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문제 정의
- FLUENT에서는 해석을 위해 여러 가지 난류와 공동 모델을 제공하고 있는데, 각 모델의 조합에 의한 결과가 계산 결과에 차이를 주므로[7]부분 공동 해석에 보다 적합한 조합을 찾고자 하였다.
- 특히 고속함정의 프로펠러와 타(rudder) 주위에 발생하는 공동은 수중방사소음의 주요 원인으로 작용하기 때문에 공동의 발생 특성을 정량적으로 평가할 수 있어야 한다. 본 연구에서는 공동의 정량적 평가를 위한 해석법의 개발을 목표로, 먼저 속도 포텐셜을 기저로 하는 판요소법[1]을 확장하여 부분공동 유동을 해석할 수 있는 수치해석 프로그램을 개발하였다. 현재 날개단면에서 발생하는 부분 공동 문제에 대해서는 정량적으로 비교가 가능한 실험 결과가 부족한 실정이며, 비점성 해석법을 사용한 결과는 공동이 발생한 후에 작용하는 항력 및 비정상 상태에서의 계산에 한계가 있다.
- 본 연구에서는 저소음 프로펠러 설계단계에서부터 적용 가능한 부분공동 성능 해석법 개발을 목표로 선박용 프로펠러 날개 단면에서 발생하는 부분공동 다상 유동의 점성 및 비점성 수치해석을 수행하고 그 결과를 비교, 평가하고자 하였다. 비점성 해석 방법에 의한 계산 결과와 상용 프로그램을 사용하여 계산한 결과는 발생한 부분공동의 길이 및 마감형태에서 차이를 보이고 있고, 상용 프로그램에서 제공하는 난류 모델과 공동 모델에 따른 부분 공동 해석 결과는 또한 길이와 마감형태가 서로 다르게 나타난다.
- 최근 여러 점성해석 상용 프로그램들이 다양한 난류와 공동 모델을 조합하여 공동해석을 수행할 수 있는 단계로 발전하고 있으며,[2] 본 연구에서는 그 중 FLUENT에서 제공하는 난류와 공동 모델을 조합하여 성능해석을 수행하고 그 결과를 비교, 분석하였다. 이를 통해 부분 공동문제에 대한 난류 및 공동 모델의 조합을 사용함에 따른 점성해석 성능을 평가하고 점성효과를 고려한 비점성 해석법의 성능향상을 위한 방안을 모색하고자 하였다.
- 이에 각 모델들의 해석 방법의 차이가 실제 공동 현상에 어떠한 영향을 미치는지 계산 결과를 통해 확인하고자 하였다. 앞선 비점성 해석에서와 같은 모델과 조건으로 상용 프로그램인 ANSYS FLUENT v.
가설 설정
- 날개 단면 표면에 법선 다이폴과 소스를 분포함으로써 경계치 문제를 정식화하였다. 발생한 공동의 표면에 대해 시간에 따른 변화량은 없고, 공동의 표면에서의 압력은 증기압으로 동일하다고 가정한다. 즉, 정상 상태의 무한 유동 가정 하에서 공동 표면에서의 접선 방향 속도는 모두 일정하다.
- 입사각을 갖고 균일 유동 중에 일정한 속도로 움직이는 2차원 날개 단면을 가정한다. 날개 단면 표면에 법선 다이폴과 소스를 분포함으로써 경계치 문제를 정식화하였다.
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