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제안 방법
- 각 타공판은 막음비(solidity) 또는 다공비(porosity)를 가지고 있어 적절한 막음비의 선택을 통하여 평행부 내에서 균일 유동을 구현할 수 있도록 하였다. 각 타공판의 막음비는 3절에서 소개할 수치해석 기법을 이용하여 결정하였으며 타공판이 장착된 기포 포집부의 성능은 4절에서 기술할 축소 터널에 대한 모형 시험을 통하여 실험적으로 검증하였다.
- 초공동 실험을 위해서는 고속 유동의 실현뿐 만아니라 기포들을 효율적으로 포집하는 것이 매우 중요하므로 기포 포집 부의 설계와 검증 작업이 필요하다. 본 연구에서는 기포 포집부의 성능을 설계/해석 또는 검증하기 위하여 수치해석과 모형실험 방법을 이용하였다. 본 논문의 2절에서 기포 포집부 설계 방법에 대하여 기술하였으며 3절과 4절에서는 수치해석방법을 이용한 유동해석, 1/10 축소 모형을 이용한 실험적 검증 방법 및 결과들을 각각 기술하였다.
- 본 연구에서는 환기형(분사형) 초공동 실험을 위한 중형 고속터널의 기포 포집부를 설계하였고 터널의 시험부에서 초공동 현상을 관찰할 수 있는 기포 포집 성능을 수치해석적, 실험적으로 검증 하였다. 수치해석 기법을 이용하여 기포 포집부의 유입부에 설치할 타공판 조합의 막음비를 결정하였고 저속의 균일 유동이 기포 포집부에 형성되도록 하였다.
- 본 연구에서는 환기형(분사형) 초공동 실험을 위한 중형 고속터널의 기포 포집부를 설계하였고 터널의 시험부에서 초공동 현상을 관찰할 수 있는 기포 포집 성능을 수치해석적, 실험적으로 검증 하였다. 수치해석 기법을 이용하여 기포 포집부의 유입부에 설치할 타공판 조합의 막음비를 결정하였고 저속의 균일 유동이 기포 포집부에 형성되도록 하였다. 1/10 축소 모형에 대한 실험을 통해 wire 메쉬를 이용한 타공판 조합이 기포 포집부 내에서 저속 유동을 잘 형성시킴을 확인하였다.
- 이상과 같은 국내외 초공동 실험 환경을 고려하여 선박해양플랜트연구소에서는 기존의 중형 캐비테이션 터널과는 별도로 중형 고속터널 (Medium-sized High-speed Tunnel)을 설계하여 비교적 큰 규모의 수중체에 대한 실험을 계획하고 있다. 시험부의 제원은 0.3H × 0.3W × 3.0L m3으로 계획하였는데 시험부에서의 최고 유속은 될수록 높으면 좋으나 터널의 규모와 건설비용 관점에서 타협이 필요하여 최고 유속을 SAFL 터널과 유사한 20 m/s로 설계하였다. 초공동 실험을 위해서는 고속 유동의 실현뿐 만아니라 기포들을 효율적으로 포집하는 것이 매우 중요하므로 기포 포집 부의 설계와 검증 작업이 필요하다.
- 이 터널에서는 자연형 초공동 뿐 만 아니라 환기형 초공동 시험을 수행하여 기초적인 캐비테이터 설계와 함께 환기형 초공동의 특성을 조사하였다(Kim, et al., 2015)
- 평행부의 전방에는 ‘ㄱ’자형 엘보우(elbow)와 유입부(inlet)가 존재하는데 엘보우와 평행부 사이의 단면적 차이가 커서 유동이 부드럽게 이동할 수 있도록 유입부의 확장 형상 profile을 설계하였다. 평행부의 후방에도 평행부와 시험부를 잇는 유출부가 존재하므로 유입부의 형상과 유사하게 노즐부의 형상 profile을 설계하였다.
대상 데이터
- 중형 고속터널의 구성은 Fig. 1과 같이 시험부(test section), 확장부(diffuser), 엘보우(elbow), 구동부, 관로, 기포 포집부(settling chamber) 등으로 구성되어 있다. 기포 포집부는 시험부 또는 확장부와 달리 큰 부피를 갖도록 설계되었는데 내부에서 저속의 유동을 발생시켜 시험부에서 유출된 후 되돌아 오는 공기 기포들이 충분한 부력을 받도록 하였다.
- 12와 같은 그림자 기법 장치를 구성하였다. 광원으로는 백색광 메탈램프, 고속카메라(MINI UX100, Photron), MACRO 180 mm (SIGMA) 렌즈를 사용하였다.
- 기포 포집부와 시험부에서 유속을 계측하기 위하여 단텍 다이너믹스(Dantec Dynamics)사에서 제공한 1차원 LDV(Laser Doppler Velocimetry)를 사용하였다. 또한 자동으로 정교하게 계측 프로브(probe)를 이송할 수 있는 3축 트래버스(traverse)를 이용하였다.
데이터처리
- 04%(기준 속도 대비)의 불확실성을 가지고 계측하게 된다. 본 연구에서는 각 공간 위치에서 초당 10000개의 도플러 신호를 샘플링(sampling)하여 평균 값을 얻었다. Fig.
이론/모형
- 난류방정식을 포함한 유동의 지배방정식을 유한체적법(Finite Volume Method, FVM)으로 이산화하여 그 해를 구하였으며, 여기서 범용프로그램 STAR-CCM+를 이용하였다. 본 수치해석에서 유동은 정상상태(steady state)로 가정하여 시간적분항(transient term)은 고려하지 않았으며, 공간에 대한 지배방정식의 이산화기법으로 2차 정확도의 수치 전개 방법을 사용하였다.
- 평행부에서의 유속과 평행부 길이를 고려하면 평행부 내 기포 진행 시간을 얻을 수 있다. 또한 구형spherical) 기포 직경 정보를 이용하여 Stokes 법칙에 근거하여 기포의 부상(rising) 속도를 이론적으로 계산할 수 있다 (Lamb, 1994). 기포의 부상 속도와 기포 진행 시간을 이용하면 기포 포집부의 높이에 대해 설계할 수 있다.
- 고속카메라의 공간해상도는 1280 × 1024 pixels, FPS(frame per second)는 500이었다. 또한 시험부에서의 공극률 및 미세 기포 크기의 분포를 추가로 살펴 보기 위하여 시험부에서도 그림자 기법을 이용하여 미세 기포들을 계측하였다. 그런데 Fig.
- 난류유동의 경우에서도, 벽면에서는 유동의 속도가 벽면의 이동 속도와 같아야 한다는 no-slip조건이 만족되어야 한다. 본 논문에서는 벽면에 대한 경계조건 처리법으로 STAR-CCM+에서 제공하는 방법 중에서 y+ → 0인 경우 low y+ 조건으로 처리하고 격자에 의한 y+ > 30인 경우 high y+ 조건으로 처리하는 방법을 사용하였다.
- 난류방정식을 포함한 유동의 지배방정식을 유한체적법(Finite Volume Method, FVM)으로 이산화하여 그 해를 구하였으며, 여기서 범용프로그램 STAR-CCM+를 이용하였다. 본 수치해석에서 유동은 정상상태(steady state)로 가정하여 시간적분항(transient term)은 고려하지 않았으며, 공간에 대한 지배방정식의 이산화기법으로 2차 정확도의 수치 전개 방법을 사용하였다.
- 본 연구에서 고속터널 내 유동은 비압축성 난류유동으로 가정 하고 연속방정식(continuity equation)과 RANS방정식(Reynolds Averaged Navier-Stokes equation)을 유동의 지배방정식으로 선택하였다. 터널 내 유동장은 완전 발달된 난류유동으로 가정하고 이를 모델링 하기 위해 2 방정식 SST k-ω 난류모델을 사용하였다.
- 본 연구에서는 Kim, et al. (2015) 등이 실험하였던 최대 공기분사계수(entrainment coefficient) (Cq = Q/(Udc2), Q는 공기유량, U는 자유흐름속도, dc는 캐비테이터 직경) 0.
- 또한, 수치해석에서는 임펠러의 날개는 유동 영역에서 제외시켰다. 수치 격자는 Trimmer와 Prizm-layer로 불리는 비정렬격자 생성기법으로 작성하였으며, 격자수는 약 6.5 백만개다.
- 축소 모형의 기포 포집부와 시험부에서 유체 속도 조건을 결정하기 위하여 Froude 수 상사(similarity)를 이용하였다. 실제 중형 고속터널에서는 시험부의 유속이 15 m/s일 때 기포 포집부의 평행부 유속이 0.
- 본 연구에서 고속터널 내 유동은 비압축성 난류유동으로 가정 하고 연속방정식(continuity equation)과 RANS방정식(Reynolds Averaged Navier-Stokes equation)을 유동의 지배방정식으로 선택하였다. 터널 내 유동장은 완전 발달된 난류유동으로 가정하고 이를 모델링 하기 위해 2 방정식 SST k-ω 난류모델을 사용하였다.
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