음파 발생기와 도메인 변화에 따른 음파 대류 건조의 영향 = Effect of Various Acoustic Generators and Domains on Acoustic-Convective Drying for Paddy

국문 초록 (Abstract)

러시아 과학 아카데미 (Institute of Theoretical and Applied Mechanics Siberian Division of Russian Academy of Science, 이하 SB RAS)에서 음파를 이용하여 물질의 건조를 향상시키는 연구를 진행하여 왔다. 원천 기술의 기원은 러시아에서 우주선 발사 시와 발 사 후 반경 수 킬로미터에 있는 식물이 급격한 건조를 나타냄을 발견한 것으로부터 출발하였다. 로켓을 발사한 장소에서 매우 근접한 곳은 추진 노즐로부터 주변의 대기로 방출되는 높은 온도의 열, 매우 빠른 기류의 속도 및 강력한 음파가 발생하므로 물리적인 측면에서 건조가 발생됨을 이해할 수 있다.

근접 지역보다 더 먼 거리에서는 급격한 온도와 기류의 속도가 저하되어 결국 멀지 않은 거리에서 대기 온도와 대기 속도로 같아지게 된다. 그러나 음파는 수 킬로미터까지 물리적 손실이 낮게 전파됨을 확인하여 음파의 영향이 물질의 건조에 영향을 미친다고 판단하였다.

본 연구는 우리나라의 볍쌀을 대상으로 음파 대류 건조 현상을 응용하여 시험을 한 것이다.

건조 위치 시험에서는 C Type과 CD Type 노즐 모두에서 노즐에 가장 가까운 시료망에서 건감률이 가장 높았고 다음으로 가까운 시료망 순이었다. 유동 해석에서도 시험과 일치하는 결과를 얻었다. CD Type이 C Type 노즐보다 건감률이 높았다.

4개의 주파수에 대한 건조 시험에서는 700 Hz, 750 Hz, 600 Hz 및 800 Hz순으로 건감률이 높았으며, 가장 높은 영향을 미치는 주파수는 700 Hz이었다. 유동 해석에서는 700 Hz와 750 Hz에서 600 Hz와 800 Hz보다 높은 평균 유동 속도 분포를 나타내었으며, 음압 해석에서는 700 Hz가 볍쌀을 담은 카트리지 주위에 안정된 음압 수준 및 넓은 분포를 보였다. 시험과 해석을 통해 700 Hz가 가장 높은 영향을 미치는 주파수인 것을 알았다.

공기의 유동을 조절하기 위한 보조 부품 적용 모델이 원형모델보다 약 3 %의 건감률이 높았다. 보조 부품 적용 모델 중에서 노즐과 공명 장치를 제거한 모델보다 약 10 %의 건감률이 높았다. 단일 특정 주파수 사용과 그렇지 않을 경우와 10 %의 차이를 보인 것으로 음파는 건조에 영향을 주었다. 유동 해석에서는 높은 평균 유동 속도가 이어지는 영역에서 대체로 건감률이 높았으며, 보조 부품을 적용한 모델이 더 높은 평균 유동 속도를 보였다. 음압 해석에서는 음압 수준 분포는 유사하였으나 원형모델은 78 dB - 156 dB, 보조 부품 적용 모델은 88 dB - 153 dB로서 최저 구간에서는 10 dB 최고 구간에서는 3 dB 차이를 보였다.

Russian Academy of Sciences (Institute of Theoretical and Applied Mechanics Siberian Division of Russian Academy of Science, hereafter SB RAS) has been studying the accelerated drying by sound waves of certain objects. The origin of the source technology was derived from the discovery that plants located within several kilometers of the launch ramp dried out rapidly during and after the launch of space rockets. It is only natural that in the area close to the launch site plants should show signs of rapid drying out due to such physical effects as the high temperature and fast gas stream, accompanied by the strong sound waves emanating from the rocket's nozzle.

The temperature and velocity of jet air flow are reduced in areas located farther from the launch site, down to the same level as those of the atmosphere. However, it was discovered that sound waves can be propagated father up to several kilometers without showing a significant decrease in their physical energy, and this was judged to have an influence on the drying rate of materials.

This study concerns the drying of Korean rice via the sound-wave convection drying phenomenon.
In the drying position tests, the specimen nets closest to the C Type and CD Type nozzles showed the highest drying rates, and these decreased as the distance was extended. The flow analysis also showed the same results. The CD Type nozzle showed a higher drying rate than the C Type nozzle.

In the drying tests conducted at four sound frequencies, the drying rate was high in the order of 700 Hz, 750 Hz, 600 Hz and 800 Hz, wherein the frequency with the greatest influence was 700 Hz. In the flow analysis, 700 Hz and 750 Hz showed higher average flow velocity distribution than 600 Hz and 800 Hz. In the sound pressure analysis, 700 Hz showed a stable level of sound pressure and wider distribution around the cartridge containing the paddy. The tests and analyses showed that a frequency of 700 Hz exerts the most significant influence.

The model fitted with auxiliary parts for air flow control showed about 3% higher drying rate than the original model, and about 10% higher than the model whose nozzle and resonating device had been removed. The influence of the sound waves on the drying rates in case of a single specific frequency and in other cases differed by about 10%. In the flow analysis, the drying rate was higher in the area where a higher average flow velocity was maintained, and the model fitted with auxiliary parts showed a higher average flow velocity. In the sound pressure analysis, the sound pressure distribution profiles, though similar, of the original model and the model fitted with auxiliary parts ranged from 78 dB to 156 dB and from 88 dB to 153 dB, respectively, showing differences of 10 dB and 3 dB in the minimum and maximum range, respectively.

목차 (Table of Contents)

• 표 목차 ......................................................................................................................... i
• 그림 목차 ......................................................................................................................... ii
• 기호 설명 ......................................................................................................................... v
• 약어 설명 ......................................................................................................................... viii
• 국문 요약 ......................................................................................................................... ix
• 제1장 서론 .................................................................................................................... 1
• 제1절 연구 개요 ............................................................................................ 1
• 제2절 연구 배경 ............................................................................................ 2
• 제3절 연구 동향 ............................................................................................ 3
• 제2장 요소 특성 .......................................................................................................... 5
• 제1절 볍쌀의 특성 ........................................................................................ 5
• 제2절 노즐의 특성 ........................................................................................ 9
• 제3절 음파의 특성 ........................................................................................ 13
• 제3장 건조 시험 .......................................................................................................... 16
• 제1절 노즐 직경 11.5 mm를 이용한 건조 위치 시험 ......................... 16
• 제2절 노즐 직경 5 mm를 이용한 건조 주파수 시험 .......................... 22
• 제3절 노즐 직경 10 mm를 이용한 건조 응용 시험 ............................ 28
• 제4절 건조 시험 결과 및 고찰 .................................................................. 35
• 제4장 해석 .................................................................................................................... 36
• 제1절 노즐 직경 11.5 mm를 이용한 건조 위치 시험 모델의 유동 해석 ... 36
• 제2절 노즐 직경 5 mm를 이용한 건조 주파수 시험 모델의 유동 해석 .... 43
• 제3절 노즐 직경 10 mm를 이용한 건조 응용 시험 모델의 유동 해석 ...... 52
• 제4절 유동 해석 결과 및 고찰 .................................................................. 61
• 제5절 노즐 직경 5 mm를 이용한 건조 주파수 시험 모델의 음압 해석 .... 62
• 제6절 노즐 직경 10 mm를 이용한 건조 응용 시험 모델의 음압 해석 ...... 91
• 제7절 음압 해석 결과 및 고찰 ................................................................. 100
• 제5장 결론 ................................................................................................................... 101
• 제1절 연구의 결론 ....................................................................................... 101
• 제2절 계속 연구 과제 ................................................................................. 102
• 참고 문헌 ......................................................................................................................... 108
• 부 록 ......................................................................................................................... 111
• 부록1 유동 해석 ........................................................................................... 111
• 제1절 C Type 노즐의 해석 결과 .................................................... 111
• 제2절 CD Type 노즐의 해석 결과 ................................................. 118
• 부록2 음압 해석 ........................................................................................... 125
• 제1절 개별 좌표 층에서의 음압 수준 분포 .................................. 125
• 부록3 시험 표준 ........................................................................................... 128
• Abstract ......................................................................................................................... 137