선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 논문에서는 3600TEU 컨테이너선에 대한 비대칭 고정날개의 최적화를 위하여 제원 변화(코드)에 따라 설계를 하였고 저항증가 3% 이하인 비대칭 고정날개를 최종 자항 성능을 확인하였다. 또한 최종 선정된 비대칭 고정날개의 끝에서 보텍스 개선을 위해서 Rounding 설계를 하였고 최종 CFD를 이용하여 성능을 확인 하였다.
- 본 연구에서는 에너지 저감 장치 중 Pre-device로 비대칭 전류고정날개에 대한 연구이다. 비대칭 전류고정날개는 프로펠러에 의해 유기되는 접선 방향 속도의 반대 방향으로 유속성분을 주어 프로펠러 회전 시 발생하는 회전 에너지에 의한 손실을 보상해주는 장치이다.
- 04)을 이용하여 앞서 설계 한 비대칭 고정날개의 A~C Type의 부착 여부에 따라 저항 및 자항 성능을 확인하였다. 저항성능에서는 부가물 부착여부에 따라 알몸선체(Bare hull) 대비 모형의 전 저항 RTM (Total resistance at model scale) 증가가 3% 이하가 되는 것을 목표로 하였다. 자항성능에서는 자항점에서의 전달동력(2πnMQM)으로 성능을 확인하여 본 대상선인 KCS 선형에 최적 비대칭 고정날개를 결정하였다.
- 저항성능에서는 부가물의 부착여부에 따라 모형의 전 저항 RTM(Total resistance at model scale) 증가가 3% 이상이 되지 않는 것을 목표를 두었다. 이는 선행연구에서 컨테이너선, 벌크선, 탱커선, LNG 선등 다양한 선종에 비대칭 고정날개에 대한 연구를 수행하였으며, 이런 경험을 토대로 RTM이 3% 이상 증가가 될 경우 실선의 저항 유효마력(Effective horse power, EHP) 추정 시 약 5% 이상 과도한 저항 증가로 추진효율을 얻지 못하기 때문이다.
제안 방법
- (3) 또한, 날개 끝 vortex 개선을 위하여 C type 비대칭고정날개 끝에 타원방정식을 적용하여 Rounding 시작점이 0.95R 0.9R 이 되는 지점에 대하여 저항 및 자항 해석을 수행하고, 날개 끝에서의 압력분포를 확인하였다. 그 결과 Rounding 0.
- (2009)이 제시한 해석법을 참고하였다. 2개의 프로펠러 회전속도에 대한 해석 결과를 이용하여 자항점(Self-propulsion point) 에서 모형의 전 저항 RTMSP, 추력 TM , 토크 QM , 회전수 nM값을 구하였다. 여기서, 비대칭 고정날개 부착여부에 따라 예인력 TF 값에 침수표면적을 고려하여 사용하였다.
- A Type은 선행 연구 Kwon(2013)에서 모형시험으로 성능을 확인한 비대칭 고정날개로, A Type을 기준으로 설계를 진행하였다. A Type 비대칭 고정날개는 선행연구에서 과도한 저항 증가를 확인하여 전체적으로 반경별 코드길이를 줄이고, 허브 쪽 반경(0.2R)에서 날개 끝(1.0R) 까지 코드길이의 분포를 수정하여 B Type을 설계 하였다. C Type은 B Type을 기준으로 분포는 유지 하면서 반경별 코드길이를 약 11% 줄여서 최종 C Type을 설계 하였다.
- 그리고 Γ를 이에 상응하는 등가 받음각(αequiv., Equivalent angle of attack)으로 표현하여 조금 더 직관적인 분석이 가능하도록 하였다.
- 비대칭 고정날개에 대한 연구는 1990년초부터 KRISO(Korea Research Institute of Ships & Ocean Engineering)를 중심으로 활발하게 진행되었다. 대칭형 전류고정날개의 성능해석을 위해 한 날개(key blade)에 대한 해석 기법을 발전시켜 전체 날개를 동시에 해석하는 비대칭 해석방법을 개발하였고 실험과의 비교 검증 연구를 수행하였다(Kim et al., 1993; Lee et al., 1992; Lee et al., 1994).
- 첫째로, 컨테이너선용 비대칭 전류고정날개의 최적화를 위해서 코드길이 변화에 따라 비대칭 전류고정날개를 설계하고 CFD(Computational fluid dynamics)를 사용하여 저항 및 자항 성능을 확인 하였다. 둘째로 앞서 최적화된 비대칭고정날개를 토대로 앞서 날개 끝에서의 보텍스 문제를 개선하기 위해서 날개 끝 형상을 Rounding 설계 하고 CFD를 통하여 성능을 확인 하였다.
- 또한 현재 운용되어지고 있는 고정날개의 설계의 용이함과 제작비용을 고려하여 결정되어진 반경별 피치각이 고정되어 있는 일정 피치각형이기 때문에 반경별 부하량이 다르게 되어 날개 끝에서의 보텍스 등의 영향으로 자체 날개 진동을 유발 할 수 있으며 또한 날개 끝 보텍스가 프로펠러나 타에 영향을 줄 수 있다. 따라서 본 연구에서는 2가지 연구를 수행하여 성능을 확인하였다. 첫째로, 컨테이너선용 비대칭 전류고정날개의 최적화를 위해서 코드길이 변화에 따라 비대칭 전류고정날개를 설계하고 CFD(Computational fluid dynamics)를 사용하여 저항 및 자항 성능을 확인 하였다.
- 9~10과 같다. 또한 위와 같은 동일한 수치해석 기법을 이용하여 저항 및 자항 성능에 대한 상대비교를 수행하였다.
- 본 논문에서는 3600TEU 컨테이너선에 대한 비대칭 고정날개의 최적화를 위하여 제원 변화(코드)에 따라 설계를 하였고 저항증가 3% 이하인 비대칭 고정날개를 최종 자항 성능을 확인하였다. 또한 최종 선정된 비대칭 고정날개의 끝에서 보텍스 개선을 위해서 Rounding 설계를 하였고 최종 CFD를 이용하여 성능을 확인 하였다. 이로부터 다음의 결론을 얻을 수 있다.
- 여기서 x는 코드 길이, y는 Stator 반경을 말한다. 본 연구에서 Rounding 시작점이 0.95R, 0.9R 되는 2가지 타입의 비대칭 고정날개를 설계 하였고, 최종 모델링 형상은 Fig. 9~10과 같다. 또한 위와 같은 동일한 수치해석 기법을 이용하여 저항 및 자항 성능에 대한 상대비교를 수행하였다.
- 본 연구에서 적용된 경계조건은 다음 Fig. 6과 같으며, 입구영역과 외부경계영역에서 Velocity inlet 조건을 사용하였으며, 출구영역에서는 Pressure outlet 조건을 사용하였다. 수치해석에서 사용된 계산영역은 중앙 평형부 기점으로 하여 유체가 들어오는 입구 영역에서 유체가 빠져나가는 출구영역까지의 거리는-1.
- 본 연구에서는 컨테이너선에 대한 비대칭 고정날개의 최적 설계뿐만 아니라 비대칭 고정날개의 날개 끝에서의 Vortex 개선을 위한 날개 끝 형상에 따라 설계를 수행하였다. 앞서 최적 설계를 한 C type에 대해 날개 끝 Rounding 처리를 하였다.
- Stator에 가해지는 부하가 클수록 자항 성능의 개선이 많이 이루어지지만 그만큼 피치각도 크기 때문에 저항의 증가도 같이 동반하게 된다. 선행 연구에서는 일반적으로 저속 비대선에 Stator를 부착할 경우 등가입사각을 -13∘~ -14∘에 위치시키도록 피치각을 설계하는 것이 추진 효율의 향상이 가장 큰 것으로 확인 하였지만 본연구의 대상선인 컨테이너선은 피치각이 크면 저항이 과도하게 증가되기 때문에 저속 비대선에 적용되어지는 등가입사각보다 좀 더 작은 -12∘에 맞추어 설계하였다. 또한 Kwon(2013)에서 A Type 설계는 등가 입사각을 -12∘에 맞추어 설계하였기 때문에 동일한 입사각에서 각 Type의 비대칭고정날개를 설계 하였다.
- 본 연구에서는 컨테이너선에 대한 비대칭 고정날개의 최적 설계뿐만 아니라 비대칭 고정날개의 날개 끝에서의 Vortex 개선을 위한 날개 끝 형상에 따라 설계를 수행하였다. 앞서 최적 설계를 한 C type에 대해 날개 끝 Rounding 처리를 하였다. 날개 끝 Rounding에는 기본적인 타원방정식을 이용하였다.
- 또한 코드길이가 클수록 양력이 작게 되고 향력이 증가 되며, 부하량을 만족하기 위해서는 피치각이 커져서 과도한 저항증가가 발생하기 때문에 적절한 캠버-코드비 요구된다. 이에 따라 부가물 부착으로 인한 저항을 최소화 시키고, 추진효율을 극대화시키기 위하여 캠버는 고정변수로 두고 코드 길이 변화에 따라 A부터 C Type까지 3가지 타입의 비대칭 고정날개를 설계 하였다. A Type은 선행 연구 Kwon(2013)에서 모형시험으로 성능을 확인한 비대칭 고정날개로, A Type을 기준으로 설계를 진행하였다.
- 최종적으로 저항 증가가 3% 이하인 C type을 선정하여 자항 성능을 확인하였다. 자항 해석시 프로펠러 회전 모사는 Sliding mesh를 사용하였고, 흡입면과 압력면 등 프로펠러 주위는 Interface 처리하였다. 계산 시간 간격(Time step)은 0.
- 자항성능에서는 자항점에서의 전달동력(2πnMQM)으로 성능을 확인하여 본 대상선인 KCS 선형에 최적 비대칭 고정날개를 결정하였다.
- 따라서 본 연구에서는 2가지 연구를 수행하여 성능을 확인하였다. 첫째로, 컨테이너선용 비대칭 전류고정날개의 최적화를 위해서 코드길이 변화에 따라 비대칭 전류고정날개를 설계하고 CFD(Computational fluid dynamics)를 사용하여 저항 및 자항 성능을 확인 하였다. 둘째로 앞서 최적화된 비대칭고정날개를 토대로 앞서 날개 끝에서의 보텍스 문제를 개선하기 위해서 날개 끝 형상을 Rounding 설계 하고 CFD를 통하여 성능을 확인 하였다.
- 최종적으로 저항 증가가 3% 이하인 C type을 선정하여 자항 성능을 확인하였다. 자항 해석시 프로펠러 회전 모사는 Sliding mesh를 사용하였고, 흡입면과 압력면 등 프로펠러 주위는 Interface 처리하였다.
대상 데이터
- 이에 따라 부가물 부착으로 인한 저항을 최소화 시키고, 추진효율을 극대화시키기 위하여 캠버는 고정변수로 두고 코드 길이 변화에 따라 A부터 C Type까지 3가지 타입의 비대칭 고정날개를 설계 하였다. A Type은 선행 연구 Kwon(2013)에서 모형시험으로 성능을 확인한 비대칭 고정날개로, A Type을 기준으로 설계를 진행하였다. A Type 비대칭 고정날개는 선행연구에서 과도한 저항 증가를 확인하여 전체적으로 반경별 코드길이를 줄이고, 허브 쪽 반경(0.
- 격자계는 Star CCM+에서 제공하는 자동 격자 생성을 이용하여 Trimmer 격자로 구성하였으며, 선체주위는 약 330만개 프로펠러는 약 170만개의 격자를 사용하여 계산을 수행하였고 다음 Fig. 7과 같다.
- 본 연구의 대상선은 KCS(KRISO container ship) 선형으로 자세한 제원은 다음 Table 1과 같다.
- 수치해석의 대상선은 3600TEU KRISO container ship 선형으로 부산대학교 수조 크기를 고려하여 축척비 39.5에 맞게 구성하였고, 모형 설계 속도는 1.964m/s이다.
데이터처리
- 수치해석 상용 프로그램인 STAR-CCM+(v9.04)을 이용하여 앞서 설계 한 비대칭 고정날개의 A~C Type의 부착 여부에 따라 저항 및 자항 성능을 확인하였다. 저항성능에서는 부가물 부착여부에 따라 알몸선체(Bare hull) 대비 모형의 전 저항 RTM (Total resistance at model scale) 증가가 3% 이하가 되는 것을 목표로 하였다.
이론/모형
- 또한 성능을 비교하기 위해 Choi et al.(2009)이 제시한 해석법을 참고하였다. 2개의 프로펠러 회전속도에 대한 해석 결과를 이용하여 자항점(Self-propulsion point) 에서 모형의 전 저항 RTMSP, 추력 TM , 토크 QM , 회전수 nM값을 구하였다.
- 앞서 최적 설계를 한 C type에 대해 날개 끝 Rounding 처리를 하였다. 날개 끝 Rounding에는 기본적인 타원방정식을 이용하였다.
- 본 연구에서는 비정상상태(Unsteady), 비압축성(Incompressible), 점성(Viscous) 유동을 고려한 RANS(Reynolds-averged NavierStokes)방정식을 사용하였고 다음의 식으로 표현한다.
- 비대칭 전류고정날개 설계를 위해 양력면 이론에 의한 프로펠러와 전류고정날개의 상호 유기 속도를 고려하여 반복 계산 하는 방법을 사용 하였으며, 일련의 계산 과정을 프로그램화 한 PASTA(Preswirl asymmetric stator analysis) 프로그램을 사용 하였다. PASTA 프로그램은 반류시험을 수행하여 얻은 반류를 토대로 최적 고정날개 설계를 위한 것으로 KRISO에서 수행된 연구에 의해서 개발 되어진 프로그램이다(Lee et al.
- 속도 압력 연성은 SIMPLE(Semi-implicit method for pressurelinked equations consistent) 알고리즘을 사용하였고, 난류모델을 Realizable k-ε 모델을 사용하였다.
- 이는 선행연구에서 컨테이너선, 벌크선, 탱커선, LNG 선등 다양한 선종에 비대칭 고정날개에 대한 연구를 수행하였으며, 이런 경험을 토대로 RTM이 3% 이상 증가가 될 경우 실선의 저항 유효마력(Effective horse power, EHP) 추정 시 약 5% 이상 과도한 저항 증가로 추진효율을 얻지 못하기 때문이다. 이에 따라 Table 8에서는 수치해석으로부터 계산된 모형선의 크기의 전 저항 값(RTM)을 이용하여 ITTC (1978)에서 제시된 2차원 해석법에 의해 실선 크기에서의 유효 마력(EHP)을 추정하였다.
- 또한 Table 9에서는 수치해석을 이용하여 얻은 추력, 토크, 회전수를 이용하여 실선의 전달동력(Delivery horse power, DHP) 을 추정하였다. 일반적으로 ITTC 1978 실선 확장법 표준방법으로 사용되고 있으나, 전류 고정형 부가물이 선박에 장착되어 있는 경우, 추진기 주위의 유동은 통상적인 선체-추진기 사이의 유동특성과는 달라지기 때문에 고정날개의 영향을 고려하기 위해서 ITTC(1999)방법을 사용한다. 위 2가지 방법은 실선의 반류 추정에서 차이가 나며 각각의 실선 반류 추정식은 다음과 같다.
- 자유수면 유동 해석 기법으로는 활발히 사용되고 있는 VOF(Volume of fluid) 기법을 사용하였다. VOF법의 경우 선박의 조파 문제(Wave making problem)를 비롯하여 해양구조물과 관련된 복잡한 비선형 자유수면 유동해석에 있어 타당한 해의 신뢰도를 가지는 강건한(Robust) 방법으로 알려져 있다(Park, 2015).
성능/효과
- (2) 일반적으로 부가물 부착 여부에 따라 모형의 전 저항(RTM) 증가가 3% 이하가 되어야 하며, 본 연구에서는 C type 비대칭 고정 날개의 부착 여부에 따라 수치해석을 통하여 얻은 결과를 가지고 모형간의 상대 비교 및 실선 확장을 하여 최종 성능을 확인한바, 모형의 전 저항(RTM)2.25%, 유효마력(EHP) 3.41% 증가를 보였고, 추진 효율은 모형에서 전달동력(2πnMQM)은 약 4.1% , 실선 전달동력(DHP)은 약 4.4% 효율 증가를 보였다.
- 9R 이 되는 지점에 대하여 저항 및 자항 해석을 수행하고, 날개 끝에서의 압력분포를 확인하였다. 그 결과 Rounding 0.9R type이 약 5.1% 효율 증가를 보였다. 이는 날개 끝에서의 압력분포 차이로 인한 Vortex가 감소가 되면서 기존 C type보다 약 1% 효율 향상이 된 것으로 판단된다.
- 압력계수(Cp) 값을 비교한 결과, C Type의 비대칭 고정날개가 앞날(Leading edge) 및 날개 끝 부분에서 압력 분포 차이가 Rounding type의 비대칭 고정날개보다 큰 것을 확인 할 수 있으며, 또한 0.95R Rounding type이 0.9R Rounding type 보다 앞날이나, 날개 끝에서 압력 분포 차이가 크기 때문에 0.9R Rounding type이 최종적으로 효율증가가 가장 큰 것으로 판단 된다. 추후 부가물을 제작하여 모형시험으로 성능을 검증할 예정이다.
- 1% 효율 증가를 보였다. 이는 날개 끝에서의 압력분포 차이로 인한 Vortex가 감소가 되면서 기존 C type보다 약 1% 효율 향상이 된 것으로 판단된다.
- 저항 및 자항 결과는 Table 10~11에 정리하였으며, 비대칭 고정날개 부착으로 인한 알몸선체(Bare hull)에 비해 저항은 증가 하였지만, C Type과 비교하였을 때 날개 끝에서 Rounding 처리한 고정날개가 약 0.3% 저항 측면에서 유리 한 것으로 확인되었다. 이는 날개 끝에 형상이 일반 고정날개보다 유선형으로 인해 형상 저항 측면에서 유리한 것으로 판단된다.
후속연구
- (4) 추후, 부가물 모형제작을 통해 부가물 부착 여부에 따라 모형시험으로 성능을 검증할 예정이며, 강도상의 문제도 검토할 예정이다.
- 9R Rounding type이 최종적으로 효율증가가 가장 큰 것으로 판단 된다. 추후 부가물을 제작하여 모형시험으로 성능을 검증할 예정이다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.