 유동 현상을 경험하는데 모자람이 없을 것이다.    

2007-06-05