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문제 정의
- 8에서 알 수 있는 바와 같이 이 각이 추력방향으로 양력이 발생되는 각도가 되며 (더 커질수록 캐비테이션은 다소 줄어들 수 있으나 효율의 감소가 예상됨) 저항적인 측면에서도 유리할 수 있다. 본 연구에서는 이 각도를 기준으로 최대 두께의 최적 위치를 찾아서 조종효율 및 캐비테이션이 우수한 타를 개발 하고자 하였다.
- 이에 따라 최근에는 방향타의 혼 부분과 타 부분의 간극문제를 없애고 하나의 형태로 만든 Full spade rudder에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 본 논문에서도 Full spade rudder 중에 보다 효과적인 상하 비대칭형인 Twist형 Full spade rudder 개발을 최종 목표로 하였다.
제안 방법
- 1) 포텐셜 이론에 의한 타-프로펠러 해석 프로그램을 개발하였으며 실험과 비교를 통하여 정도를 검증하였다.
- 2) 타-프로펠러 해석 프로그램을 토대로 유전자 알고리즘을 이용한 최적 단면 도출 알고 리즘을 이용하여 새로운 Twist 형 타 단면을 개발 하였다.
- 그리고 최대두께의 위치 변화 시 Leading edge의 반경도 함께 변하도록 하여 비현실적인 단면의 형성을 방지 하였다.
- 본 논문에서는 수치적 해석 프로그램을 이용하여 타의 표면에서의 압력분포계산을 하였고, 이를 통하여 캐비테이션을 판단하였다.
- 본 연구에서는 최대두께를 19%로 고정한 뒤 CP + σn 값이 음이 되는 영역의 면적을 목적함수로 하여 이 면적이 최소가 되도록 최대두께의 위치를 결정하도록 하였다.
- 본 연구에서는 토너먼트 전략을 통해 개체를 선택하고 균일 교배 (Uniform crossover)와 점프 돌연변이 (Jump mutation)를 발생시켰다. 이를 프로펠러-타 해석 프로그램과의 결합하여 타 아랫부분에 캐비테이션이 가장 많이 생기는 단면에서의 캐비테이션 발생량을 목적 함수로 방향 타 단면의 최적화를 시도하였다.
- 압력분포를 통해 개발된 타가 기존 타에 비하여 어느 정도의 효과를 보이는지 비교해 보기 위하여 σn +CP 그래프를 그려 보았다.
- 유전자 알고리즘을 이용하여 대형 컨테이너선용 Twisted 타 개발에 대한 연구를 수행하였으며 본 연구에서 도출된 결론은 다음과 같다.
- 현재 ES(Evolution Strategies) 방법과 함께 가장 각광받는 최적화 기법이다. 유전자 알고리즘을 이용하여 최적화된 단면 형상을 결정하였으며 스팬-코드의 비는 Twist 형 타의 특성에 맞게 스팬보다 코드를 길게 하였으며, 최종적으로 설계된 Twist형 타는 캐비테이션 시험에 의해 검증 하였다.
- 본 논문에서는 수치적 해석 프로그램을 이용하여 타의 표면에서의 압력분포계산을 하였고, 이를 통하여 캐비테이션을 판단하였다. 이 결과를 바탕으로 타 단면의 형상을 최적화하였다. 본 프로그램은 타 주위의 유동을 해석하기 위해 Lee(1987)의 Surface panel method를 사용하였고 프로펠러 주위의 유동을 풀기 위해 Greely and Kerwin(1982)의 VLM(Vortex Lattice Method)를 사용했다.
- 이를 프로펠러-타 해석 프로그램과의 결합하여 타 아랫부분에 캐비테이션이 가장 많이 생기는 단면에서의 캐비테이션 발생량을 목적 함수로 방향 타 단면의 최적화를 시도하였다.
- 하지만 본 논문에서는 기존의 방법과 달리 프로펠러는 양력면 이론(Vortex Lattice Method)으로 그리고 타는 양력판 이론을 사용하여 한번에 해석하는 방법으로 프로그램을 개발하였다.
대상 데이터
- 대형 컨테이너선용 트위스트 타 개발을 위한 계산에 사용된 선박과 프로펠러는 12000TEU급을 대상으로 하였으며 방향타의 최적화를 위해 초기 단면으로 NACA 0019단면을 사용하였다.
- 해석 프로그램을 검증하기 위해 실험값과 비교 하였다. 실험과의 비교 검증을 위해 사용된 선박은 7,000TEU 컨테이너 선박에 대한 모형선이다. Table 1에서 대상 모형선의 제원을 보여주고 있다.
데이터처리
- 해석 프로그램을 검증하기 위해 실험값과 비교 하였다.
이론/모형
- (1993)는 프로펠러의 성능을 계산하기 위해 단순화된 프로펠러 이론을 사용하였고, 타의 유동력 계산은 Panel Method을 이용했다.
- 본 프로그램은 타 주위의 유동을 해석하기 위해 Lee(1987)의 Surface panel method를 사용하였고 프로펠러 주위의 유동을 풀기 위해 Greely and Kerwin(1982)의 VLM(Vortex Lattice Method)를 사용했다.
성능/효과
- 3) 개발된 단면은 기존의 것 보다 압력 변화가 급하지 않고 계산된 압력의 값이 더 작아 캐비테이션에서 유리할 것이라 생각된다.
- 4) 실제 캐비테이션 시험에서도 개발된 타의 캐비티 성능이 inception, 발생범위 및 안정성 측면에서 기존 Twist형 타보다 더 우수하였다.
- 16은 개발된 타를 6도 돌렸을 때 캐비테이션 발생 모습을 찍은 것이다. 개발된 타에서는 캐비티가 발생하지 않음을 확인 할 수 있어으며 최종 확인 결과 개발된 타에서의 캐비티의 초생이 1도 정도 지연 되었다.
- 개발된 타의 σn +CP 값이 기존의 타보다 그 변화가 완만하고 그 최소값 또한 작아 캐비테이션에서 유리한 성능 나타낼 것이라는 것을 알 수 있다.
- 17~18은 Sole 부분에서의 Cavity를 관찰한 모습이다. 개발된 타의 Sole cavity가 기존 타보다 그 크기 및 양이 적음을 확인 할 수 있다.
- 실제 실험 시 캐비테이션 수에 따라 캐비테이션이 발생하는 양에는 차이가 있으나, 발생 위치는 거의 유사하다. 마지막으로 프로펠러 단독 상태에서의 실험값과 이론해석 결과를 Fig. 7에서 비교하였으며 거의 전 전진 비에서 상당히 좋은 일치를 보이고 있으며 설계 점에서도 3%이내의 오차를 보여 성능 비교에 문제가 없으리라 생각된다.
- 본 연구에서 해석해 본 결과 Twist 형 타의 Twist 각도가 정면을 기준으로 7~8도 정도에서 가장 작은 캐비테이션이 발생될 수 있으나 이 경우 효율 및 저항 관점에서 불리할 수 있어 기존 트위스형 타와 비슷한 약 5도 정도로 결정하였다.
후속연구
- 본 연구에서는 삼차 식을 이용하고 flow의 입사각을 고정한 후 최대두께의 위치 변화만을 고려하여 최적화를 시도해 보았으나 추후 본 연구를 기초로 보다 다양한 형상 변화에 의한 최적화 연구를 할 수 있으리라 생각된다.
- 새로이 개발된 타에 대하여 자항시험을 통해 효율을 검증할 예정이다.
- 캐비테이션이 낮은 압력과 비례한다고 생각 할 수 있으므로 이를 전체적으로 높이도록 설계하는 것이 유리 할 것이다.
- 효율을 확인하기 위해서는 자항시험을 수행하여야 하나 자항 시험은 아직 수행하지 못했으며 추후 이를 수행하여 보완 할 계획이다.
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