본 연구의 목적은 해수 흡입구를 고려한 초공동 수중운동체 캐비테이터의 항력과 양력특성 및 해수 흡입유로의 입구에서 압력손실에 대해 예측하는 것이다. 흡입구 직경과 유로에서의 속도, 흡입구의 곡률반경 및 캐비테이터의 받음각이 미치는 영향에 대해 유동해석을 수행하였다. 연구 결과 직경비가 커지면, 항력계수와 압력손실계수가 감소하며, 속도비가 증가할 때 항력계수와 양력계수는 감소하고 압력손실계수는 증가한다. 해수 흡입구에 곡률을 주면 항력계수와 양력계수에는 영향을 미치지 않지만, 압력손실계수가 크게 감소한다. 캐비테이터의 받음각은 항력계수와 압력손실계수에 미소한 영향만을 주나, 양력계수를 크게 변화시킨다. 초공동 수중운동체 설계 시 본 연구 결과를 반영할 수 있다.
본 연구의 목적은 해수 흡입구를 고려한 초공동 수중운동체 캐비테이터의 항력과 양력특성 및 해수 흡입유로의 입구에서 압력손실에 대해 예측하는 것이다. 흡입구 직경과 유로에서의 속도, 흡입구의 곡률반경 및 캐비테이터의 받음각이 미치는 영향에 대해 유동해석을 수행하였다. 연구 결과 직경비가 커지면, 항력계수와 압력손실계수가 감소하며, 속도비가 증가할 때 항력계수와 양력계수는 감소하고 압력손실계수는 증가한다. 해수 흡입구에 곡률을 주면 항력계수와 양력계수에는 영향을 미치지 않지만, 압력손실계수가 크게 감소한다. 캐비테이터의 받음각은 항력계수와 압력손실계수에 미소한 영향만을 주나, 양력계수를 크게 변화시킨다. 초공동 수중운동체 설계 시 본 연구 결과를 반영할 수 있다.
The purpose of this study was to investigate the drag and lift characteristics of the cavitator of a supercavitating underwater vehicle and the pressure loss due to water intake. These investigations were performed by changing the diameter, velocity, radius of curvature of the intake, and angle of a...
The purpose of this study was to investigate the drag and lift characteristics of the cavitator of a supercavitating underwater vehicle and the pressure loss due to water intake. These investigations were performed by changing the diameter, velocity, radius of curvature of the intake, and angle of attack of the cavitator. With increasing ratio of the intake diameter to the cavitator diameter ratio($d/D_1$), the drag coefficient and the pressure loss coefficient of the water intake decreased. The greater the increase in the ratio of the intake velocity-to-free stream velocity ratio(S), the smaller was the decrease in the drag coefficient and the lift coefficient. When the intake had a radius of curvature(c), the pressure loss coefficient decreased. On the contrary, the effect of the radius of curvature on the drag coefficient was imperceptible. For angles of attack (${\alpha}$) of the caviatator in the range of $0^{\circ}$ to $10^{\circ}$, the drag coefficient and the pressure loss coefficient changed slightly, whereas the lift coefficient increased linearly with increasing angle of attack.
The purpose of this study was to investigate the drag and lift characteristics of the cavitator of a supercavitating underwater vehicle and the pressure loss due to water intake. These investigations were performed by changing the diameter, velocity, radius of curvature of the intake, and angle of attack of the cavitator. With increasing ratio of the intake diameter to the cavitator diameter ratio($d/D_1$), the drag coefficient and the pressure loss coefficient of the water intake decreased. The greater the increase in the ratio of the intake velocity-to-free stream velocity ratio(S), the smaller was the decrease in the drag coefficient and the lift coefficient. When the intake had a radius of curvature(c), the pressure loss coefficient decreased. On the contrary, the effect of the radius of curvature on the drag coefficient was imperceptible. For angles of attack (${\alpha}$) of the caviatator in the range of $0^{\circ}$ to $10^{\circ}$, the drag coefficient and the pressure loss coefficient changed slightly, whereas the lift coefficient increased linearly with increasing angle of attack.
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문제 정의
하지만 초공동 수중운동체의 구성품 설계에 대한 연구는 지금까지 미비한 편이다. 따라서 본 연구에서는 이에 대한 기초적인 설계 관점으로 다양한 변수에 대한 유동특성을 평가해 보고자 한다. 캐비테이터의 항력과 양력특성 및 흡입구의 압력 손실에 대해 파악하였다.
또한, 이 무차원 변수들과 실제 작동 시에 조정되는 받음각(α)의 조건을 바꿔주며 수치 해석적 방법을 통해 캐비테이터의 항력과 양력특성 및 흡입구의 압력 손실에 대한 결과를 분석하였다. 이는 향후 초공동 수중운동체를 설계할 때, 변수들이 유동특성이 미치는 영향을 반영하여 결정하는데 도움을 주고자 한다.
가설 설정
항력과 양력특성을 효과적으로 나타내고자 항력계수와 양력계수로 표현하였으며, 각각 식 (1) 과 식 (2)로 정의하였다. 벽에 작용하는 점성에 의한 효과는 작기 때문에 없는 것으로 가정하였다.
제안 방법
초공동화 로켓 어뢰체계의 핵심 기술과 개발 동향에 대한 연구(1)를 시작으로, 초공동 수중 운동체의 동역학적 특성과 이에 대한 모델링, 그리고 이를 제어하는 연구가 수행되어왔다.(2,3) 초공동 수중운동체에 대한 2차원 축대칭 전산해석을 통하여 유동 특성을 파악하였고,(4~6) 이를 시험 결과와 비교하여 타당성을 평가한 연구도 수행되었다.(7) 캐비테이터를 지나 유입되는 해수의 유동은 펌프의 성능 특성과 효율에 직접적인 영향을 주게 된다.
2차원, 3차원 수치해석을 이용해 해수흡입구를 고려한 초공동 수중운동체 캐비테이터 특성에 대한 연구를 수행하였다. 이를 위해 흡입구 직경과 캐비테이터의 직경비, 흡입 유로에서의 속도와 프리 스트림 속도의 비, 흡입구의 곡률반경을 흡입구 직경에 대한 비로 나타낸 무차원 수 및 캐비테이터의 받음각의 조건을 변경하였으며, 그에 대한 캐비테이터의 항력과 양력 및 흡입구의 압력 손실에 미치는 영향을 확인하였다.
또한, 이 무차원 변수들과 실제 작동 시에 조정되는 받음각(α)의 조건을 바꿔주며 수치 해석적 방법을 통해 캐비테이터의 항력과 양력특성 및 흡입구의 압력 손실에 대한 결과를 분석하였다.
연구 대상은 형상 및 치수가 확정되지 않은 설계 초기 단계이므로 초공동 수중운동체의 특징을 가진 단순화된 모델을 사용하였다. 원판 형태의 캐비테이터가 운동체 앞전에 위치하며, 이 원판의 중심에 흡입구가 존재하여 해수를 흡입하게 된다.
캐비테이터의 항력과 양력특성 및 흡입구의 압력 손실에 대해 파악하였다. 유동장을 지배하는 무차원 변수들을 캐비테이터 직경과 흡입구 직경비(d/D1), 어뢰 속도에 대한 해수 흡입 속도비(S), 그리고 흡입구 곡률반경과 흡입구 직경의 비(2c/d)를 선택하여 이에 대한 영향을 평가하였다. 또한, 이 무차원 변수들과 실제 작동 시에 조정되는 받음각(α)의 조건을 바꿔주며 수치 해석적 방법을 통해 캐비테이터의 항력과 양력특성 및 흡입구의 압력 손실에 대한 결과를 분석하였다.
2차원, 3차원 수치해석을 이용해 해수흡입구를 고려한 초공동 수중운동체 캐비테이터 특성에 대한 연구를 수행하였다. 이를 위해 흡입구 직경과 캐비테이터의 직경비, 흡입 유로에서의 속도와 프리 스트림 속도의 비, 흡입구의 곡률반경을 흡입구 직경에 대한 비로 나타낸 무차원 수 및 캐비테이터의 받음각의 조건을 변경하였으며, 그에 대한 캐비테이터의 항력과 양력 및 흡입구의 압력 손실에 미치는 영향을 확인하였다.
캐비테이션 모델로는 증기방울의 생성과 붕괴에 대한 거동을 표현한 Rayleigh-Plesset Equation 모델을 적용하였다. 입구 조건으로 전압력을, 출구 조건으로 질량유량을 사용하여 유동특성을 평가하였다.
캐비테이터의 받음각이 없는(α = 0°) 경우, 초공동 수중운동체는 축대칭으로 2차원으로 평가하였고, 받음각이 있는 경우에는 3차원 유동해석을 수행하였다.
따라서 본 연구에서는 이에 대한 기초적인 설계 관점으로 다양한 변수에 대한 유동특성을 평가해 보고자 한다. 캐비테이터의 항력과 양력특성 및 흡입구의 압력 손실에 대해 파악하였다. 유동장을 지배하는 무차원 변수들을 캐비테이터 직경과 흡입구 직경비(d/D1), 어뢰 속도에 대한 해수 흡입 속도비(S), 그리고 흡입구 곡률반경과 흡입구 직경의 비(2c/d)를 선택하여 이에 대한 영향을 평가하였다.
대상 데이터
3으로 정의하였다. STAR-CD를 사용하여 정렬 격자를 생성하였고, 격자 검증을 통하여 2차원 해석 경우 150k개, 3차원의 경우 최대 3,000k개, 최소 600k개를 사용하였다. Fig.
이론/모형
난류 모델은 k-ε을 사용하였고, 벽에서의 y+는 평균적으로 12~50을 유지하였다.
난류 모델은 k-ε을 사용하였고, 벽에서의 y+는 평균적으로 12~50을 유지하였다. 캐비테이션 모델로는 증기방울의 생성과 붕괴에 대한 거동을 표현한 Rayleigh-Plesset Equation 모델을 적용하였다. 입구 조건으로 전압력을, 출구 조건으로 질량유량을 사용하여 유동특성을 평가하였다.
성능/효과
(2,3) 초공동 수중운동체에 대한 2차원 축대칭 전산해석을 통하여 유동 특성을 파악하였고,(4~6) 이를 시험 결과와 비교하여 타당성을 평가한 연구도 수행되었다.(7) 캐비테이터를 지나 유입되는 해수의 유동은 펌프의 성능 특성과 효율에 직접적인 영향을 주게 된다. 따라서 캐비테이터와 해수 흡입구의 설계는 초공동 수중운동체의 중요한 기술요소중의 하나이다.
이 때 항력계수는 흡입구가 있는 경우와 상이하며. 이를 통하여 흡입구를 고려하였을 경우 유동 특성이 달라지는 것을 파악하였다.
11은 직경비에 따른 손실계수를 나타낸 그래프이다. 직경비가 작을수록 유로를 지나면서 압력계수가 감소하는 것을 알 수 있고, 이로 인하여 손실계수는 증가하는 것을 알 수 있었다.
후속연구
본 연구결과는 아직 실험 자료가 없는 상황에서 초공동 수중운동체의 추진 시스템 설계와 운동 시뮬레이션을 위한 데이터로 활용될 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
로켓추진기관은 어떤 문제를 해결하기 위해 제안된 방법인가?
초월공동현상을 생성하기 위하여 어뢰의 앞에 캐비테이터(Cavitator)가 장착이 된다. 고속으로 진행하기 위하여 높은 추력이 필요한데, 추진기관이 초공동 내에 위치함으로써, 전형적인 수중 추진기관인 프로펠러를 사용하는 것이 불가능하다. 이에 대한 대안으로 오래 전부터 로켓추진기관이 제시되어 왔다.
초월공동현상을 생성하기 위하여 무엇이 장착되는가?
초공동 수중운동체의 기본 원리는 어뢰의 몸통 주위에 초월공동현상을 발생시켜 해수와의 직접접촉을 피함으로 저항을 최소화하여 진행하는 것이다. 초월공동현상을 생성하기 위하여 어뢰의 앞에 캐비테이터(Cavitator)가 장착이 된다. 고속으로 진행하기 위하여 높은 추력이 필요한데, 추진기관이 초공동 내에 위치함으로써, 전형적인 수중 추진기관인 프로펠러를 사용하는 것이 불가능하다.
초공동 수중운동체의 기본 원리는 무엇인가?
초공동현상(Supercavitating)을 이용한 수중운동체는 평균 100m/s의 속도로 진행하는 어뢰의 한 종류로서, 기존의 어뢰의 평균속도가 25m/s임을 감안하면 매우 빠른 속도로 진행하는 것을 알 수 있다. 초공동 수중운동체의 기본 원리는 어뢰의 몸통 주위에 초월공동현상을 발생시켜 해수와의 직접접촉을 피함으로 저항을 최소화하여 진행하는 것이다. 초월공동현상을 생성하기 위하여 어뢰의 앞에 캐비테이터(Cavitator)가 장착이 된다.
참고문헌 (7)
Kim, Y. G. and Nah, Y. I., 2011, "Propulsion Technologies of Supercavitating Rocket Torpedo, Shkval," Proceedings of the 2011 KSPE Fall conference, pp. 383-387.
Jung, H. G. and Kim, N. W., 2010, "Study on Longitudinal Modeling and Attitude Control for Supercavitating Underwater Vehicles," 2010 KSAS Spring conference, pp. 623-626.
Jung, H. G., Ahn, S. S. and Kim, N. W., 2010, "Study on Modeling for Supercavitation Underwater Vehicles," 2010 KSAS Fall conference, pp. 812-815.
Park, S. I., Park, W. K. and Jung, C. M., 2009, "Numerical Code Development of Supercaviting Flow Around an Underwater Vehicle," 2009 KSCFE Fall conference, pp. 188-192.
Lee, H. B., Choi, J. K. and Kim, H. T., 2013, "Numerical Analysis of Supercavitating Flows of Two-Dimensional Simple Bodies," Journal of the Society of Naval Architects of Korea, Vol. 50, No. 6, pp. 436-449.
Kim, D. H., Park, W. K. and Jung, C. M., 2012, "Numerical Multi Phase Flow Analysis for High Speed Underwater Vehicle with Compressible Effect," 2012 KSCFE Fall conference, pp. 119-122.
Park, H. M., Park, W. K. and Jung, C. M., 2012, "Comparison of CFD Simulation and Experiment of Cavitating Flow Past Axisymmetric Cylinder," Jounal of Computational Fluid Engineering, Vol. 17, No. 1, pp. 78-85.
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