[논문]프로펠러와 허브 보오텍스 조절장치 상호작용 CFD 해석

박현정; 김기섭; 서성부; 박일룡

doi:10.3744/snak.2016.53.4.266

문제 정의

먼저, PHVC 유무에 따른 POW(Propeller Open Water)시험에 대한 해석을 수행하여 추진효율 향상 정도를 검토하였으며, PHVC 와 프로펠러와의 상호작용에 의한 프로펠러 하류의 국부유동 해석 결과를 LCT 모형시험에서 계측한 결과와 비교 검증하였다. 결론적으로, PHVC와 같은 에너지 절감장치의 유체성능 검증에 있어 설계단계에서의 CFD의 유용성을 살펴보고자 한다.
본 논문에서는 프로펠러 캡 위치에 부착하여 추진효율을 향상시킬 수 있는 장치인 PHVC의 유체성능 추정에 CFD 해석법을 적용하고 KRISO LCT 모형시험 결과를 통해 그 타당성을 검증한 결과를 제공하였다. PHVC 부착 유무에 따른 개별적인 해석조건에서 계산된 추력, 토오크 및 단독효율 계수들은 모형시험과 좋은 일치를 보여주었다.
본 논문은 Kim, et al. (2015)에서 보여주는 모형시험 결과 일부를 활용하여 PHVC가 부착된 프로펠러에 대한 CFD 해석을 수행하고 수치해석 기법의 타당성을 검증한 내용을 소개하고 있다. 먼저, PHVC 유무에 따른 POW(Propeller Open Water)시험에 대한 해석을 수행하여 추진효율 향상 정도를 검토하였으며, PHVC 와 프로펠러와의 상호작용에 의한 프로펠러 하류의 국부유동 해석 결과를 LCT 모형시험에서 계측한 결과와 비교 검증하였다.
본 절에서는 프로펠러 후류에서 국부유동의 변화를 조사하여 프로펠러와 PHVC의 상호작용에 의하여 프로펠러 하류의 회전 유속과 축방향 유속 감소량, 즉, 유동의 운동에너지 회수(recovery) 정도를 살펴보고자 한다. KRISO LCT 모형시험에서 국부유동의 계측은 프로펠러 기준선과 프로펠러 허브 중심축이 만나는 점을 원점으로 하류방향으로 프로펠러 직경의 0.

제안 방법

살펴보고자 한다. KRISO LCT 모형시험에서 국부유동의 계측은 프로펠러 기준선과 프로펠러 허브 중심축이 만나는 점을 원점으로 하류방향으로 프로펠러 직경의 0.5D, 0.8D, 1.1D 떨어진 위치에서 수행되었다. 프로펠러 하류에서 상류를 바라볼 때 각 계측 면에서 #=(+)6mm 떨어진 위치의 9시에서 3시 선상의 #축 방향과 #축 방향의 유속분포를 LDV(Laser Doppler Velocimeter)로 계측하였다.
따라 서실 해역 시운전 이전에 모형시험을 통하여 성능을 검증한다. 최근에는 설계단계에서 설계변수 변화에 따른 성능 확인을 위하여 CFD(Computational Fluid Dynamics) 해석기법이 많이 활용되고 있다 (Kawamura, et al.
(2015)에서 보여주는 모형시험 결과 일부를 활용하여 PHVC가 부착된 프로펠러에 대한 CFD 해석을 수행하고 수치해석 기법의 타당성을 검증한 내용을 소개하고 있다. 먼저, PHVC 유무에 따른 POW(Propeller Open Water)시험에 대한 해석을 수행하여 추진효율 향상 정도를 검토하였으며, PHVC 와 프로펠러와의 상호작용에 의한 프로펠러 하류의 국부유동 해석 결과를 LCT 모형시험에서 계측한 결과와 비교 검증하였다. 결론적으로, PHVC와 같은 에너지 절감장치의 유체성능 검증에 있어 설계단계에서의 CFD의 유용성을 살펴보고자 한다.
1D 떨어진 위치에서 수행되었다. 프로펠러 하류에서 상류를 바라볼 때 각 계측 면에서 #=(+)6mm 떨어진 위치의 9시에서 3시 선상의 #축 방향과 #축 방향의 유속분포를 LDV(Laser Doppler Velocimeter)로 계측하였다. 모형시험과 CFD 결과는 모두 시간 평균값을 나타낸다#.

대상 데이터

본 수치해석에 사용된 대상 KP839 프로펠러와 PHVC의 유체성능은 KRISO LCT 모형시험을 통해 먼저 분석된 바 있으며 프로펠러의 캡에 PHVC 부착 유무에 따른 각 형상들을 Fig. 2에서 보는 바와 같다. 모형시험에서 사용된 모델들의 주요 제원은 Table 1과 2와 같다.

이론/모형

사용하였다. 난류모델은 역압력 구배가 존재하는 경우 유동해석에 이점이 높은 점성저층(viscous sub-layer) 영역에서의 k-ω 모형을 적용하고 그 외 영역에서 k-ε모형을 결합하는 SST(Shear Stress Transport) k-ω 모델 (Menter, 1994)을 적용하였다. 지배방정식의 해법으로 2차 정확도의 이산화기법을 가지는 유한체 적법(Finite Volume Method, FVM)을 사용하였으며, 이를 기반으로 하는 범용 프로그램인 STAR-CCM+를 이용하여 본 연구의 수치해석을 수행하였다 (CD-adapco, 2015).
있다. 복잡한 형상과 수치계산의 정확도를 고려하여 회전하는 프로펠러와 PHVC 주위는 비정렬격자계중 Polyhedral mesh를 사용하였으며, 그 외 고정된 유동장은 Trimmer mesh를 사용하는 hybrid 격자법으로 전체 유동장 영역에 대한 격자계를 생성하였다.
본 논문에서는 프로펠러 주위 유동을 캐비테이션 현상 (cavitation)이 없는 완전히 발달된 비압축성 난류유동(turbulent flow)으로 가정하고 연속방정식(continuity equation)과 URANS (Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes)을 지배방정식으로 사용하였다. 난류모델은 역압력 구배가 존재하는 경우 유동해석에 이점이 높은 점성저층(viscous sub-layer) 영역에서의 k-ω 모형을 적용하고 그 외 영역에서 k-ε모형을 결합하는 SST(Shear Stress Transport) k-ω 모델 (Menter, 1994)을 적용하였다.
난류모델은 역압력 구배가 존재하는 경우 유동해석에 이점이 높은 점성저층(viscous sub-layer) 영역에서의 k-ω 모형을 적용하고 그 외 영역에서 k-ε모형을 결합하는 SST(Shear Stress Transport) k-ω 모델 (Menter, 1994)을 적용하였다. 지배방정식의 해법으로 2차 정확도의 이산화기법을 가지는 유한체 적법(Finite Volume Method, FVM)을 사용하였으며, 이를 기반으로 하는 범용 프로그램인 STAR-CCM+를 이용하여 본 연구의 수치해석을 수행하였다 (CD-adapco, 2015). 프로펠러의 회전운동은 비정상(unsteady) 상태에서 격자계의 회전을 통해 직접적으로 구하는 방법을 사용하였으며 STAR-CCM+에서는 RBM(Rigid Body Motion)법으로 불리는 방법으로 구현하였다.
지배방정식의 해법으로 2차 정확도의 이산화기법을 가지는 유한체 적법(Finite Volume Method, FVM)을 사용하였으며, 이를 기반으로 하는 범용 프로그램인 STAR-CCM+를 이용하여 본 연구의 수치해석을 수행하였다 (CD-adapco, 2015). 프로펠러의 회전운동은 비정상(unsteady) 상태에서 격자계의 회전을 통해 직접적으로 구하는 방법을 사용하였으며 STAR-CCM+에서는 RBM(Rigid Body Motion)법으로 불리는 방법으로 구현하였다.

성능/효과

제공하였다. PHVC 부착 유무에 따른 개별적인 해석조건에서 계산된 추력, 토오크 및 단독효율 계수들은 모형시험과 좋은 일치를 보여주었다. 다만, PHVC 효과로 향상되는 작은 추력증가량에 대한 추정 결과는 정량적인 차이를 보였으며, 이로 인해 PHVC를 부착하지 않은 조건에 대비한 프로펠러의 추진효율 증가량을 모형시험보다 다소 낮게 평가하였다.
5에서 추력 계수, 토오크 계수 그리고 단독효율 계수는 PHVC가 부착되지 않은 경우 약 1% 이내, PHVC 를 부착한 경우 약 2% 이내의 작은 오차를 보이고 있다. PHVC 유무에 따라, # ≥ 0.6의 높은 전진비에서는 추력의 경우 각각 약 3% 그리고 5%, 단독효율의 경우 각각 약 1% 그리고 4%의 모형시험과의 오차들을 나타내었다. 모든 조건의 계산에서 토오크 계수는 모형시험과 1% 미만의 좋은 일치를 보여주고 있다.
특별히, 프로펠러와 PHVC의 상호작용으로 인한 프로펠러면 하류의 국부유동의 특성 변화의 경우 본 수치해석 결과는 LCT 모형시험 결과와 만족스러운 일치를 보여주었다. 결론적으로, PHVC와 같은 에너지절감장치의 유체성능 검증에 있어 설계 단계에서의 CFD의 유용성은 높다고 판단된다. 향후, 수치모델 검토 및 보다 정밀한 CFD 시뮬레이션을 통해 높은 전진비 영역을 포함하여 모형시험과의 정량적인 차이를 줄이기 위한 연구가 더 필요할 것으로 판단된다.
다만, PHVC 효과로 향상되는 작은 추력증가량에 대한 추정 결과는 정량적인 차이를 보였으며, 이로 인해 PHVC를 부착하지 않은 조건에 대비한 프로펠러의 추진효율 증가량을 모형시험보다 다소 낮게 평가하였다. 그러나 본 연구에서 사용한 CFD 접근법은 PHVC로 인한 추진효율의 증가를 정성적인 측면에서 잘 예측하였으며 그 물리적 타당성을 유동해석 결과를 통해 확인할 수 있었다. 특별히, 프로펠러와 PHVC의 상호작용으로 인한 프로펠러면 하류의 국부유동의 특성 변화의 경우 본 수치해석 결과는 LCT 모형시험 결과와 만족스러운 일치를 보여주었다.
향후, 높은 전진 비 영역과 함께 이러한 수치해석의 경향은 정밀한 수치 시뮬레이션 관점에서 조금 더 검토할 필요가 있는 것으로 판단된다. 그러나 설계영역에서 수치해석 결과는 충분히 PHVC로 인한 추진효율의 증가를 정성적으로 잘 예측하는 것으로 판단된다.
PHVC가 없는 후류에서 프로펠러 날개끝보오텍스(tip vortex)와 함께 뚜렷한 프로펠러허브 보오텍스를 관찰할 수 있다. 그에 반해, PHVC를 부착한 경우에 날개 끝 보오텍스가 잔존하지만 허브 보오텍스 강도가 많이 감소되는 것을 확인할 수 있다.
PHVC 부착 유무에 따른 개별적인 해석조건에서 계산된 추력, 토오크 및 단독효율 계수들은 모형시험과 좋은 일치를 보여주었다. 다만, PHVC 효과로 향상되는 작은 추력증가량에 대한 추정 결과는 정량적인 차이를 보였으며, 이로 인해 PHVC를 부착하지 않은 조건에 대비한 프로펠러의 추진효율 증가량을 모형시험보다 다소 낮게 평가하였다. 그러나 본 연구에서 사용한 CFD 접근법은 PHVC로 인한 추진효율의 증가를 정성적인 측면에서 잘 예측하였으며 그 물리적 타당성을 유동해석 결과를 통해 확인할 수 있었다.
6의 높은 전진비에서는 추력의 경우 각각 약 3% 그리고 5%, 단독효율의 경우 각각 약 1% 그리고 4%의 모형시험과의 오차들을 나타내었다. 모든 조건의 계산에서 토오크 계수는 모형시험과 1% 미만의 좋은 일치를 보여주고 있다. 다만, PHVC를 부착한 경우 단독효율 계수가 모형시험과 다소 차이를 보이는데, 이는 수치해석에서 PHVC로 인한 추력의 작은 증가량을 모형시험과 같이 추정하지 못한데서 기인된 결과로 사료된다.
토오크의경우 PHVC가 저항체로 작용하여 프로펠러 날개의 토오크를 증가시켰으나 PHVC 자체의 음의 토오크가 상대적으로 커서 전체토오크가 감소하였다. 즉, PHVC가 프로펠러 날개의 추력은 증가시키고 토오크는 감소시키는 효과를 통해 전체 효율이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 여기서, PHVC는 cap의 영향을 포함하고 있다.
그러나 본 연구에서 사용한 CFD 접근법은 PHVC로 인한 추진효율의 증가를 정성적인 측면에서 잘 예측하였으며 그 물리적 타당성을 유동해석 결과를 통해 확인할 수 있었다. 특별히, 프로펠러와 PHVC의 상호작용으로 인한 프로펠러면 하류의 국부유동의 특성 변화의 경우 본 수치해석 결과는 LCT 모형시험 결과와 만족스러운 일치를 보여주었다. 결론적으로, PHVC와 같은 에너지절감장치의 유체성능 검증에 있어 설계 단계에서의 CFD의 유용성은 높다고 판단된다.

후속연구

여기에 더하여, 전진비가 커질 경우 모형시험 결과에서 추진효율이 더 증가하는 경향과는 다른 경향을 보여주고 있다. 향후, 높은 전진 비 영역과 함께 이러한 수치해석의 경향은 정밀한 수치 시뮬레이션 관점에서 조금 더 검토할 필요가 있는 것으로 판단된다. 그러나 설계영역에서 수치해석 결과는 충분히 PHVC로 인한 추진효율의 증가를 정성적으로 잘 예측하는 것으로 판단된다.
결론적으로, PHVC와 같은 에너지절감장치의 유체성능 검증에 있어 설계 단계에서의 CFD의 유용성은 높다고 판단된다. 향후, 수치모델 검토 및 보다 정밀한 CFD 시뮬레이션을 통해 높은 전진비 영역을 포함하여 모형시험과의 정량적인 차이를 줄이기 위한 연구가 더 필요할 것으로 판단된다.

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