[논문]패널법을 이용한 POD형 워터제트 추진장치의 성능해석

김현열; 김문찬; 전호환; 정석호

doi:10.3744/snak.2004.41.5.014

가설 설정

여기서 임펠러와 스테이터의 날개와 후연반류면에서의 점성의 영향은 미소하다고 가정한다. 그리하여 임펠러와 스테이터는 비점성, 비압축성인 유체의 비회전성 유동장에서 작동한다고 가정한다.
여기서 임펠러와 스테이터의 날개와 후연반류면에서의 점성의 영향은 미소하다고 가정한다. 그리하여 임펠러와 스테이터는 비점성, 비압축성인 유체의 비회전성 유동장에서 작동한다고 가정한다.

제안 방법

본 논문에서는 POD형 워터제트의 성능을 해석 하기 위하여 프로펠러의 단독성능 해석에 성공적으로 적용된 바있는(Lee 1987, 김영기 등 1991) 포텐셜을 기저로 한 패널법을 적용하였다. 관내 유동을 해석하기 위하여 벽면을 형상 그대로 재현하여 벽면의 유기 포텐셜을 계산하였다.
본 논문에서는 덕트에서의 제어점과 프로펠러 날개끝 부근에서의 특이점과의 중첩으로 인해 해의 정확성이 떨어지는 직선형 덕트보다는 보다 해의 정확성을 고려하여 날개 상류에서는 피치를 따라 유선방향으로 패널을 유지시키고, 스테이터 하류 부분에서는 후류면과 일치하도록 패널을 구성하였다. 따라서 Fig. 5어서와 같이 패널을 구성하여 계산을 수행하였으며, 날개끝에서의 해의 안정성을 위하여 날개 코드방향의 패널은 같은 기로 등분할하였으며, 덕트의 축방향으로는 임펠러와 스테이터 부근에서 인렛부보다 조밀하게 구성 하였다. Fig.
또한 스테이터의 경우 덕트표면에 부착되기 때문에 임펠러와 동일한 문제에 봉착하게 된다. 따라서 본 논문에서는 반경방향으로 등간격으로 분할 하였다.
모형시험에 사용된 POD 모형은 1/3.5의 scale 로 제작 되어졌으며, 워터제트에는 19개의 압력 관을 Fig. 12와 같이 정의된 위치의 각 section에 3 또는 4개의 관을 설치하여 계측된 압력의 평균 값을 사용하였다. Fig.
POD형 워터제트에 대한 제원은 Table 1과 같다. 본 논문에서는 덕트에서의 제어점과 프로펠러 날개끝 부근에서의 특이점과의 중첩으로 인해 해의 정확성이 떨어지는 직선형 덕트보다는 보다 해의 정확성을 고려하여 날개 상류에서는 피치를 따라 유선방향으로 패널을 유지시키고, 스테이터 하류 부분에서는 후류면과 일치하도록 패널을 구성하였다. 따라서 Fig.
본 연구와 유사한 연구가 문일성 등(1996)에 의해 연구되어졌으나, 본 연구에서는 덕트 유입 속도와 임펠러에 유입되는 속도의 차이를 고려하여 보다 정도높은 해석이 가능함을 보였으며, 개발된 프로그램의 검증을 위하여 검증된 실험결과가 있는 Shrouded 프로펠러에 대하여 계산하였으며, 검증된 결과를 토대로 Pod형 워터제트에 적용하였다. 본 Pod형 워터제트는 부산대학교에서 실험을 수행하였으며 3 실험결과와 비교할 수 있었다.
수치해석을 위하여 임펠러와 스테이터, 덕트의 표면을 사각형 패널로 이산화 하였으며, Fig.5에 도시 하였다. 임펠러와 스테이터의 앞날부근은 다른 부분에 비하여 유동이 급격히 변하는 곳이다.
1는 helical type으로 형상화한 것이다. 일반적으로 보다 정확한 계산을 위하여 heilcal-type을 사용하므로, 본 논문에서도 helical-type의 덕트로 구성하였다.

대상 데이터

1와 같이 shrouded propeller를 사각 패널로 형상화된 모습이다. propeller는 코오 드방향 40개, 반경방향으로 8개의 패널로 구성되었으며, 축방향으로 100개, 반경방향으로는 30개의 패널로 구성되었다. Fig.
본 연구와 유사한 연구가 문일성 등(1996)에 의해 연구되어졌으나, 본 연구에서는 덕트 유입 속도와 임펠러에 유입되는 속도의 차이를 고려하여 보다 정도높은 해석이 가능함을 보였으며, 개발된 프로그램의 검증을 위하여 검증된 실험결과가 있는 Shrouded 프로펠러에 대하여 계산하였으며, 검증된 결과를 토대로 Pod형 워터제트에 적용하였다. 본 Pod형 워터제트는 부산대학교에서 실험을 수행하였으며 3 실험결과와 비교할 수 있었다.

데이터처리

본 논문에서 사용한 패널법을 검증하기 위하여 Shrouded propeller와 비교 검증을 하였다. POD 형 워터제트 추진장치와는 달리 Stator가 없이 실린더와 프로펠러만의 조합으로 이루어져있으며, 본 프로그램의 관내유동에 대한 적용의 타당성을 검증할 수가 있다.

이론/모형

본 논문에서는 POD형 물분사추진장치의 성능 해석을 위해서 포텐셜을 기저로한 패널법을 사용하였다. 경계 표면에 특이점을 직접 분포시켜, 3차원 형상을 보다 정확하게 고려하였으며, 그 계산의 검증을 위해 사용한 shrouded propeller에서는 본 방법의 타당성을 입증하였다.
본 논문에서는 POD형 워터제트의 성능을 해석 하기 위하여 프로펠러의 단독성능 해석에 성공적으로 적용된 바있는(Lee 1987, 김영기 등 1991) 포텐셜을 기저로 한 패널법을 적용하였다. 관내 유동을 해석하기 위하여 벽면을 형상 그대로 재현하여 벽면의 유기 포텐셜을 계산하였다.

성능/효과

본 논문에서 사용한 패널법을 검증하기 위하여 Shrouded propeller와 비교 검증을 하였다. POD 형 워터제트 추진장치와는 달리 Stator가 없이 실린더와 프로펠러만의 조합으로 이루어져있으며, 본 프로그램의 관내유동에 대한 적용의 타당성을 검증할 수가 있다.
본 논문에서는 POD형 물분사추진장치의 성능 해석을 위해서 포텐셜을 기저로한 패널법을 사용하였다. 경계 표면에 특이점을 직접 분포시켜, 3차원 형상을 보다 정확하게 고려하였으며, 그 계산의 검증을 위해 사용한 shrouded propeller에서는 본 방법의 타당성을 입증하였다. 이를 토대로 POD형 워터제트에도 적용하여 실험결과와 성능계 수들을 비교하여 만족할만할 결과를 얻을 수가 있었다.
특히 본 연구모델의 형상적인 특징으로 인하여, 스테이터에서는 음의 값이 계산 나온 것을 알 수 가있다. 본 계산에서는 반복계산방법을 사용하여, 반복수가 증가할수록 임펠러에 걸리는 하중이 줄어들면서 수렴하는 것을 볼 수가 있었다.
본 연구에서 다루는 Pod 형 워터제트의 경우는 비속도가 굉장히 높아 전형적인 축류형이라 할 수 있으며 덕트가 짧아 일반 배에서 사용하는 덕트형 프로펠러와 유사하다 할 수 있다. 그러므로 임펠 러의 효율은 플러쉬형에 비하여 떨어지나 모우멘텀 효율이 우수하여 전체적으로 플러쉬형과 비슷 하거나 약간 높은 효율을 보인다고 할 수 있다.
경계 표면에 특이점을 직접 분포시켜, 3차원 형상을 보다 정확하게 고려하였으며, 그 계산의 검증을 위해 사용한 shrouded propeller에서는 본 방법의 타당성을 입증하였다. 이를 토대로 POD형 워터제트에도 적용하여 실험결과와 성능계 수들을 비교하여 만족할만할 결과를 얻을 수가 있었다.

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