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Development of in-situ thermal conductivity measurement system for soils and rocks = 토사 및 암반의 현장용 열전도도 측정 시스템 개발
서명 / 저자 Development of in-situ thermal conductivity measurement system for soils and rocks = 토사 및 암반의 현장용 열전도도 측정 시스템 개발 / So Jung Lee.
저자명 Lee, So Jung ; 이소정
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2015].
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초록정보

Thermal conductivity is an important thermal parameter of soils or rocks to bring a solution to problems related to energy geo-structures. The objective of this study to understand effects of engineering conditions and parameters of soils and rocks on their thermal conductivity, and to design an in-situ thermal conductivity measurement system for soils and rocks. First, engineering parameters affecting to the thermal conductivity explored via laboratory experiments with Ottawa 20/30 sand and Gochang weathered soil. The thermal conductivity appeared to be affected by porosity, vertical effective stress, and degree of saturation. The thermal conductivity linearly increased with decreasing porosity. An increase in vertical effective stress increased the thermal conductivity because of increases in void ratio and grain contacts. The thermal conductivity remarkably increased with an increase in degree of saturation, showing a non-linear relationship. Previous empirical and theoretical models were compared with the obtained experimental results, and a new prediction model that uses dry thermal conductivity, saturated thermal conductivity, and degree of saturation was suggested to predict thermal conductivity of soils and rocks with varying degree of saturation. Second, a system for measuring in-situ thermal conductivity of soils and rock was developed. A thermal needle probe for in-situ measurement was newly designed based on laboratory experiment and numerical simulation results. From the laboratory experiments, it was identified that the length/radius ratio of a thermal needle probe larger than 19 was required for needle probe geometry. To offset in-situ measurement error, designed thermal needle probe length/radius ratio is significantly larger than 19. Thereafter, the control and measurement system using NI-PXI system and the post-processing code were developed. Thereafter, the designed in-situ measurement system was evaluated by numerical simulation using a finite element code COMSOL and by mock-up experiments. Numerical simulation and mock-up test results showed that the developed system could estimate the thermal conductivity values with acceptable errors.

에너지와 관련된 지반 공학적 문제들을 해결하는 데에 있어, 흙 또는 암반의 열전도도는 중요한 인자로서의 역할을 한다. 본 연구의 목적은 열전도도에 영향을 미치는 흙 또는 암반의 인자들과 주변 환경의 공학적 인자들에 대해 이해하고, 현장에서의 열전도도 측정 시스템을 개발하는 데에 있다. 먼저, 오타와 20/30 모래와 고창 풍화토를 이용한 실내 실험을 바탕으로 열전도도에 영향을 미치는 공학적 인자들에 대한 연구를 수행하였다. 실내 실험 수행 결과, 흙의 열전도도는 공극률, 수직 유효 응력, 포화도에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 열전도도는 공극률과 선형적인 반비례 관계를 보였고, 수직 유효응력과는 선형적 비례 관계를 보였다. 또한 열전도도는 포화도가 증가함에 따라 비선형적으로 증가하는 경향을 보였다. 선행 연구의 이론적 및 경험적 열전도도 예측 모델과 실내 실험결과를 비교함으로써 건조 상태의 열전도도, 포화 상태의 열전도도, 포화도를 이용하여 흙의 다양한 포화 상태에 따른 열전도도를 예측할 수 있는 모델을 제시하였다. 다음으로, 현장에서의 흙의 열전도도를 측정할 수 있는 시스템을 개발하였다. 실내실험과 수치해석을 근간으로 하여 현장 적용 금속 탐침 센서를 개발하였다. 실내 실험 결과, 금속 탐침 센서의 길이/지름 비율은 19 이상이어야 하는 것으로 나타났다. 하지만 현장 실험으로 인한 오차를 최소화 하기 위해 19보다 상당히 큰 길이/지름 비율을 갖는 금속 탐침 센서를 디자인하였다. 그리하여, NI-PXI 시스템을 이용한 현장용 열전도도 시스템을 구축하였고, 측정과 해석을 위한 코드를 개발하였다. 수치해석과 실내 축소 모형 실험을 통해 개발된 현장용 열전도도 시스템을 검증하였다. 그 결과, 미미한 오차를 보임으로서 현장용 열전도도 측정 시스템이 신뢰할 만한 것으로 나타났다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {MCE 15024
형태사항 viii, 114 : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 이소정
지도교수의 영문표기 : Tae Hyuk Kwon
지도교수의 한글표기 : 권태혁
Including Appendix
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 건설및환경공학과,
서지주기 References : p.
주제 Thermal conductivity
Thermal conductivity estimation model
Thermal needle probe method
PXI system
열전도도
열전도도 예측 모델
금속탐침법
PXI 시스템
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