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문제 정의
- 본 연구에서는 꼬리날개가 부착된 3엽 핀 안정기용 핀의 성능을 수치적인 방법과 실험적인 방법을 통해 조사하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
제안 방법
- 경계조건으로는 유입면에서는 균일류 조건 (u = 1, V = w =0 )를 사용하였고, 유출면에서는 정압력이 일정하다는 조건을 사용하였으며 날개 표면에서는 Non-slip조건을 주었다.
- 점성 유동장 수치해석 프로그램은 캐비테이션 초기 발생 특성을 정성적으로 예측할 수 있다고 판단된다(송인행 등 2000, 부경태 등 2004). 그래서 본 절에서도 캐비테이션 모델을 쓰지 않고 날개표면에서의 압력분포를 비교하여 정성적으로 예측 해 보았다.
- 모형시험은 인하대학교 감압회류 수조동에서 수행하였다. 감압 회류수조의 계측부 길이는 5m, 폭은 1.
- 본 연구에서는 핀 안정기용 핀에 두 개의 꼬리날개를 부착하고 이 패 나타나는 양력성능의 향상 정도를 실험적인 방법과 수치적인 방법을 사용하여 조사하고 비교하였다.
- 본 연구의 핀 안정기용 핀은 주 날개 (main blade)와 두 개의 꼬리날개(tail fins) 그리고 날개 끝판(이id plates)으로 이루어져 있다. 주 날개로는 NACA 6 시리즈 날개단면 중의 하나인 NACA 65030을 택하였으며, 꼬리날개는 주 날개 뒷날 부근에서 발생하는 박리(separation)현상을 지연시킬 수 있도록 유동을 가속해 줄 수 있는 형상으로 설계하였다. 또한 주 날개의 하중이 날개 끝단에서 감소하는 것을 줄이고, 꼬리날개를 지지하기 위하여 날개 끝판을 부착하였다.
- 3의 두 가지 모형에 대해 실시하였다. 주날개 단독 모형은 수치제어형 모형삭성기룔 사용하여 우레탄으로 제작하였고, 표면을 매끄럽게 하기 위해서 폴리코트로 표면을 코팅하였다. 꼬리날개를 부착한 경우에는 상대적으로 복잡한 형상과 많은 부품을 가지므로 조립이 쉬운 알루미늄으로 제작하였다.
- 주날개와 꼬리날개가 장착된 핀의 CFD해석은실험조건과 동일하게 하여 실험값과 비교하였다.
- 지배방정식을 FVM(Finite Volume Method) 로차분화하였다. 지배방정식의 대류항은 3차 정도의 QUICK방법으로, 확산항은 2차정도의 중심차분법으로 보간하고, 2차 정도의 수치적분을 사용하여 이산화하였다.
- 캐비테이션 실험을 하지 않았기 때문에 캐비테이션 판단을 위한 CFD해석은 실제 크기로 해석하였고, 동일 Reynolds 수 에서 수치계산을 수행하였다.
- 핀 안정기용 핀의 캐비테이션 발생 가능성을 알아보기 위해 4가지의 선속 (15 kts, 17 kts, 21 kts, 25 kts)과 그에 따른 핀 안정기의 최대 작동 각 근처에서 수치계산을 수행하였다. 계산점은 Fig.
대상 데이터
- Fig. 4에 보인 핀안정기용 핀의 주 날개 단독인 경우의 총 격자수는 약 700, 000개 이며, Fig. 5에 보인 꼬리날개를 장착한 핀의 경우에 사용된 총격 자수는 약 900, 000개이다. 이 때 난류 경계층의 특성을 잘 표현하기 위하여 안정기 표면에서 가장 가까운 격자점들의 Y+ 값이 10 이하가 되도록 하였다.
- 1과 같다. 본 연구의 핀 안정기용 핀은 주 날개 (main blade)와 두 개의 꼬리날개(tail fins) 그리고 날개 끝판(이id plates)으로 이루어져 있다. 주 날개로는 NACA 6 시리즈 날개단면 중의 하나인 NACA 65030을 택하였으며, 꼬리날개는 주 날개 뒷날 부근에서 발생하는 박리(separation)현상을 지연시킬 수 있도록 유동을 가속해 줄 수 있는 형상으로 설계하였다.
이론/모형
- 2, 2000). 그리고 속도-압력의 연성은 SIMPLEC 방법을 사용하였다. 완화계수로는 압력에 대해서 0.
- 난류모형으로는 Realizable k-eixilon 모형을 사용했으며, 벽 근처에서 비교적 박리현상을 잘 모사한다고 알려져 있는 Non-Equilibrium Wall Function을 사용하였다.
- 08을 사용하였다. 뒷날 부근에서의 유동을 더욱 상세히 검토하기 위하여 C-H type의 topology를 선택하였으며 계산 영역은 #이다.
- 지배방정식의 대류항은 3차 정도의 QUICK방법으로, 확산항은 2차정도의 중심차분법으로 보간하고, 2차 정도의 수치적분을 사용하여 이산화하였다. 압력 방정식으로는 Rhin/Chow방법 (1998)을 수정한 FLUENT의 표준 방법을 사용하였다 (FLUENT 6.1 user's guide vol.2, 2000). 그리고 속도-압력의 연성은 SIMPLEC 방법을 사용하였다.
- 지배방정식의 대류항은 3차 정도의 QUICK방법으로, 확산항은 2차정도의 중심차분법으로 보간하고, 2차 정도의 수치적분을 사용하여 이산화하였다. 압력 방정식으로는 Rhin/Chow방법 (1998)을 수정한 FLUENT의 표준 방법을 사용하였다 (FLUENT 6.
성능/효과
- 1) 꼬리날개를 부착하면 박리현상의 지연과 꼬리날개 자체의 양력발생으로 양력이 크게 증가한다
- 2) 꼬리날개가 부착된 경우에도 핀 안정기의 최대 작동각 범위내에서는 주 날개 캐비테이션이 발생할 위험성이 높지 않다. 그러나 선속이 21 knots 이상으로 증가하면 꼬리날개 (tail blade) 부근에서 부분 캐비테이션이 발생할 가능성이 있다 .
- 8과 11, 9와 12를 비교하여 보면 받음각이 커지면서 이러한 경향이 더욱 뚜렸하게 나타남을 볼 수 있다. 또한 가속형 꼬리날개에 의하여 주날개 흡입면의 유동은 더욱 빠르게 가속되고, 주날개 압력면의 유동은 느려졌음을 확인 할 수 있다. 즉, 아래쪽 꼬리날개가 플랩과 비슷한 역할을 하고 있음을 알 수 있다
- 본 연구에서는 캐비테이션에 대한 상세한 실험이나 수치계산을 수행하지 않고 단순히 핀의 표면에서의 압력분포를 계산하여 음의 압력계수(-Cp) 가 캐비테이션 수(O , )보다 같거나 크면 캐비테이션이 발생할 가능성이 높은 것으로 판단하였다.
후속연구
- 3) 꼬리날개의 부착에 따라 양력뿐만 아니라 항력도 증가하므로 꼬리날개의 간극변화에 따른 핀 안정기의 유체역학적 성능의 변화를 조사하기 위한 후속 연구가 필요할 것으로 보인다.
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