[논문]2차원 날개 끝단 형상에 따른 후류 보오텍스 유동 변화에 대한 실험 연구

백부근; 김기섭; 문일성; 안종우

doi:10.3744/snak.2011.48.3.233

2차원 날개 끝단 형상에 따른 후류 보오텍스 유동 변화에 대한 실험 연구
Experimental Study on the Vortical Flow Behind 2-D Blade with the Variation of Trailing Edge Shape 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.48 no.3, 2011년, pp.233 - 237

백부근 (한국해양연구원 해양시스템안전연구소) , 김기섭 (한국해양연구원 해양시스템안전연구소) , 문일성 (한국해양연구원 해양시스템안전연구소) , 안종우 (한국해양연구원 해양시스템안전연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

In the present experiments, vortical structures behind the hydrofoil trailing edge are visualized and analyzed as an elementary study for propeller singing phenomena. Two sorts of hydrofoil are selected for the measurement of shedding vortices. One was KH45 hydrofoil section and the other is KH45 with the truncated trailing edge that is positioned at X/C = 0.9523(C=chord length). Assuming the Strouhal number of 0.23, the shedding frequencies of vortices are extracted by analyzing the boundary layer thickness and the flow speed. The frequency distribution of shedding vortices is obtained with the variation of angle-of-attack while the flow speed is fixed to 8m/s. The truncation of the trailing edge makes the frequency of shedding vortices about 120Hz lower than that of original trailing edge and makes the vorticity value higher than the original trailing edge.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 2차원 날개 단면의 뒷날 일부를 절단하여 보오텍스들의 흘림 주파수 변화 특성을 조사하였다. 날개 뒷날의 고유 주파수는 후류 보오텍스들의 흘림 주파수 이력(hysteresis) 감소와 관련이 있다고 알려져 있어 2차원 날개에 유입되는 유체의 속도변화를 통하여 날개 뒷날의 고유 주파수를 추출하고자 시도하였다. 흘림 주파수는 날개 뒷날에서 떨어져 나가는 경계층 두께와 유속, Strouhal 수를 이용하여 계산하였다.
본 연구에서는 명음에 대한 기초 연구로서 2차원 날개 끝날에서 떨어져 나오는 흘림 보오텍스들을 PIV 기법을 이용하여 정량적으로 가시화하고 보오텍스들의 흘림 주파수를 도출하였다. 또한 2차원 날개 뒷날의 적당 부분을 절단하여 보오텍스들의 흘림 주파수가 어떻게 변화하는지에 대해서도 조사하였다. 이러한 기초 연구는 추후 프로펠러 날개 뒷날의 처리를 이용한 명음 현상 개선을 위해 유용하게 사용될 가능성이 크다.
PIV 계측을 통하여 2차원 날개 뒷날에서 발생하는 후류 보오텍스들의 흘림 주파수를 조사할 수 있으나 뒷날의 구조적인 고유 주파수를 유체역학적인 방법을 이용하여 찾는 것은 쉬운 일이 아니다. 본 연구에서는 날개 뒷날의 고유 주파수가 후류 보오텍스들의 흘림 주파수 이력(hysteresis)과 관련이 있다는 이론과 실험에 근거하여 2차원 날개에 유입되는 유동의 속도변화를 통하여 날개 뒷날의 고유 주파수를 추출하고자 시도하였다. 즉, 날개로의 유체 유입 속도를 변화시켜 공진 조건에 대한 날개 표면 진동을 조사하게 되면 첫 번째 비틀림(torsion) 고유 모드를 찾을 수 있다(Ausoni et al.

가설 설정

여기서 𝑓는 후류 보텍스의 shedding 주파수, 𝐿은 특성 길이, 그리고 𝑈는 유체의 전달(convection) 속도이다. 일반적으로 2차원 날개에 대한 Strouhal 수는 0.21에서 0.25 사이에 존재한다고 알려져 있고 본 연구에서는 S_t = 0.23이라고 가정하였다. 특성길이 𝐿은 날개 뒷날에서 떨어져 나가는 경계층 두께를 가리키며 𝑈는 터널 유속을 의미한다(Blake, 1986).

제안 방법

8은 받음각을 5도로 고정했을 때 유속변화에 따른 흘림 주파수를 나타낸다. KH45 날개의 경우 실험 환경이 허락되지 않아 5, 6, 8m/s에 대한 계측만을 수행하였고 뒷날이 절단된 KH45의 경우 전체 유속 구간에 대해서 흘림 주파수를 계측하여 보았다. KH45에서는 계측 구간이 짧아 경향을 찾기 힘들었다.
특성길이 𝐿은 날개 뒷날에서 떨어져 나가는 경계층 두께를 가리키며 𝑈는 터널 유속을 의미한다(Blake, 1986). PIV를 이용하여 후류 보오텍스들을 계측하였으며 양과 음의 보오텍스들 사이의 거리를 경계층 두께로 정의하였다. 경계층 두께는 KH45의 경우 0.
특정 유체 속도 구간에서 흘림 주파수와 뒷날의 진동은 이력 현상을 보이면서 일정한 흘림 주파수를 보이게 되는데 이 주파수에서 공진이 일어나고 뒷날의 고유주파수와 동일한 값을 갖는다. 각 2차원 날개의 받음각을 5도로 고정하고 터널의 유체 유속을 1m/s부터 8m/s까지 변화시켜 가며 뒷날의 후류 보오텍스들의 흘림 주파수를 조사하였다. Fig.
2차원 날개 뒷날에서 발생하는 후류는 유동 박리 현상으로 인한 난류성분 증가로 인해 매우 비정상적인 거동을 보이게 된다. 따라서 이러한 비정상 유동에 대해 앙상블(ensemble) 또는 위상(phase) 평균하여 관찰하는 것이 큰 의미가 없기 때문에 순간 속도장들을 계측하여 각각을 분석하였다. Fig.
본 연구에서는 명음 현상에 대한 기초연구로서 프로펠러 날개에 사용되는 2차원 날개 뒷날(trailing edge)에서 떨어져 나오는 후류 보오텍스들을 PIV 기법을 이용하여 가시화하고 보오텍스들의 흘림 주파수를 도출하였다. 또한 2차원 날개 단면의 뒷날 일부를 절단하여 보오텍스들의 흘림 주파수 변화 특성을 조사하였다. 날개 뒷날의 고유 주파수는 후류 보오텍스들의 흘림 주파수 이력(hysteresis) 감소와 관련이 있다고 알려져 있어 2차원 날개에 유입되는 유체의 속도변화를 통하여 날개 뒷날의 고유 주파수를 추출하고자 시도하였다.
레이저 평면광을 공동수조 옆에서 조사하고 아래쪽에 카메라를 배치하여 6.8×6.8cm2 크기의 측정단면에서 속도장을 측정하였다.
이러한 명음 현상은 아직 수치해석적인 접근이 매우 제한적이며 예측하기 어려운 점이 많다. 본 연구에서는 명음 현상에 대한 기초연구로서 프로펠러 날개에 사용되는 2차원 날개 뒷날(trailing edge)에서 떨어져 나오는 후류 보오텍스들을 PIV 기법을 이용하여 가시화하고 보오텍스들의 흘림 주파수를 도출하였다. 또한 2차원 날개 단면의 뒷날 일부를 절단하여 보오텍스들의 흘림 주파수 변화 특성을 조사하였다.
본 연구에서는 명음에 대한 기초 연구로서 2차원 날개 끝날에서 떨어져 나오는 흘림 보오텍스들을 PIV 기법을 이용하여 정량적으로 가시화하고 보오텍스들의 흘림 주파수를 도출하였다. 또한 2차원 날개 뒷날의 적당 부분을 절단하여 보오텍스들의 흘림 주파수가 어떻게 변화하는지에 대해서도 조사하였다.
024C 안에 형성되었다(C=chord length). 터널 유속은 8m/s로 고정하였으며 받음각을 0도부터 8도까지 변화시켜 가며 끝날 후류 보오텍스의 흘림 주파수를 계산하여 보았다. 두 개의 2차원 날개 끝날의 후류 보오텍스들의 흘림 주파수 분포를 Fig.

대상 데이터

2차원 날개의 끝에서 떨어져 나오는 보오텍스들을 가시화하기 위한 실험은 한국해양연구원 해양시스템안전연구소의 공동수조에서 수행되었는데 그 제원은 2.6L×0.6B×0.6D m3이다.
날개단면에서 나타나는 3차원 유동 효과를 가능한 줄이기 위하여 측정단면을 각 단면의 스팬 길이의 중간에 해당하는 지점에 위치시켰으나 최종 계측 결과에서 3차원 유동 효과가 완전히 제거되었다고 보기는 힘들다. PIV 계측용 산란입자로서 1~5m의 직경 분포를 갖는 TiO₂(titanium dioxide)를 사용하였는데 공동 수조의 시험부를 지나 확장부(diffuser)가 시작되는 위치에서 수조 내부로 유입시켰다. FFT(Fast Fourier Transform)에 기초한 PIV 알고리즘을 이용하여 계산된 속도장의 유효 공간 해상도는 1.
본 연구에 사용된 2차원 PIV 시스템은 Nd:YAG 레이저(펄스당 200mJ), 두 대의 CCD 카메라, 카메라 이송장치, 영상처리장치, 제어 및 계산용 컴퓨터 등으로 이루어져 있다. 사용한 CCD 카메라의 해상도는 1024×1024 화소이다.
0 기압까지 변화가 가능하다. 본 연구에서는 2종류의 날개 단면에 대해서 실험을 수행하였는데 첫 번 째는 KH45 단면이며 다른 하나는 단면의 끝이 절단된 KH45 단면이다. 두 단면의 형상을 Fig.
사용한 CCD 카메라의 해상도는 1024×1024 화소이다.

이론/모형

날개 뒷날의 고유 주파수는 후류 보오텍스들의 흘림 주파수 이력(hysteresis) 감소와 관련이 있다고 알려져 있어 2차원 날개에 유입되는 유체의 속도변화를 통하여 날개 뒷날의 고유 주파수를 추출하고자 시도하였다. 흘림 주파수는 날개 뒷날에서 떨어져 나가는 경계층 두께와 유속, Strouhal 수를 이용하여 계산하였다. 정상적인 날개의 뒷날 하류 보오텍스들의 흘림 주파수는 약 500 ~ 540Hz였으나 날개의 뒷날을 절단하게 되면 주파수가 약 120Hz 정도 작아진다.

성능/효과

PIV 계측용 산란입자로서 1~5m의 직경 분포를 갖는 TiO₂(titanium dioxide)를 사용하였는데 공동 수조의 시험부를 지나 확장부(diffuser)가 시작되는 위치에서 수조 내부로 유입시켰다. FFT(Fast Fourier Transform)에 기초한 PIV 알고리즘을 이용하여 계산된 속도장의 유효 공간 해상도는 1.06mm이었다. PIV 해석 시 사용한 미소조사구간(interrogation window) 크기는 32×32 화소이었으며 50% 중첩하여 속도장을 얻었다.
두 개의 날개 후류 모두 받음각이 증가함에 따라 흘림 주파수가 증가하였는데 이것은 받음각의 증가에 따라 경계층 두께가 감소하기 때문에 나타난 결과이다. 날개끝이 절단된 날개의 경우 약 120Hz 정도 주파수가 낮게 형성되어 날개 끝날을 절단처리할 경우 후류 보오텍스들의 흘림 주파수를 변화시켜 뒷날개의 구조적인 고유 주파수와 공진(lock-in)을 일으키지 않도록 조정할 수 있음을 확인 하였다. PIV 계측을 통하여 2차원 날개 뒷날에서 발생하는 후류 보오텍스들의 흘림 주파수를 조사할 수 있으나 뒷날의 구조적인 고유 주파수를 유체역학적인 방법을 이용하여 찾는 것은 쉬운 일이 아니다.
그러나 8도의 받음각에서 후류의 보오텍스들을 계측하면 그 와도의 세기가 다소 감소하면서 원형모양으로 떨어져 나오던 보오텍스들이 불규칙한 모양으로 전환되고 유동 박리가 심하게 발생한다. 이러한 결과를 볼 때 받음각을 3도~7도까지 조정하여 날개끝의 후류 보오텍스들을 관찰하는 것이 효율적이라고 사료되며 받음각이 8도 이상 증가할 경우 보오텍스들의 구분이 모호해질 수 있으므로 주의가 필요하다고 판단된다.

후속연구

또한 2차원 날개 뒷날의 적당 부분을 절단하여 보오텍스들의 흘림 주파수가 어떻게 변화하는지에 대해서도 조사하였다. 이러한 기초 연구는 추후 프로펠러 날개 뒷날의 처리를 이용한 명음 현상 개선을 위해 유용하게 사용될 가능성이 크다.
또한 받음각이 있는 상태에서 경계층의 두께를 정확히 추출하지 못했을 가능성도 배제할 수 없다. 이에 대해서는 추후 자세한 후속 연구가 필요하다. 즉, 터널 유속 간격을 1m/s 이하로 설정한 후 전체 속도 구간을 세분화하여 주파수 분포를 조사하는 방법과 PIV 계측을 위한 관측면을 가능한 작게 하는 방법을 시도해 보고 더 나아가 비정상적인 유동에 대해서 난류 에너지에 근거한 유동 분리 해석 방법을 이용하여 지배적인 유동을 찾아내는 작업을 고려해 볼 필요가 있다.
하류방향 와도 간격으로부터 대략 1000~1300Hz 정도의 흘림 주파수 값을 얻었는데 보오텍스들의 크기가 작아 보오텍스들을 정확히 탐지하기 어려웠고 와도장에서 보여진 각 와도가 보오텍스를 의미한다고 보기 어렵다. 즉, 크기가 작은 보오텍스들을 정확히 탐지하기 위해서는 관측면의 크기를 더욱 작게 하고 레이저 펄스 사이의 시간 간격을 충분히 줄여 주어 시/공간 분해능을 더욱 높여야 할 것으로 사료된다. 비록 KH45에서 하류방향 보오텍스 거리를 정확히 계측하기 어려웠으나 와도 분포로부터 경계층 정보를 얻어 보오텍스들의 흘림 주파수를 구하는 것은 의미가 있다고 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	명음현상은 어느분야에서 오랜시간 다루어진 연구인가?	프로펠러 뒷날개에서 간혹 발생하는 명음(singing) 현상에 대한 연구는 선박해양유체 분야에서 오랜 시간 동안 다뤄진 연구항목이다. 프로펠러의 명음은 프로펠러 뒷날개 끝에서 떨어져 나가는 흘림(shedding) 보오텍스(vortex)들의 흘림 주파수와 프로펠러 날개 뒷날을 구성하는 재질의 고유 주파수 사이에서 나타나는 공진(resonance)에 의해 발생한다.
	프로펠러의 명음은 무엇에 의해 발생하는가?	프로펠러 뒷날개에서 간혹 발생하는 명음(singing) 현상에 대한 연구는 선박해양유체 분야에서 오랜 시간 동안 다뤄진 연구항목이다. 프로펠러의 명음은 프로펠러 뒷날개 끝에서 떨어져 나가는 흘림(shedding) 보오텍스(vortex)들의 흘림 주파수와 프로펠러 날개 뒷날을 구성하는 재질의 고유 주파수 사이에서 나타나는 공진(resonance)에 의해 발생한다. 프로펠러의 명음은 선박의 거주구에 불쾌한 소음을 전달하여 쾌적한 생활 공간을 저해할 수 있으며 프로펠러 날개 뒷날에 구조적으로 불안정한 요소를 계속적으로 부가하여 프로펠러 날개 뒷날의 손상을 입힐 수도 있다.
	명음(singing) 현상으로 발생하는 문제점은 무엇인가?	프로펠러의 명음은 프로펠러 뒷날개 끝에서 떨어져 나가는 흘림(shedding) 보오텍스(vortex)들의 흘림 주파수와 프로펠러 날개 뒷날을 구성하는 재질의 고유 주파수 사이에서 나타나는 공진(resonance)에 의해 발생한다. 프로펠러의 명음은 선박의 거주구에 불쾌한 소음을 전달하여 쾌적한 생활 공간을 저해할 수 있으며 프로펠러 날개 뒷날에 구조적으로 불안정한 요소를 계속적으로 부가하여 프로펠러 날개 뒷날의 손상을 입힐 수도 있다.

참고문헌 (8)

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상세보기
Blake, William K., 1986. Mechanisms of Flow-induced Sound and Vibration(volume II). Academic Press INC.
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상세보기
Choi, J.E. Chung, S.H. & Lee, D.H., 2007. Cavitating Flow Characteristics around a 2-dimensional Hydrofoil Section. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 44(2), pp.74-82.

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