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문제 정의
- 본 연구에서는 조류가 수평 또는 수직 방향으로 다양한 입사각으로 작용할 때, 다관절 해저로봇인 Crabster가 받는 유체하중 및 모멘트 산정을 위하여 수치해석을 수행하였다. 가장 먼저 Crabster의 몸체에 조류가 수평 또는 수직 방향으로 작용할 때 대하여 입사각에 따른 유체하중 및 모멘트 산정을 위한 수치계산을 수행하였다.
가설 설정
- CR200에 작용하는 유체하중 및 모멘트를 산정하기 위하여 총 6개의 case에 대한 수치계산을 수행하였다. CR200에 작용하는 조류의 경우, 해저면 점착조건을 고려한 경계층 유동이 아닌 균일유동으로 가정하였으며 조류의 속도는 입사하는 조류와 해저로봇 작업 수행 시 Walking speed의 상대속도를 고려하여 약 5 knots를 기준으로 실물 크기에 대한 수치해석을 수행하였다. 먼저, CR200의 몸체에 대하여 조류가 수평 또는 수직 방향으로 작용할 때 조류의 입사각에 따른 유체 하중 및 모멘트 변화를 계산하였다.
제안 방법
- 유동 방향에 따른 유체력을 추정하기 위하여 전체 도메인은 36각형으로 구성하였다. CR200 주위 유동의 정확한 해석을 하기 위하여 몸체 및 다리 주위에 프리즘 격자를 배치하였다. 첫 번째 격자점의 위치는 Reynolds 수에 근거하여 Y+는 100~200 정도에 맞추었다.
- 유동해석을 위한 격자생성은 ICEM-CFD를 사용하였으며 비정렬 격자구조(Unstructured grid system)를 기반으로 격자를 생성하였다. CR200에 대한 유동해석은 실제 크기를 기준으로 하였다. 본 연구에서는 조류속도 5 knots를 기준으로 계산을 수행하였으며, 몸체와 다리에 대한 Reynolds number의 범위는 2×106< Re<6×106이다.
- CR200에 작용하는 유체하중 및 모멘트를 산정하기 위하여 총 6개의 case에 대한 수치계산을 수행하였다. CR200에 작용하는 조류의 경우, 해저면 점착조건을 고려한 경계층 유동이 아닌 균일유동으로 가정하였으며 조류의 속도는 입사하는 조류와 해저로봇 작업 수행 시 Walking speed의 상대속도를 고려하여 약 5 knots를 기준으로 실물 크기에 대한 수치해석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 조류가 수평 또는 수직 방향으로 다양한 입사각으로 작용할 때, 다관절 해저로봇인 Crabster가 받는 유체하중 및 모멘트 산정을 위하여 수치해석을 수행하였다. 가장 먼저 Crabster의 몸체에 조류가 수평 또는 수직 방향으로 작용할 때 대하여 입사각에 따른 유체하중 및 모멘트 산정을 위한 수치계산을 수행하였다. 다음으로 Foil-type과 Box-type 두 종류의 다리에 대하여 형상에 따른 유체력 변화를 알아보기 위해 유동해석을 수행하였으며, 마지막으로 몸체와 각각의 다리가 결합한 상태에서 유체하중과 모멘트 산정을 수행하였다.
- 또한, 해저 로봇의 몸체 및 다리 표면에는 벽함수를 사용하였다. 그리고 Inlet과 Outlet 사이의 입사류와 평행한 측벽에는 계산의 편의를 위하여 Free-slip 조건을 부여하였다.
- 이와 같은 문제점을 극복하고자 한국해양과학기술원(KIOST)에서는 우리나라 서해의 해저 환경에 적합한 신개념 해저로봇 개발에 착수하였다. 다관절 해저로봇은 프로펠러식이 아닌 보행식 로봇으로서 조류 중에서 이동과 자세 고정이 가능하도록 설계되었다.
- 다음으로 CR200 다리형상 변화에 따른 유체하중 및 모멘트의 변화를 비교하였다. Fig.
- 가장 먼저 Crabster의 몸체에 조류가 수평 또는 수직 방향으로 작용할 때 대하여 입사각에 따른 유체하중 및 모멘트 산정을 위한 수치계산을 수행하였다. 다음으로 Foil-type과 Box-type 두 종류의 다리에 대하여 형상에 따른 유체력 변화를 알아보기 위해 유동해석을 수행하였으며, 마지막으로 몸체와 각각의 다리가 결합한 상태에서 유체하중과 모멘트 산정을 수행하였다.
- 먼저 CR200 몸체에 조류가 수직 또는 수평 방향으로 작용할 때 입사각에 따른 유체하중 및 모멘트를 산정하였으며, 조류 중 안정성 확보를 위한 자세 제어의 입력 자료인 입사각에 따른 유체력 변화 계수를 구하였다. 다음으로 두 종류의 다리형상(Foil-type, Box-type)에 작용하는 조류 입사각에 따른 유체 하중 및 모멘트 변화를 비교하였다. 전체적으로 Foil-type 다리가 Box-type 다리보다 더 작은 힘을 받는 것을 볼 수 있었다.
- 7은 조류의 유동 방향에 따른 CR200의 몸체에 작용하는 조류 입사각의 정의를 보여준다. 다음으로, 형상 변화에 따른 유동박리 현상과 조류의 입사면적에 의한 항력의 변화를 비교하기 위하여 두 가지 형상의 다리(Foil and box)에 대하여 수치해석을 수행하였다. 유동 방향은 수평 방향이며 Fig.
- 마지막으로 CR200의 몸체와 다리가 결합한 상태에서 각각의 다리형상에 따른 유체력의 변화를 비교하였다. 결합한 상태에 대한 조류 입사각의 정의는 Fig.
- 마지막으로 수평 방향 유동에 대하여 CR200 몸체와 다리가 결합한 상태에서 조류 입사각에 따른 유체하중 및 모멘트의 변화를 비교하였다.
- 본 연구에서는 수치해석을 통하여 천해용 다관절 해저 로봇인 CR200에 작용하는 조류의 유동 방향 및 입사각에 따른 유체하중 및 모멘트 변화를 추정하였다. 먼저 CR200 몸체에 조류가 수직 또는 수평 방향으로 작용할 때 입사각에 따른 유체하중 및 모멘트를 산정하였으며, 조류 중 안정성 확보를 위한 자세 제어의 입력 자료인 입사각에 따른 유체력 변화 계수를 구하였다. 다음으로 두 종류의 다리형상(Foil-type, Box-type)에 작용하는 조류 입사각에 따른 유체 하중 및 모멘트 변화를 비교하였다.
- CR200에 작용하는 조류의 경우, 해저면 점착조건을 고려한 경계층 유동이 아닌 균일유동으로 가정하였으며 조류의 속도는 입사하는 조류와 해저로봇 작업 수행 시 Walking speed의 상대속도를 고려하여 약 5 knots를 기준으로 실물 크기에 대한 수치해석을 수행하였다. 먼저, CR200의 몸체에 대하여 조류가 수평 또는 수직 방향으로 작용할 때 조류의 입사각에 따른 유체 하중 및 모멘트 변화를 계산하였다. 몸체를 고정한 후 유동 방향에 따라 전체 도메인을 몸체에 수직 또는 수평이 되도록 회전하여 계산을 수행하였다.
- 먼저, CR200의 몸체에 조류가 수직 방향으로 작용할 때 유체하중과 모멘트의 변화를 살펴보았다. 그래프의 가로축은 조류의 입사각, 세로축은 축 방향 힘 또는 모멘트를 속도의 제곱으로 나누어 나타내었다.
- 유동 방향에 따른 CR200에 작용하는 유체하중 및 모멘트를 산정하기 위하여 36각형으로 구성된 유동장의 경계조건을 설정하였다. 먼저, 입구의 경계조건으로써 입사각에 따른 유동 방향을 정의하기 위하여 속도를 직접 정의해 주는 Cartesian velocity component를 사용하였다.
- 먼저, CR200의 몸체에 대하여 조류가 수평 또는 수직 방향으로 작용할 때 조류의 입사각에 따른 유체 하중 및 모멘트 변화를 계산하였다. 몸체를 고정한 후 유동 방향에 따라 전체 도메인을 몸체에 수직 또는 수평이 되도록 회전하여 계산을 수행하였다. Fig.
- 그래프의 가로축은 조류의 입사각, 세로축은 축 방향 힘 또는 모멘트를 속도의 제곱으로 나누어 나타내었다. 무차원화를 수행하기 위해서 투영면적을 사용하는 것이 보통이나, 본 계산의 경우에는 각 방향별로 투영면적이 각각 달라서 의미 있는 면적의 선택이 불분명한 상황이기 때문에 계산된 힘과 모멘트를 속도의 제곱으로 나눈 값을 도시하였다. 실제 조류의 속도에서 조류하중을 계산하기 위해서는 그림의 값에 속도의 제곱을 곱하여 산정하면 되도록 하였다.
- 본 연구에서는 수치해석을 통하여 천해용 다관절 해저 로봇인 CR200에 작용하는 조류의 유동 방향 및 입사각에 따른 유체하중 및 모멘트 변화를 추정하였다. 먼저 CR200 몸체에 조류가 수직 또는 수평 방향으로 작용할 때 입사각에 따른 유체하중 및 모멘트를 산정하였으며, 조류 중 안정성 확보를 위한 자세 제어의 입력 자료인 입사각에 따른 유체력 변화 계수를 구하였다.
- 본 연구에서는 조류속도 5 knots를 기준으로 계산을 수행하였으며, 몸체와 다리에 대한 Reynolds number의 범위는 2×106< Re<6×106이다.
- 우선 1단계로 해저 200m까지 투입될 수 있으며 강한 조류환경을 이기고 작업이 가능한 CR200를 개발할 예정이며, 2 단계로 해저 6,000m에서도 작업이 가능한 CR6000가 개발될 예정이다. 본 연구에서는 주로 CR200에 작용하는 유체하중 및 모멘트를 산정하였다.
- 무차원화를 수행하기 위해서 투영면적을 사용하는 것이 보통이나, 본 계산의 경우에는 각 방향별로 투영면적이 각각 달라서 의미 있는 면적의 선택이 불분명한 상황이기 때문에 계산된 힘과 모멘트를 속도의 제곱으로 나눈 값을 도시하였다. 실제 조류의 속도에서 조류하중을 계산하기 위해서는 그림의 값에 속도의 제곱을 곱하여 산정하면 되도록 하였다. 속도의 차이에 따른 Reynolds number의 변화로 인한 차이는 유동 박리가 심한 복잡한 물체에서는 그리 심하지 않을 것으로 기대되며, 추후 속도의 차이에 따른 영향은 검토할 예정이다.
- 유동 방향에 따른 CR200에 작용하는 유체하중 및 모멘트를 산정하기 위하여 36각형으로 구성된 유동장의 경계조건을 설정하였다. 먼저, 입구의 경계조건으로써 입사각에 따른 유동 방향을 정의하기 위하여 속도를 직접 정의해 주는 Cartesian velocity component를 사용하였다.
- 본 연구에서는 조류속도 5 knots를 기준으로 계산을 수행하였으며, 몸체와 다리에 대한 Reynolds number의 범위는 2×106< Re<6×106이다. 유동 방향에 따른 유체력을 추정하기 위하여 전체 도메인은 36각형으로 구성하였다. CR200 주위 유동의 정확한 해석을 하기 위하여 몸체 및 다리 주위에 프리즘 격자를 배치하였다.
- 유동해석을 위한 좌표계로는 직교좌표계를 사용하였으며 좌표축은 형상모델을 기준으로 결정하였다. 정확한 유체하중 및 모멘트를 결정하기 위해서는 형상모델의 무게중심을 원점으로 하는 것이 마땅하나 현재까지 CR200의 무게중심이 결정되지 않은 관계로 CR200의 몸체를 대하여 x, y, z축 길이 방향의 중간지점이 교차하는 곳을 원점으로 정의하였으며, 다리는 몸체와 결합하는 곳을 중심점으로 정의하였다.
- 유동해석을 위한 좌표계로는 직교좌표계를 사용하였으며 좌표축은 형상모델을 기준으로 결정하였다. 정확한 유체하중 및 모멘트를 결정하기 위해서는 형상모델의 무게중심을 원점으로 하는 것이 마땅하나 현재까지 CR200의 무게중심이 결정되지 않은 관계로 CR200의 몸체를 대하여 x, y, z축 길이 방향의 중간지점이 교차하는 곳을 원점으로 정의하였으며, 다리는 몸체와 결합하는 곳을 중심점으로 정의하였다. 형상모델에 대한 좌표계 및 원점은 각각 Fig.
이론/모형
- CR200 주위에서 일어나는 역 압력 구배에 의한 유동 박리 현상을 보다 정확하게 파악하기 위하여 난류모델은 k-ω를 기반으로 한 Shear-stress-transport (SST) 모델을 사용하였다.
- 본 연구에서는 유한체적법(Finite volume method, FVM)에 기반을 둔 ANSYS-CFX를 사용하여 수치해석을 수행하였다. ANSYS-CFX는 CR200 주위의 유동해석을 위하여 난류 유동의 지배방정식인 연속방정식과 운동량 방정식을 포함한 Reynolds-ave- raged navier-stokes (RANS) 방정식을 풀게 된다.
- 수치계산을 위한 CR200의 몸체 및 Foil-type 과 Box-type 다리형상은 한국해양과학기술원에서 제공한 파일에 근거하였다. 유동해석을 위한 격자생성은 ICEM-CFD를 사용하였으며 비정렬 격자구조(Unstructured grid system)를 기반으로 격자를 생성하였다.
- 수치계산을 위한 CR200의 몸체 및 Foil-type 과 Box-type 다리형상은 한국해양과학기술원에서 제공한 파일에 근거하였다. 유동해석을 위한 격자생성은 ICEM-CFD를 사용하였으며 비정렬 격자구조(Unstructured grid system)를 기반으로 격자를 생성하였다. CR200에 대한 유동해석은 실제 크기를 기준으로 하였다.
- 는 점성과 난류에 의한 유효 응력(Effective stress)을 나타내며, t는 시간 그리고 p는 압력이다. 유효응력은 Boussinesq의 등방성 와 점성 모형(Isotropic eddy viscosity model)을 사용하여 다음과 같이 나타낼 수 있다.
성능/효과
- CR200의 다리형상에 따른 축 방향 힘 또는 모멘트를 비교해 본 결과 전체적으로 Box-type 다리보다 Foil-type 다리에 작용하는 유체하중 및 모멘트가 더 낮은 것을 확인할 수 있었다. Fig.
- 19에서는 x, y 방향 합력의 변화를 나타내었다. Fig. 19를 살펴보면 전체적으로 Foil-type 다리가 Box-type 다리보다 더 작은 힘을 받는 것을 볼 수 있으며 입사각이 90도와 270도에서는 날렵한 형상을 한 Foil-type 다리가 Box-type 다리보다 훨씬 더 작은 힘을 받는 것을 확인할 수 있다.
- y축 방향 힘을 살펴보면 축 방향과 조류의 입사방향이 일치하는 90도와 270도에서 최댓값 또는 최솟값이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 그리고 z 축 방향 힘을 살펴보면 조류의 입사각 90도와 270도 근방에서 연직 상방향 힘이 크게 나타나는 것을 확인 할 수 있다. CR200 몸체를 살펴보면 입수 시 로봇의 다리를 접은 상태에서 해저면으로 하강할 수 있도록 하기위하여 CR200몸체 측면에 다리를 접기 위한 공간이 형성되어 있음을 확인할 수 있다.
- 전체적으로 Foil-type 다리가 Box-type 다리보다 더 작은 힘을 받는 것을 볼 수 있었다. 마지막으로 CR200의 몸체에 두 종류의 다리가 결합하였을 때 입사각에 따른 유체하중 및 모멘트의 변화를 비교하였으며 Foil-type 다리와 결합한 CR200이 더 작은 힘을 받는 것을 확인할 수 있었다.
- 다음으로 두 종류의 다리형상(Foil-type, Box-type)에 작용하는 조류 입사각에 따른 유체 하중 및 모멘트 변화를 비교하였다. 전체적으로 Foil-type 다리가 Box-type 다리보다 더 작은 힘을 받는 것을 볼 수 있었다. 마지막으로 CR200의 몸체에 두 종류의 다리가 결합하였을 때 입사각에 따른 유체하중 및 모멘트의 변화를 비교하였으며 Foil-type 다리와 결합한 CR200이 더 작은 힘을 받는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 실제 조류의 속도에서 조류하중을 계산하기 위해서는 그림의 값에 속도의 제곱을 곱하여 산정하면 되도록 하였다. 속도의 차이에 따른 Reynolds number의 변화로 인한 차이는 유동 박리가 심한 복잡한 물체에서는 그리 심하지 않을 것으로 기대되며, 추후 속도의 차이에 따른 영향은 검토할 예정이다.
- 1에서 보이는 것처럼 해저에서는 마치 바닷가재처럼 기어 다니며 작업을 수행하고 꽃게처럼 유영할 수 있도록 설계될 예정이며, 심해용과 천해용으로 두 종류가 설계될 것이다. 우선 1단계로 해저 200m까지 투입될 수 있으며 강한 조류환경을 이기고 작업이 가능한 CR200를 개발할 예정이며, 2 단계로 해저 6,000m에서도 작업이 가능한 CR6000가 개발될 예정이다. 본 연구에서는 주로 CR200에 작용하는 유체하중 및 모멘트를 산정하였다.
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