[논문]중력효과 및 캐비테이터 받음각 고려 공동 형상 예측기법 연구

김민재; 이종주; 김선범

doi:10.9766/kimst.2018.21.2.180

중력효과 및 캐비테이터 받음각 고려 공동 형상 예측기법 연구
The Study of Prediction Method of Cavity Shape Considering Both Gravity Effect and Angle of Attack of Cavitator 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.21 no.2, 2018년, pp.180 - 187

김민재 (국방과학연구소 제6기술연구본부) , 이종주 (국방과학연구소 제6기술연구본부) , 김선범 (국방과학연구소 제6기술연구본부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we develop a prediction method of cavity shape taking gravity effect and angle of attack of cavitator into consideration simultaneously. Logvinovich's theoretical formulas are superimposed to predict the change of cavity centerline due to both gravity effect and angle of attack of cavitator. It is found that as the angle of attack of cavitator increases, the gravity effect is weakened due to decrease in cavity volume, and even in case of the same angle of attack, cavity shape changes in different ways depending on whether the angle of attack of cavitator is positive or negative. We conclude that cavity shapes are largely affected by the angle of attack of cavitator, and the gravity effect and angle of attack of cavitator should be considered at the same time for the prediction of cavity shape.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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제안 방법

본 연구에서는 Logvinovich's independence principle을 이용하여 공동 형상을 해석하였고, 중력효과에 의한 공동 형상 변화 및 캐비테이터 받음각에 따른 공동 형상 변화를 예측하였다. 최종적으로는 중력 및 캐비테이터 받음각 효과를 동시에 고려했을 때, 공동 형상 변화에 관한 연구를 수행하였다.

이론/모형

공동 형상 예측을 위해 Logvinovich’s independence principle에 기반한 공동 형상 예측 프로그램을 작성하였다.
본 연구에서는 Logvinovich's independence principle을 이용하여 공동 형상을 해석하였고, 중력효과에 의한 공동 형상 변화 및 캐비테이터 받음각에 따른 공동 형상 변화를 예측하였다.
85이다. 본 연구에서는 Logvinovich의 이론식에 기반하여 공동 형상 예측 소프트웨어를 작성하였다. 공동 형상 계산 시 x＜2R_n인 경우에는 식 (4)를 이용하여 공동 형상을 계산하고, x≥2R_n인 경우에는 식 (3)을 이용하여 계산하게 된다.
위 식에서 F_y는 캐비테이터 받음각에 따른 양력으로 본 논문에서는 Birkoff^[8]가 제시한 식 (9)를 사용하였다. 식 (9)는 캐비테이터 받음각 α < 50°인 범위에서 실험 결과와 잘 일치하는 것으로 알려져 있다.

성능/효과

캐비테이터에서 발생 된 공동은 공동 발생 초기에는 캐비테이터 받음각 효과를 더 크게 받으며, 공동길이가 길수록 중력효과를 많이 받는 것으로 나타났다. Fig. 7에서 캐비테이터 받음각 10도, 중력효과와 받음각 효과를 동시에 적용한 해석결과를 보면, 공동 발생 초기에는 받음각 효과에 의해 공동이 중력방향으로 휘어 나타났지만, 공동 끝부분으로 갈수록 중력효과에 의해 공동이 상승하여 공동 중심축이 전체적으로 활모양이 되는 것을 확인하였다.
해석결과, 캐비테이터 받음각이 클수록 캐비테이터 유효반경의 감소에 의한 공동 부피가 작아져 중력효과가 약해짐을 확인 하였다. 또한, 중력효과만 고려한 경우와, 중력효과와 캐비테이터 받음각 효과를 동시에 고려한 경우 공동 형상은 많은 차이를 보여주었으며, 이를 통해 공동 형상 예측 시 두 가지 효과를 동시에 고려해야 한다는 결론을 얻었다. 특히, 공동 형상은 캐비테이터 받음각에 따라 크게 좌우되며, 캐비테이터 받음각 절대값이 같더라도 주유동과 캐비테이터 받음각 관계에 따라 공동 형상은 크게 달라질 수 있음을 확인하였다.
이는 캐비테이터의 받음각이 클수록 캐비테이터의 투영 면적이 작아져 결과적으로 캐비테이터 유효반경이 줄어든 효과가 발생하고, 이로 인해 발생되는 공동 부피가 작아져 중력효과가 약하게 나타난 것으로 판단된다. 이러한 효과에 의해 캐비테이터 받음각에 따라 공동 최대 반경 및 공동길이, 공동 부피가 받음각이 0도일 때에 비해 줄어든 것으로 해석되었다(Table 2).
다음으로 중력효과만 고려한 경우와 캐비테이터 받음각 및 중력효과 모두를 고려했을 때 공동 형상이 많은 차이가 있음을 알 수 있다. 캐비테이터에서 발생 된 공동은 공동 발생 초기에는 캐비테이터 받음각 효과를 더 크게 받으며, 공동길이가 길수록 중력효과를 많이 받는 것으로 나타났다. Fig.
또한, 중력효과만 고려한 경우와, 중력효과와 캐비테이터 받음각 효과를 동시에 고려한 경우 공동 형상은 많은 차이를 보여주었으며, 이를 통해 공동 형상 예측 시 두 가지 효과를 동시에 고려해야 한다는 결론을 얻었다. 특히, 공동 형상은 캐비테이터 받음각에 따라 크게 좌우되며, 캐비테이터 받음각 절대값이 같더라도 주유동과 캐비테이터 받음각 관계에 따라 공동 형상은 크게 달라질 수 있음을 확인하였다.
그리고 중력효과 및 캐비테이터 받음각 효과에 대한 이론식 또한 같이 적용하였다. 해석결과, 캐비테이터 받음각이 클수록 캐비테이터 유효반경의 감소에 의한 공동 부피가 작아져 중력효과가 약해짐을 확인 하였다. 또한, 중력효과만 고려한 경우와, 중력효과와 캐비테이터 받음각 효과를 동시에 고려한 경우 공동 형상은 많은 차이를 보여주었으며, 이를 통해 공동 형상 예측 시 두 가지 효과를 동시에 고려해야 한다는 결론을 얻었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Self & Ripken의 실험결과와 실험에 기반한 Savchenko의 경험식이 큰 차이를 보이는 이유는?	1보다 큰 영역에서는 Self & Ripken의 실험결과와 실험에 기반한 Savchenko의 경험식과는 큰 차이를 보이고 있다. 이는 공동수가 클수록 공동 형상이 작아지고, 캐비테이터로부터 박리된 유동이 재유입되는 re-entrant jet이 발생 하면서 공동이 커졌다 작아졌다하는 매우 불안정한 상태가 되어 공동의 형상을 계측하고 정의하기가 매우 어렵기 때문에 연구자들마다 공동 형상을 판단하는 기준 및 계측 오차에 따라 결과에 차이가 날 수 있다고 판단된다. Fig.
	캐비테이터가 받음각을 가질 경우 어떤 현상이 일어나는가?	캐비테이터가 받음각을 가질 경우 캐비테이터에는 양력 Fy가 발생하며, 이 양력에 의해 후류의 공동 형상이 변화하게 된다. 이 때 캐비테이터 양력은 공동의 운동량의 변화와 크기는 같고 방향은 반대이므로 Fig.
	본 연구에서 사용한 Logvinovich’s independence principle의 포텐셜 가정이 성립되지 않은 이유는?	4까지는 예측결과가 거의 일치함을 볼 수 있었으나 이후 범위에서는 다소 차이가 났다. 이는 공동 최대 직경 이후 영역에서 나타나는 와류 및 공동 붕괴 때문에 본 연구에서 사용한 Logvinovich’s independence principle의 포텐셜 가정이 성립되지 않아 생긴 결과라 사료된다. 이러한 결과는 중력효과에 의한 공동 상승량 계측 실험을 한 Zhang[7]의 실험결과 비교에서도 나타났다.

참고문헌 (9)

Garabedian, P. R., “Calculation of Axially Symmetric Cavities and Jet,” Pac. J. Math, Vol. 6, No. 4, pp. 611-684, 1956.

상세보기
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상세보기
Zhang Xue-wei, Wei Ying-jie, Zhang Jia-zhong, Wang Cong, Yu Kai-ping, “Experimentail Reasearch on the Shape Characters of Natural and Ventilated Supercavitation,” Journal of Hydrodynamics, Vol. 19, No. 5, pp. 564-571, 2007.

상세보기
Birkoff, G., Zarantonello, E. H., "Jets, Wakes and Cavities," Academic Press Inc. Publishers, New York, 1957.
Vladimir N. Semenko, "Artificial Supercavitation. Physics and Calculation," RTO AVT Lecture Series, ADP012080, 2001.

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