현대의 함정에서는 추진 기관에서 생성된 고온의 폐기가스와 가열된 폐기관의 금속표면온도를 저감하기 위해 적외선 신호저감 장치(Infra-red Signature Suppression system, IRSS)를 설치하고 있다. 국내 함정에 탑재된 일반적인 IRSS는 이덕터, 믹싱튜브 그리고 디퓨져로 구성되며, 이 중 디퓨져는 금속표면에 내기 외기의 압력차에 의한 공기 막을 생성시켜 온도를 저감시키는 역할을 한다. 본 연구에서는 국외 선진 기술사에서 설계한 IRSS의 디퓨져 형상을 분석하여 설계 변수를 선정하였으며, 분석 조건을 줄이면서 설계 변수의 특성을 효과적으로 파악 할 수 있는 다구치 실험계획법을 통해 IRSS 디퓨져의 성능에 영향을 미치는 설계 변수의 특성을 검토하였다. 디퓨져의 성능분석에는 선행 연구에서 정립한 열 유동해석 기술을 활용하였다. IRSS의 성능평가에는 함정 적외선 신호의 세기와 직접적으로 관련되는 디퓨져 출구에서의 폐기가스 온도와 금속표면온도의 면적평균 값을 기준으로 하였으며, 폐기가스의 온도는 디퓨져 출구의 직경 변화에 크게 영향을 받고, 디퓨져 금속표면의 온도는 디퓨져 링의 개수 변화에 크게 영향 받음을 확인하였다.
현대의 함정에서는 추진 기관에서 생성된 고온의 폐기가스와 가열된 폐기관의 금속표면온도를 저감하기 위해 적외선 신호저감 장치(Infra-red Signature Suppression system, IRSS)를 설치하고 있다. 국내 함정에 탑재된 일반적인 IRSS는 이덕터, 믹싱튜브 그리고 디퓨져로 구성되며, 이 중 디퓨져는 금속표면에 내기 외기의 압력차에 의한 공기 막을 생성시켜 온도를 저감시키는 역할을 한다. 본 연구에서는 국외 선진 기술사에서 설계한 IRSS의 디퓨져 형상을 분석하여 설계 변수를 선정하였으며, 분석 조건을 줄이면서 설계 변수의 특성을 효과적으로 파악 할 수 있는 다구치 실험계획법을 통해 IRSS 디퓨져의 성능에 영향을 미치는 설계 변수의 특성을 검토하였다. 디퓨져의 성능분석에는 선행 연구에서 정립한 열 유동해석 기술을 활용하였다. IRSS의 성능평가에는 함정 적외선 신호의 세기와 직접적으로 관련되는 디퓨져 출구에서의 폐기가스 온도와 금속표면온도의 면적평균 값을 기준으로 하였으며, 폐기가스의 온도는 디퓨져 출구의 직경 변화에 크게 영향을 받고, 디퓨져 금속표면의 온도는 디퓨져 링의 개수 변화에 크게 영향 받음을 확인하였다.
In modern naval ships, an infrared signature suppression (IRSS) system is used to reduce the metal surface temperature of the heated exhaust pipe and high-temperature exhaust gases generated from the propulsion system. Generally, the IRSS systems used in Korean naval ships consist of an eductor, mix...
In modern naval ships, an infrared signature suppression (IRSS) system is used to reduce the metal surface temperature of the heated exhaust pipe and high-temperature exhaust gases generated from the propulsion system. Generally, the IRSS systems used in Korean naval ships consist of an eductor, mixing tube, and diffuser. The diffuser reduces the temperature of the metal surface by creating an air film due to a pressure difference between the internal gas and the external air. In this study, design variables were selected by analyzing the shapes of a diffuser designed by an advanced overseas engineering company. The characteristics of the design variables that affect the performance of the IRSS were investigated through the Taguchi experimental method. A heat flow analysis technique for IRSS systems established in previous studies was used analyze the performance of the diffuser. The performance evaluation was based on the area-averaged value of the metal surface temperature and exhaust gas temperature at the outlet of the diffuser, which are directly related to the intensity of the infrared signature. The results show that the temperature of the exhaust gas was significantly affected by changes in the diameter of the diffuser outlet, and the temperature of the diffuser's metal surface was significantly affected by changes in the number of diffuser rings.
In modern naval ships, an infrared signature suppression (IRSS) system is used to reduce the metal surface temperature of the heated exhaust pipe and high-temperature exhaust gases generated from the propulsion system. Generally, the IRSS systems used in Korean naval ships consist of an eductor, mixing tube, and diffuser. The diffuser reduces the temperature of the metal surface by creating an air film due to a pressure difference between the internal gas and the external air. In this study, design variables were selected by analyzing the shapes of a diffuser designed by an advanced overseas engineering company. The characteristics of the design variables that affect the performance of the IRSS were investigated through the Taguchi experimental method. A heat flow analysis technique for IRSS systems established in previous studies was used analyze the performance of the diffuser. The performance evaluation was based on the area-averaged value of the metal surface temperature and exhaust gas temperature at the outlet of the diffuser, which are directly related to the intensity of the infrared signature. The results show that the temperature of the exhaust gas was significantly affected by changes in the diameter of the diffuser outlet, and the temperature of the diffuser's metal surface was significantly affected by changes in the number of diffuser rings.
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문제 정의
함정의 추진기관에서 생성된 고온의 폐기 가스는 IRSS의 이덕터를 통과하면서 난류유동이 생성되고 믹싱 튜브의 크기에 따라 주변공기와 혼합되는 정도가 달라진다. 본 연구에서는 동일조건에서 디퓨져의 성능에 영향 을 미치는 설계변수들의 특성파악을 목표로 함으로 이덕터와 믹싱튜브의 형상변화는 따로 고려하지 않았다.
IRSS는 함정의 추진기관, 설치될 공간의 크기, 성능 요구조건 등을 고려하여 설계된다. 본 연구에서는 폐기관의 금속표면온도를 감소시키고, 적 위협무기체계에 직접적으로 탐지될 가능성이 높은 디퓨져를 고려하였다. 디퓨져의 설계 변수는 제품의 제작비용과 가공성에 직결 되는 링의 개수(Number of Rings, NoR), 디퓨져 금속표면에 강제적으로 공기 막을 형성하는 링 끝 길이(Tip Size, TS), 내기·외기의 압력 및 흡입유량과 관계되는 링들 간의 직경 차이에 의한 간격(gap)을 조절하기 위한 디퓨져 링 끝의 직경(Diameter, D), 유량방정식과 베르누이방정식의 상관관계에 따라 내기와 외기의 압력차에 영향을 주는 링들 높이의 변화량(Difference of Ring Height, DRH)로 하였다.
본 연구에서는 함정 적외선 신호감소를 위한 IRSS의 디퓨져를 대상으로 성능에 영향을 미치는 주요 설계변수를 도출하고 그 특성을 검토하였다. 본 연구의 내용과 결과를 정리하면 다음과 같다.
제안 방법
1) 함정의 IRSS에서 적 위협무기체계에 탐지될 가능성이 높은 디퓨져를 대상으로 그 성능에 영향을 미치는 주요 설계변수로서 링의 개수, 링 끝 길이, 링 끝의 직경 및 링들 높이의 변화량을 도출하였다
2) 다구치 실험계획법을 통해 디퓨져의 성능에 영향을 미치는 설계변수의 분석조건을 최적화 하였으며, 총 9개의 최적화된 분석조건에 대하여 열 유동 해석을 수행하였다.
디퓨져 설계 변수의 수준(level)과 관련하여 링의 개수는 제품의 제작비용과 가공성을 고려하여 3-5개로, 링 끝 길이는 공기 막을 강제적으로 형성하기 위해 기준 모델의 1-2배로, 디퓨져 출구의 직경은 내부로의 흡입 유량을 증감시키기 위해 440-500mm로, 링들의 높이는 디퓨져 출구로 갈수록 인접한 링 높이보다 조금씩 작아지도록 설정하였다. 여기서 링들 높이의 변화량은 링들 간의 직경차이에 의한 간격에서 발생하는 외기와의 압력차이 값들이 가능한 균일해 지도록 하기 위함이다.
디퓨져 설계변수의 민감도와 수준변화에 따른 영향을 파악하기 위해 다구치가 제안한 신호 대 잡음비(signal to noise, S/N)의 개념을 도입하여 해석결과를 분석하였다. 다구치가 제안한 신호 대 잡음비는 결과 값이 클수록 좋은 망대특성, 결과 값이 원하는 목표 값에 가까울수록 좋은 망목특성, 그리고 결과 값이 작을수록 좋은 망소 특성으로 나뉜다.
디퓨져의 설계 변수는 기준 모델의 디퓨져 형상을 분석하여 설정하였으며, 분석 조건을 줄이면서 설계 변수의 영향을 효과적으로 파악할 수 있는 다구치 실험 계획법 그리고 망소특성을 통해 IRSS 디퓨져의 설계 방안을 검토하였다.
본 연구에서는 폐기관의 금속표면온도를 감소시키고, 적 위협무기체계에 직접적으로 탐지될 가능성이 높은 디퓨져를 고려하였다. 디퓨져의 설계 변수는 제품의 제작비용과 가공성에 직결 되는 링의 개수(Number of Rings, NoR), 디퓨져 금속표면에 강제적으로 공기 막을 형성하는 링 끝 길이(Tip Size, TS), 내기·외기의 압력 및 흡입유량과 관계되는 링들 간의 직경 차이에 의한 간격(gap)을 조절하기 위한 디퓨져 링 끝의 직경(Diameter, D), 유량방정식과 베르누이방정식의 상관관계에 따라 내기와 외기의 압력차에 영향을 주는 링들 높이의 변화량(Difference of Ring Height, DRH)로 하였다.
디퓨져의 성능분석에는 선행 연구에서 정립된 열 유동해석기술을 활용하였으며, IRSS의 성능을 나타내는 디퓨져 출구에서의 폐기가스 온도와 폐기관의 금속표면 온도는 모형시험 수행기관에서 사용하는 지점계측이 아닌 온도의 면적평균으로 계측하여 분석결과의 신뢰성을 향상시켰다.
본 연구에서 고려한 설계 변수는 링의 개수, 링 끝 길이, 디퓨져 출구의 직경, 링들 높이의 변화량으로 4개이고, 그 수준은 3수준으로 분석 조건은 총 81개가 된다. 하지만 이를 다루기 위해서는 많은 시간이 소요되므로, 분석 조건을 줄이면서 설계 변수의 영향을 효과적으로 파악할 수 있는 다구치 실험계획법[10]을 사용하였다.
본 연구에서는 IRSS의 성능평가를 위해 함정 적외선 신호의 세기와 직접적으로 관계되는 디퓨져 출구에서의 폐기가스 온도와 금속표면 온도의 면적평균 값을 이용하였다. 열 유동해석을 통해 얻은 온도결과 값을 Table 3에 정리하였다.
본 연구에서 고려한 기준모델은 국외 선진 기술사에서 개발하여 국내 함정에 탑재된 이덕터 디퓨져 타입의 IRSS이다. 이 장비는 이덕터, 미싱튜브 그리고 디퓨져로 구성되어 있으며 본 연구에서는 적 위협무기체계에 직접적으로 탐지될 가능성이 높은 디퓨져를 고려하였다.
대상 데이터
본 연구에서 고려한 기준모델은 국외 선진 기술사에서 개발하여 국내 함정에 탑재된 이덕터 디퓨져 타입의 IRSS이다. 이 장비는 이덕터, 미싱튜브 그리고 디퓨져로 구성되어 있으며 본 연구에서는 적 위협무기체계에 직접적으로 탐지될 가능성이 높은 디퓨져를 고려하였다.
이론/모형
본 연구에서는 선행 연구를 통해 정립된 열 유동해석 기법[11]을 사용하였으며, 해석에 반영된 초기 입력조건은 Table 2와 같다.
본 연구에서 고려한 설계 변수는 링의 개수, 링 끝 길이, 디퓨져 출구의 직경, 링들 높이의 변화량으로 4개이고, 그 수준은 3수준으로 분석 조건은 총 81개가 된다. 하지만 이를 다루기 위해서는 많은 시간이 소요되므로, 분석 조건을 줄이면서 설계 변수의 영향을 효과적으로 파악할 수 있는 다구치 실험계획법[10]을 사용하였다.
성능/효과
3) 망소특성의 신호 대 잡음비 개념을 도입하여 해석결과를 분석하였으며, 이를 통해 폐기가스의 온도는 디퓨져 출구의 직경 변화에 크게 영향을 받고, 디퓨져 금속표면의 온도는 디퓨져 링의 개수 변화에 크게 영향 받음을 확인하였다.
6에 보ㄱ였다. 각 설계변수에 대한 그래프의 기울기 변화가 클수록 디퓨져의 성능 변화에 민감함을 나타내며, 이에 따라 폐기가스의 온도는 디퓨져 출구의 직경변화에 크게 영향 받음을 확인할 수 있다.
7에 보였다. 폐기관 금속표면의 온도는 디퓨져 링의 개수 변화에 가장 크게 영향을 받으며, 디퓨져 출구의 직경 변화에도 영향 받음을 확인할 수 있다.
후속연구
4) 본 연구의 결과는 폐기가스의 유량과 초기온도가 특정한 경우(Table 2)에 대한 것으로서 폐기가스의 유량과 초기온도가 다른 경우에 대한 추가검토가 필요하다. 또한 추진기관에서 생성된 폐기가스의 난류유동에 관계되는 이덕터 및 믹싱튜브의 설계에 관한 연구가 필요하다.
4) 본 연구의 결과는 폐기가스의 유량과 초기온도가 특정한 경우(Table 2)에 대한 것으로서 폐기가스의 유량과 초기온도가 다른 경우에 대한 추가검토가 필요하다. 또한 추진기관에서 생성된 폐기가스의 난류유동에 관계되는 이덕터 및 믹싱튜브의 설계에 관한 연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
현대의 함정에서 적외선 신호저감 장치를 설치하는 이유는?
현대의 함정에서는 추진 기관에서 생성된 고온의 폐기가스와 가열된 폐기관의 금속표면온도를 저감하기 위해 적외선 신호저감 장치(Infra-red Signature Suppression system, IRSS)를 설치하고 있다. 국내 함정에 탑재된 일반적인 IRSS는 이덕터, 믹싱튜브 그리고 디퓨져로 구성되며, 이 중 디퓨져는 금속표면에 내기 외기의 압력차에 의한 공기 막을 생성시켜 온도를 저감시키는 역할을 한다.
국내에서 신규 함정에 적용하기 위해 연구하는 기술은?
국내에서는 90년대부터 함정의 설계과정에서 생존성향상을 위한 특수성능 관련 기술을 적용하기 시작하였으며, 적외선 스텔스 기술은 함정에 적용되는 특수성능 중 하나로 2000년대에 들어와서 국외 선진기술의 습득 등을 통한 관련 연구가 수행되고 있다[2].
국내 함정에 탑재된 일반적인 IRSS는 어떤 역활을 하는가?
현대의 함정에서는 추진 기관에서 생성된 고온의 폐기가스와 가열된 폐기관의 금속표면온도를 저감하기 위해 적외선 신호저감 장치(Infra-red Signature Suppression system, IRSS)를 설치하고 있다. 국내 함정에 탑재된 일반적인 IRSS는 이덕터, 믹싱튜브 그리고 디퓨져로 구성되며, 이 중 디퓨져는 금속표면에 내기 외기의 압력차에 의한 공기 막을 생성시켜 온도를 저감시키는 역할을 한다. 본 연구에서는 국외 선진 기술사에서 설계한 IRSS의 디퓨져 형상을 분석하여 설계 변수를 선정하였으며, 분석 조건을 줄이면서 설계 변수의 특성을 효과적으로 파악 할 수 있는 다구치 실험계획법을 통해 IRSS 디퓨져의 성능에 영향을 미치는 설계 변수의 특성을 검토하였다.
참고문헌 (11)
The Society of Naval Architects of Korea, "Naval Ship", Text books, 2012.
Y. J. Cho, "A Study on the Management Methods of the Ship Infrared Signature", Journal of the Society of Naval Architects of Korea, vol. 50, no. 3, pp.182-189, 2013. DOI: https://doi.org/10.3744/SNAK.2013.50.3.182
Y. J. Cho, "An Analytical Study on the Sensitivity of Ship's IR Signature According to the Meteorological Environment in Korean Waters", D. S. Thesis, Chung-nam National University, 2005.
Y. J. Cho, "Study on Calibration and Verification Method of Naval ship Infra-red Measurement Results", Study Report, 2009.
S. I. Han, "A study on the sampling methods of ocean meteorological for ship IR signature", M.S Thesis, Dong-Eui University, 2013.
J. G. Oh, "A Study on Optimization of Nozzle Shape for IR Signature Reduction", M.S Thesis, Gyeong-sang National University, 2013.
S. I. Lee, "A Study for identification of critical design factor of DRES-Ball and for efficient cooling of exhaust gas by water spray in terms of numerical analysis", M.S Thesis, Seo-ul National University, 2006.
J. Thompson, D. Vaitekunas, A.M. Birk, "Infrared Signature of Modern Naval Ship", American Society of Naval Engineers 21th, Century Combatant Technology Symposium, 27-30 Jan. 1998
D. A. Vaitekunas, "SHIPIR/NTCS: A Naval Ship Infrared Signature Countermeasure and Threat Engagement Simulator", Proceedings for Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE) Infrared Technology XXII, April 8-12, 1996. DOI: https://doi.org/10.1117/12.243481
Korea Advanced Institute of Science and Technology, "Experiment and Analysis : Taguchi method and Utilization of Orthogonal Tables", 2005.
S. T. Yoon, H. S. Jung, Y. J. Cho, D. E. Ko, "Numerical Simulation of Infra-Red Signature Suppression on the Naval Ship", The Korea Institute of Military Scienve and Technology, 8-9 June, 2017.
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