[논문]동일입자추적기법을 이용한 트랜섬선미 후류 난류유동특성에 관한 연구

이경우; 김옥석

doi:10.7837/kosomes.2012.18.4.352

동일입자추적기법을 이용한 트랜섬선미 후류 난류유동특성에 관한 연구
A Study on the Turbulent Flow Characteristics in the Wake of Transom Sterns using PIV Method 원문보기

海洋環境安全學會誌 = Journal of the Korean society of marine environment & safety, v.18 no.4 = no.51, 2012년, pp.352 - 359

이경우 (목포해양대학교 해양시스템공학부) , 김옥석 (목포해양대학교 해양시스템공학부)

초록
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본 연구에서는 트랜섬 선미 후류 난류유동 특성을 알아보기 위하여 Re = $3.5{\times}10^3$ 및 Re = $7.0{\times}10^3$에서 2-프레임 그레이레벨 상호상관 PIV기법을 적용하여 실험을 수행하였다. 트랜섬 선미의 형상은 선저와 트랜섬이 이루는 각을 기준으로 $45^{\circ}$(모델 A), $90^{\circ}$(모델 B) 및 $135^{\circ}$(모델 C)로 구분하여 적용하였다. 모델의 침수깊이는 40 mm로 자유수면과 접하도록 설치하였다. 난류유동을 평균하여 난류강도, 레이놀즈 응력, 난류운동에너지에 대한 통계적 유동정보를 제공하였다. 난류강도는 자유수면과 모델의 하부 박리유동과의 상호작용으로 강하게 작용하며, 레이놀즈 응력과 난류운동에너지는 모델 C형(Raked transom)에서 낮은 분포가 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

An experiment was carried out to figure out the turbulence flow characteristics in the wake of the transom stern's 2-dimensional section by 2-frame grey level cross correlation PIV method at Re= $3.5{\times}10^3$, Re= $7.0{\times}10^3$. The angles of transom stern are $45^{\circ}$(Model "A"), $90^{\circ}$(Model "B") and $135^{\circ}$(Model "C") respectively. The depth of wetted surface is 40mm from free surface. Strong turbulence intensity appears at the interaction between the flow separation of the bottom of a model and the free surface. This study provides statistic flow information such as turbulence intensity, Reynolds stress and turbulence kinetic energy. Model C type (Raked transom) has low Reynolds stress and turbulence kinetic energy.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 트랜섬선미 후류의 난류유동특성을 알아보고자 Fig. 1과 같이 대표적인 트랜섬선미 형상을 일반화하여 난류강도, 수직응력, 레이놀즈 전단응력, 난류운동에너지 및 평균유동장 등의 통계적 특성을 계측하였다. 이를 통해 트랜섬선미 형상별 후류 난류유동에 대하여 PIV기법을 이용하여 평가하고, 향후 선미부가물의 적용에 있어서 선행연구로 활용하고자 한다.

제안 방법

광원은 직진성과 반사성이 우수한 500 ㎽의 광다이오드를 집적화한 2차원 광원을 계측영역에 조사하여 1.0L×0.3B×0.3D ㎥의 회류수조영역에서 실험을 수행하였다.
3과 같이 일반화하였다. 모델 후류 계측영역으로는 트랜섬 선미 침수깊이(D = 40 mm)의 7배 후반까지 유동정보를 계측하였다. 모델의 침수깊이(D = 40 mm)에 기초한 레이놀즈수는 Re = 3.
광원의 레이저는 파장이 매우 짧아서 계측에서 나타날 수 있는 불확실성은 매우 미소하다. 모델을 설치하지 않고 회류수조의 균일한 유입유동을 PIV시스템을 이용하여 획득한 속도정보를 계측하였다. 유입유동의 불확실성 계측을 위해 유입유속의 평가는 3단계로 조절하여 0.
모델의 침수깊이(D = 40 mm)에 기초한 레이놀즈수는 Re = 3.5×103 Re = 7.0×103로 회류수조와 모델형상에 따라 성능평가에 적합한 균일한 유입유동을 적용하였다.
0×103에서 난류강도, 응력분포, 및 난류운동에너지 특성 등을 알아보았다. 트랜섬 선미 형상을 선수 및 선미 방향으로 일반화하여 후류 유동특성을 분석한 결과 다음과 같은 난류의 분포특성을 이해할 수 있었다.
트랜섬 선미 후류 유동 특성에 대한 기초연구로 레이놀드수 Re= 3.5×103 및 Re= 7.0×103에서 난류강도, 응력분포, 및 난류운동에너지 특성 등을 알아보았다.
트랜섬 선미가 선저와 이루는 각은 45°, 90° 및 135°를 각각 모델 A, B, C로 Fig. 3과 같이 일반화하였다.

성능/효과

유입유속의 증가에도 불구하고 모델 C형에서 낮고 안정적인 분포를 보였다. 또한 레이놀즈 전단응력과 난류운동에너지 특성에서도 모델 C형에서 낮은 응력과 운동에너지 분포가 나타났다.
레이놀즈 수직응력은 유입유속이 증가함에 따라 상류보다 하류에서 강한 성분이 밀집되어 나타나고, 그 값도 증가 하였다. 즉, 트랜섬 선미에 근접한 지점에서 발생하는 레이놀즈 수직응력보다 하류에서 생성되는 레이놀즈 수직응력의 영향이 보다 크게 나타났다.
모델 C형의 경우 x =277 mm 지점에서 가장 높은 값이 나타났다. 세 종류 모델 모두 동일한 x = 120 mm 지점에서 유동박리되어 불규칙한 후류유동이 하류로 이동하는 과정에서 트랜섬 선미 형태변형에 따라 레이놀즈 수직응력 값이 가장 크게 나타난 지점이 확연한 차이를 보였다.
0×103에서 트랜섬 선미 모델별로 유선을 도시한 것이다. 유입유속을 증가함에 따라 와의 생성지점이 후방으로 이동하고 상대적으로 크기도 커지는 특성을 나타냈다. 전체적으로 와는 하류로 길게 늘어진 형태로 나타나며 모델 끝단 이후에서 속도결손이 와의 생성으로 크게 나타났다.
난류강도는 모델 하부의 유동 박리된 성분이 자유수면과 상호작용을 통해 강하게 나타났다. 유입유속의 증가에도 불구하고 모델 C형에서 낮고 안정적인 분포를 보였다. 또한 레이놀즈 전단응력과 난류운동에너지 특성에서도 모델 C형에서 낮은 응력과 운동에너지 분포가 나타났다.
동일한 유속에서 응력값이 보다 하류에서 생성될수록 값이 크게 나타났다. 즉 트랜섬 선미에 근접한 지점에서 발생하는 레이놀즈 수직응력보다 하류에서 생성되는 레이놀즈 수직응력의 영향이 보다 크게 나타났다. 레이놀즈 수직응력의 최대값의 크기와 발생지점에 대해서는 Table 3과 같다.
레이놀즈 수직응력은 유입유속이 증가함에 따라 상류보다 하류에서 강한 성분이 밀집되어 나타나고, 그 값도 증가 하였다. 즉, 트랜섬 선미에 근접한 지점에서 발생하는 레이놀즈 수직응력보다 하류에서 생성되는 레이놀즈 수직응력의 영향이 보다 크게 나타났다.
005이하의 편차를 나타냈다. 총 1,000프레임을 평균한 결과 전체 동일입자추적 과정에서 발생한 에러율은 평균 4 %이하로 나타났다.
또한 상하로 분포하는 형상도 근접한 하류에서 비대하게 나타났다. 최대 레이놀즈 수직응력 값이 생성된 지점을 추적해 보면, 모델 A형은 x = 220 mm 모델 B형과 C형에서는 x = 270 mm지점 부근으로 나타났다. 물론 Fig.

후속연구

본 연구에서는 프로펠러 후류에서 발생하는 난류유동을유입유동으로 적용하지 못하였다. 또한 선미 부가물(Flap, Wedge, Ducktail 등)이 트랜섬 선미 후류 유동에 미치는 영향과 선미파에 의한 영향 등에 대한 단계적인 연구가 필요하다.
본 연구에서는 프로펠러 후류에서 발생하는 난류유동을유입유동으로 적용하지 못하였다. 또한 선미 부가물(Flap, Wedge, Ducktail 등)이 트랜섬 선미 후류 유동에 미치는 영향과 선미파에 의한 영향 등에 대한 단계적인 연구가 필요하다.
1과 같이 대표적인 트랜섬선미 형상을 일반화하여 난류강도, 수직응력, 레이놀즈 전단응력, 난류운동에너지 및 평균유동장 등의 통계적 특성을 계측하였다. 이를 통해 트랜섬선미 형상별 후류 난류유동에 대하여 PIV기법을 이용하여 평가하고, 향후 선미부가물의 적용에 있어서 선행연구로 활용하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	트랜섬 선미 후류유동은 어떻게 나타나는가?	트랜섬 선미 후류유동은 주로 유동박리된 유체와 자유수면에서 유입된 유체간 상호작용을 통하여 모델 후방에서 매우 복잡하고 불안정한 형태의 난류가 나타난다. Fig.
	본 실험에서 나타날 수 있는 불확실한 요소는?	본 실험에서 나타날 수 있는 불확실한 요소로는 크게 전기잡음, 계측오차, 광원오차, 유입유동의 대류속도 등이 있다. 여기서 전기잡음과 계측오차에 의한 불확실성은 미소하여 무시할 수 있는 성분이다.
	본 실험에서 나타날 수 있는 불확실한 요소 중 무시할 수 있는 성분은?	본 실험에서 나타날 수 있는 불확실한 요소로는 크게 전기잡음, 계측오차, 광원오차, 유입유동의 대류속도 등이 있다. 여기서 전기잡음과 계측오차에 의한 불확실성은 미소하여 무시할 수 있는 성분이다. 광원의 레이저는 파장이 매우 짧아서 계측에서 나타날 수 있는 불확실성은 매우 미소하다.

참고문헌 (9)

김동하, 장조원(2004), 평판 근접 후류에서 경계층의 유동조건에 따른 레이놀즈 응력분포, 한국액체미립화학회지, 제9권, 제4호, pp. 53-66.

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김우전, 박일룡(2008), 트랜섬 선미 후방의 점성 유동장 Topology 관찰, 대한조선학회논문집, 제42권, 제4호, pp. 322-329.
배황, 한용운(1999), 고정익 끈와류의 난류 운동에너지 분배 특성, 대한기계학회논문집, 제23권, 제11호, pp. 1444-1452.
이경우, 김옥석(2011), PIV기법을 이용한 트랜섬 선미후류 점성유동장 계측, 한국항해항만학회지, 제35권, 제10호, pp. 805-810.

원문보기 상세보기
이만복, 김경천(2001), PIV기법을 이용한 정사각 실린더의 근접후류에 관한 연구(II:난류유동 특성), 대한기계학회논문집, 제25권, 제10호, pp. 1417-1426.
오대균, 오우준, 김도정, 이경우(2011), 직사각형 형상의 표면조도 변화에 의한 난류변동분 해석, 해양환경안전학회, 제17권, 제2호, pp. 167-172.

원문보기 상세보기
조대환(2008), 수중 장애물의 하부틈새 크기가 하류 유동장에 미치는 영향, 해양환경안전학회, 제14권, 제4호, pp. 333-338.

원문보기 상세보기
Kyoung, J. H. and K. J. Bai(2004). A numerical method for a high-speed ship with a transom stern, J. Ship & Ocean Technology, Vol. 8, No. 3, pp. 8-17.
Yamano, T., Y. Kusunoki, F. Kurarani,, T. Ogawa, T. Ikebuchi and I. Funeno(2003). Effect of transom stern bottom profile from on stern wave resistance - an experimental study-, J. Kansai Soc. N. A., Japan, No. 239, pp. 1-10.

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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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