[논문]대형 캐비테이션 터널 내 선박 모형의 3차원 선체 반류 계측을 위한 레이저 유속계 개발

백부근; 안종우; 설한신; 박영하; 김기섭; 전호근

doi:10.3744/snak.2017.54.6.515

Abstract ▼ AI-Helper

Large Cavitation Tunnel (LCT) of KRISO enables us to conduct cavitation tests of the propeller attached to a ship model. As the ship model tests are done at rather high Reynolds number of 107~108, flow measurement system such as pitot tube cannot be employed because of structural safety problems in ...

Large Cavitation Tunnel (LCT) of KRISO enables us to conduct cavitation tests of the propeller attached to a ship model. As the ship model tests are done at rather high Reynolds number of 107~108, flow measurement system such as pitot tube cannot be employed because of structural safety problems in its system and difficulties in installing it within the test section. Thus, KRISO has developed new 3-D LDV system used in large test section of LCT. There are several difficulties in using 3-D LDV, which did not allow efficient operation of it. The first trouble was the calibration using the conventional pin hole. To make the focus with same laser-beam waists at the wanted position, the high spatial resolution CCD is utilized in the calibration procedure for 3-D LDV. The off-axis configuration provides two velocity components in the horizontal plane and on-axis configuration gives third velocity component in the vertical plane. The horizontal velocity components are also obtained in the coincidence mode, which prevents any misleading results in the off-axis configuration. The nominal wake of Aframax tanker model is measured by the developed 3-D LDV system. The measured hull wake showed good agreement with that obtained by CFD calculation.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

이 3차원 LDV 시스템은 공기 매질에서 가습기 등을 이용한 미세 물 입자들의 3차원 유속을 1 kHz 이상의 높은 데이터율(data rate)과 95% 이상의 유효치(validation)로 계측하였으나 터널 용수(water)가 가득 차 있는 시험부 내부의 3차원 유동을 계측하는 데 있어서는 여러 가지 제약으로 인하여 효율적인 활용이 쉽지 않았다. 본 논문에서는 이 3차원 LDV 시스템의 효율적 활용을 위해 실험적으로 극복한 내용들을 기술하고자 한다. 그리고 최종적으로 구현된 3차원 LDV 시스템을 이용하여 아프라막스(Aframax) 탱커 모형선의 선체 반류를 계측하였고 이 결과들을 CFD로 계산한 결과와 비교하였다.
먼저, 터널 시험부의 균일 유동을 계측하기 위해서 터널 상판 및 상부 hatch를 덮은 상태에서 3차원 속도 성분을 취득하고자 하였다. 시험부의 상부를 노출시키지 않고 시험부의 유속이 7.
본 연구에서는 대형 캐비테이션 터널의 시험부에 위치한 선박 모형의 3차원 반류를 계측하기 위하여 시험부 외부에 3차원 레이저 유속계를 설치하고 그 성능을 검증하였다. 3차원 레이저 유속계의 성능에 영향을 주는 것은 유속계 프로브들의 configuration뿐 만 아니라 레이저 파워, 시험부 창, 보정 작업, 계측 mode 등 다양한 요소들이 있으므로 이러한 항목들에 대한 자세한 연구를 통해 현재 시스템의 특성을 잘 파악하는 것이 중요하다.

제안 방법

최종적으로 DPSS 레이저들을 이용하여 각 프로브의 빔 파워가 150 – 200 mW가 되도록 조절하였다.
아울러 시험부 창의 왜곡 현상을 고려하기 위해서는 시험부에 물을 채운 후 보정 작업을 수행해야 하므로 핀홀 대신에 정교한 보정 작업이 가능한 가시화 도구가 추가로 필요하다. 이를 위해 CCD(Charge Coupled Device) 칩(chip)을 이용한 보정 도구를 준비 하여 3차원 LDV에 대한 보정 작업을 수행하였다. Fig.
6(b)와 같이 노트북 컴퓨터 등을 이용하여 편리하게 관찰할 수 있다. 주 프로브에서 방출된 기준 빔을 근거로 하여 yellow 빔 2개를 제외한 3개의 빔들의 웨이스트들이 기준 빔의 웨이스트와 잘 중첩이 되도록 각 프로브에 부착된 미세 광학 조절기를 조작하였다. 이 때 CCD 칩의 손상을 방지하기 위하여 각 빔의 세기를 최소로 조절하는 작업이 필요하다.
먼저, 터널 시험부의 균일 유동을 계측하기 위해서 터널 상판 및 상부 hatch를 덮은 상태에서 3차원 속도 성분을 취득하고자 하였다. 시험부의 상부를 노출시키지 않고 시험부의 유속이 7.4 m/s일 때의 균일 유동을 계측하였다. 계측 위치는 시험부 높이의 중간이었다.
따라서 FFT(Fast Fourier Transform)를 이용한 신호 검증 알고리즘에 근거하여 정확히 도플러 신호를 검출하고 이를 데이터율에 반영하는 작업이 중요하다. 본 LDV 시스템에서는 이러한 검증 알고리즘을 이용하여 도플러 신호를 잡음신호로부터 구별할 수 있었으며 유효치(validataion)란 항목으로 계측된 데이터를 평가하였다. 본 실험에서 계측된 유효치 값은 90 – 100%로서 매우 양호하였다.
이렇게 국소적으로 다르게 분포하는 편광과 두께로 인하여 레이저 빔의 굴절이 다르게 나타나거나 도플러 신호의 왜곡 등이 발생하여 계측 데이터율을 감소시키거나 계측 신뢰도를 저감시킬 수 있다. 본 연구에서는 비교적 균일한 분포의 아크릴 창을 시험부에 설치하여 실험을 수행하였다.
다음으로는 개발된 3차원 레이저 유속계를 이용하여 아프라막스급 선형에 대한 공칭 반류를 계측하였다. 대상 모형선은 Fig.
마지막으로 계측된 3차원 속도 성분들을 합성 또는 분해하여 축방향 속도(U_X), 반지름방향 속도(U_R), 회전방향 속도(U_T)를 추출하였고 자유흐름속도 U₀로 무차원화 하였다. 이 계측된 3차원 속도 성분들을 CFD로 계산하여 얻은 3차원 속도 성분들과 비교하여 Fig.
3차원 레이저 유속계의 성능에 영향을 주는 것은 유속계 프로브들의 configuration뿐 만 아니라 레이저 파워, 시험부 창, 보정 작업, 계측 mode 등 다양한 요소들이 있으므로 이러한 항목들에 대한 자세한 연구를 통해 현재 시스템의 특성을 잘 파악하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 이러한 항목들에 대한 특성을 파악하여 적절한 레이저 유속계 시스템을 구성하였고 시험부 내에 위치한 모형선의 공칭 반류를 성공적으로 계측하였다. 또한 실험 조건과 같은 조건으로 CFD 계산을 수행하여 3차원 LDV로 계측한 유속 분포가 CFD 계산 결과와 매우 유사함을 보임으로써 본 연구에서 개발된 3차원 LDV 시스템의 신뢰도를 확보할 수 있었다.

대상 데이터

따라서 효율적인 보정작업을 위해서는 터널 외부에 터널 시험부와 유사한 환경을 조성하여 보정하는 것이 필요하였다. 이를 위해서 800 x 800 x 2100 (mm³)의 소형 수조를 제작하였고 5개 빔들에 대한 보정 작업을 수행하였다.
따라서 각 프로브에서 방출되는 레이저 빔의 파워를 증가시켜 후방 산란되는 도플러 신호를 충분히 감지하도록 하는 것이 중요하였다. 이를 위해 본 연구에서는 3방향의 프로브에 각각 다른 레이저를 사용하도록 CW 레이저 대신에 DPSS(Diode Pumped Solid State) 레이저 3대를 Fig. 4와 같이 배치하였다.
새로운 DPSS 레이저 시스템에서는 violet 빔 대신에 yellow(532 nm) 빔을 사용하였다. 최종적으로 DPSS 레이저들을 이용하여 각 프로브의 빔 파워가 150 – 200 mW가 되도록 조절하였다.
LCT 시험부의 아크릴 창은 시험부 내 모형 관찰을 용이하게 하기 위해 1.0 x 1.3 m²의 크기를 갖는데 구조적 강도를 높이기 위해 아크릴 창의 두께를 100 mm로 제작하였다. 두께가 커짐에 따라 아크릴 창 전체에 균일한 편광(polarization) 분포를 생성시키는 것은 매우 어렵게 된다.
모형선의 추진기 회전면에서의 반류를 계산하기 위하여 RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes) 방정식을 사용하였고 난류 모델은 Reynolds Stress Model 을 적용하였다. 해석을 위한 전체 격자수는 약 200만개 이며 수치 경계조건은 시험이 이루어진 KRISO 터널의 형상을 고려하여 설정하였다. 계산된 모형선의 공칭 반류를 Fig.
실험적 자료로써 주로 사용되는 것이 선체 반류나 선미와 프로펠러 사이의 전속도(total velocity) 자료이다(Choi, et al., 1999; Lee & Paik, 2004).

데이터처리

본 논문에서는 이 3차원 LDV 시스템의 효율적 활용을 위해 실험적으로 극복한 내용들을 기술하고자 한다. 그리고 최종적으로 구현된 3차원 LDV 시스템을 이용하여 아프라막스(Aframax) 탱커 모형선의 선체 반류를 계측하였고 이 결과들을 CFD로 계산한 결과와 비교하였다.
10(a)와 비교하고자 하였다. 선체 수치유동해석은 상용 유동해석 소프트웨어인 ANSYS FLUENT를 이용하여 계산을 수행하였다. 모형선의 추진기 회전면에서의 반류를 계산하기 위하여 RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes) 방정식을 사용하였고 난류 모델은 Reynolds Stress Model 을 적용하였다.

이론/모형

선체 수치유동해석은 상용 유동해석 소프트웨어인 ANSYS FLUENT를 이용하여 계산을 수행하였다. 모형선의 추진기 회전면에서의 반류를 계산하기 위하여 RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes) 방정식을 사용하였고 난류 모델은 Reynolds Stress Model 을 적용하였다. 해석을 위한 전체 격자수는 약 200만개 이며 수치 경계조건은 시험이 이루어진 KRISO 터널의 형상을 고려하여 설정하였다.

성능/효과

계측된 3개의 속도 성분들은 성공적으로 잘 계측이 되었으며 각 속도에 대해서 약 50 – 150의 데이터율로 계측 가능하였다.
본 실험에서 계측된 유효치 값은 90 – 100%로서 매우 양호하였다.
5와 같이 빔 프로브들을 배치하는 configuration을 새롭게 제안하였다. 비록 Y 방향의 계측 영역에서 4~5 cm 정도의 손실을 가져 올 수 있으나 설계 흘수에 대한 선체 반류 계측에는 문제가 없음을 확인하였다. 또한 이 configuration의 장점은 yellow 프로브들에 대해서 복잡한 보정작업을 수행하지 않아도 되기 때문에 3-D LDV 시스템의 빔 정렬(alignment) 작업 시간을 줄일 수 있고 yellow 빔들에 의한 도플러 신호의 수신율을 높일 수 있다는 것이다.
Fig. 10(a)의 선미 반류 계측 결과를 보면 대칭적으로 나타나는 빌지 보오텍스를 확인할 수 있으며 선체를 따라 발달한 경계층의 영향으로 0도 근처에서 0.3U₀의 매우 낮은 속도 분포가 나타남을 알 수 있다. 비록 Fig.
12(c)를 보면 LDV로 계측하여 얻은 회전 속도 성분과 CFD 계산을 통해 얻은 회전 속도 성분 분포가 매우 유사함을 볼 수 있다. 따라서 본 연구에서 개발한 3차원 LDV 시스템이 효율적이며 신뢰도 있는 3차원 속도 계측을 가능하게 함을 알 수 있다.
본 연구에서는 이러한 항목들에 대한 특성을 파악하여 적절한 레이저 유속계 시스템을 구성하였고 시험부 내에 위치한 모형선의 공칭 반류를 성공적으로 계측하였다. 또한 실험 조건과 같은 조건으로 CFD 계산을 수행하여 3차원 LDV로 계측한 유속 분포가 CFD 계산 결과와 매우 유사함을 보임으로써 본 연구에서 개발된 3차원 LDV 시스템의 신뢰도를 확보할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	선박의 추진기로 사용되는 프로펠러의 설계는 어떤 작업을 거쳐야 하는가?	비록 해양운송체의 설계를 위하여 경험적, 이론적 방법들이 효과적으로 이용되고는 있으나 아직 많은 부분에 있어서 실제와 다른 유체역학적인 현상이 발생하여 실험적인 자료나 검증이 필요한 실정이다. 선박의 추진기로 사용되는 프로펠러의 설계에 있어서도 포텐셜 이론에 근거한 설계가 좋은 결과를 주고 있으나 선박의 선미와 프로펠러 사이의 상호작용, 특히 유효반류 등에 대해서는 아직 이론적 접근이 쉽지 않기 때문에 정확한 프로펠러 설계를 위해서는 실험적인 자료에 근거하여 현재의 수치해석 방법을 검증하는 작업을 거쳐야 한다. 실험적 자료로써 주로 사용되는 것이 선체 반류나 선미와 프로펠러 사이의 전속도(total velocity) 자료이다(Choi, et al.
	선체 반류를 계측하기 위한 스트럿의 설치가 까다로운 이유는 무엇인가?	선형수조에서는 선체 반류를 계측하기 위하여 일반적으로 5공 피토관을 사용한다. 대형 캐비테이션 터널에서 5공 피토관을 이용하여 고속 유동을 계측하기 위해서는 시험부에 피토관이 내재된 스트럿을 설치해야 하는데, 이 스트럿은 매우 강한 구조적 보강을 필요로 한다. 또한 피토관 스트럿이 선미에 근접하여야 하므로 시험부 내 설치가 어려우며 스트럿이 선체 반류에 교란을 주어 정확한 선체 반류 계측을 어렵게 한다. LDV나 PIV(Particle Image Velocimetry)와 같은 유동 계측 장비는 시험부 내에 장비나 치구를 넣지 않기 때문에 피토관 보다 더 유용하다.
	플로펠러 설계의 실험적 자료로써 주로 사용되는 것은 무엇인가?	선박의 추진기로 사용되는 프로펠러의 설계에 있어서도 포텐셜 이론에 근거한 설계가 좋은 결과를 주고 있으나 선박의 선미와 프로펠러 사이의 상호작용, 특히 유효반류 등에 대해서는 아직 이론적 접근이 쉽지 않기 때문에 정확한 프로펠러 설계를 위해서는 실험적인 자료에 근거하여 현재의 수치해석 방법을 검증하는 작업을 거쳐야 한다. 실험적 자료로써 주로 사용되는 것이 선체 반류나 선미와 프로펠러 사이의 전속도(total velocity) 자료이다(Choi, et al., 1999; Lee & Paik, 2004).

참고문헌 (4)

Choi, J. E. Seo, H. W. & Min, K. S. 1999. Flow measurements on the propeller plane using fiber optics LDV at towing tank. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 36(3), pp.22-28.
Kim, K. S. Ahn, J. W. Park, Y.H. Kim, G. D. Kim, S. P. Yu, Y. W. & Lee, C. S., 2013. Correlation study on pressure fluctuation measurement at large cavitation tunnel with full-scale data for two container carriers. 12th PRADS (International Symposium on Practical Design of Ships and Other Floating Structures), Changwon, Republic of Korea, 24-27 October 2013.
Lee, S. J. & Paik, B. G., 2004. PIV velocity field analysis of inflow ahead of a rotating marine propeller. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 41(4), pp.30-37.

원문보기 상세보기
Paik, B.G. Ahn, J.W. Park, Y.H. Kim, K.S. & Kim, G.D., 2010. LDV system employed in large cavitation tunnel of MOERI to measure the flows around ship model. Proceeding of KSV(Korea Society of Visualization) Autumn Conference, Andong National University, 12 November, pp.88-93.

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

LOADING...

활용도 분석정보

상세보기

다운로드

내보내기

활용도 Top5 논문

해당 논문의 주제분야에서 활용도가 높은 상위 5개 콘텐츠를 보여줍니다.
더보기 버튼을 클릭하시면 더 많은 관련자료를 살펴볼 수 있습니다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

[국내논문] 대형 캐비테이션 터널 내 선박 모형의 3차원 선체 반류 계측을 위한 레이저 유속계 개발
Development of LDV(Laser Doppler Velocimetry) for Measuring Three Dimensional Hull Wake of Ship Model in Large Cavitation Tunnel 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

질의응답

참고문헌 (4)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

연구과제 타임라인

활용도 분석정보

활용도 Top5 논문

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

[국내논문] 대형 캐비테이션 터널 내 선박 모형의 3차원 선체 반류 계측을 위한 레이저 유속계 개발 Development of LDV(Laser Doppler Velocimetry) for Measuring Three Dimensional Hull Wake of Ship Model in Large Cavitation Tunnel 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

Keyword

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

질의응답

참고문헌 (4)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

백부근 (39) 안종우 (39) 설한신 (33) 박영하 (34) 김기섭 (43)

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

활용도 분석정보

활용도 Top5 논문 더보기

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

[국내논문] 대형 캐비테이션 터널 내 선박 모형의 3차원 선체 반류 계측을 위한 레이저 유속계 개발
Development of LDV(Laser Doppler Velocimetry) for Measuring Three Dimensional Hull Wake of Ship Model in Large Cavitation Tunnel 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper

활용도 Top5 논문