회전유동의 주요 연구 대상은 기하학적 단순 모델인 회전원통 내부의 유동이다. 이와같이 단순한 모델은 그 단순성에도 불구하고 유용한 많은 유동 자료를 실용 단계에 제공하기 때문에 많은 연구자들에 의해 연구대상이 되어왔다. 그러나 이제까지의 많은 연구는 회전 용기에 유체가 꽉 찬 상태를 다루어왔고 또 그 회전용기 역시 원통 모형을 탈피하지 못했다. 본 연구 에서는 회전용기 내부의 유체가 용기전체를 차지하지 못한 상태로 회전시 자유표면이 존재하는 경우를 취급하였고 또한 회전용기 자체의 기하학적 효과를 검색하기위해 상부가 잘리워진 원추를 회전용기의 다른 모형으로 사용하였다.
회전유동에 자유표면의 존재를 첨가시킨 것은 고려하고있는 모델에 실제적요소를 훨씬 더 많이 가미하기 위해서이며, 원추형 용기를 회전용기로 고려한 것은 용기 자체의 기하학적영향이 유동변수로 어떻게 등장할 것인가를 고려하기 위해서이다.
회전유동의 실험은 실험장치의 설치시 난점과 측정시 유발될 악영향 때문에 그 수행이 극히 제한되어 왔다. 따라서 실험기법에 대한 선별적 고려와 장치의 온라인화를 추구하여 본 실험을 수행했으며, 실험기법의 고려시 축적된 영상 처리 기법은 다른 유용한 유체 실험에 적용될 수 있기에 그 부가가치가 매우 크다고 할 수 있다.
본 실험에서는 축대칭 회전용기로 원통 (종횡비 1~3)과 상부가 잘리워진 원추를 사용하였으며 두 가지 용기내부의 유동 상태는 자유표면의 존재를 고려하여 실험을 수행하였다. 실재로 자유표면과 유동장을 지배하는 경계층(Ekman boundary layer)의 상호 간섭을 규명하기위하여 자유표면의 과도 모습획득과 운동량 전파모습을 모두 측정하였다. 자유표면의 모습을 회득하기 위해서는 용기내부의 유체에 형광 물질을 용해시킨후 측면에서의 슬릿 광원으로 용해된 형광 물질을 발광시켰고 그 발광된 빛을 모아서 과도 자유표면의 모습을 획득하였다. 그러나 곡률을 가진 유체면과 공기사이의 굴절률 차이로 왜곡된 자유표면의 모습이 얻어지기에 이를 극복하기위해 입사각과 반사각의 함수로 굴절률 관계식을 도출 하여 상의 왜곡을 방지 하였다.
이와같은 과정을 통하여 획득된 과도 자유표면의 모습은 선행연구자들의 수치해와 매우 잘 일치함을 알 수 있었다. 그러나, 자유표면의 변형 효과가 매우 큰 경우에는 실험을 통해 획득된 결과와 수치해가 어긋남이 발견 되었으며 이는 자유표면의 변형 효과가 매우 크기 때문에 유발되는 것으로 확인되어졌다.
자유표면의 영향을 체계적으로 분석하기위하여 자유표면의 존재가 운동량 전달을 어떻게 방해 하는가를 실험하였다. 이는 유체 유동장에 산란입자를 부유시켜 그 영상을 해석하므로써 운동량 전달 모습을 획득하였다. 이와같이 획득된 운동량 전달위치는 자유표면이 없는 경우의 운동량 전달에 비해 크게 어긋남이 없음이 밝혀졌다. 또한 자유표면이 존재하는 경우에 대한 운동량 전달모습도 앞서의 간략화된 수치해와 일치함을 보이고 있어 간단한 수치모델인 Wedemeyer-Goller-Homicz의 수치모형의 정확함을 반증 하고 있다.
회전용기의 기하학적 영향을 고려하기위하여 상부가 절단된 원추형 용기를 사용하였는데 이는 바닥경계층에서의 원심력 (centrifugal force)을 확대시키기 위한 것이었다. 원추형 회전 용기에서의 전달경계층은 그 전파 속도가 해석해와 유사하나 유동의 초기과정에서 무척 빠르게 전파됨이 확인 되었다. 이는 용기의 기하학적 모습에서, 구석 부근에서는 운동량 전달을 촉진시키는 작은 폐쇄(closed circuit)유동이 발생되기 때문이다.
앞서 언급한 결론들은 그 결과를 뒷받침할 유동 자료의 제시와 더불어 가시화 사진을 준비하였다.
