[논문]소형선박용 200마력급 Water Jet의 유동특성에 관한 수치해석

이중섭; 정재훈; 이종수; 윤지훈

doi:10.7735/ksmte.2012.21.1.150

소형선박용 200마력급 Water Jet의 유동특성에 관한 수치해석
A Numerical Analysis on Flow Characteristic of 200HP Grade Water Jet for Small Ship 원문보기

한국생산제조시스템학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.21 no.1, 2012년, pp.150 - 155

이중섭 (경상대학교 BK21(첨단기계항공)) , 정재훈 (경인테크 기술연구소) , 이종수 (경인테크 기술연구소) , 윤지훈 (경상대학교 대학원)

Abstract ▼ AI-Helper

Water jet propulsion system has low efficiency than screw propeller at low speed, but has been applied in high speed ship due to its better cavitation performance and high rotation capacity. In this study, a numerical analysis was conduct to understand the flow in the propulsion system of 200HP grade water jet for small ship. As the result, it could be confirmed that total pressure and force of the flow was increased through the impeller and the straight-ability of discharging flow to outlet was improved by guide vane. Also, the reliability of numerical analysis was secured by comparing peripheral velocity calculated by design values with that calculated by numerical analysis.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 정압과 동압의 합으로 이루어진 전압으로 압력분포를 확인하고자 한다. 이는 Water jet 특성상 정압보다 동압이 크게 발생하여 출구로 작동유체의 유속을 증가시키는 것이 더욱 중요하기 때문이다.
2는 전반적인 엔진과 Water jet 추진 장치가 결합되었을 경우에 대한 크기를 대략적으로 나타내고 있다. 본 연구는 국내 연근해용으로 200 마력 정도의 소형선박에 적용되는 Water jet 추진 장치 내부 유동을 수치해석을 통해 분석하고자 한다.

가설 설정

입구와 출구에서의 경계조건은 수중(水中)이지만 해수면에 거의 가깝기 때문에 대기압이 작용하고, 표면장력은 무시하는 것으로 가정하고, 입구에서 5%의 난류강도와 배기관 직경의 10%인 난류 혼합거리를 설정하는 조건을 부여하였다. 또한 출구에서의 유동 안정성을 확보하기 위해 각각의 직경에 6배로 증가시켜 계산을 수행하였다^(5-9).
작동유체가 회전영역인 임펠러와 고정영역인 케이싱 및 배관 사이는 두 영역의 물리량이 전달될 수 있도록 Interface를 설치하여 MRF(Moving Reference Frame)기법을 적용하여 정상상태일 때를 가정하여 계산을 수행하였다. Water jet의 임펠러 회전 속도는 1,000rpm～4,000rpm까지 500rpm씩 증가시켜 입출구의 유동형태와 배압분포를 확인하였다.

제안 방법

(1) 유동해석 결과에 대한 신뢰는 임펠러 주속도에 대한 이론설계 값을 기준으로 판단하였을 경우 수치해석 결과에 대한 신뢰성을 확보하였다.
작동유체가 회전영역인 임펠러와 고정영역인 케이싱 및 배관 사이는 두 영역의 물리량이 전달될 수 있도록 Interface를 설치하여 MRF(Moving Reference Frame)기법을 적용하여 정상상태일 때를 가정하여 계산을 수행하였다. Water jet의 임펠러 회전 속도는 1,000rpm～4,000rpm까지 500rpm씩 증가시켜 입출구의 유동형태와 배압분포를 확인하였다.
이는 Water jet 특성상 정압보다 동압이 크게 발생하여 출구로 작동유체의 유속을 증가시키는 것이 더욱 중요하기 때문이다. 따라서 정성적인 압력분포를 분석할 경우 정압으로 판단하는데 이 경우는 흡입부에서 부압이 발생하여 임펠러를 통과하면서 압력상승을 통해 케이싱을 빠져나와 출구로 향하면서 압력이 회복되는 특성을 가지고 있기 때문에 회전수 증가에 따른 토출구에서발생하는 압력분포를 분석하기에는 부적합한 것으로 판단되었으므로 전압을 기준으로 압력분포를 평가하였다.
입구와 출구에서의 경계조건은 수중(水中)이지만 해수면에 거의 가깝기 때문에 대기압이 작용하고, 표면장력은 무시하는 것으로 가정하고, 입구에서 5%의 난류강도와 배기관 직경의 10%인 난류 혼합거리를 설정하는 조건을 부여하였다. 또한 출구에서의 유동 안정성을 확보하기 위해 각각의 직경에 6배로 증가시켜 계산을 수행하였다^(5-9).

데이터처리

Fig. 6은 Water jet 추진 장치에 대한 유동특성을 확보하기위해 범용 CFD코드인 STAR-CCM+를 사용하여 약 60만개의 다면체 격자(Polyhedral)를 생성하여 계산을 수행하였다. 난류 모델은 Realizable k-ε Two-Layer모델을 적용하였고, 속도장과 압력장의 연결은 SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)에 따른 Segregate Flow 알고리즘을 적용하여 종속변수 잔차 값이 10^-3이하일 때 수렴한 것으로 판단하였다.
수치해석에서 정확성을 객관적으로 판단하기 위해 식 (1)을 통해 이론적으로 임펠러 주속도를 구해 수치해석 결과와 비교하였다.

이론/모형

난류 모델은 Realizable k-ε Two-Layer모델을 적용하였고, 속도장과 압력장의 연결은 SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)에 따른 Segregate Flow 알고리즘을 적용하여 종속변수 잔차 값이 10-3이하일 때 수렴한 것으로 판단하였다.

성능/효과

(2) 임펠러 입구의 유입각도로 인한 유입속도 차에 의해 임펠러 입구에서 흡입부까지 유동박리가 발생하지만 Bowl에 Stator가 설치되어 있어 Vortex가 발생하는 것을 억제시켜 토출부 가장자리와 중심부에서의 속도차를 제거할 수 있는 구조로 되어 있었다.
(3) 압력분포 특성은 입구에서 부압이 발생하여 임펠러를 통과하면서 압력상승을 통해 케이싱을 빠져나와 출구로 향하면서 동압 커게 발생되어 전압상승이 발생하였고, 결국 이 전압상승을 통해 토출되는 유체의 힘이 커지게 되는 것을 확인할 수 있었다.
(4) 임펠러 입구부에서 작동유체가 예회전하여 유입되고, 출구에서도 선회하면서 토출되는데 Bowl에 설치된 Guide vane에 의해 선회유동을 풀어 출구쪽으로 토출되는 작동 유체의 직진성을 향상시켰음을 확인할 수 있었다.
(5) 임펠러 표면에서 작동유체에 의해 발생되는 압력은 원심력이 가장 크게 받는 블레이드 출구부에서 가장 높게 나타났다.
또한 회전수가 낮을 경우 이론동력과 축동력은 유사하지만 회전수가 증가할수록 축동력이 크게 증가함을 확인할 수 있었다. 따라서 축동력과 이론동력과 차이가 크게 발생함에 따라 효율이 낮게 나타남을 확인할 수 있었다.
임펠러 입구의 경우 회전에 의해 흡입되기 때문에 부압이 발생하고 임펠러를 통과하면서 압력이 점차 상승되어 Bow에서 압력이 크게 증가되어 출구로 빠져나가는 것을 확인할 수 있었다. 또한 속도분포 결과에서 설명한 바와 같이 흡입부에서 위쪽과 아래쪽의 압력차가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 유동박리에 의해 유동이 정체되고 이는 결국 정압상승으로 이어져 속도는 감소하게 된다.
이론동력은 식 (3)을 통해 구할 수 있으며, 효율은 약 30%에 달하는 것으로 나타났다. 또한 회전수가 낮을 경우 이론동력과 축동력은 유사하지만 회전수가 증가할수록 축동력이 크게 증가함을 확인할 수 있었다. 따라서 축동력과 이론동력과 차이가 크게 발생함에 따라 효율이 낮게 나타남을 확인할 수 있었다.
또한, 일반적으로 임펠러 단면에서 속도분포를 보면 Blade 사이에 속도변화는 적은 것이 대체적이나 본 연구에 적용된 임펠러의 경우 Blade 개수가 적어 간격이 길기 때문에 Blade사이의 속도차가 많이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 임펠러 토출구에서 균일한 속도로 토출되지 못하고 Blade 간격에 의한 맥동유동이 발생할 가능성이 있는 것으로 판단된다.
임펠러 입구의 경우 회전에 의해 흡입되기 때문에 부압이 발생하고 임펠러를 통과하면서 압력이 점차 상승되어 Bow에서 압력이 크게 증가되어 출구로 빠져나가는 것을 확인할 수 있었다. 또한 속도분포 결과에서 설명한 바와 같이 흡입부에서 위쪽과 아래쪽의 압력차가 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
회전수가 1,000rpm일 경우 약 5m³/min로 토출되고 있으며, 회전수가 증가할수록 토출유량이 증가하여 4,000rpm에서 약 20m³/min의 토출유량을 확보할 수 있었다. 작동유체가 Water이기 때문에 비압축성 유체이므로 회전수 증가에 따른 토출유량의 증가는 선형적으로 증가함을 확인할 수 있었다.
8은 Water jet 추진 장치 중심단면에서의 속도크기 분포를 나타내고 있다. 회전수가 증가할수록 임펠러 출구에서의 속도가 증가함을 확인할 수 있었다. 임펠러를 빠져나온 작동유체는 양쪽 Bowl을 통과하여 Bowl 출구에서 하나로 합쳐져서 출구로 빠져나가는 구조로 되어있다.

후속연구

Water Jet 추진 장치의 가장 큰 장점 중에 하나는 수심이 얕은 곳에서도 사용이 가능하며, 스크류 프로펠러와 같이 수중에서 돌출되어 회전하는 장치가 없기 때문에 인명피해나 수중생물에 대한 피해가 없는 것이 장점이다. 따라서 국내 서해나 남해안의 근해에서 운항되는 어선 및 양식장 관리어선의 경우 Water Jet 추진 장치를 적용할 경우 적합할 것으로 기대된다. 또한 전진과 후진이 스크류 프로펠러에 비해 신속하게 이루어질 수 있어 기동성이 우수한 반면, 스크류 프로펠러에 비해 무겁고, 펌프 임펠러에 대한 검사 및 유지보수가 불편하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Water Jet 추진 장치의 특징은?	이는 다른 추진장치에 비해 구조가 간단하고, 넓은 속도범위 내에서 추진효율이 비교적 높으면서 제작비용도 높지 않기 때문에 선박 전반적으로 널리 적용되는 추진시스템이다. 그러나 Water Jet 추진 장치는 저속에서 추진 효율이 일반 스크류 프로펠러에 비해 낮지만, 캐비테이션 성능이 우수하여 임펠러의 고속회전이 가능하기 때문에 고속선의 추진기로 많이 사용되고 있다.
	Water jet 추진장치 어떤 방법으로 추진하는가?	Water jet 추진장치는 선저의 흡입구로 유입된 물을 임펠러와 스테이터로 압력과 속도를 증가시킨 후 선미로 향한 토출구인 노즐을 통해 분사함으로써 발생하는 운동량의 차이로 추진된다. 노즐을 통해 분사된 물의 방향은 Steering Duct와 Reverse Bucket을 이용하여 분사 방향을 조절할 수 있도록 되어있다.
	스크류 프로펠러 추진기의 장점은?	현재 선박의 추진시스템은 거의 스크류 프로펠러 추진기에 의해 추진력이 발생할 수 있도록 되어 있으며, 그 장치구성에 따라 여러 가지로 나눌 수 있다. 이는 다른 추진장치에 비해 구조가 간단하고, 넓은 속도범위 내에서 추진효율이 비교적 높으면서 제작비용도 높지 않기 때문에 선박 전반적으로 널리 적용되는 추진시스템이다. 그러나 Water Jet 추진 장치는 저속에서 추진 효율이 일반 스크류 프로펠러에 비해 낮지만, 캐비테이션 성능이 우수하여 임펠러의 고속회전이 가능하기 때문에 고속선의 추진기로 많이 사용되고 있다.

참고문헌 (9)

Roberts, J. L., and Walker, G. J., 1998, "Experimental Determination of Ingestion Streamtubes for Waterjet Propulsion Intakes," 13th Australsian Fluid Mechanics Conference, pp. 107-110.
Bonaiuti, D., Zangeneh, M., Aartojarvi, R., and Eriksson, J., 2010, "Parametric Design of a Waterjet Pump by Means of Inverse Design, CFD Calculations and Experimental Analyses," J. Fluids Eng., Vol. 132 Issue. 3, 031104.

상세보기
Kim, M. C., and Chun, H. H., 2007, "Experimental Investigation into the performance of the Axial-flowtype Waterjet according to the Variation of Impeller Tip Clearance," Ocean Engineering, Vol. 34, Issue. 2, pp. 275-283.

상세보기
Lee, Y. H., Kim, C. S. and Choi, M. S., 1991, "Water-jet Propulsion," KOSME, Vol. 15, No. 2, pp. 126-139.
Son, Y. R., Lee, J. S. and Choi, W. H., 2004, "Development and Test of Prototype Water-jet Propulsion Boat," Proceeding of the KWS Fall Annual Conference, pp. 213-215.
SNAK, 2009, Resistance and Propulsion of Ships, Jisung, Korea, pp. 363-390.
Kim, M. H., Kim, J. I., and Park, J. S., 2001, "Prediction of Axial Pump Performance using CFD Analysis," KFMA, Vol. 6, No. 1, pp. 14-20.
Hwang, S. C., Yoon, E. S., Oh, H. W., Choi, B. S., Park, M. R., and Ahn, J. W., 2002, "Design and Performacne Analysis of Mixed-flow Pump for Waterjet Marine Propulsion," Proceedings of the KFMA Annual Meeting, pp. 47-53
Yi, C. S., Suh, J. S., Song, C. K., and Yoon, J. H., 2010, "A Study on Performance of Cooling Fan for Auto Transmission Oil Cooler in the Large-size Diesel Engine," KFMA, Vol. 13, No. 6, pp. 71-76.

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].

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