[논문]CFD를 이용한 덕트 프로펠러 단독 상태에서의 추진 성능 예측

이경언; 진두화; 이상욱

doi:10.6112/kscfe.2015.20.2.001

CFD를 이용한 덕트 프로펠러 단독 상태에서의 추진 성능 예측
PROPULSIVE PERFORMANCE PREDICTION OF A DUCTED PROPELLER IN OPEN WATER CONDITION USING CFD 원문보기

한국전산유체공학회지 = Journal of computational fluids engineering, v.20 no.2 = no.69, 2015년, pp.1 - 6

이경언 (현대중공업 선박연구소) , 진두화 (울산대학교 기계공학부) , 이상욱 (울산대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a numerical prediction on propulsive performance of a ducted propeller in open water condition was carried out by solving Reynolds averaged Navier-Stokes(RANS) equation using computational fluid dynamics(CFD). A configuration of propeller Ka-470 inside duct 19A was considered. Hexahedral grid system was generated by dividing whole computational domain into three separate regions; propeller, duct and outer flow region. A commercial CFD software, ANSYS-CFX was used for numerical simulations. Results were compared with experimental data and showed considerable improvement in accuracy, in comparison to those from surface panel method which is based on potential flow assumption. The results also exhibited the importance of grid system within the gap between the inner surface of duct and blade tip for accurate prediction of propulsive performance of ducted propeller.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

CFD 해석을 위한 덕트 프로펠러 모델로는 Baltazar and Falcao de Campos[2]가 표면 패널법을 적용하여 추진 성능 해석을 수행한 프로펠러 Ka-470와 덕트 19A 모델을 적용하였으며, 본 연구에서 얻는 수치해석 결과를 Baltazar et al.[2,3]의 표면 패널법 해석 결과 및 실험값 등과 비교 분석하였다.
본 연구에서는 보다 효율적인 수치 격자 생성을 위하여 Fig. 2에 보인 것과 같이 전 계산 영역을 크게 프로펠러 영역, 덕트 영역 및 그 외의 바깥 유동장 영역 등 세 개의 영역으로 분리하여 구성하였으며, 프로펠러 영역은 Turbo-Grid S/W, 덕트 영역과 바깥 유동장 영역은 ICEM-CFD 격자 생성 S/W 를 사용하여 전 영역에 걸쳐 육면체 격자(hexahedral element) 를 생성하였다. 육면체 격자는 사면체 격자(tetrahedral element) 에 비해 동일한 수의 요소(element) 수 대비 약 2배의 노드수를 가지며, 상대적으로 빠른 수렴과 높은 정확도를 가진다.
지배방정식으로는 3차원 비압축성 레이놀즈 평균 나비어스톡스(RANS) 방정식을 적용하였으며, 해석 시간 단축 및 계산의 효율화를 위하여 주기적(periodical) 경계 조건을 이용하여 전체 계산 영역의 1/4 모델만 해석하였다. 유동 입구 영역에는 균일한 속도 조건, 출구에는 정압 조건을 적용하였으며, 덕트와 프로펠러 표면에서는 No-Slip 경계조건을 적용하였다.
본 해석에서 사용된 각 영역의 격자수를 Table 3에 나타냈다. 특히 프로펠러 영역 수치 격자의 경우, 덕트를 제외한 단독 프로펠러에 대하여 격자수에 따른 추진 성능 해석 결과를 비교 분석한 후, 격자계에 독립적인 수렴해를 갖는 격자수를 기반으로 결정하였다.
SST 난류 모델은 k-ω모델과 k-ε모델을 병합한 형태로 두 모델의 장점을 모두 가지며, 일반적으로 유동 박리 현상 예측에도 우수한 것으로 알려져 있다[8]. 프로펠러는 회전체이기 때문에 프로펠러 영역에는 회전(rotation) 조건과 그 외의 영역에는 고정(stationary) 조건을 설정하였다. 회전영역과 고정영역이 접하는 면에는 ANSYS-CFX의 Frozen Rotor 기법을 적용하였으며, 이러한 Frozen Rotor기법은 MRF(moving reference frame) 기반의 회전영역의 회전 좌표계와 고정영역의 기존 좌표계를 연결해주는 준정상상태(quasi-steady) 해석 기법으로 정상상태 성능 해석을 위하여 효율적인 기법이다.

대상 데이터

본 수치 해석에 적용된 프로펠러 Ka-470 모델 및 덕트 19A 모델의 주요 제원[7]을 각각 Table 1과 Table 2에 나타내었으며, 이에 대한 도면을 Fig. 1에 보였다. 프로펠러 날개 직경은 D = 0.

데이터처리

회전영역과 고정영역이 접하는 면에는 ANSYS-CFX의 Frozen Rotor 기법을 적용하였으며, 이러한 Frozen Rotor기법은 MRF(moving reference frame) 기반의 회전영역의 회전 좌표계와 고정영역의 기존 좌표계를 연결해주는 준정상상태(quasi-steady) 해석 기법으로 정상상태 성능 해석을 위하여 효율적인 기법이다. 본 계산에 앞서 이러한 Frozen Rotor 기법에 의한 정상상태 해석 결과를 Sliding Mesh 기법을 적용하여 얻은 비정상 해석 결과와 비교 검증하였으며, Sliding Mesh 기법의 1회전 동안의 시간 평균값과 동일한 결과를 얻을 수 있음을 확인하였다.

이론/모형

CFD 해석을 위한 덕트 프로펠러 모델로는 Baltazar and Falcao de Campos[2]가 표면 패널법을 적용하여 추진 성능 해석을 수행한 프로펠러 Ka-470와 덕트 19A 모델을 적용하였으며, 본 연구에서 얻는 수치해석 결과를 Baltazar et al.[2,3]의 표면 패널법 해석 결과 및 실험값 등과 비교 분석하였다.
난류 모델로는 SST(shear stress transport) 모델을 적용하였다. SST 난류 모델은 k-ω모델과 k-ε모델을 병합한 형태로 두 모델의 장점을 모두 가지며, 일반적으로 유동 박리 현상 예측에도 우수한 것으로 알려져 있다[8].
선박 프로펠러 추진 성능 해석에 일반적으로 적용되어온 기존의 표면 패널법은 비점성 포텐셜 유동의 가정을 기반으로 하므로 덕트 경계층 유동과 프로펠러 유동 사이의 상호작용에 대한 정확한 예측에는 한계성을 가진다. 따라서 본 연구에서는 이러한 덕트의 점성 경계층 유동 및 프로펠러 날개끝 (blade tip) 간극에 의한 영향을 보다 정확하게 고려하기 위하여 3차원 비압축성 레이놀즈 평균 나비어-스톡스(Reynolds averaged Navier-Stokes, RANS) 방정식을 적용하여 점성 유동장 수치 해석을 수행하였다.
지배방정식으로는 3차원 비압축성 레이놀즈 평균 나비어스톡스(RANS) 방정식을 적용하였으며, 해석 시간 단축 및 계산의 효율화를 위하여 주기적(periodical) 경계 조건을 이용하여 전체 계산 영역의 1/4 모델만 해석하였다. 유동 입구 영역에는 균일한 속도 조건, 출구에는 정압 조건을 적용하였으며, 덕트와 프로펠러 표면에서는 No-Slip 경계조건을 적용하였다.
5D로 설정하였다. 프로펠러 및 덕트의 3차원 형상 모델링은 상용 CAD S/W인 CATIA V5를 사용하였다.

성능/효과

Baltazar and Falcao de Campos[2]는 표면 패널법을 이용하여 간극(gap) 모델에 따른 덕트 프로펠러의 성능 예측 결과를 비교하였다. 두 가지 타입의 덕트 프로펠러(프로펠러 Ka-470+ 덕트 19A 및 프로펠러 4902 + 덕트 37)에 대한 정상상태 유동장을 해석하고 덕트 뒷전(trailing edge)에서 반류(wake)가 떨어져 나가는 위치 변화에 따른 덕트와 날개 표면에서의 압력분포를 비교하였으며, 이를 통하여 덕트와 프로펠러 날개끝 사이의 간극 크기에 따라 덕트와 프로펠러가 받는 부하가 크게 영향을 받음을 확인하였다. 또한 프로펠러 Ka-470 모델과 덕트 19A 모델에서 변형된 덕트 19Am 모델에 대한 수치 해석 연구[3]를 통하여 반류 모델의 개선에 의한 추진 성능 예측의 정확도를 높이고자 하였으며, 이 때 덕트가 없는 단독 프로펠러에 대한 추진 성능 예측의 경우 우수한 결과를 얻을 수 있었으나, 덕트 프로펠러추진 성능 해석의 경우 실험값과 상대적으로 큰 차이를 보였다.
또한 덕트 경계층 영향으로 인하여 덕트와 프로펠러 날개끝 사이 간극에서의 수치격자 구성이 추진 성능 예측 결과에 큰 영향을 미침을 확인할 수 있었으며, 정확도 향상을 위하여 덕트 경계층 영역에 충분히 높은 밀도(y⁺ < 1)의 격자시스템 구성이 중요함을 알 수 있었다.
두 가지 타입의 덕트 프로펠러(프로펠러 Ka-470+ 덕트 19A 및 프로펠러 4902 + 덕트 37)에 대한 정상상태 유동장을 해석하고 덕트 뒷전(trailing edge)에서 반류(wake)가 떨어져 나가는 위치 변화에 따른 덕트와 날개 표면에서의 압력분포를 비교하였으며, 이를 통하여 덕트와 프로펠러 날개끝 사이의 간극 크기에 따라 덕트와 프로펠러가 받는 부하가 크게 영향을 받음을 확인하였다. 또한 프로펠러 Ka-470 모델과 덕트 19A 모델에서 변형된 덕트 19Am 모델에 대한 수치 해석 연구[3]를 통하여 반류 모델의 개선에 의한 추진 성능 예측의 정확도를 높이고자 하였으며, 이 때 덕트가 없는 단독 프로펠러에 대한 추진 성능 예측의 경우 우수한 결과를 얻을 수 있었으나, 덕트 프로펠러추진 성능 해석의 경우 실험값과 상대적으로 큰 차이를 보였다.
본 연구를 통하여 상용 CFD S/W인 ANSYS-CFX를 이용한 덕트 프로펠러의 추진 성능 예측 결과가 실험값과 비교적 잘 일치함을 확인할 수 있었으며, 특히 비설계점(off-design condition)에서도 표면 패널법에 비해 상대적으로 우수한 결과를 얻을 수 있었다.
15은 날개끝과 덕트 사이의 간극의 크기에 따른 덕트 프로펠러의 추진 효율 곡선을 보여준다. 수치 격자는 Mesh2 type으로 고정하고, 프로펠러 반경의 t/R = 0.8%, 2%, 5% 및 10%의 덕트 간극의 크기를 갖는 모델에 대한 해석을 수행하였으며, 간극 크기의 증가에 따라 추진 효율이 감소하는 것을 볼 수 있다. t/R = 0.
3) 영역에서는 간극 격자수와 관계없이 실험값[2]과 잘 일치하였으나, 상대적으로 높은 전진비에서는 mesh1과 같은 coarse 격자 구성의 경우 추력 계수가 실험값과 차이를 보였다. 이 경우 덕트 표면에서의 y⁺ 값이 Table 4에 보인 것과 같이 각각 y⁺ = 103, 1.4, 0.7(J = 1.0기준)을 가지며, 덕트 간극 주위에서의 유동장 해석에 있어 y⁺값이 매우 큰 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.
[4]도 표면 패널법을 이용하여 프로펠러 날개와 동등한 길이를 갖는 단순 원통형 파이프 내부에서 다양한 피치를 가지는 프로펠러에 대한 성능 해석을 수행하였다. 이 연구에서 날개끝과 원통 사이의 간극은 날개 반경의 5%로 설정하여 실험값에 매우 근접한 수치해석 결과를 얻어낼 수 있었으나, 이 경우 상대적으로 간극이 큰 경우에 해당하며 덕트에 의한 경계층 점성 영향이 크지 않은 것으로 평가된다.
덕트 프로펠러의 경우, 덕트에 의한 경계층 유동이 프로펠러 추진 성능에 큰 영향을 미치게 된다. 표면 패널법의 경우는 비점성 유동을 가정하였기 때문에 덕트에 의한 경계층 유동 상호 작용의 영향이 고려되지 못하여 추진 성능의 정확한 예측이 어려우며, 특히 전진비가 높을 때 표면 패널법에 의한 덕트 추력 계수가 실험값과 큰 차이를 보이나, 본 CFD 해석 결과는 실험값과 상대적으로 잘 일치하는 것을 볼 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가속형 덕트 프로펠러는 어디에서 많이 사용되는가?	덕트 프로펠러(ducted propeller)는 일반적으로 가속형 덕트와 감속형 덕트 타입으로 구분하며, 가속형 덕트 프로펠러의 경우, 덕트에 의한 부가 추력을 발생시킴으로써 추진 효율 증가를 얻을 수 있어 저속에서 높은 추력이 요구되는 예인선이나 저인망 어선에 자주 사용되고 있다. 또한 감속형 덕트 프로펠러는 비록 추진 효율 손실이 있으나, 덕트 내부 유동장의 유속을 감소시켜 고속 운항시 캐비테이션 발생 위험성을 낮출 수 있는 장점이 있어 고속 수중 운동체 및 잠수함 등에 많이 적용되고 있다[1].
	덕트 프로펠러 추진 성능의 정확한 예측을 위해 무엇을 필수적으로 수행해야 하는가?	일반적으로 덕트 프로펠러는 익형 단면의 덕트에 의한 경계층 유동장 내에서 프로펠러가 회전하고 있기 때문에 덕트 프로펠러 추진 성능의 정확한 예측을 위해서는 덕트 경계층 점성 유동을 고려한 CFD 해석이 필수적인 것으로 알려져 있다. 이를 위하여 Yoo et al.
	덕트 경계층 점성 유동을 고려한 CFD 해석을 위하여 선행 연구자들은 어떤 연구를 수행하였는가?	일반적으로 덕트 프로펠러는 익형 단면의 덕트에 의한 경계층 유동장 내에서 프로펠러가 회전하고 있기 때문에 덕트 프로펠러 추진 성능의 정확한 예측을 위해서는 덕트 경계층 점성 유동을 고려한 CFD 해석이 필수적인 것으로 알려져 있다. 이를 위하여 Yoo et al.[5]은 덕트 및 전치 가이드 베인 (inlet guide vane)을 가지는 프로펠러에 대해 3차원 점성유동 CFD 해석을 수행하고, 단단(single-stage) 터빈 유동에 대한 해석 결과에 대하여 실험값과 비교 검증을 수행하였다. 또한 최근에 Joung et al.[6]은 감속, 가속형 덕트를 포함하는 세 가지 서로 다른 타입의 덕트 프로펠러에 대한 단독성능 CFD 해석을 수행하고, 모형시험을 통하여 수치해석 결과를 비교 검증하였다.

참고문헌 (8)

2007, Lee, C.S., Seo, J.C., Hyun, B.S., Kim, M.C. and Moon, I.S., "Ship Propulsion and Propeller Design," Moon-Woon Dang, pp.264-267.
2009, Baltazar, J. and Falcao de Campos, J.A.C., "On the Modeling of the Flow in Ducted Propellers with a Panel Method," International Symposium on Marine Propulsors, Trondheim, Norway.
2012, Baltazar, J., Falcao de Campos, J.A.C. and Bosschers, J., "Open-Water Thrust and Torque Predictions of a Ducted Propeller System a Panel Method," International Journal of Rotating Machinery, Vol.2012, ID474785.
2009, Stefano, G., Luca, S. and Stefano, B., "Comparison of Experimental Measurements and Numerical Calculations for a Propeller in Axial Cylinder," International Symposium on Marine Propulsors, Trondheim, Norway.
2004, Yoo, H.R., Jeong, Y.L. and Park, W.K., "Numerical Flow Analysis of Ducted Marine Propeller with Pre-Swirl Guidevane," (in Korean)Journal of Computational Fluids Engineering, Vol.9, No.2, pp.62-69.
2014, Joung, T.H., Jeong, S.J. and Lee, S.K., "CFD Simulations and Experimental Tests for Three Different Ducted Propellers," (in Korean)Journal of Ocean Engineering and Technology, Vol.28, No.3, pp.199-208.

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2012, Carlton, J., "Marine Propellers and Propulsion," 3rd Edition, Butterworth-Heinemann, Elsevier.
1994, Menter, F.R., "Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications," AIAA Journal, Vol.32, No.8, pp.1598-1605.

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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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