KRISO 3600 TEU 컨테이너 모형선의 반류 유동을 PIV 기법을 이용하여 측정하였다. 본 실험은 시험부의 크기가 $1.0^W{\times}1.0^H{\times}4.5^L(m)$인 회류수조에서 수행되었는데, 선박 반류의 종단면과 횡단면에서 속도장을 측정함으로써 반류의 유동특성을 해석하였다. 실험시 횡단면 측정은 반류영역인 Station -0.5767, -1, -3의 3단면에서 수행하였고, 종단면의 경우 배의 중심 평면에서 우현방향으로 Z/(B/2)=0, 0.1, 0.2, 0.4, 0.6의 5단면에서 속도장을 측정하였다. 자유흐름속도는 $U_O=0.6m/s$로 고정하였는데, 수선간 길이 $L_{PP}=1.5m$에 기초한 레이놀즈수는 약 $Re=9{\times}10^5$이다. 각각의 측정 단면에서 순간속도장 400장을 구하고, 이들을 앙상블(ensemble) 평균하여 평균속도장, 난류운동 에너지 및 와도의 공간분포를 구하였다. 반류영역에는 서로 반대방향으로 회전하는 한 쌍의 longitudinal 보오텍스가 존재하며 수선 근처에 반대방향으로 회전하는 2차 와류가 발생하였다. 하류로 나아감에 따라 longitudinal 보오텍스와 2차 와류는 난류확산과 점성소산에 의하여 강도가 약화되지만 반류영역은 점차 확장된다.
KRISO 3600 TEU 컨테이너 모형선의 반류 유동을 PIV 기법을 이용하여 측정하였다. 본 실험은 시험부의 크기가 $1.0^W{\times}1.0^H{\times}4.5^L(m)$인 회류수조에서 수행되었는데, 선박 반류의 종단면과 횡단면에서 속도장을 측정함으로써 반류의 유동특성을 해석하였다. 실험시 횡단면 측정은 반류영역인 Station -0.5767, -1, -3의 3단면에서 수행하였고, 종단면의 경우 배의 중심 평면에서 우현방향으로 Z/(B/2)=0, 0.1, 0.2, 0.4, 0.6의 5단면에서 속도장을 측정하였다. 자유흐름속도는 $U_O=0.6m/s$로 고정하였는데, 수선간 길이 $L_{PP}=1.5m$에 기초한 레이놀즈수는 약 $Re=9{\times}10^5$이다. 각각의 측정 단면에서 순간속도장 400장을 구하고, 이들을 앙상블(ensemble) 평균하여 평균속도장, 난류운동 에너지 및 와도의 공간분포를 구하였다. 반류영역에는 서로 반대방향으로 회전하는 한 쌍의 longitudinal 보오텍스가 존재하며 수선 근처에 반대방향으로 회전하는 2차 와류가 발생하였다. 하류로 나아감에 따라 longitudinal 보오텍스와 2차 와류는 난류확산과 점성소산에 의하여 강도가 약화되지만 반류영역은 점차 확장된다.
The flow characteristics around KRISO 3600TEU container ship model have been experimentally investigated in a circulating water channel. The instantaneous velocity vectors were measured using 2-frame PIV measurement system. The mean velocity fields and turbulent statistics including turbulent kineti...
The flow characteristics around KRISO 3600TEU container ship model have been experimentally investigated in a circulating water channel. The instantaneous velocity vectors were measured using 2-frame PIV measurement system. The mean velocity fields and turbulent statistics including turbulent kinetic energy and vorticity were obtained by ensemble-averaging 400 instantaneous velocity fields. The free stream velocity was fixed at 0.6m/s and the corresponding Reynolds number was $9{\times}10^5$. The test sections were divided into two regions, three transverse sections of the wake region(Station -0.5767, -1, -3) and five longitudinal sections of the wake((Z/(B/2)=0, 0.1, 0.2, 0.4, 0.6). In the wake region, large-scale longitudinal vortices of nearly same strength are symmetric with respect to the wake centerline and a relatively weak secondary vortex is formed near the waterline. With going downstream, the strength of longitudinal vortex is decreased and the wake region expands.
The flow characteristics around KRISO 3600TEU container ship model have been experimentally investigated in a circulating water channel. The instantaneous velocity vectors were measured using 2-frame PIV measurement system. The mean velocity fields and turbulent statistics including turbulent kinetic energy and vorticity were obtained by ensemble-averaging 400 instantaneous velocity fields. The free stream velocity was fixed at 0.6m/s and the corresponding Reynolds number was $9{\times}10^5$. The test sections were divided into two regions, three transverse sections of the wake region(Station -0.5767, -1, -3) and five longitudinal sections of the wake((Z/(B/2)=0, 0.1, 0.2, 0.4, 0.6). In the wake region, large-scale longitudinal vortices of nearly same strength are symmetric with respect to the wake centerline and a relatively weak secondary vortex is formed near the waterline. With going downstream, the strength of longitudinal vortex is decreased and the wake region expands.
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문제 정의
본 연구에서는 2-frame PIV 기법을 이용하여 KCS 모형선의 반류영역에서 반류의 난류유동특성을 실험적으로 해석하였다. Z/(B/2)=0.
본 연구에서는 KRISO 3600TEU 컨테이너선(이후 KCS로 표시함) 모형을 측정 대상 선형으로 선정하고 2-frame PIV(Particle Image Velocimetry) 속도장 측정기법을 이용하여 선미반류의 평균속 도와 난류통계치의 공간분포를 측정하고 유동특성을 해석하고자 한다.
가설 설정
난류통계치들의 공간분포를 구하기 위해서 순간속도장으로부터 평균속도장 결과를 빼 순간속도의 섭동성분을 구하고 이들을 앙상블 평균하였다. 또한, in-plane 속도성분(u,V) 정보만을 가지고 있으므로 등방성 (isotropic) 가정을 적용하여 난류운동에너지 k를 다음과 같이 계산하였다.
제안 방법
속도장 측정기법에 관한 자세한 내용은 참고문헌(이상준 2001)에 잘 묘사되어 있다. 각각의 측정단면에서 순간속도장 400장을 구하고, 이들을 앙상블(ensemble) 평균하여 평균속도장 및 와도의 공간분포를 구하였다.
난류통계치들의 공간분포를 구하기 위해서 순간속도장으로부터 평균속도장 결과를 빼 순간속도의 섭동성분을 구하고 이들을 앙상블 평균하였다. 또한, in-plane 속도성분(u,V) 정보만을 가지고 있으므로 등방성 (isotropic) 가정을 적용하여 난류운동에너지 k를 다음과 같이 계산하였다.
이 때, 유동의 발달과정을 관찰하기 위해서 120mmX 120mm크기의 측정단면 2개를 길이방향으로 겹쳐 사용하였으며, 시간간격(사)는 800㎲로 하였다. 모든 측정단면들에서 측정한 입자영상 으로부터 속도장을 구하기 위해 미소조사구간의 크기를 48×48pixels2으로 하고 50% 중첩하였다. 속도장 측정기법에 관한 자세한 내용은 참고문헌(이상준 2001)에 잘 묘사되어 있다.
4)에 대한 순간속도장 결과를 나타낸 것이다. 반류 영역 내부의 와류구조를 보다 명확히 나타내기 위해서 순간속도장 결과에서 U, V속도성분의 평균 값을 빼고, X축과 Y축은 수선간거리(LPP)와 흘수의 크기(T)로 각각 무차원화 하였다.
1에 나타내었다. 선박모델에서 선수(FP, fore perpendicular)2I- 선 미(AP, after perpendicular) 를 기준으로 총 20개의 Station으로 나누었고, 선수부를 Station 20.0, 선미부를 0.0, 그리고 프로펠러 평면은 Station 0.35에 위치시켰다.
3은 본 연구에 사용한 좌표계와 측정 단면을 나타낸 것이다. 실험시 longitudinal 보오텍스의 대칭성과 상호작용을 조사하기 위해 Station -0.5767, -1, -3의 3개의 단면에서 속도장을 측정하였다. 이때 측정영역(field of view)의 크기는 150mm×50mm이고, 2개의 레이저 펄스 사이의 시간간격(At)은 2ms로 하였다.
펄스형 Nd:Yag 레이저는 노출시간이 7ns이고, 강도가 25mJ 이상인 two-head 방식으로 펄스의 최대 반복 주기는 20Hz이다. 실험시 동기 장치는 Nd:Yag 레이저와 Kodak CCD 카메라를 동기시킴으로써 프레임 노출시간 중 원하는 순간에 레이저 평면광을 유동장에 조사한다. 그리고 본 연구에 사용되어 진입자는 평균직경이 10um인 은구슬 (silver coated hollow glass)을 사용하였고, 레이저 평면광의 두께는 3mm로 조절 하였다.
6의 5개 반류영역 종단면에서의 속도장 을 측정하였다. 이 때, 유동의 발달과정을 관찰하기 위해서 120mmX 120mm크기의 측정단면 2개를 길이방향으로 겹쳐 사용하였으며, 시간간격(사)는 800㎲로 하였다. 모든 측정단면들에서 측정한 입자영상 으로부터 속도장을 구하기 위해 미소조사구간의 크기를 48×48pixels2으로 하고 50% 중첩하였다.
TwcLfiame PIV방식은 두 개의 입자영상을 취득하고 이들로부터 순간속도장을 구하게 된다. 이때 첫 번째 입자영상과 두 번째 입자영상패턴을 상호상관(cross-correlation) 알고리즘을 적용하여 각각의 조사-구간(inteirogation window)에서의 변위를 구하고, 이들을 시간간격(사)로 나누어 줌으로써 속도장 결과를 얻게 된다.
이때 측정영역(field of view)의 크기는 150mm×50mm이고, 2개의 레이저 펄스 사이의 시간간격(At)은 2ms로 하였다. 폭방향으로 Z/(B/2)=0, 0.1, 0.2, 0.4, 0.6의 5개 반류영역 종단면에서의 속도장 을 측정하였다. 이 때, 유동의 발달과정을 관찰하기 위해서 120mmX 120mm크기의 측정단면 2개를 길이방향으로 겹쳐 사용하였으며, 시간간격(사)는 800㎲로 하였다.
대상 데이터
Fig.2는 본 연구에 사용되어진 속도장 측정시스템을 나타낸 것으로 Nd:Yag 레이저, Kodak 2Kx2K CCD 카메라, 프레임 그래버, 동기장치, PC 등으로 구성되어 있다. 펄스형 Nd:Yag 레이저는 노출시간이 7ns이고, 강도가 25mJ 이상인 two-head 방식으로 펄스의 최대 반복 주기는 20Hz이다.
실험시 동기 장치는 Nd:Yag 레이저와 Kodak CCD 카메라를 동기시킴으로써 프레임 노출시간 중 원하는 순간에 레이저 평면광을 유동장에 조사한다. 그리고 본 연구에 사용되어 진입자는 평균직경이 10um인 은구슬 (silver coated hollow glass)을 사용하였고, 레이저 평면광의 두께는 3mm로 조절 하였다.
본 연구에서 사용된 KCS 모형선은 실제 선형과 길이비가 약 153:1의 크기로 축소되어 제작되었다. 모형의 크기는 수선간 길이(Lpp) 1.
지금까지 여러가지 기하학적 형상의 선형에 대한 실험적 연구들이 수행되어져 왔다. 실험적 연구들 로는 SSPA 화물선(Lmsson 1974), HSVA 탱커 (ITTC 1987), 시리즈 60 hull(Toda 1988)과 같은 형상의 선박 모델에 관한 연구가 이루어졌다. 그러나 대부분의 기초 연구들은 추진기에 유입되는 유동형상을 규명하는데 목적을 두었기 때문에 선미에서의 유동에 관심이 집중되었다.
이론/모형
또한 선미를 지나 반류로 나아감에 따라 점성과 비점성 유동의 상호작용이 일어나며, 결과적으로 점성소산이 일어나게 된다. 선박 주위의 유동구조를 실험적으로 해석한 기초 연구들은 열선유속계(김학록 1999), 5공 pitot 튜브(반석호 2000, 김우전 2000), 그리고 LDV(최정 은 1999)와 같은 점측정(point measurement) 계측장비를 사용하였다. 그러나, 최근 들어 속도장 측정기법인 PIV기법이 개발되면서, 선박주위 유동 구조의 해석에 PIV기법이 사용되기 시작하였다.
성능/효과
63높이를 기준으로 하부영역에서는 상부 영역보다 큰 속도구배가 존재하는데, 이러한 현상 은 큰 모멘트를 가진 자유흐름의 운동량이 점성유 동영역으로 전달되기 때문이다. 반류 중심축 (Z=0)에서 주유동방향 평균속도는 하류로 나아감 에 따라 전반적으로 속도결손을 회복하고 있다, 특히, X/L"=0.13위히의 Y/T=0.63높이에서는 자유흐름속도의 약 75%까지 회복하고 있으며, 자유 표면유속은 50%까지 회복됨을 확인할 수 있다.
참고문헌 (12)
김우전, 반석호, 김도현, 이춘주 2000 “선미선형을 변화시킨 두 척의 KRISO 300K VLCC 모형주위의 유동과 저항추진 특성에 대한 실험적 연구,” 대한조선학회지, 제37권 제3호, pp.11-20.
ITTC 1987 "Report of the Resistance and Flow Committee", Proc. 18th ITTC (International Towing Tank Conference), Vol. 1, pp.47-95, Kobe, Japan.
Larsson, L. 1974 "Boundary Layers of Ships, Part III : An Experimental Investigation of the Turbulent Boundary Layer on a Ship Model", SSPA, Gothenburg, Sweden, Report No. 46.
Rae, W. H. and Pope, A. 1984 "Low-speed Wind Tunnel Testing", 2nd Ed., New York, Wiley.
Dong, R. R., Katz, J. and Huang, T. T., 1995 "PIV Measurement of Flow Structure around a Ship Model", ASME, Vol 229, pp.425-433.
Sarda, O. P. "Turbulent Flow Past Ship Hulls-An Experiment and Computational Study", Ph.D Thesis, Mech. Eng., Univ.of Iowa.
Toda, Y., Stern, F., Tanaka, I. and Patel, V. C. 1988 "Measurements in the Stern and Wake flow of a Series 60 Ship With and Without a Propeller", IIHR, Univ of Iowa, IIHR Report No.326.
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