Optical naphthalene sublimation method to measure the heat and mass transfer characteristics on arbitrary shapes is developed. Naphthalene vapor deposition technique is employed to coat on naphthalene various and complex specimens. Optical experiment is performed to find the correlation between the naphthalene thickness and the optical signal intensity. Wind tunnel experiments on a flat plate, wedges and a cylinder are performed to validate the developed optical naphthalene sublimation method. Then, wavy channels are experimented to further demonstrate this method for industrial applications. Flow visualization using smoke generation technique is also carried out to understand the flow characteristics.
Naphthalene thickness using vapor deposition is easily controlled by varying the deposition time under the vacuum condition at 150 Torr. The more time elapses, the thicker naphthalene layer is formed. Coating thickness varies from 20 to $80 \mu m$ with a very fine, uniform surface, the nonuniformity of thickness is 1.2% with a 95% confidence.
Correlations between the naphthalene thickness and the signal intensity of the CCD image are experimentally found by using He-Ne laser, CCD camera, optics and image board. The light intensity detected behind the coating decreases when the incidence angle is large and when the coating is thick. The light intensity decreases mainly because of scattering when the naphthalene coating is thicker. The correlation is obtained in a polynomial.
With the correlations, four wind tunnel experiments with flat plate, wedge, plate-wedge and cylinder flow are performed to verify the proposed method. The transverse-averaged experimental results are in good agreement with the numerical solution with fairly high individual scatter at an x-location. The total uncertainty of experimental precision error of the transverse- averaged data is 9.7% with a 95% confidence.
Internal wavy surface flows for three different wall shapes are further experimented at $Re_{dh}$ = 300 with industrial applications in mind. Through the mass transfer experiment and smoke visualization, the maximum Sherwood number is observed near the reattachment point near the crest of the wave and the trough part which is occupied by recirculation flow has the minimum. In the test range, the wavy channel with $0 \circ$ phase difference is found to be more efficient to heat/mass transfer when the channel length is short, while $180 \circ$ phase difference is marginally preferable for long channels.
본 연구에서는 나프탈렌 승화법에 있어서 나프탈렌의 두께를 광학적으로 측정하는 비접촉식 측정 방법을 개발하고 파형 채널 유동의 열전달 특성을 파악하기 위해 개발된 방법을 적용하였다. 임의의 형상에 나프탈렌 코팅을 제작하기 위해 증기 증착 방법을 사용하였다. 나프탈렌 코팅 두께와 광학적 신호 간의 관계식을 유도하기 위해 광학 실험을 수행하였고, 풍동 실험을 통해 유도된 관계식을 검증하였다. 광학적 나프탈렌 승화법을 공학적으로 적용하기 위해 파형 채널내 유동에 적용하였다.
증기 증착을 이용한 나프탈렌 코팅 방법에서 150토르의 진공상태에서 증착 시간에 따라 용이하게 나프탈렌 두께를 조절할 수 있었다. 나프탈렌 코팅 두께는 20마이크론에서 80마이크론까지 증착 시간이 길수록 두꺼운 코팅 면을 얻을 수 있었다. 증기 증착을 이용한 나프탈렌 코팅 면은 95퍼센트 신뢰수준에서 1.2 퍼센트 표면 불규칙 오차를 보일 정도로 표면이 균일하고 일정한 두께를 보였다.
광학적으로 나프탈렌 두께를 측정하기 위해 He-Ne 레이저, CCD 카메라, 광학 장비, 이미지 보드 등을 이용해 광학적 신호 강도와 나프탈렌 두께 간의 관계식을 실험적으로 구하였다. 나프탈렌 코팅 면에 조사각도를 변화시켜 가면서 평행광을 조사하고 코팅면 뒤로 산란되는 빛의 세기를 CCD 카메라로 측정하였다. 나프탈렌 두께가 두껍고 조사각도가 클수록 산란된 빛의 세기는 감소하였다. 이는 코팅 면이 두꺼울수록 나프탈렌 결정면 사이에 발생되는 빛의 산란으로 빛의 세기가 감소하기 때문이다. 광학적 실험결과를 다항식의 형태로 관계식을 구하였다.
평판 유동, 쐐기 유동, 평판-쐐기 유동, 원형실린더 유동 등의 풍동 실험을 통해 나프탈렌 두께와 광학적 신호 간의 관계식을 실험적으로 검증하였다. 검증결과, x축으로 산란된 형태의 개별적 실험결과를 보였고, 횡단면으로 평균한 실험 결과는 해석적 결과에 잘 일치하였다. 불확실성 해석방법을 통한 실험오차는 95퍼센트 신뢰수준에서 10퍼센트 이내로 비교적 정확했다. 따라서 제안된 광학적 나프탈렌 승화법은 복잡한 형상에 대하여 나프탈렌 코팅층을 제작하고, 비접촉식으로 나프탈렌 두께를 오차범위 10퍼센트 내로 정확하게 측정할 수 있다.
광학적 나프탈렌 승화법을 낮은 레이놀즈수( $Re_{dh}$ = 300 )에서 세 가지 파형 채널내로 적용하였고, 스모크를 이용한 유동가시화 실험을 통하여 파형 채널내의 유동장을 파악하였다. 유동가시화와 물질전달 실험 결과, 측정된 셔우드 수는 유동이 다시 부딪치는 파형 채널의 마루부분에서 최대값을 보였고, 재순환유동으로 갇힌 파형 채널의 골부분에서 최소값을 가졌다. 파형채널 위와 아래 면 사이의 위상차 세 가지 실험 범위에서, 위상차 도인 파형채널이 채널 길이가 짧다는 조건하에 열/물질전달 측면에서 더욱 효율적이었고, 긴 채널에서는 위상차 $180 \circ$ 도인 파형채널이 열/물질전달 측면에서 보다 유리함을 알 수 있었다.
