[논문]고속 어뢰의 인공 초공동 특성에 대한 실험 연구

안병권; 정소원; 김지혜; 정영래; 김선범

doi:10.9766/kimst.2015.18.3.300

고속 어뢰의 인공 초공동 특성에 대한 실험 연구
Experimental Study on Artificial Supercavitation of the High Speed Torpedo 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.18 no.3, 2015년, pp.300 - 308

안병권 (충남대학교 선박해양공학과) , 정소원 (충남대학교 선박해양공학과) , 김지혜 (충남대학교 선박해양공학과) , 정영래 (국방과학연구소 제6기술연구본부) , 김선범 (국방과학연구소 제6기술연구본부)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently supercavitating underwater torpedo moving at high speed (over 200 knots) has been interested for their practical advantage of the dramatic drag reduction. Cavitator located in front of the torpedo plays an important role to generate a natural supercavity and control the motion of the object. Supercavity can be created artificially by injection of compressed gas from the rear of the cavitator at a relatively low speed. In this paper, we investigated physical characteristics of artificial supercavities through cavitation tunnel experiments. One of the main focuses of the study was to measure pressure inside the cavity, and examined variation of the gravity effects appearing according to different amount of injected air. It was also found that a stable supercavity could be sustained at injection rates less than that required to form the stable supercavity because of hysteresis effect.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 국내 최초로 충남대학교의 캐비테이션터널 모형실험을 통해 압축 공기의 분사량에 따라 발생되는 인공 초공동의 물리적 특성에 대해 연구하였다. 캐비테이션터널 외부로부터 공급된 압축 공기를 터널 내부에 설치된 캐비테이터 후방에서 정량적으로 분사되도록 제어하고, 발생하는 인공 초공동 내부의 압력을 계측하였으며, 다양한 분사 조건에 따라 발생하는 인공 초공동의 형상을 관측하고 그 특성을 평가하였다.
자연 초공동과 함께 인공 초공동 발생 기술은 캐비테이터 설계 및 제어를 위한 필수 요소 기술로써 모형실험을 통한 실증 연구가 필수적이다. 본 연구는 인공 초공동의 발생 특성을 이해하기 위한 목적으로 충남대학교 캐비테이션터널에서 수행하였다. 특히 외부에서 공급되어 시험부에서 분사된 공기가 다시 시험 부로 돌아오지 않도록 공기 포집 기능이 있는 캐비테이션터널에서 수행된 국내 최초의 실험 연구로 다음과 같은 주요 결과를 도출 하였다.

제안 방법

• 캐비테이터 뒤쪽에서 분사되는 공기량이 증가하면서 포말 상태의 공동에서 투명한 초공동으로 성장 하는 것을 관측하였으며, 초공동 내부 압력을 계측 하여 그 과정을 정량적으로 평가하였다.
실험은 유속을 고정하고 분사량을 변화시키는 조건(Table 1)과 분사량을 고정하고 유속을 변화시키는 조건(Table 2)으로 구분하여 실시하였다. 유속별 공기공급계수(C_q)에 해당하는 실제 분사 유량은 Table 3을 통해 확인할 수 있다.
본 논문은 국내 최초로 충남대학교의 캐비테이션터널 모형실험을 통해 압축 공기의 분사량에 따라 발생되는 인공 초공동의 물리적 특성에 대해 연구하였다. 캐비테이션터널 외부로부터 공급된 압축 공기를 터널 내부에 설치된 캐비테이터 후방에서 정량적으로 분사되도록 제어하고, 발생하는 인공 초공동 내부의 압력을 계측하였으며, 다양한 분사 조건에 따라 발생하는 인공 초공동의 형상을 관측하고 그 특성을 평가하였다.
4와 같이 직경 15 mm의 원판형 (disk type) 캐비테이터를 사용하였다. 캐비테이터 후방에 직경 2 mm 크기의 공기 분사구를 4개씩 2열로 배치하였으며, 공기 분사구 뒤쪽에 4 mm 크기의 공동 내부압력 계측구를 두었다. Fig.

대상 데이터

실험 모형은 Fig. 4와 같이 직경 15 mm의 원판형 (disk type) 캐비테이터를 사용하였다. 캐비테이터 후방에 직경 2 mm 크기의 공기 분사구를 4개씩 2열로 배치하였으며, 공기 분사구 뒤쪽에 4 mm 크기의 공동 내부압력 계측구를 두었다.
실험은 충남대학교 캐비테이션터널(CNUCT, Fig. 3)에서 수행하였다. 터널 시험부의 크기는 100 mm × 100 mm × 1,400 mm (H × B × L)이며, 시험부에서의 최고 유속은 20 m/s이다.

성능/효과

• Froude 수가 낮을수록 부력의 영향이 커져 공동 끝이 들려 올라가는 효과가 커지기 때문에 초공동 끝의 twin-vortex의 세기가 강해지고 결과적으로 초공동의 유효길이가 짧아지는 현상을 확인하였다.
또한 공기량을 증가시킬 때와 일정 캐비테이션수에 도달된 이후 공기량을 감소시킬 때 동일한 공동이 생성되지 않는 이력현상을 확인할 수 있으며, 상대적으로 낮은 속도에서 더 강하게 나타는 것을 알 수 있다. Fig.
3)에 도달하게 되면 이후 공급되는 공기량을 감소시키더라도 투명한 형태의 인공 초공동이 소멸되기 전까지 캐비테이션수는 일정하게 유지된다. 즉, 공기량을 증가시킬 때와 일정 캐비테이션수에 도달된 이후 공기량을 감소시킬 때 동일한 인공 공동이 형성되지 않는 것을 알 수 있다. 완전하게 성장한 인공 공동 상태에서 공급되는 공기를 일정량 감소시키더라도 초공동은 그대로 유지된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	공동(cavitation) 현상이란 무엇인가?	수중에서 이동하는 물체의 속도가 높아져 물체 주위의 국부압력이 유체의 증기압보다 낮아지면 유체가 기화하게 되는 공동(cavitation) 현상이 발생한다. 이동속도가 더욱 증가하게 되면 공동은 물체의 형상을 모두 덮을 만큼 성장하게 되는데 이를 자연 초공동 (natural supercavitation)이라 한다.
	초공동으로 덮인 수중 운동체의 항력이 극적으로 감소하는 이유는 무엇인가?	이동속도가 더욱 증가하게 되면 공동은 물체의 형상을 모두 덮을 만큼 성장하게 되는데 이를 자연 초공동 (natural supercavitation)이라 한다. 초공동으로 덮인 수중 운동체는 마치 공기 중에서 이동하는 것과 같은 효과를 받기 때문에 물체에 작용하는 항력은 극적으로 감소하게 된다. 최근 이 같은 초공동 현상을 이용하여 수중에서는 초고속이라 할 수 있는 200 노트 이상의 속도로 이동할 수 있는 초공동 어뢰 기술에 대한 관심이 높아지고 있다.
	초공동 어뢰의 캐비테이터 후방에 압축가스를 분사시켜 얻는 초공동은 무엇이라고 부르는가?	수중에서 고속으로 이동할 때 발생하는 자연 초공동의 물리적인 특성상 중어뢰급 크기의 어뢰인 경우 100 m/s 이상의 속도에 도달할 때 어뢰 전체를 감쌀 수 있는 초공동이 발생된다[3]. 하지만 상대적으로 낮은 속도에서도 캐비테이터 후방에서 압축가스를 분사시킴으로써 인공적인 초공동을 발생시킬 수 있는데 이를 인공 초공동(artificial supercavitation) 또는 환기 초공동 (ventilated supercavitation)이라 한다.

참고문헌 (5)

B. Ahn, H. Jang, H. Kim and C. Lee, "Numerical Analysis of Axisymmetric Supercavitating flows," 8th Symposium on Cavitation, pp. 637-642, 2012.
B. Ahn, T. Lee, H. Kim and C. Lee, "Experimental Investigation of Supercavitating Flows," Int. Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, Vol. 4, No. 1, pp. 25-32, 2012.
B. Ahn, J. Kim, J. Choi, H. Kim, Y. Nah and D. Lee, "Numerical Analysis of Supercavitating Flows Based on Viscous/Inviscid Method," Journal of the Korea Institute of Military Science and Technology, Vol. 17, No.1, pp. 25-32, 2014.

원문보기 상세보기
J. Franc and Michel, "Fundamentals of Cavitation," Kluwer Academic Publishers, Netherlands, pp. 193-221, 2010.
S. Park and S. H. Rhee, "Computational Analysis fo Turbulent Super-Cavitating Flow Around a Two- Dimensional Wedge-Shaped Cavitator Geometry," Computer and Fluids, Vol. 70, pp. 73-85, 2012.

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