[논문]프로펠러 압력면 캐비테이션의 초기발생 추정 및 실험 검증

안병권; 이창섭; 유용완; 문일성

doi:10.3744/snak.2007.44.5.467

문제 정의

본 연구에서는 설계단계에서 압력면 캐비테이션 발생 유무를 빠르게 추정하여 설계에 반영할 수 있는 수치해석기법 개발을 목표로 하였다. 압력 면 캐비테이션 추정은 Kerwin and Lee(1978)에 의하여 개발되고 수치 계산의 안정성이 입증된 프로펠러 비정상 성능 해석 기법(문일성 등 1996)을 사용하였다.
본 연구에서는 패널법을 이용한 프로펠러 비정상 성능 해석을 통해 계산된 압력면의 압력분포를 반경 방향의 캐비테이션 수와 비교하여 해당 반경에서의 캐비테이션 발생 유무를 쉽고 확인할 수 있는 방법을 개발하였다. 수치 해석 결과는 모형시험 결과와의 비교/검토를 통하여 압력면 캐비테이션의 발생 여부를 신속하게 판단하고, 최대 발생 영역을 비교적 정확하게 예측할 수 있음을 확인하였다.

가설 설정

프로펠러는 비점성, 비압축성인 이상 유체의 비회전성 유동장에서 작동한다고 가정한다. 이상유체 가정하에서 프로펠러 날개, 허브 및 방출되는 반 류를 둘러싸고 있는 전 유체 영역에서 질량 보존의 법칙이 성립하여야 하므로 다음 의 식(1)과 같이 지배 방정식으로 Laplace 방정식을 얻을 수 있다.

제안 방법

Fig. 1은 A 프로펠러에 대한 수치 해석 결과로 날개 앞날 부근의 흡입면(SS, Suction Side)과 압력 면(PS, Presure Side)의 압력계수(-Q)를 전 회전각도에 대해 해당 반경 방향의 캐비테이션 수와 비교하였다. 이 프로펠러의 경우 홉입면 캐비테이션이 발생하지 않는 각도(90~280도)에서 압력 면 캐비테이션이 발생함을 볼 수 있으며, Fig.
압력 면 캐비테이션 추정은 Kerwin and Lee(1978)에 의하여 개발되고 수치 계산의 안정성이 입증된 프로펠러 비정상 성능 해석 기법(문일성 등 1996)을 사용하였다. 본 연구를 통해 개발된 수치해석 프로그램은 패널법을 바탕으로 한 프로펠러 비정상 성능해석에서 계산된 압력면의 압력 분포를 반경 방향의 캐비테이션 수와 비교하여 캐비데이션 발생 유무를 판별하는 비교적 간단하면서도 매우 안정적인 방법을 사용하였다. 추정된 수치 결과는 해양시스템안전연구소에서 수행한 모형 프로펠러 시험 결과와 비교 분석하여 그 신뢰성과 유용성을 검증하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 모형시험 관측 결과가 있는 각기 다른 선종의 특정 프로펠러 4개를 선정하여 수치계산을 수행하였으며, 각 프로펠러의 기본 제원은 Table 1과 같다. B 프로펠러를 제외한 A, C, D 프로펠러는 캐비테이션 시험에서 압력면 캐비테이션 발생이 관찰된 경우이다.

데이터처리

개발된 프로그램의 수치 계산 결과의 실용성을 검증하기 위하여 해양시스템 안전연구소의 캐 비테이션 터널에서 수행된 모형시험 결과와 비교 분석하였다. Table 2에 수치계산으로부터 얻은, 압력 면 캐비테이션 발생 영역을 모형시험 결과와 비교하여 정리하였다.
계산 결과에 대한 해석을 보다 쉽게 하기 위해 Fig. 3이후에서와 같이 극좌 표계 형식으로 표현하였으며, 최대 압력계수(-C0)를 갖는 반경 방향의 압력 면에 대해 해당 캐비테이션 수와 비교하였다. 즉 압력계수가 캐비테이션 수를 벗어나는 경우 압력하였다.
본 연구를 통해 개발된 수치해석 프로그램은 패널법을 바탕으로 한 프로펠러 비정상 성능해석에서 계산된 압력면의 압력 분포를 반경 방향의 캐비테이션 수와 비교하여 캐비데이션 발생 유무를 판별하는 비교적 간단하면서도 매우 안정적인 방법을 사용하였다. 추정된 수치 결과는 해양시스템안전연구소에서 수행한 모형 프로펠러 시험 결과와 비교 분석하여 그 신뢰성과 유용성을 검증하였다.

이론/모형

압력 면 캐비테이션 추정은 Kerwin and Lee(1978)에 의하여 개발되고 수치 계산의 안정성이 입증된 프로펠러 비정상 성능 해석 기법(문일성 등 1996)을 사용하였다. 본 연구를 통해 개발된 수치해석 프로그램은 패널법을 바탕으로 한 프로펠러 비정상 성능해석에서 계산된 압력면의 압력 분포를 반경 방향의 캐비테이션 수와 비교하여 캐비데이션 발생 유무를 판별하는 비교적 간단하면서도 매우 안정적인 방법을 사용하였다.

성능/효과

모형시험 결과와 HI교하여 계산된 압력면 캐비테이션 발생 범위는 다소 차이가 있지만, 관찰된 최대 발생지점(각도)은 계산에서 예측된 최대 발생지점과 잘 일치하며, 발생 경향은 매우 유사한 결과를 보여주고 있다.
방법을 개발하였다. 수치 해석 결과는 모형시험 결과와의 비교/검토를 통하여 압력면 캐비테이션의 발생 여부를 신속하게 판단하고, 최대 발생 영역을 비교적 정확하게 예측할 수 있음을 확인하였다. 한편 압력면 캐비테이션의 추정에 있어 프로펠러 앞날과 끝날 부근과 같이 형상 변화 심해 복잡한 유동 현상이 발행하는 영역에서도 정도 높은 계산 결과를 보여주는 B 스플라인 기저고차 패널 법이 본연구에서 사용한 저차 패널법보다 압력 면 캐비테이션을 해석하는 데 더 적합할 것으로 보이며, 수치 해석의 이해를 높이기 위해 정확한 캐비테이션의 체적 추정 및 가시화를 위한 연구가 필요하다고 판단된다.
9 는。프로펠러의 경우로 계산 결과 130~250도 부근에서 압력면 캐비테이션이 발생함을 보여주며, 모형시험 결과와 비교하여 최대 발생각도는 다소 차이가 있지만 해당 영역 부근에서 압력면 캐비테이션이 유사하게 발생되었다. 위의 계산 및 시험 결과들을 종합 분석해 볼 때 본 연구를 통해 개발된 해석방법으로 압력면 캐비테이션의 발생 유무, 발생 위치와 최대 발생각도를 비교적 정확하게 예측할 수 있음을 알 수 있다
8R 근처에 대한수치해석 결과와 모형시험 결과이다. 이 프로펠러의 계산 결과 250~300 도 영역(최대 280 도)에서, 압력면 캐비테이션이 발생함을 확인할 수 있으며, 시험 결과도 280도에서 최대 압력 면 캐비테이션이 발생하였다.
8과 Fig. 9 는。프로펠러의 경우로 계산 결과 130~250도 부근에서 압력면 캐비테이션이 발생함을 보여주며, 모형시험 결과와 비교하여 최대 발생각도는 다소 차이가 있지만 해당 영역 부근에서 압력면 캐비테이션이 유사하게 발생되었다. 위의 계산 및 시험 결과들을 종합 분석해 볼 때 본 연구를 통해 개발된 해석방법으로 압력면 캐비테이션의 발생 유무, 발생 위치와 최대 발생각도를 비교적 정확하게 예측할 수 있음을 알 수 있다

후속연구

수치 해석 결과는 모형시험 결과와의 비교/검토를 통하여 압력면 캐비테이션의 발생 여부를 신속하게 판단하고, 최대 발생 영역을 비교적 정확하게 예측할 수 있음을 확인하였다. 한편 압력면 캐비테이션의 추정에 있어 프로펠러 앞날과 끝날 부근과 같이 형상 변화 심해 복잡한 유동 현상이 발행하는 영역에서도 정도 높은 계산 결과를 보여주는 B 스플라인 기저고차 패널 법이 본연구에서 사용한 저차 패널법보다 압력 면 캐비테이션을 해석하는 데 더 적합할 것으로 보이며, 수치 해석의 이해를 높이기 위해 정확한 캐비테이션의 체적 추정 및 가시화를 위한 연구가 필요하다고 판단된다.

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