함정의 추진기와 발전기에 의해 발생하는 고온의 폐기가스와 연돌 주변 금속표면에서 방사되는 적외선 신호는 적 위협 무기체계의 표적이 되어 함의 생존성을 감소시키는 주 원인이 된다. 폐기가스와 연돌의 적외선 신호는 함정에 적외선 신호저감 장치(Infra-Red Signature Suppression system, IRSS)를 설치하여 감소시키고 있다. IRSS는 폐기가스에 난류 유동을 형성하는 이덕터, 폐기가스와 주변 공기가 혼합되는 믹싱 튜브, 외기와의 압력차를 이용하여 공기 필름을 형성하는 디퓨져 세 부분으로 구성된다. 본 연구는 적외선 신호저감 장치를 국내 독자기술로 개발하기 위한 기초 연구로 국외 선진 기술사에서 개발하여 국내 함정에 설치된 IRSS의 모형시험 조건을 분석하고 이를 기반으로 열 유동해석 연구를 수행하였다. 열 유동해석에서는 상용 수치해석 프로그램을 사용하였으며, 다양한 난류 이론 모델을 고려하여 결과를 비교 분석하였다. 해석의 주요 결과로는 이덕터 입구와 디퓨져 출구에서의 폐기가스 온도 및 속도, 그리고 디퓨져의 금속표면 온도를 구하였으며 모형시험의 계측 결과와 잘 부합함을 확인하였다.
함정의 추진기와 발전기에 의해 발생하는 고온의 폐기가스와 연돌 주변 금속표면에서 방사되는 적외선 신호는 적 위협 무기체계의 표적이 되어 함의 생존성을 감소시키는 주 원인이 된다. 폐기가스와 연돌의 적외선 신호는 함정에 적외선 신호저감 장치(Infra-Red Signature Suppression system, IRSS)를 설치하여 감소시키고 있다. IRSS는 폐기가스에 난류 유동을 형성하는 이덕터, 폐기가스와 주변 공기가 혼합되는 믹싱 튜브, 외기와의 압력차를 이용하여 공기 필름을 형성하는 디퓨져 세 부분으로 구성된다. 본 연구는 적외선 신호저감 장치를 국내 독자기술로 개발하기 위한 기초 연구로 국외 선진 기술사에서 개발하여 국내 함정에 설치된 IRSS의 모형시험 조건을 분석하고 이를 기반으로 열 유동해석 연구를 수행하였다. 열 유동해석에서는 상용 수치해석 프로그램을 사용하였으며, 다양한 난류 이론 모델을 고려하여 결과를 비교 분석하였다. 해석의 주요 결과로는 이덕터 입구와 디퓨져 출구에서의 폐기가스 온도 및 속도, 그리고 디퓨져의 금속표면 온도를 구하였으며 모형시험의 계측 결과와 잘 부합함을 확인하였다.
Infrared signatures emitted from hot exhaust gases generated by the internal combustion engine and generator of naval ships and from the metal surfaces of the funnel have become the targets of infrared homing missiles, which is the main cause of a reduced survivability of naval ships. The infrared s...
Infrared signatures emitted from hot exhaust gases generated by the internal combustion engine and generator of naval ships and from the metal surfaces of the funnel have become the targets of infrared homing missiles, which is the main cause of a reduced survivability of naval ships. The infrared signatures from the exhaust gas and the metal surface of a funnel can be reduced by installing an infrared signature suppression (IRSS) system on a ship. The IRSS system consists of three parts: an eductor that generates turbulent flow of the exhaust gas, a mixing tube that mixes the exhaust gas with ambient air, and a diffuser that forms an air film using the pressure difference between the inside and outside air. As a basic study to develop an IRSS system using domestic technology, this study analyzed the model test conditions of an IRSS system developed by an overseas engineering company and installed on a domestic naval ship, and a numerical heat-flow analysis was conducted based on the results of the aforementioned analysis. Numerical heat-flow analysis was performed using a commercial numerical-analysis application, and various turbulence models were considered. As a result, the temperature and velocity of the exhaust gas at the educator inlet and diffuser outlet and that of the metal surface of the diffuser were measured, and found to agree well with the measurement results of the model test.
Infrared signatures emitted from hot exhaust gases generated by the internal combustion engine and generator of naval ships and from the metal surfaces of the funnel have become the targets of infrared homing missiles, which is the main cause of a reduced survivability of naval ships. The infrared signatures from the exhaust gas and the metal surface of a funnel can be reduced by installing an infrared signature suppression (IRSS) system on a ship. The IRSS system consists of three parts: an eductor that generates turbulent flow of the exhaust gas, a mixing tube that mixes the exhaust gas with ambient air, and a diffuser that forms an air film using the pressure difference between the inside and outside air. As a basic study to develop an IRSS system using domestic technology, this study analyzed the model test conditions of an IRSS system developed by an overseas engineering company and installed on a domestic naval ship, and a numerical heat-flow analysis was conducted based on the results of the aforementioned analysis. Numerical heat-flow analysis was performed using a commercial numerical-analysis application, and various turbulence models were considered. As a result, the temperature and velocity of the exhaust gas at the educator inlet and diffuser outlet and that of the metal surface of the diffuser were measured, and found to agree well with the measurement results of the model test.
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문제 정의
본 연구는 적외선 신호저감 장치를 국내 독자기술로 개발하기 위한 기초 연구로 국외 선진 기술사에서 개발하여 국내 함정에 설치된 IRSS의 모형시험 조건을 분석하고 이를 기반으로 열 유동해석 연구를 수행하였다. 열 유동해석에서는 상용 수치해석 프로그램을 사용하였으며, 다양한 난류 이론 모델을 고려하여 결과를 비교 분석하였다.
제안 방법
1) 국외 선진 기술사에서 개발하여 국내 함정에 탑재된 IRSS의 모형시험 조건을 분석하고 이로부터 열 유동해석 조건을 파악하였다.
7에 각각 보였다. 본 연구에서는 시험 계측 값을 다항식 함수로 작성하여 수치해석의 초기조건으로 설정함으로서 이덕터 입구에서 시험 계측값 대비 난류모델에 따른 온도와 속도의 오차율이 최소화 되도록 하였다.
대상 데이터
해석결과로 파악된 각 링에서의 온도 차이를 확인 및 검증하기 위해 고해상도 열화상 카메라를 사용하여 유사 모델의 시험 영상을 획득하였으며 그 이미지를 Fig. 12에 보였다.
데이터처리
식 (2)에 마지막 항은 레이놀즈응력으로 난류에 의해 발생하는 전단력을 의미한다. 본 연구에서는 레이놀즈 응력을 구하기 위한 난류 모델로 K-Epsilon, SST(Shear Stress Transport) K-Omega, RST(Reynolds Stress Turbulent)모델을 적용하여 각각의 해석결과를 비교분석하였다.
본 연구는 적외선 신호저감 장치를 국내 독자기술로 개발하기 위한 기초 연구로 국외 선진 기술사에서 개발하여 국내 함정에 설치된 IRSS의 모형시험 조건을 분석하고 이를 기반으로 열 유동해석 연구를 수행하였다. 열 유동해석에서는 상용 수치해석 프로그램을 사용하였으며, 다양한 난류 이론 모델을 고려하여 결과를 비교 분석하였다. 해석의 주요 결과로는 이덕터 입구와 디퓨져 출구에서의 폐기가스 온도 및 속도, 그리고 디퓨져의 금속 표면 온도를 구하였으며 모형시험의 계측 결과와 잘 부합함을 확인하였다.
이론/모형
본 연구에서는 유동해석 전용 프로그램인 STARCCM+ 11.02를 사용하였다. 보다 정밀한 해석을 위해프로그램에서 제공하는 3차원 형상정보 수정기능과 자동격자 생성기능을 사용하여 해석모델을 3차원으로 구현하였다.
성능/효과
2) 열 유동해석 시 다양한 난류모델을 적용하여 각각의 해석결과를 비교분석하였으며, 본 연구에서는 난류모델 중 K-Epsilon 모델의 결과가 모형시험 결과와 가장 잘 부합하였다.
3) 열 유동해석을 수행함으로써, 외기흡입 효과에 의한 디퓨져 링의 온도분포 등 모형시험 계측결과만으로는 불명확한 현상을 상세히 파악하는 것이 가능하다.
반경 방향에 따른 온도와 속도의 변화는 이덕터 입구에서의 결과와 유사한 경향을 보이나 시험 계측값 대비 난류모델에 따른 오차율은 상대적으로 크게 발생하는 것을 확인 할 수 있다. 본 연구에서는 K-Epsilon 모델의 결과에서 온도와 속도의 최대 오차율이 각각 8%, 21%로 나타나 모형시험 결과와 가장 잘 부합하였다.
열 유동해석에서는 상용 수치해석 프로그램을 사용하였으며, 다양한 난류 이론 모델을 고려하여 결과를 비교 분석하였다. 해석의 주요 결과로는 이덕터 입구와 디퓨져 출구에서의 폐기가스 온도 및 속도, 그리고 디퓨져의 금속 표면 온도를 구하였으며 모형시험의 계측 결과와 잘 부합함을 확인하였다.
후속연구
향후 연구로는 본 연구를 통해 정립한 열 유동해석기술을 바탕으로 IRSS의 성능 향상을 위한 설계변수 민감도 연구를 수행할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
본 논문의 IRSS가 도메인의 고체영역에서 다면체(polyhedral) 격자를 사용한 이유는?
도메인의 고체영역에는 12~16면체로 구성된 다면체(polyhedral) 격자를 사용하여 약 15만개로 생성함으로써 해석시간이 절감되도록 하였다. 해석모델에서 얇은 판에 해당하는 고체영역에 정렬격자를 사용하면 격자의 수가 너무 많아져 해석 시간이 크게 증가하게 된다. 생성된 격자의 일부분을 확대하여 Fig.
함정의 특수성능과 관련된 기술로는 어떤 것들이 있는가?
함정의 특수성능과 관련된 기술로는 레이더에서 방사된 전자파가 함정에 반사되어 돌아오는 에너지를 탐지하여 함정의 크기, 방향 및 거리를 파악하는 RCS(Radar Cross Section), 선체로부터 주위 유체로 방사되는 기계 소음을 파악하는 URN(Underwater Radiated Noise), 함정의 표면에서 방사하는 열에너지를 탐지하는 IR(Infra-Red) 등이 있으며, 이중 적외선 스텔스 기술은 2000년대에 들어와서야 국외 선진기술의 습득 등을 통한 관련 연구가 수행되고 있다[2].
함정의 적외선 신호저감 장치인 IRSS의 작동 방식은?
함정의 적외선 신호저감 장치로는 선체에 해수를 살포하여 주변과의 대비복사강도(Contrast Radiant Intensity,CRI)를 줄이는 선체해수냉각장치와, 폐기관의 형상을 최적화하여 고온의 폐기가스를 저감시키는 IRSS가 있다.
참고문헌 (9)
Y. J. Cho, "A Survey on Stealth Technology for a Surface Warship", Study report, 1995.
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.
K. I. Han, "Study on the effect of exhaust plume gas on ir image characteristics of a naval ship", M. S. Thesis, Chung-Ang University, 2013.
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 January. 1998.
Sung Shin ENSTEC, "Procedure of Performance Test Evaluation", 2011.
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