프로펠러가 자유수면 근처에서 작동할 때, 프로펠러의 추력과 토오크는 감소하게 되고 자유수면에는 파도가 발생하게 된다. 본 연구에서는 다양한 프로펠러의 작동 조건에서 자유수면과 프로펠러의 상호작용에 대한 수치해석 결과를 살펴보았다. 회류수조에서 수행된 모형시험 결과와 비교를 통해 수치해석 기법을 검증한 후, 프로펠러의 침수깊이에 따른 프로펠러의 성능 및 자유수면의 영향에 대해 조사하였다. 그리고 프로펠러의 전진비에 따른 자유수면의 파형, 프로펠러 주위 유동, 추력 및 토오크의 변화 등을 확인하였다. 낮은 전진비에서 공기유입 현상은 관찰되지 않았지만, 자유수면의 파형은 프로펠러 팁 보오텍스와 밀접한 관계가 있음을 확인하였다. 또한 공기유입 현상이 발생하지 않는 조건에서는 높은 전진비에서 프로펠러 추력 및 토오크의 감소량이 증가함을 확인하였다.
프로펠러가 자유수면 근처에서 작동할 때, 프로펠러의 추력과 토오크는 감소하게 되고 자유수면에는 파도가 발생하게 된다. 본 연구에서는 다양한 프로펠러의 작동 조건에서 자유수면과 프로펠러의 상호작용에 대한 수치해석 결과를 살펴보았다. 회류수조에서 수행된 모형시험 결과와 비교를 통해 수치해석 기법을 검증한 후, 프로펠러의 침수깊이에 따른 프로펠러의 성능 및 자유수면의 영향에 대해 조사하였다. 그리고 프로펠러의 전진비에 따른 자유수면의 파형, 프로펠러 주위 유동, 추력 및 토오크의 변화 등을 확인하였다. 낮은 전진비에서 공기유입 현상은 관찰되지 않았지만, 자유수면의 파형은 프로펠러 팁 보오텍스와 밀접한 관계가 있음을 확인하였다. 또한 공기유입 현상이 발생하지 않는 조건에서는 높은 전진비에서 프로펠러 추력 및 토오크의 감소량이 증가함을 확인하였다.
The results of a numerical study on the performance of a propeller operating near a free surface are presented in this paper. The simulations are verified through comparison with experimental data, which was performed in a circulating water channel. The propeller performance as a function of the sub...
The results of a numerical study on the performance of a propeller operating near a free surface are presented in this paper. The simulations are verified through comparison with experimental data, which was performed in a circulating water channel. The propeller performance as a function of the submerged depth was investigated. The effect of the propeller advance ratio on the wave patterns, flow structures around propeller, and thrust and torque of the propeller was also studied. Air ventilation was not observed for low advance coefficients. However, the simulations showed that wave pattern was strongly related to the tip vortex strength and inflow velocity. When air ventilation does not occur, the deduction of propeller thrust and torque increase for high advance coefficients.
The results of a numerical study on the performance of a propeller operating near a free surface are presented in this paper. The simulations are verified through comparison with experimental data, which was performed in a circulating water channel. The propeller performance as a function of the submerged depth was investigated. The effect of the propeller advance ratio on the wave patterns, flow structures around propeller, and thrust and torque of the propeller was also studied. Air ventilation was not observed for low advance coefficients. However, the simulations showed that wave pattern was strongly related to the tip vortex strength and inflow velocity. When air ventilation does not occur, the deduction of propeller thrust and torque increase for high advance coefficients.
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문제 정의
[8]이 실험한 동일한 조건에서 자유수면의 파형을 비교하여 수치해석 기법을 검증하였다. 그리고 침수깊이 및 유입유속에 따른 자유수면의 파형과 프로펠러의 추력 및 토오크 변화를 관찰함으로써, 자유수면 근처에서 작동하는 프로펠러와 자유수면의 상호작용에 대해 살펴보았다.
본 논문에서는 자유수면 근처에서 작동하는 프로펠러의 성능대해 수치해석을 통해 연구하였다. 수치해석은 RANS를 적용하였으며, 자유수면의 효과를 확인하기 위해 VOF 기법을 사용하였다.
제안 방법
본 연구에서는 Paik et al. [8]이 실험한 동일한 조건에서 자유수면의 파형을 비교하여 수치해석 기법을 검증하였다. 그리고 침수깊이 및 유입유속에 따른 자유수면의 파형과 프로펠러의 추력 및 토오크 변화를 관찰함으로써, 자유수면 근처에서 작동하는 프로펠러와 자유수면의 상호작용에 대해 살펴보았다.
25m로 수심은 프로펠러 직경의 약 5배에 해당한다. 본 연구에 적용된 수치해석의 영역은 벽면 및 수심 등의 효과를 동일하게 모사하기 위해 회류수조 관측부 크기에 해당하는 영역을 Figure 2와 같이 설정하였으며, 계산영역의 측면에는 벽면조건을 적용하였다.
수치해석은 RANS를 적용하였으며, 자유수면의 효과를 확인하기 위해 VOF 기법을 사용하였다. 수치해석 기법은 KP505 프로펠러로 회류수조에서 계측된 자유수면 파형과 비교함으로써 검증하였다.
전진비에 따른 영향을 검토하기 위해 침수깊이비 h/R = 1.2에서 전전비를 J = 0.3, 0.5, 0.72, 0.9로 바꾸어 가며 수치해석을 수행하였다.
침수깊이비가 h/R = 1.2인 상태에서 전진비에 따른 자유수면 파형, 프로펠러 주위 유동 및 프로펠러 성능 변화를 조사하기 위해, 전전비 J = 0.3, 0.5, 0.72, 0.9에서 수치해석을 수행하였다.
침수깊이비에 따른 자유수면 파형 및 프로펠러 추력 및 토오크의 변화를 확인하기 위해 h/R = 1.2와 h/R = 1.5에서 수치해석을 수행하였다.
프로펠러 주위 격자는 trimmer 격자 생성법에 의한 비정렬 격자로 구성하였고, 프로펠러 날개 표면의 경계층은 프리즘 격자를 사용하여 y+ < 1이 되도록 구성하였다.
대상 데이터
본 연구에 사용된 대상 프로펠러는 한국해양플랜트연구소에서 컨테이이너선을 대상으로 설계된 KP505 프로펠러이다. 본 연구에 사용된 KP505 모형 프로펠러의 주요 제원 및 형상은 Table 1 및 Figure 1과 같다. Paik et al.
그리고 자유수면이 있는 곳과 프로펠러 팁 및 허브 보오텍스가 발생하는 곳에 Figure 3에 보인 바와 같이 격자를 집중시켰다. 본 연구에 사용된 격자수는 회전하는 프로펠러 영역에 약 1.6M 그리고 프로펠러 후류와 자유수면을 포함한 나머지 영역에 약 5.3M으로, 총 약 6.9M의 격자수가 사용되었다. 반면, 자유수면이 없는 경우에는 프로펠러 영역과 나머지 영역에 각각 약 2.
본 연구에 사용된 대상 프로펠러는 한국해양플랜트연구소에서 컨테이이너선을 대상으로 설계된 KP505 프로펠러이다. 본 연구에 사용된 KP505 모형 프로펠러의 주요 제원 및 형상은 Table 1 및 Figure 1과 같다.
데이터처리
Paik et al.[8]의 모형시험에서 사용된 것과 동일한 크기의 모형을 본 연구에도 사용함으로서, 모형시험 결과와 비교를 통해 수치해석의 정확도를 검증하였다.
난류모형으로는 Menter [12]가 제안한 SST(Shear Stress Transport) k–ω 난류모델을 사용하였다. 수치해석은 상용 CFD 소프트웨어인 STAR-CCM+ 10.04를 사용하여 수행하였다.
이론/모형
난류모형으로는 Menter [12]가 제안한 SST(Shear Stress Transport) k–ω 난류모델을 사용하였다.
지배방정식의 해는 시간 및 공간에 대해 2차 정확도를 갖는 이산화기법을 적용한 유한체적법을 이용하여 계산되었다. 속도-압력 연성을 위해 SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Lined Equation) 방법이 적용되었으며, 자유수면의 유동 현상은 HRIC(High Resolution Interface Capturing) 기법을 바탕으로 한 VOF(Volume Of Fluid)로 해석되었다. 난류모형으로는 Menter [12]가 제안한 SST(Shear Stress Transport) k–ω 난류모델을 사용하였다.
본 논문에서는 자유수면 근처에서 작동하는 프로펠러의 성능대해 수치해석을 통해 연구하였다. 수치해석은 RANS를 적용하였으며, 자유수면의 효과를 확인하기 위해 VOF 기법을 사용하였다. 수치해석 기법은 KP505 프로펠러로 회류수조에서 계측된 자유수면 파형과 비교함으로써 검증하였다.
< 1이 되도록 구성하였다. 자유수면이 있는 경우에는 sliding mesh 기법을 적용하여 프로펠러의 비정상 회전운동을 모사하였다. 그리고 자유수면이 있는 곳과 프로펠러 팁 및 허브 보오텍스가 발생하는 곳에 Figure 3에 보인 바와 같이 격자를 집중시켰다.
지배방정식의 해는 시간 및 공간에 대해 2차 정확도를 갖는 이산화기법을 적용한 유한체적법을 이용하여 계산되었다. 속도-압력 연성을 위해 SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Lined Equation) 방법이 적용되었으며, 자유수면의 유동 현상은 HRIC(High Resolution Interface Capturing) 기법을 바탕으로 한 VOF(Volume Of Fluid)로 해석되었다.
성능/효과
특히, 전진비가 증가함에 따라 팁 보오텍스의 크기는 약해지고, 이로 인해 자유수면의 최초 파저 위치가 프로펠러 후류 방향으로 이동하게 됨을 관찰하였다. 그리고 공기유입 현상이 발생하지 않는 조건에서는 전진비가 증가할수록 추력 및 토오크의 감소량이 증가하게 됨을 확인하였다. 추력의 감소량이 토오크이 감소량보다 급격하게 증가하여 프로펠러의 효율도 감소하게 됨을 확인하였다.
두 경우 모두 Kelvin파를 형성하며, 유사한 파장을 가지고 있지만 파고에서는 상당한 차이를 보였다. 그리고 침수깊이비가 작을수록 자유수면과의 상호작용이 증가하여 추력 및 토오크의 감소량이 증가함을 확인하였다.
전진비에 따른 프로펠러 날개 표면의 압력분포는 Figure 12과 같다. 앞에서 설명한 바와 같이, 전진비가 낮은 영역에서는 날개 흡입면과 압력면의 압력차이 커서 팁 보오텍스가 강하게 발생하게 되며, 전진비가 높은 영역에서는 압력차이가 상대적으로 적어 팁 보오텍스가 약하게 발생하게 됨을 확인할 수 있다. 그리고 자유수면과의 상호작용에 의해 상부에 위치한 날개의 압력 크기가 하부에 위치한 날개의 압력 크기보다 작음을 관찰할 수 있다.
전진비가 가장 낮은 J = 0.3에서도 공기유입 현상은 관찰되지 않았지만, 전진비에 따른 프로펠러 주위 유동 특성에 따라 자유수면의 파형이 바뀌게 됨을 확인하였다.
그리고 공기유입 현상이 발생하지 않는 조건에서는 전진비가 증가할수록 추력 및 토오크의 감소량이 증가하게 됨을 확인하였다. 추력의 감소량이 토오크이 감소량보다 급격하게 증가하여 프로펠러의 효율도 감소하게 됨을 확인하였다.
3에서도 공기유입 현상은 관찰되지 않았지만, 전진비에 따른 프로펠러 주위 유동 특성에 따라 자유수면의 파형이 바뀌게 됨을 확인하였다. 특히, 전진비가 증가함에 따라 팁 보오텍스의 크기는 약해지고, 이로 인해 자유수면의 최초 파저 위치가 프로펠러 후류 방향으로 이동하게 됨을 관찰하였다. 그리고 공기유입 현상이 발생하지 않는 조건에서는 전진비가 증가할수록 추력 및 토오크의 감소량이 증가하게 됨을 확인하였다.
후속연구
향후 수치해석 결과를 모형시험을 통해 검증하는 연구를 수행할 예정이며, 특히 동일 전진비에서 유입유속 및 프로펠러 회전수를 변경에 따른 영향을 연구함으로써 낮은 전진비에서 공기유입 현상이 발생할 수 있는 물리적 조건에 대한 연구가 추가적으로 수행되어야 할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
프로펠러가 자유수면 근처에서 작동 시 어떤 현상이 발생하는가?
침수 깊이 변화는 프로펠러와 자유수면의 상호작용을 일으키게 되어 외부 공기의 수중 유입 현상(air ventilation)뿐만 아니라 프로펠러 날개가 자유수면을 관통하는 현상(surface piercing)이 발생하기도 한다. 그리고 일반적으로 프로펠러가 자유수면 근처에서 작동 시 수면에 파도가 생성됨으로 인해 프로펠러의 추력과 토오크는 감소하게 되고 프로펠러의 추진효율은 낮아지게 되는 것으로 알려져 있다.
자유수면 근처에서 작동하는 스러스터나 프로펠러의 공기유입 현상에 대한 연구는 무엇이 있었는가?
자유수면 근처에서 작동하는 스러스터나 프로펠러의 공기유입 현상에 대해서는 이미 많은 연구가 이루어졌다. Kozlowska et al. [1]은 자유수면 아래에서 작동하는 스러스터에 있어 공기유입 현상(air ventilation)의 발생 원리 및 종류에 대해 전진비가 0인 bollard 조건에서 자세히 연구하였다. 공기유입 현상은 프로펠러 전방의 낮은 압력에 의해 깔때기 모양의 보오텍스 기둥이 프로펠러의 흡입면에서 형성되면서 나타나게 되며, 자유수면에서 프로펠러 축까지의 깊이가 프로펠러 반지름의 약 1.4배(h/R = 1.4)가 되면 공기유입 현상이 일어날 수 있다는 결과를 보인 바 있다. 반면에, Kozlowska et al.
침수 깊이 변화는 무엇을 야기하는가?
파랑 중 운항하는 선박의 선미에 부착된 프로펠러 또한 복잡하고 다양한 운동과 파랑 조건에 의해 침수 깊이 및 유입 유동의 조건이 수시로 변하게 된다. 침수 깊이 변화는 프로펠러와 자유수면의 상호작용을 일으키게 되어 외부 공기의 수중 유입 현상(air ventilation)뿐만 아니라 프로펠러 날개가 자유수면을 관통하는 현상(surface piercing)이 발생하기도 한다. 그리고 일반적으로 프로펠러가 자유수면 근처에서 작동 시 수면에 파도가 생성됨으로 인해 프로펠러의 추력과 토오크는 감소하게 되고 프로펠러의 추진효율은 낮아지게 되는 것으로 알려져 있다.
참고문헌 (12)
A. M. Kozlowska, S. Steen, and K. Koushan, "Classification of different type of propeller ventilation and ventilation inception mechanism," First International Symposium on Marine Propulors, smp'09, June, Trondheim, Norway, 2009.1
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Y. Li, E. Martin, T. Michael, and M. Carrica, "A study of propeller operation near a free surface," Journal of Ship Research, vol. 59, no. 4, pp. 190-200, 2015.
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B. G. Paik, C. M. Lee, and S. J. Lee, "Comparative measurements on the flow structure of a marine propeller wake between an open free surface and closed surface flows," Journal of Marine Science and Technology, vol. 10, no. 3, pp. 123-130, 2005.
J. Y. Lee, B. G. Paik, and S. J. Lee, "PIV measurements of hull wake behind a container ship model with varying loading condition," Ocean Engineering, vol. 36, no. 5, pp. 377-385, 2009.
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