[논문]프로펠러 및 선미반류에 의해 영향을 받는 혼-타의 캐비테이션 관찰 및 간극 유동에 대한 가시화 연구

백부근; 김경열; 안종우; 박선호; 허재경; 유병석

doi:10.3744/snak.2008.45.3.238

프로펠러 및 선미반류에 의해 영향을 받는 혼-타의 캐비테이션 관찰 및 간극 유동에 대한 가시화 연구
Cavitation Observation and Visualization of the Gap Flows on a Rudder Influenced by Propeller Slipstream and Hull Wakes 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.45 no.3, 2008년, pp.238 - 246

백부근 (한국해양연구원 해양시스템안전연구소) , 김경열 (한국해양연구원 해양시스템안전연구소) , 안종우 (한국해양연구원 해양시스템안전연구소) , 박선호 (한진중공업(주) 기술연구소 선박해양연구팀) , 허재경 (한진중공업(주) 기술연구소 선박해양연구팀) , 유병석 (한진중공업(주) 기술연구소 선박해양연구팀)

Abstract ▼ AI-Helper

In the present study, the influences on the gap cavitaiton of the semi-spade rudder are investigated experimentally in the condition with propeller and hull wakes. To reduce the scale effect in the given experimental conditions, 1/28.5-scale-down models of propeller and rudder are manufactured. We have the propeller rotate ahead of the rudder, inducing the three dimensional effects originated from the propeller action. Experimental methods are composed of the cavitation observation using high speed camera, PIV (particle image velocimetry) measurements to visualize the cavitaition and flows around the gap. The propeller slipstream affects both of the gap flows and cavitation of the rudder.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

실제 혼-타는 균일 유동 안에 존재하지 않고 선미 반류와 프로펠러 후류 내에 존재하게 되므로 모형 실험 시 선미 반류와 프로펠러 후류가 어떻게 타 캐비테이션 또는 간극 유동에 영향을 미치는지에 대한 이해가 필요하다. 본 연구에서는 프로펠러 및 선미 반류가 없는 균일유동(uniform flow), 프로펠러 및 선미 반류 모두 존재하는 경우에서 혼-타의 회전각을 변화시키면서 간극캐비테이션의 거동을 관찰하여 각 요소들이 타에 주는 유체역학적인 특성을 조사하고 추후 형상개선을 위한 자료를 확보하고자 하였다.
본 연구에서는 혼-타에 영향을 주는 유입 유동의 특성을 자세히 조사하기 위하여 균일 유동안에 존재하는 혼-타와 전방에 선미 반류와 프로펠러가 모두 존재할 경우의 혼-타 모형에 대하여 살펴보았다. 혼-타에 발생하는 캐비테이션을 관측하기 위해 고속카메라를 사용하였으며 간극 출입구 주위에서 유동의 속도장을 계측하여 유입 유동 조건이 간극 유동에 미치는 영향을 조사하였다.
(2006b)은 대부분의 상선에 적용되고 있는 혼-타(semi-spade rudder)의 간극 부분을 1/10척도로 제작하고 균일 유동 조건에서 캐비테이션 실험을 수행하여 캐비테이션 수의 변화에 따른 간극 유동 및 간극 캐비테이션에 대한 연구를 수행하였다. 이 결과를 이용하여 간극캐비테이션을 감소시킬 수 있는 간극 입구 형상 설계에 대한 기초 자료를 마련하였다. 그러나 선미 반류 및 프로펠러가 혼-타 전방에 놓이게 될 경우 타에 입사각을 가지고 유동이 유입되어 흡입면과 압력면에 대칭적인 캐비테이션이 나타나지 않고 간극 유동의 특성이 바뀌게 되므로 간극 입구 형상에 대한 세심한 검토가 필요하다.

제안 방법

간극 주위에서 발생하는 간극 캐비테이션에 간극 유동이 어떠한 영향을 주는지 살펴보기 위하여 하부 핀틀에 대하여 속도장을 계측하였다. 압력면 주위에서는 주유동 방향 성분이 감소하고 간극으로의 횡방향 유입 속도 성분이 증가한다.
사용한 CCD 카메라의 해상도는 1024 x 1024 pixels이다. 레이저 평면광을 Fig. 3과 같이 공동수조 옆에서 조사하고 아래 쪽에 카메라를 배치하여 5.5 x 5.5 cm² 크기의 측정단면에서 속도장을 측정하였다. 산란입자로서 TiO₂ (titanium dioxide)를 사용하였고 PIV 알고리즘을 이용하여 계산된 속도장의 유효 공간 해상도는 0.
타 모형을 공동 수조의 관측부에 설치하였다. 본 연구에서는 타 캐비테이션에서 나타나는 척도 효과를 가능한 줄이기 위하여 공동수조에서 수용 가능한 최대 척도 1/28.5로써 프로펠러와 혼-타 모형을 제작하였다. 프로펠러의 직경은 294.
실제로 혼-타에 미치는 프로펠러 후류의 영향에 대하여 살펴보기 위해 프로펠러 및 선미 반류가 없을 경우 혼-타에 나타나는 캐비테이션을 고속카메라로 관측하였다. 타 단독 실험을 프로펠러가 있을 때의 조건과 유사하게 설정하기 위하여 타 단독 실험 시 타의 중심 위치에서의 유입속도를 프로펠러 후류가 타의 중심을 지날 때의 속도와 동일하게 조절하였다.
타에 대한 연구는 실험적 또는 이론적 방법을 이용하여 수행되어 왔다. 이론적으로는 Li(1994)가 프로펠러와 타의 상호작용을 계산할 수 있는 선형 방법을 개발하였고 실험 결과와 비교하였다. 최근에는 Kim et al.
타 단독 실험을 프로펠러가 있을 때의 조건과 유사하게 설정하기 위하여 타 단독 실험 시 타의 중심 위치에서의 유입속도를 프로펠러 후류가 타의 중심을 지날 때의 속도와 동일하게 조절하였다. 이를 위하여 타의 중심에서 유체 속도를 PIV 기법으로 계측하면서 공동 수조의 유속을 조절하였다. 또한 공동수조의 압력을 조절하여 캐비테이션 수 조건을 만족시켰다.
혼-타에 발생하는 캐비테이션을 관측하기 위해 고속카메라를 사용하였으며 간극 출입구 주위에서 유동의 속도장을 계측하여 유입 유동 조건이 간극 유동에 미치는 영향을 조사하였다. 이와 같은 조사를 통하여 프로펠러 후류가 타 캐비테이션에 어떻게 영향을 주는지 알아 보았고 간극에서 횡방향으로 유출된 간극 유동을 계측하여 간극 주위의 주유동과 프로펠러 후류면과의 관계를 살펴 보았다.
7, 8과 같이 간극 주위의 속도장을 계측하였다. 카메라를 수조 바닥 아래에 위치 시켰기 때문에 편의상 상류 방향을 Y 방향, 좌현 방향을 X 방향으로 정의하고 평면광을 수조의 좌현 바깥쪽에서 혼-타의 하부 핀틀 중앙부를 향하여 조사하였다. 타를 지나가는 유동 속도를 고려하여 레이저의 두 개 펄스의 시간 간격을 30μs ~40μs로 설정하였다.
캐비테이션 수 σV는 일정하게 1.5로 고정시키고 타각 θ 의 변화가 간극캐비테이션에 주는 영향을 살펴보기 위하여 타각을 -10°에서 10°까지 변화시켜가며 간극캐비테이션의 특성을 조사하였다.
실제로 혼-타에 미치는 프로펠러 후류의 영향에 대하여 살펴보기 위해 프로펠러 및 선미 반류가 없을 경우 혼-타에 나타나는 캐비테이션을 고속카메라로 관측하였다. 타 단독 실험을 프로펠러가 있을 때의 조건과 유사하게 설정하기 위하여 타 단독 실험 시 타의 중심 위치에서의 유입속도를 프로펠러 후류가 타의 중심을 지날 때의 속도와 동일하게 조절하였다. 이를 위하여 타의 중심에서 유체 속도를 PIV 기법으로 계측하면서 공동 수조의 유속을 조절하였다.
타를 지나가는 유동 속도를 고려하여 레이저의 두 개 펄스의 시간 간격을 30μs ~40μs로 설정하였다.
프로펠러 및 선미 반류가 간극 주위의 유동에 대하여 어떠한 영향을 주는지 살펴보기 위하여 하부 핀틀의 중앙부에서 X-Y 평면에 대하여 Fig. 7, 8과 같이 간극 주위의 속도장을 계측하였다. 카메라를 수조 바닥 아래에 위치 시켰기 때문에 편의상 상류 방향을 Y 방향, 좌현 방향을 X 방향으로 정의하고 평면광을 수조의 좌현 바깥쪽에서 혼-타의 하부 핀틀 중앙부를 향하여 조사하였다.
본 연구에서는 혼-타에 영향을 주는 유입 유동의 특성을 자세히 조사하기 위하여 균일 유동안에 존재하는 혼-타와 전방에 선미 반류와 프로펠러가 모두 존재할 경우의 혼-타 모형에 대하여 살펴보았다. 혼-타에 발생하는 캐비테이션을 관측하기 위해 고속카메라를 사용하였으며 간극 출입구 주위에서 유동의 속도장을 계측하여 유입 유동 조건이 간극 유동에 미치는 영향을 조사하였다. 이와 같은 조사를 통하여 프로펠러 후류가 타 캐비테이션에 어떻게 영향을 주는지 알아 보았고 간극에서 횡방향으로 유출된 간극 유동을 계측하여 간극 주위의 주유동과 프로펠러 후류면과의 관계를 살펴 보았다.
혼-타의 전방에 프로펠러 및 선미 반류가 존재할 경우 나타나는 간극 캐비테이션의 특성을 살펴보기 위해 정성적 및 정량적인 가시화 기법을 이용하여 실험을 수행하였다.

대상 데이터

혼-타는 고정부와 가동부로 이루어져 있으며 가동부의 회전각에 따른 캐비테이션을 관측하기 위하여 최대 10°까지 회전할 수 있도록 제작되었다. 사용된 타 모형의 스케치는 Fig. 2에 나타내었으며 타의 horn과 가동부(movable part)는 모두 NACA64421 단면을 사용하였다. 또한 horn 및 가동부의 최상단(top)의 후폭비는 21%이었다 (후폭비 = 단면두께/코드길이).
가시화 시스템은 고속 CCD 카메라 (Photron, FASTCAM APX-RS), 메탈 조명 (Photron, HVC-SL) 1개, 영상처리 장치, 제어 및 계산용 컴퓨터 등으로 이루어져 있다. 사용한 CCD 카메라의 프레임 수는 4000 fps이었으며 해상도는 896 x 720 pixels이었고 관측면의 크기는 20 x 15 cm²이었다.
5 cm² 크기의 측정단면에서 속도장을 측정하였다. 산란입자로서 TiO₂ (titanium dioxide)를 사용하였고 PIV 알고리즘을 이용하여 계산된 속도장의 유효 공간 해상도는 0.86 mm이었다. Fig.
5로써 프로펠러와 혼-타 모형을 제작하였다. 프로펠러의 직경은 294.7mm이고 날개 수는 6개이다. 프로펠러의 설계 전진비는 0.

이론/모형

최근에는 Kim et al.(2006a)이 프로펠러 후방에서 작동하는 타에 대하여 앙력면 이론과 포텐셜 기저 패널법을 이용하여 프로펠러의 영향을 받는 타에 대한 수치계산을 수행하였다. 또한 Choi et al.
또한 간극 주위의 유동을 자세히 관찰하게 되면 간극 유동에 대한 정보를 얻을 수 있으므로 정량적인 가시화 기법인 PIV(particle image velocimetry)를 사용하여 간극 주위의 유동을 계측하였다. 속도장 측정을 위한 2차원 PIV 시스템은 Nd:Yag 레이저(펄스 당 200mJ), 한대의 CCD 카메라, 카메라 이송장치, 영상처리장치, 제어 및 계산용 컴퓨터 등으로 이루어져 있다.

성능/효과

이러한 결과는 타의 가동부가 회전할 때 흡입면과 압력면이 프로펠러의 후류의 영향을 받아 혼-타의 캐비테이션이 다르게 나타나고 있음을 나타낸다. 간극 캐비테이션의 모습을 볼때 타의 압력면에서 유입된 간극 유동이 주도적으로 영향을 미친 캐비테이션이라고 보이며 프로펠러 후류가 타의 좌현으로 더 강하게 유입됨으로 인하여 타의 우현을 따라가는 유동이 좌현을 따라 이동하는 유동 보다 속도가 낮아 유동 박리에 의한 성분이 미약하게 나타났다.

후속연구

간극에서 유출되는 간극 유동에 의해 이러한 유동 현상이 나타난 것이며 간극 주위 유동에 급속한 간섭을 초래하여 간극캐비테이션을 일으키는 주요한 요소로서 작용할 수 있다. 본 연구에서 수행된 간극 주위 유동의 정량적인 계측은 고속카메라를 이용한 정성적인 관측과 함께 프로펠러 후류에 의해 영향을 받는 간극 캐비테이션의 원인을 파악하고 개선책을 찾는데 유용할 것으로 사료된다.
그러나 흡입면의 경우 프로펠러 후류면이 뚜렷이 나타나며 -X 방향의 방향성이 강하게 나타난다. 이러한 프로펠러 후류면은 고정부의 좌현상반부에 입사각을 가지고 유입되는 프로펠러 후류와 밀접한 관련이 있기 때문에 고정부에 직접적인 영향을 주는 프로펠러 후류가 고정부 후방의 타축 및 간극 위치까지 그 영향을 주는가에 대해서는 추후 자세한 후속 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	타의 표면에서 과도하게 발생하는 캐비테이션의 문제점은?	이러한 후류에 의해 직접적으로 영향을 받게 되는 타는 양력이나 항력 뿐 만 아니라 캐비테이션 관점에서 많은 관심을 불러일으키고 있다. 타의 표면에서 과도하게 발생하는 캐비테이션은 타의 표면에 침식을 일으켜 유지 보수 비용을 증가시키거나 심각한 수중 소음을 발생시킬 수 있다. 게다가 선박에 항력을 증가시키는 요인으로 작용할 수 있기 때문에 세심한 관심이 필요하다.
	혼-타의 가동부의 뒷날이 수조의 중심선에서 우현 방향으로 멀어질 때를 무엇이라고 하는가?	혼-타의 가동부의 코드선(chord line)이 혼-타의 중심선(centerline)과 나란한 경우를 타각 0°라고 정의하며 가동부의 뒷날(trailing edge)이 수조의 중심선에서 좌현(port) 방향으로 멀어질 때를 양(+)의 타각이라고 정의하였다. 또한 가동부의 뒷날이 수조의 중심선에서 우현(starboard) 방향으로 멀어질 때를 음(-)의 타각이라고 정의하였다.
	예인수조에서 일련의 모형시험을 수행하여 타가 낮은 전진비에서 양의 추력을 발생할수 있음을 보인 사람은 누구인가?	Molland and Turnock(1992)는 풍동에서 프로펠러와 타 사이의 상호작용에 대한 연구를 실험적으로 수행하였고 예인 및 공동 수조에서 Kracht(1992)가 양력과 항력을 측정하여 프로펠러와 타의 상호작용을 연구하기도 하였다. Stierman(1989)은 예인수조에서 일련의 모형시험을 수행하여 타가 낮은 전진비에서 양의 추력을 발생할 수 있음을 보였다. 이상의 실험들은 타에서 만들어지는 양력이나 추력에 초점을 맞추어 선박의 조종성이나 안정성에 대한 연구가 주를 이루었다.

참고문헌 (8)

Choi, J.E., Jeong, S.H. and Kim, J.H. 2007, “ Cavitating-Flow Characteristics around a Horn-Type Rudder,” Journal of the Society of Naval Architects of Korea, Vol. 44, No. 3, pp. 228-237

원문보기 상세보기
Kim, G.D., Moon, I.S., Kim, K.Y., Van, S.H. and Lee, C.S. 2006, “ Numerical Calculation and Validation for Rudder Cavitation of a Large Container Ship,” Journal of the Society of Naval Architects of Korea, Vol. 43, No. 5, pp. 568-577

원문보기 상세보기
Kracht, A.M., 1992, “Ship-propeller-rudder Interaction,” Proceedings, 2nd International Symposium on Propeller and Cavitation, Hangchou, China
Li, D-Q., 1994, Investigation on Propeller-rudder Interaction by Numerical Methods, Ph.D. Dissertation, Chalmers Univ. of Technology, Sweden
Molland, A.F. and Turnock, S.R., 1992, “Wind Tunnel Investigation of the Influence of Propeller Loading on Ship Rudder Performace,” The Royal Institution of Naval Architects, London
Paik, B.G., Kim, K.Y., Ahn, J.W., Kim, Y.S., Kim, S.P. and Park, J.J. 2006, “ Experimental Investigation on the Gap Cavitation of Semispade Rudder,” Journal of the Society of Naval Architects of Korea, Vol. 43, No. 4, pp. 422-430

원문보기 상세보기
Shen, Y.T., Jiang, C.W. and Remmers, K.D., 1997, “A Twisted Rudder for Reduced Cavitation,” J. of Ship Research, Vol. 41, No. 41, pp. 260-272
Stierman, E.J., 1989, “The Influence of the Rudder on the Propulsive Performance of Ships-Part 1,” International Shipbuilding Progress, Vol. 36, p. 407

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증