[논문]슬래밍 충격 압력에 대한 연구

박준수; 오승훈; 권순홍; 정장영

슬래밍 충격 압력에 대한 연구
A Study on Slamming Impact Pressure 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.23 no.1 = no.86, 2009년, pp.67 - 73

박준수 (부산대학교 첨단조선공학연구센터) , 오승훈 (부산대학교 조선해양공학과) , 권순홍 (부산대학교 조선해양공학과) , 정장영 (조선해양.기자재설계전문가양성사업단)

Abstract ▼ AI-Helper

This study presents the results of a slamming experiment using a pneumatic cylinder. The employment of the pneumatic cylinder showed a relatively good repeatability when the results were compared with those of other slamming devices. The experiment was done for various incident angles. An air pocket was believed to cause a reduction in the magnitude of the impact pressure with an incident angle of $0^{\circ}$ for the water entry. A high speed camera was used in an attempt to locate the time of the contact between the bottom of the specimen and the free surface. It seemed that the maximum pressure occurred before the water contacted the bottom of the specimen.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는, 앞서 언급한 슬래밍 현상의 해석에 있어 이론과 실험 사이의 모순을 규명하기 위하여 실험을 수행하였다. 그 결과로부터 이와 같은 모순의 주요 원인으로 에어 포켓과 제트 스프레이의 영향으로 확인할 수 있었으며, 특히 입수각이 0°에서는 에어 포켓이 중요한 요인이며 이보다 큰 입수각에서는 제트 스프레이가 중요한 요인으로 작용함을 알 수 있었다(Kang et al.
이 방법은 실험시 입수각을 정확하게 재현할 수 없는 단점으로 인해 동일 입수 속도의 재현도 또한 상당히 어렵다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 본 연구에서는 공기압 실린더를 이용하여 시험체를 강제 입수하는 연구를 수행하였으며, 고속 카메라를 이용하여 이 장치의 입수각과 입수속도의 반복성에 대한 재현성을 확인 하였다. 그리고 시험체인 평판에 대하여 입수각 0°~10°에 대하여 1° 간격으로 실험을 수행 하였다.

제안 방법

EDS-400A는 1 유니트당 4채널로 구성되어 있으며, 본 연구에서는 20kHz의 샘플링 주파수로 동적 압력을 계측하였다. 압력 센서는 임의의 입수각에서 강제 입수 충격시 압력을 계측하기 위하여 KYOWA의 스트레인 게이지방식의 PS-50 KAM536을 사용하였다.
본 연구에서의 실험 조건은 공기 압축기의 압력을 8bar로 유지하여 일정 속도로 시험체를 낙하하게 하였고 평판의 경우, 강제 입수시 낙하 높이 및 입수 각도는 자유 수면과 시험체의 가장 가까운 거리를 기준으로 하여 낙하 높이 및 입수 각도를 정의하였다. 그리고 반원통형 실린더의 경우에는 입수 각도의 변화는 중심축을 기준으로 변화시켜 실험을 수행하였으며, 두 시험체 모두 낙하 높이는 동일하게 200mm로 고정하여 실험을 수행하였다.
그리고 시험체인 평판에 대하여 입수각 0°~10°에 대하여 1° 간격으로 실험을 수행 하였다.
또한 공기 압축기 압력을 8bar로 일정하게 유지하여 약 2.4m/s로 시험체를 입수시켜 강제 충격을 수행하였다. 또한, 시험체의 상단에는 가이드 용 평판을 사용하여 시험체의 입수 각도 변화를 용이하게 하였으며, Fig.
또한, 본 연구에서는 시험체가 입수직전에 공기 및 유체와의 상호관계를 확인하기 위하여 영상과 입수 충격 압력 시계열의 동기화를 수행하였고, Fig. 19에서는 영상 신호와 압력의 시계열을 나타내고 있다.
4m/s로 시험체를 입수시켜 강제 충격을 수행하였다. 또한, 시험체의 상단에는 가이드 용 평판을 사용하여 시험체의 입수 각도 변화를 용이하게 하였으며, Fig. 6과 같이 디지털 각도기를 사용하여 자유 표면(Free surface)과 시험체가 강제 충격 시 이루는 입수각을 확인하였다. 본 실험에서는 Fig.
본 연구에서의 실험 조건은 공기 압축기의 압력을 8bar로 유지하여 일정 속도로 시험체를 낙하하게 하였고 평판의 경우, 강제 입수시 낙하 높이 및 입수 각도는 자유 수면과 시험체의 가장 가까운 거리를 기준으로 하여 낙하 높이 및 입수 각도를 정의하였다. 그리고 반원통형 실린더의 경우에는 입수 각도의 변화는 중심축을 기준으로 변화시켜 실험을 수행하였으며, 두 시험체 모두 낙하 높이는 동일하게 200mm로 고정하여 실험을 수행하였다.
시험체의 입수각이 0°일 경우, 유체 충격 압력에 큰 영향을 미치는 매우 중요한 요인인 에어 포켓의 상관관계 및 발생 메커니즘에 대하여 평판과 반원통형 실린더를 비교 실험하였다.
시험체의 입수각이 0°일 경우, 유체 충격 압력에 큰 영향을 미치는 매우 중요한 요인인 에어 포켓의 상관관계 및 발생 메커니즘에 대하여 평판과 반원통형 실린더를 비교 실험하였다. 이러한 현상을 명확하게 규명하기 위하여 2차원 수조바닥에서 영상을 획득 하였으며, 이 영상을 통하여 에어 포켓의 존재를 명확히 확인할 수 있었고 고속 카메라의 트리거(Trigger) 신호를 이용하여 압력 시계열과 영상을 동기화하였다.
촬영 가능한 최대 프레임이 64000fps인 초고속 카메라는 영상 분석용 소프트웨어인 TEMA를 이용하여 강제 충격 시 시험체의 입수 속도의 해석과 갇힌 공기(Trapped air)에 의해 발생된 에어 포켓 현상과 입수각의 증가에 의한 제트 스프레이 현상도 관찰하였다. 또한 동일한 조건에서 공기압 실린더를 이용한 실험 결과의 재현성은, 3번 이상의 반복 실험을 통하여 일정한 값이 유지됨을 확인할 수 있었다.

대상 데이터

2와 같은 시스템을 구성하였다. 강제 입수 충격 시, 발생하는 압력을 계측하기 위한 압력 센서와 이러한 신호를 처리하는 앰프 및 동적 압력 신호를 분석하는 컴퓨터로 구성되었으며, 앰프는 KYOWA EDS-400A를 사용하였다.
5와 같다. 강제 입수 충격에 의한 슬래밍 현상을 구현하기 위하여, 시험체는 지그에 고정한 후 공기 압축기로 구동되는 공기압 실린더(Festo사, DNC-32모델)에 의하여 강제 입수하였다.
6과 같이 디지털 각도기를 사용하여 자유 표면(Free surface)과 시험체가 강제 충격 시 이루는 입수각을 확인하였다. 본 실험에서는 Fig. 7에서 보이는 REDLAKE사의 초고속 카메라 MotionPro X-3로 영상을 촬영하였고, 초고속 카메라의 제원은 Table 3과 같다.
본 실험은 Fig. 1에서 보는 바와 같이, 부산대학교 첨단조선공학연구센터에 설치된 2차원 수조와 공기압 실린더를 이용하여 실험을 수행하였다.
본 연구에 사용된 수조의 제원은 4000mm × 347mm × 700mm (L × B × H)이며, 강재로 제작된 평판 560mm × 280mm × 10mm (L × B × H)과 아크릴로 제작한 직경 280mm인 반원통형 실린더인 두 가지 시험체에 대하여 실험을 수행하였다.
EDS-400A는 1 유니트당 4채널로 구성되어 있으며, 본 연구에서는 20kHz의 샘플링 주파수로 동적 압력을 계측하였다. 압력 센서는 임의의 입수각에서 강제 입수 충격시 압력을 계측하기 위하여 KYOWA의 스트레인 게이지방식의 PS-50 KAM536을 사용하였다. 압력 센서의 최대 허용계측 압력은 50bar이다.

성능/효과

그 결과, 본 연구에서는 슬래밍 현상의 스냅 사진과 충격 압력 계수를 제시하였으며 입수각이 증가함에 따라 에어 포켓은 감소하며 제트 스프레이는 증가함을 확인할 수 있었다. 또한 시험체의 입수전후의 유체 충격 압력과 동기화된 영상을 획득함으로서 에어 포켓의 발생 메커니즘 및 제트 스프레이 현상에 대하여 규명할 수 있었다.
그리고 최고 유체 충격 압력은, 동일 입수 속도 시 입수각 2°~3°에서 가장 큰 값이 발생함을 알 수 있었다.
두 시험체 모두 영상을 동일한 1000fps로 촬영하였으며 2차원 수조 바닥에서 촬영하여, 시험체가 자유표면과 이루는 입수각이 0°를 정확하게 유지하며 낙하한다는 것을 확인할 수 있었다.
촬영 가능한 최대 프레임이 64000fps인 초고속 카메라는 영상 분석용 소프트웨어인 TEMA를 이용하여 강제 충격 시 시험체의 입수 속도의 해석과 갇힌 공기(Trapped air)에 의해 발생된 에어 포켓 현상과 입수각의 증가에 의한 제트 스프레이 현상도 관찰하였다. 또한 동일한 조건에서 공기압 실린더를 이용한 실험 결과의 재현성은, 3번 이상의 반복 실험을 통하여 일정한 값이 유지됨을 확인할 수 있었다.
그 결과, 본 연구에서는 슬래밍 현상의 스냅 사진과 충격 압력 계수를 제시하였으며 입수각이 증가함에 따라 에어 포켓은 감소하며 제트 스프레이는 증가함을 확인할 수 있었다. 또한 시험체의 입수전후의 유체 충격 압력과 동기화된 영상을 획득함으로서 에어 포켓의 발생 메커니즘 및 제트 스프레이 현상에 대하여 규명할 수 있었다.
마지막으로 입수각 0°에서 에어 포켓이 포함된 충격에서는 비디오 영상과 압력값의 동기화를 이용한 분석에 의하면, 압력의 최고값은 시험체가 자유 표면에 닿기 전에 발생함을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자유낙하를 통한 슬래밍 현상 규명 실험방법의 한계점은 무엇인가?	슬래밍 현상을 규명하기 위한 가장 고전적인 실험적 접근법은 자유낙하를 통한 것이다. 이 방법은 실험시 입수각을 정확하게 재현할 수 없는 단점으로 인해 동일 입수 속도의 재현도 또한 상당히 어렵다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 본 연구에서는 공기압 실린더를 이용하여 시험체를 강제 입수하는 연구를 수행하였으며, 고속 카메라를 이용하여 이 장치의 입수각과 입수속도의 반복성에 대한 재현성을 확인 하였다.
	슬래밍 현상을 규명하기 위한 가장 고전적인 실험적 접근법은 무엇을 통한 것인가?	슬래밍 현상을 규명하기 위한 가장 고전적인 실험적 접근법은 자유낙하를 통한 것이다. 이 방법은 실험시 입수각을 정확하게 재현할 수 없는 단점으로 인해 동일 입수 속도의 재현도 또한 상당히 어렵다.
	슬래밍은 어떻게 발생되는가?	해상에서 선박이 항해 할 때 파랑과 선박의 상대운동에 의해 발생되는 슬래밍은 선체에 큰 유체 충격력과 피로하중을 준다. 선박에 작용하는 유체 충격력 중 하나인 슬래밍은 그 현상이 복잡하여 이론적, 수치적 접근이 어려운 실정이다.

참고문헌 (9)

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