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[국내논문] 수치 해석을 이용한 감압 회류 수조 설계
Depressurized Circulating Water Channel Design Using CFD 원문보기

大韓造船學會 論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.40 no.4, 2003년, pp.22 - 29  

부경태 (삼성중공업) ,  조희상 (삼성중공업) ,  신수철 (삼성중공업)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

New high-speed depressurized circulating water channel was designed by using the CFD code. Flow in the channel has free surface and pressure in the test section can be depressed. In this study, Flow separation and bubble occurrence were considered in designing the contraction nozzle shape for better...

주제어

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제안 방법

  • 5W 펌프를 설치하였다. 고속 유동에서 자유 표면의 안정성을 위해 디퓨저를 가로 지르는 유동 분활 깃을 두었는데 방향 전환부 내에는 유선의 모양에 따라 5개의 유도 깃을 제안하였다. 그리고 자유 표면이 끝나는 곳에서는 에너지 손실과 파도가 이는 것을 막기 위해 파동 홉수 장치가 고안되었다.
  • 이때 방향 전환부의 높이가 자 유 표면이 끝나는 높이와 같을 경우 유동이 조금만 불안정해져도 공기가 수조 내로 유입될 수 있으므로 50mm의 턱을 만들었다. 그리고 Fig. 12에 서처럼 유체가 수조 벽면과 만나서 파도를 일으키 지 않도록 이곳에 칩으로 채워진 망을 설치하였고 투과성이 10서인 다공성 물질로 간주하여 수치적으로 해석해 보았다. Fig.
  • 이를 위하여 고속에서도 자유 표면 의 거동이 안정적이고 유동의 균일성을 보장할 수 있는 수축부가 설계 되었고 자유표면에서의 속도 감소를 막기 위한 노즐 분사 장치가 고안되었다. 그리고 자유 표면이 끝나는 곳에서 유동이 벽면과 만나 발생되는 조파 저항과 자유 표면으로 물결이 지는 것을 막기 위해 파동 흡수 장치를 제안하였다. 수조의 코너에는 큰 에너지 손실 없이 유동이 흐를 수 있도록 유도 깃을 두었고 고속의 경우 임계 초과 유동(snpercritical flow) 이 되어 유동 전 체가 불안정하게 되는 것을 억제하기 위해 디퓨저를 가르는 기다란 유동 분할 깃(flow splitter)을 설치하였다.
  • 본 연구에서는 수치 해석을 이용하여 회류 수조 를 설계 하고 제작하였다. 본 수조는 통상의 수조 보다 관측부에서 고속 유동이 가능하도록 여러부가 장치를 보안하거나 추가하였고 자유 표면 상공 의 압력을 제어할 수 있도록 관측부 위로 뚜껑을 씌웠다 (Fig.1). 사양은 영국의 계측기 및 수조 제조업체인 Cussons 사의 FA11A'를 모델로 하였는데 Table 1에서 두 수조를 비교하였다.
  • 본 연구에서는 수치 해석을 이용하여 회류 수조 를 설계 하고 제작하였다. 본 수조는 통상의 수조 보다 관측부에서 고속 유동이 가능하도록 여러부가 장치를 보안하거나 추가하였고 자유 표면 상공 의 압력을 제어할 수 있도록 관측부 위로 뚜껑을 씌웠다 (Fig.
  • 그리고 자유 표면이 끝나는 곳에서 유동이 벽면과 만나 발생되는 조파 저항과 자유 표면으로 물결이 지는 것을 막기 위해 파동 흡수 장치를 제안하였다. 수조의 코너에는 큰 에너지 손실 없이 유동이 흐를 수 있도록 유도 깃을 두었고 고속의 경우 임계 초과 유동(snpercritical flow) 이 되어 유동 전 체가 불안정하게 되는 것을 억제하기 위해 디퓨저를 가르는 기다란 유동 분할 깃(flow splitter)을 설치하였다.
  • 수치 해석적으로 분석된 결과를 바탕으로 수조가 제작되었고 그 성능을 확인하기 위해서 관측부 에서의 유동 계측이 이루어졌다. Fig」5는 관측부 자유 표면에서 일어나는 서징을 유속별로 계측한 것으로 3m/s의 유속에서 2/m사!로 억제됨을 확인할 수 있었다.
  • 일반적으로 이를 위해 일반 수조들은 드럼 타입의 표면류 가속장치를 사용하 는데 이 장치는 고속에서 효과가 없고 감압을 시킬 경우 압력이 새는 것을 막기가 힘이 든다 따라서 본 연구에서는 수조의 아래 관에서 펌프를 이용해 물을 끌어올려서 노즐을 통해 분사하는 장치를 설계하였다. 이때 분사 방식은 제파판 끝에서 수력 점프(hydraulic jump)가 발생하는 것을 막기 위해 Fig.4에서처럼 아래로 15°의 각도로 분사 하였고 가속 효과를 주기 위해 주 유동보다 2배 빠른 속도를 기준으로 하였다. Fig.
  • 그리고 자유 표면에서는 유속이 떨어지므로 이를 막기 위해 표면의 속도를 가속시킬 수 있어야 한다. 일반적으로 이를 위해 일반 수조들은 드럼 타입의 표면류 가속장치를 사용하 는데 이 장치는 고속에서 효과가 없고 감압을 시킬 경우 압력이 새는 것을 막기가 힘이 든다 따라서 본 연구에서는 수조의 아래 관에서 펌프를 이용해 물을 끌어올려서 노즐을 통해 분사하는 장치를 설계하였다. 이때 분사 방식은 제파판 끝에서 수력 점프(hydraulic jump)가 발생하는 것을 막기 위해 Fig.

대상 데이터

  • 수축부는 관측부에서 필요한 유속을 만들고 유동을 균일하게 만드는 것이 목적이다. 본 연구에서는 Fig.2와 같이 입구는 2.17m 정사각형이 고 출구는 1.4x0.84/77로 4:1의 수축비를 가지는 수축부를 설계하였다. z방향으로의 길이는 2.

이론/모형

  • FLUENT V.5.4를 이용해 난류 해석은 벽함수를 이용한 k-£모델(Launder/Spalding 1974)을 자유 표면을 위해서는 VOF (Volume Of Fluid) 방법이 사용되었다. 여기서 작동 유체의 밀도(q)는 998.
  • 84/77로 4:1의 수축비를 가지는 수축부를 설계하였다. z방향으로의 길이는 2.5m이고 형상은 Wetz이등(1994)이 제안한 식(1)의 5차 곡선식을 사용하였다. 이 식은 이차 유동의 발생을 막기 위해 두 번 미분한 값이 연속을 유지하고 있고 변곡점의 값에 따라 공동 현상이 발생될 수 있는 수축부 윗면과 박리 가능성이 있는 수축부 밑면의 역압력 구배 크기를 조절할 수 있는 효과가 있다
  • 1). 사양은 영국의 계측기 및 수조 제조업체인 Cussons 사의 FA11A'를 모델로 하였는데 Table 1에서 두 수조를 비교하였다.
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참고문헌 (9)

  1. 김진, 김형태 1997 “수축부 기초 유동 해석을 위한 삼차원 Euler 방정식 풀개 개발,” 한국 전산 유체 공학회, 제2권 제 1호. 

  2. 부경태 2001 “감압 회류수조 설계를 위한 수치 해석 연구,” 삼성중공업(주) 조선플랜트연구소 연구 보고서. 

  3. 이승준 1995 “회류수조의 과거와 미래,” Report of the Ind. Educ. Research Center, Vol. 18. No. 1, pp.130-138. 

  4. Launder, B.E., Spalding, D.B. 1974 “The Numerical computation of Turbulent Flows,” Comp. Meth. Appl. Mech. and Eng., Vol.3, pp. 269-289 

  5. Muzaferija, S., Peric, M., 1997 " Computation of Free-Surface Flows Using the Finite-Volume Method and Moving Grids," Num. H. Trans., Part B Vol. 32, pp. 369-384. 

  6. Runstadler, P. W. Jr., et al., Diffuser Data Book, Creare Inc. Tech. Note 186, Hanover, N. H., 1975 

  7. Robert Gordon, Mohammed S. Imbabi, 1998 "CFD Simulation and Experimental Validation of a New Closed Circuit Wind/Water Tunnel Design," Tran. ASME, J. Fluid Eng., Vol.120, pp. 311-318. 

  8. Wetzel, J. M., Arndt, R.E.A., 1994 “Hydrodynamic Design Considerations for Hydroacoustic Facilities: Part 1-Flow Quality,” Tran. ASME, J. Fluid Eng., Vol.116, pp. 324-331. 

  9. William H. Rae., Jr. A. Alan Pope. "Low Speed Wind Tunnel Testing" 

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