[논문]주기적으로 거동하는 유동장의 인공 초월공동에 대한 실험연구

정소원; 박상태; 안병권

doi:10.9766/kimst.2018.21.2.188

주기적으로 거동하는 유동장의 인공 초월공동에 대한 실험연구
Experimental Investigation of Artificial Supercavitation under Periodic Gust Flows 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.21 no.2, 2018년, pp.188 - 194

정소원 (충남대학교 선박해양공학과) , 박상태 (충남대학교 선박해양공학과) , 안병권 (충남대학교 선박해양공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently a supercavitating underwater vehicle moving at high speed over 200 knots has been of interest for its practical advantage of the dramatic drag reduction. Many experimental and numerical studies have been explored, however most of the studies deal with the case of uniform flows. In this paper, we investigated physical behaviors of the artificial supercavity in a periodic gust flow. Experiments were carried out at a cavitation tunnel of the Chungnam National University(CNUCT), which is equipped to remove the gas supplied from outside of the tunnel. We devised an experimental apparatus generating vertical and horizontal gust flows, and investigated the supercavity formations at different periodic mode of the incoming flow.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 장치는 설치 방향에 따라 수직방향과 수평방향으로 유동 교란이 가능하도록 하였다. Fig.
그동안 캐비테이션터널에서의 모형실험은 균일유동 상태에서 발생하는 초월공동에 대한 실험이 주로 수행되었다. 본연구에서는 실제 유동과 같이 불균일 유동 특성을 모사할 수 있는 장치를 설계, 제작하였으며, 이때 발생하는 초월공동의 특성을 평가하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
하지만 실제 해상상태에는 파도나 조류 등에 의한 불균일한 유동장 상태일 수 있으며, 불균일한 유동은 발생하는 공동의 형상에 영향을 미칠 수 있다. 이에 본 연구에서는 주기적으로 거동하는 불균일 유동장 내의 원판형축대칭 캐비테이터에서 발생하는 인공 초월공동의 발생 특성에 대한 실험연구를 목적으로 충남대학교 캐비테이션 터널에서 모형실험을 수행하였다. 터널 내부의 균일 유동을 주기적으로 거동하는 유동으로 모사하기 위해 캐비테이터 전방에 수중익을 설치하여 주기적인 유동을 발생시킬 수 있는 장치를 설계하고 제작하였으며, 수중익의 거동 특성을 변화시킴으로써 다양한 유동조건에서 발생하는 인공 초월공동의 특성을 파악하고자 하였다.

제안 방법

날개는 ± 2°간격으로 최대 ± 10°까지 각도 변화가 가능하며, 시험부 외부의 서보모터에 연결되어 최대 16 Hz의 속도로 주기적인 운동이 가능하도록 설계하였고, 사용한 서보모터의 재원은 Table 1과 같다.
다음으로 유동 교란장치를 캐비테이터에 수직한 방향으로 설치하여 수평방향 불균일 유동장을 모사하여 실험을 수행하였다. 이때 수평방향으로 거동하는 초월 공동의 특성을 분석하기 위해 초고속 카메라 2대를 시험부 상부와 측면에서 동기화시켜 촬영을 하였다.
)를 1 Hz에서 15 Hz까지 1 Hz 간격으로 변화시켜가면서 실험을 수행하였다. 또한 식 (2)에서 발생하는 파장은 속도에 비례하는 것을 알 수 있으며, 상대적으로 낮은 속도에서 구현되는 인공 초월공동의 경우 부력효과로 인해 공동의 꼬리 부분이 위로 올라가는 특성이 있기 때문에 부력효과를 최소화하고, 주기적으로 거동하는 유동으로 인해 변화하는 공동의 형태를 관측하기 위해 유입 유속을 6 m/s로 고정하여 실험을 수행하였다. Table 2는 유동 교란 장치의 진동수 변화에 따른 Strouhal number와 모사되는 파장의 값을 보여준다.
여기서 는 분사되는 공기의 체적유량(volumetric flow rate)이다. 무차원한 공기분사계수는 이전에 수행되어온 연구^[4,5]를 통해 초월공동이 충분히 생성되고 유지될 수 있는 Cq = 0.16의 조건으로 고정한 조건에서 실험을 수행하였다.
발생하는 인공 초월공동의 주기적인 거동을 엄밀하게 관측하기 위해 Photron사의 FASTCAM-UX100 800K16G 초고속 카메라를 사용하여 초당 2,000 frames의 속도로 촬영을 하였다.
식 (3)의 무차원 파장은 발생하는 파의 진동수를 변화시켜 조절할 수 있으며, 본 실험에서는 유동 교란 장치의 진동수(f_g)를 1 Hz에서 15 Hz까지 1 Hz 간격으로 변화시켜가면서 실험을 수행하였다. 또한 식 (2)에서 발생하는 파장은 속도에 비례하는 것을 알 수 있으며, 상대적으로 낮은 속도에서 구현되는 인공 초월공동의 경우 부력효과로 인해 공동의 꼬리 부분이 위로 올라가는 특성이 있기 때문에 부력효과를 최소화하고, 주기적으로 거동하는 유동으로 인해 변화하는 공동의 형태를 관측하기 위해 유입 유속을 6 m/s로 고정하여 실험을 수행하였다.
실험은 수직방향 및 수평방향 불균일 유동에 대해 동일한 분사 조건에서 캐비테이터의 직경(d_c)을 기준으로 파장과 파고를 변화시키면서 수행하였다. 이때 무차원 파장과 파고는 아래와 같이 정의할 수 있으며, 여기서 λ는 파장이고 ε은 파고이다.
다음으로 유동 교란장치를 캐비테이터에 수직한 방향으로 설치하여 수평방향 불균일 유동장을 모사하여 실험을 수행하였다. 이때 수평방향으로 거동하는 초월 공동의 특성을 분석하기 위해 초고속 카메라 2대를 시험부 상부와 측면에서 동기화시켜 촬영을 하였다. Fig.
이에 본 연구에서는 주기적으로 거동하는 불균일 유동장 내의 원판형축대칭 캐비테이터에서 발생하는 인공 초월공동의 발생 특성에 대한 실험연구를 목적으로 충남대학교 캐비테이션 터널에서 모형실험을 수행하였다. 터널 내부의 균일 유동을 주기적으로 거동하는 유동으로 모사하기 위해 캐비테이터 전방에 수중익을 설치하여 주기적인 유동을 발생시킬 수 있는 장치를 설계하고 제작하였으며, 수중익의 거동 특성을 변화시킴으로써 다양한 유동조건에서 발생하는 인공 초월공동의 특성을 파악하고자 하였다.
터널 내부의 균일한 유동을 주기적으로 거동하는 불균일 유동으로 모사하기 위해 Fig. 2와 같이 유동 교란 장치(gust flow generator)를 설계, 제작하였다.
파고는 날개가 움직이는 각도(gust angle, αg)를 ± 2°, ± 4°, ± 6°으로 조절함으로써 변화시켰다.

대상 데이터

실험은 충남대학교 캐비테이션 터널(CNUCT)에서 수행되었다. 터널 관측부 단면의 크기는 100 mm × 100mm이고 최대 유속은 20 m/s이다(Fig.
유동 교란 장치는 스팬길이가 96 mm, 코오드 길이가 40 mm인 NACA0020 단면 형상의 이중 날개로 구성하였으며, 날개 사이의 거리는 44 mm, 날개의 끝날(trailing edge)로부터 캐비테이터까지의 거리는 시험장치의 크기를 고려하여 71 mm로 하였다. 날개는 ± 2°간격으로 최대 ± 10°까지 각도 변화가 가능하며, 시험부 외부의 서보모터에 연결되어 최대 16 Hz의 속도로 주기적인 운동이 가능하도록 설계하였고, 사용한 서보모터의 재원은 Table 1과 같다.
4는 각각 수직방향(x-y방향)과 수평방형(x-z방향) 교란 장치를 보여준다. 인공 초월공동은 직경(dc) 5.3 mm의 원판형 캐비테이터를 사용하여 모사하였으며, 터널 외부로부터 공급되는 압축 가스는 캐비테이터 후방에 위치한 4개의 홀을 통해 분사시켰다(Fig. 5 참조)

성능/효과

8은 각각의 gust angle(α_g) 상태에서 Strouhal number가 증가함에 따라 발생하는 공동의 길이를 파장으로 무차원하여 나타낸 결과이다. Gust angle의 값이 커질수록 초월공동의 길이가 비선형적으로 감소하는 것을 확인할 수 있다. Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	캐비테이터를 설계하고 제어하는데 있어 가장 핵심적인 요소가 인공 초월공동인 이유는 무엇인가?	그러나 상대적으로 낮은 속도 영역에서도 캐비테이터 후방에서 압축가스를 분사시킴으로써 인공적으로 초월공동을 발생시킬 수 있으며, 이를 인공 초월공동(artificial supercavitation)또는 환기 초월공동(ventilated supercavitation)이라 한다. 인공 초월공동을 이용하면 자연 초월공동이 발생되기전까지 마찰 저항을 줄여 추진효율을 높일 수 있으며, 부분적으로 공동이 생성되는 과정에서 캐비테이터에 작용하는 불균일한 유체력을 감쇠시켜 주행 안정성을 높일 수 있는 장점이 있다. 따라서 인공 초월공동은 자연 초월공동과 함께 캐비테이터를 설계하고 제어하는데 있어 가장 핵심적인 요소이며, 이에 대한 이론 및 실험 연구가 활발하게 진행되고 있다[1-3].
	인공 초월공동은 어떻게 만들어지는가?	수중운동체가 고속으로 이동할 때 자연적으로 발생하는 초월공동(자연 초월공동, natrual supercavitation)의 경우, 중어뢰급 어뢰는 100 m/s 이상의 속도에 도달해야만 어뢰 전체를 감쌀 수 있는 초월공동이 발생된다. 그러나 상대적으로 낮은 속도 영역에서도 캐비테이터 후방에서 압축가스를 분사시킴으로써 인공적으로 초월공동을 발생시킬 수 있으며, 이를 인공 초월공동(artificial supercavitation)또는 환기 초월공동(ventilated supercavitation)이라 한다. 인공 초월공동을 이용하면 자연 초월공동이 발생되기전까지 마찰 저항을 줄여 추진효율을 높일 수 있으며, 부분적으로 공동이 생성되는 과정에서 캐비테이터에 작용하는 불균일한 유체력을 감쇠시켜 주행 안정성을 높일 수 있는 장점이 있다.
	초월공동은 언제 발생하는가?	운용 조건에 따라 캐비테이터에서 발생하는 초월공동의 물리적 발생 메커니즘과 특성을 규명하는 것은 초월공동 어뢰 설계에 있어 가장 핵심적인 요소기술 중 하나라고 할 수 있다. 수중운동체가 고속으로 이동할 때 자연적으로 발생하는 초월공동(자연 초월공동, natrual supercavitation)의 경우, 중어뢰급 어뢰는 100 m/s 이상의 속도에 도달해야만 어뢰 전체를 감쌀 수 있는 초월공동이 발생된다. 그러나 상대적으로 낮은 속도 영역에서도 캐비테이터 후방에서 압축가스를 분사시킴으로써 인공적으로 초월공동을 발생시킬 수 있으며, 이를 인공 초월공동(artificial supercavitation)또는 환기 초월공동(ventilated supercavitation)이라 한다.

참고문헌 (5)

B. K. Ahn, T. K. Lee, H. T. Kim and C. S. Lee, “Experimental Investigation of Supercavitating Flows,” International Journal of the Society of Naval Architects and Ocean Engineering, Vol. 4, No. 2, pp. 123-131, 2012.

원문보기 상세보기
B. K. Ahn, S. W. Jung, J. H. Kim, Y. R. Jung and S. B. Kim, “Experimental Study on Artificial Supercavitation of the High Speed Torpedo,” Journal of the Korea Institute of Military Science and Technology, Vol. 18, No. 3, pp. 300-308, 2015.

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J. H. Kim, S. W. Jeong and B. K. Ahn, “Numerical Analysis of Artificial Supercavitation under the Gravity Effect,” Journal of the Korea Institute of Military Science and Technology, Vol. 20, No. 5, pp. 665-672, 2017.
B. K. Ahn, S. W. Jeong, J. H. Kim, S. Shao, J. Hong and R. E. A Arndt, “An Experimental Investigation of Artificial Supercavitation Generated by Air injection behind Disk-shaped Cavitator,” International Journal of the Society of Naval Architects and Ocean Engineering, Vol. 9, No. 2, pp. 227-237, 2017.

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E. Kawakami and R. E. A Arndt, "Investigation of the Behanior of Ventilated Supercavities," ASME Journal of Fluids Engineering, Vol. 133, No. 9, p. 091305, 2011.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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