[논문]분리된 분할판에 의한 정방형주의 항력감소

노기덕; 윤성민; 최동현; 김재현; 심은총

doi:10.5916/jkosme.2012.36.6.808

분리된 분할판에 의한 정방형주의 항력감소
Drag Reduction on a Square Prism Using a Detached Splitter Plate 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.36 no.6, 2012년, pp.808 - 813

노기덕 (경상대학교 기계시스템공학과.해양산업연구소) , 윤성민 (경상대학교 기계시스템공학과) , 최동현 (경상대학교 기계시스템공학과) , 김재현 (경상대학교 기계시스템공학과) , 심은총 (경상대학교 기계시스템공학과)

초록
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본 연구는 정방형주의 후류측으로 분리된 분할판(Detached splitter plate)을 설치한 경우 정방형주의 항력저감특성을 분할판의 폭과 정방형주 후면에서부터 분할판까지의 간격을 변수로 하여 양 항력측정 실험으로 파악한 것이다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다. 양 항력의 시간변화를 측정해 본 결과 정방형주의 후류측에 분리된 분할판을 설치한 경우가 본래의 정방형주에 비해 양력의 진폭이 대폭 감소했다. 분할판의 폭비를 고정시킨 경우 정방형주의 항력감소율은 간격비가 증가할수록 증가하다 감소하는 특성을 보였다. 같은 간격비에서는 분할판의 폭비가 클수록 정방형주의 항력감소율이 컸으며, 폭비 H/B=1.5, 간격비 G/B=0.5에서 최대 24.2%의 항력감소율을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The Characteristics of the drag reduction of a square prism having a detached splitter plate at the wake side were investigated by measuring of lift and drag on the square prism. The experimental parameters were the width ratios(H/B=0.5~1.5) of splitters to the prism width and the gap ratios (G/B=0~2) between the prism and the splitter plate. As the results the amplitude of the lift on the square prism having a detached splitter plate was remarkably decreased by comparison with the prototypical square prism. The drag reduction rate of the square prism was increased with H/B in case of the same G/B, and was increased and decreased with G/B in case of the same H/B. The maximum drag reduction rate was represented by 24.2% at H/B=1.5 and G/B=0.5.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 고 레이놀즈 영역에서 정방형주의 후류측으로 분리된 분할판(Detached splitter plate)을 설치한 경우 정방형주의 항력저감 특성을 분할판의 폭과 정방형주 후면에서부터 분할판까지의 간격을 변수로 하여 양 ⋅ 항력측정 실험으로 파악하고자 한다.
본 연구는 일정류 중에 놓인 정방형주 후류측에 중심에 분리된 분할판을 설치함으로서 어느 정도의 항력저감 효과를 얻을 수 있는지를 양⋅항력측정 실험으로 파악한 것이다.

제안 방법

0범위 내에서 일정간격으로 증가시켜가면서 유체력을 측정했다. 구체적으로 분할판을 정방형주 후면 중심에서부터 12.5mm간격으로 후류방향으로 이동시켜가며 양, 항력을 측정했다.
구체적으로 양력은± 1.0N의 범위 내에서 0.2N씩, 항력은 +1.0N의 범위 내에서 0.2N씩 정하중을 증가시켜가며, 각각의 하중에 대응하는 출력전압을 구하였다.
그리고 그곳에 각 방향으로 2매씩(계 4매) 스트레인게이지를 부착하고 브릿지 회로를 결성하여 스트레인 양으로 양, ⋅ 항력을 측정했다.
2N씩 정하중을 증가시켜가며, 각각의 하중에 대응하는 출력전압을 구하였다. 그리고 이 자료를 이용하여 선형 최소자승근사법으로 하중과 출력전압 관계식을 구하였다. Figure 3에 나타낸 바와 같이 캘리브레이션 결과는 양력, 항력 모두 직선선상에 있었으며, 실험값과 선형관계식에서 구한 값에서의 평균제곱근(root-meansquare) 오차는 양력,․항력 모두 0.
레이놀즈 수 Re=1.0×104 로 고정시키고, 폭비 H/B=0.5, 1.0, 1.5 인 분할판에 대해 간격비 G/B를 G/B=0.1~2.0범위내에서 0.25씩 증가시켜가면서 정방형주에 작용하는 양, 항력의 감소특성을 조사했다.
Figure 2에 양 ⋅ 항력 측정실험을 위해 제작한 실험장치의 개략도 및 사진을 나타낸다. 실험 장치는 크게 정방형주, 측정 축, 고정판 및 분할판으로 나누어 제작했다. 정방형주, 고정판 및 분할판은 사용한 회류수조의 크기에 맞추어 투명아크릴 판으로 제작했다.
0×10⁴이다. 실험은 레이놀즈 수를 고정시키고, 폭비 H/B=0.5, 1.0, 1.5인 분할판에 대해 간격비 G/B를 G/B= 0.1~2.0범위 내에서 일정간격으로 증가시켜가면서 유체력을 측정했다. 구체적으로 분할판을 정방형주 후면 중심에서부터 12.
양력 및․항력의 켈리브레이션은 물을 채우지 않은 회류수조의 수로에 Figure 2의 정방형주를 설치하고 정방형주 길이의 1/2되는 지점에서 양력의 ± 방향, 항력은 +방향으로 정하중을 가하여 행하였다.
이때 정방형주에 작용하는 항력 D는 일정류와 같은 방향으로 작용하는 유체력 성분을, 양력 L은 일정류와 수직 상방향으로 작용하는 유체력 성분을 의미한다. 연구는 레이놀즈 수를 일정히 한 상태에서 폭비 H/B=0.5, 1.0, 1.5를 갖는 3가지의 분할판에 대해 간극비 G/B를 0.1에서부터 2.0까지 0.25씩 증 가시켜가며 정방형주에 작용하는 양, 항력을 측정하는 방법으로 진행하였다.
정방형주는 크기가 50×50×180mm이며 각 면은 두께 3mm, 상, 하 덮개는 10mm 두께의 아크릴 판으로 만들었다.

대상 데이터

실험 장치는 크게 정방형주, 측정 축, 고정판 및 분할판으로 나누어 제작했다. 정방형주, 고정판 및 분할판은 사용한 회류수조의 크기에 맞추어 투명아크릴 판으로 제작했다. 정방형주는 크기가 50×50×180mm이며 각 면은 두께 3mm, 상, 하 덮개는 10mm 두께의 아크릴 판으로 만들었다.
또한 상, 하 덮개의 중앙에 직경 12mm의 구멍을 뚫고, 측정축을 장착하기 쉽게 고정용 너트를 부착하였다. 측정 축은 직경 8mm, 길이 345mm의 알루미늄의 봉을 가공하여 제작했다. 즉 봉의 하부 190mm는 나사를 가공하여 정방형주를 너트로 고정시켰다.

성능/효과

(1) 양⋅항력의 시간변화를 측정해 본 결과 정방 형주의 후류측에 분리된 분할판을 설치한 경우가 본래의 정방형주에 비해 양력의 진폭이 대폭 감소했다.
(2) 분할판의 폭비를 고정시킨 경우 정방형주의 항력감소율은 간격비가 증가할수록 증가하다 감소하는 특성을 보였다.
(3) 같은 간격비에서는 분할판의 폭비가 클수록 정방형주의 항력감소율이 컸으며, 폭비 H/B=1.5, 간격비 G/B=0.5에서 최대 24.2%의 항력감소율을 보였다.
측정 축 원봉을 전후, 좌우방향으로 평평하게 깍음으로서 그곳에 스트레인 게이지 부착이 쉬웠고, 양 ⋅ 항력 분리도 용이했다. 향후 유동장 가시화 실험 등을 통하여 분리된 분할판 설치에 의한 정방형주 항력저감 메커니즘을 규명하는 연구가 필요하다.

후속연구

측정 축 원봉을 전후, 좌우방향으로 평평하게 깍음으로서 그곳에 스트레인 게이지 부착이 쉬웠고, 양 ⋅ 항력 분리도 용이했다. 향후 유동장 가시화 실험 등을 통하여 분리된 분할판 설치에 의한 정방형주 항력저감 메커니즘을 규명하는 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	물체주위의 유동을 제어해서 항력을 감소시키는 방법은 어떻게 나눌 수 있는가?	일반적으로 물체주위의 유동을 제어해서 항력을 감소시키는 방법으로 에너지가 부족한 경계층 영역에 외부에너지의 공급유무에 따라 능동적 기법과 수동적 기법으로 나눌 수 있다[1]. 특히 후자는 외부에너지 공급 없이 단순히 물체의 기하학적 형상을 변경하거나 간단히 부가장치를 부착하면 되기 때문에 산업현장에 응용하기 쉽다.
	Khalighi 등의 연구자들은 정방형주의 항력저감에 관한 연구를 어떻게 진행하였는가?	후자를 이용한 정방형주의 항력저감에 관한 연구를 살펴보면, Khalighi 등[2]은 후류영역에 4개의 수평판을 설치하여 난류강도 및 하부유동의 급격한 편향을 억제하는 방법으로 항력을 감소시켰다.
	유동 제어 항력 저감법 중 수동적 기법의 장점은?	일반적으로 물체주위의 유동을 제어해서 항력을 감소시키는 방법으로 에너지가 부족한 경계층 영역에 외부에너지의 공급유무에 따라 능동적 기법과 수동적 기법으로 나눌 수 있다[1]. 특히 후자는 외부에너지 공급 없이 단순히 물체의 기하학적 형상을 변경하거나 간단히 부가장치를 부착하면 되기 때문에 산업현장에 응용하기 쉽다.

참고문헌 (7)

M. Gad-el-Hak, "Modern developments in flow control," Applied Mechanics Reviews, 49, No. 7, pp. 365, 1996.

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B. Khalighi, S. Zang, C. Korokilas et al., "Experimental and computational study of unsteady wake flow behind a bluff body with a drag reduction device," Society of Automotive Engineers, 2001-01-1042, 2001.
T. Tamura, T. Miyagi, "The effect of turbulence on aerodynamic forces on a square cylinder with various corner shapes," Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 83, pp. 135-145, 1999.

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K.-D. Ro, K.-S. Kim, "Fluid force reduction characteristics of a square prism having fences on the corner", Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 30, no. 3, pp. 389-395, 2006 (in Korean).
W.-C. Park, "Effect of the length of a splitter plate on drag reduction", Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B", vol. 17, no. 11, pp. 2809-2815, 1993 (in Korean).
C. J. Apelt and G. S. West, "The effects of wake splitter plates on bluff-body flow in the range $10^{4}$ ${\times}$ $10^{4}$ . Part 2," J. Fluid Mech., vol. 71, part 1, pp. 145-160, 1975.

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Con J. Doolan, "Flat-Plate interaction with the near wake of a square cylinder," The American Institute of Aeronautics and Astronautics Journal, vol. 47, no. 2, pp. 475-478, 2009.

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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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