The calculation of steady-state cavitating flows around Supercavitating Underwater Bodies (SUB's), which consist of a circular disk head (cavitator), a conical fore-body, a cylindrical middle-body and either a boat-tail or a flare-tail, are carried out. To calculate the axisymmetric cavitating flow,...
The calculation of steady-state cavitating flows around Supercavitating Underwater Bodies (SUB's), which consist of a circular disk head (cavitator), a conical fore-body, a cylindrical middle-body and either a boat-tail or a flare-tail, are carried out. To calculate the axisymmetric cavitating flow, used is a commercial computational fluid dynamics code based on the finite volume method, Fluent. From the analysis of numerical results, the cavity and drag, affected by the fore-body and tail of the SUB's, are investigated. Firstly, the effect of the fore-body shape is investigated with the same disk cavitator and a cylindrical rear-body of fixed diameter. Then with the same cavitator and a fixed fore-body, the effect of the rear-body shape is investigated. Before the cavity generated by the cavitator covers the slant of fore-bodies sufficiently, the larger the cone angle of the fore-body(i.e., the shorter the slant length), the larger the drag and the slower the development of cavity. After the cavity covers the fore-body completely so that the pressure drag component of the body is vanished, the characteristics of drag-velocity curves are identical. Also, as the tail angle is bigger, the cavity generated by the cavitator is suppressed further and the drag becomes larger. The peak of the drag appears for the flare-tail, i.e., when the tail angle is positive(+). On the contrary, the trough of the drag appears for the boat-tail, i.e., when the tail angle is negative(-). When the tail angle is 5 degrees, the peak of the drag appears at the body speed of 80m/s and the value of the drag is 43% larger than that at the design speed of 100m/s. When the tail angle is -5 degrees, the trough of the total drag appears at 75m/s and that drag is 30% smaller than that of the cavitator, which means the rest of the body has a negative drag.
The calculation of steady-state cavitating flows around Supercavitating Underwater Bodies (SUB's), which consist of a circular disk head (cavitator), a conical fore-body, a cylindrical middle-body and either a boat-tail or a flare-tail, are carried out. To calculate the axisymmetric cavitating flow, used is a commercial computational fluid dynamics code based on the finite volume method, Fluent. From the analysis of numerical results, the cavity and drag, affected by the fore-body and tail of the SUB's, are investigated. Firstly, the effect of the fore-body shape is investigated with the same disk cavitator and a cylindrical rear-body of fixed diameter. Then with the same cavitator and a fixed fore-body, the effect of the rear-body shape is investigated. Before the cavity generated by the cavitator covers the slant of fore-bodies sufficiently, the larger the cone angle of the fore-body(i.e., the shorter the slant length), the larger the drag and the slower the development of cavity. After the cavity covers the fore-body completely so that the pressure drag component of the body is vanished, the characteristics of drag-velocity curves are identical. Also, as the tail angle is bigger, the cavity generated by the cavitator is suppressed further and the drag becomes larger. The peak of the drag appears for the flare-tail, i.e., when the tail angle is positive(+). On the contrary, the trough of the drag appears for the boat-tail, i.e., when the tail angle is negative(-). When the tail angle is 5 degrees, the peak of the drag appears at the body speed of 80m/s and the value of the drag is 43% larger than that at the design speed of 100m/s. When the tail angle is -5 degrees, the trough of the total drag appears at 75m/s and that drag is 30% smaller than that of the cavitator, which means the rest of the body has a negative drag.
본 연구를 통해 초공동 수중운동체의 몸체 형상이 공동 발달과 항력 특성에 미치는 영향에 대한 기초 자료를 얻고자 하며, 몸체의 영향을 고려하여 초공동 수중운동체의 캐비테이터를 보다 더 실제적인 조건에서 설계하는데, 본 연구의 결과가 도움이 되기를 기대한다.
제안 방법
본 연구에서는 원판 캐비테이터가 장착된 축대칭 수중운동체를 대상으로, 유한체적법 기반의 CFD 상용코드인 Fluent를 사용해서 속도 별로 정상 공동유동 계산을 수행하고, 계산결과를 해석하여 몸체 앞부분과 뒷부분의 형상이 공동의 발달과 항력 특성에 미치는 영향을 수치적으로 조사하였다.
대상 데이터
Fig. 4에 보인 바와 같이 수중운동체의 형상은 고정된 치수의 캐비테이터 직경 (Dc :0.05m), 물체 길이 (L : 2.1m), 중앙평행부 직경(DB : 0.145m), 후미 길이(LT : 0.363m) 그리고 변수인 전방 경사각(α)과 후미 경사각(β)으로 정의하였다. 전방두부 길이(LH)와 평행부 길이(LM)는 전방 경사각에 의해 결정된다.
데이터처리
초공동 유동을 수치적으로 계산하기 위해 유한체적법(FVM) 기반의 상용코드인 FLUENT(ver. 15)를 사용하였다. 지배방정식의 확산항은 2차 중심차분, 대류항은 QUICK(Quardratic Upwind Interpolation for Convective Kinematics)방법으로 이산화하고, 속도-압력 연성은 SIMPLEC(Semi Implicit Method for Pressure Linked Equation Consistent) 방법을 사용하였다.
이론/모형
는 realizable k-∊ 난류모델을 사용하여 구하였다. 여기서 k는 난류운동에너지이며, 물체 벽면 경계조건의 처리에는 표준 벽함수(standard wall function)를 사용하였다 (ANSYS, 2010).
15)를 사용하였다. 지배방정식의 확산항은 2차 중심차분, 대류항은 QUICK(Quardratic Upwind Interpolation for Convective Kinematics)방법으로 이산화하고, 속도-압력 연성은 SIMPLEC(Semi Implicit Method for Pressure Linked Equation Consistent) 방법을 사용하였다.
성능/효과
1. 전방 경사각이 클수록, 즉 경사부가 짧고 뭉툭할수록, 캐비테이터에서 발생한 공동 발달이 천천히 진행되고 항력이 커지며, 공동이 경사면을 감싸서 몸체의 압력항력이 사라지기 시작하는 속도는 전방 경사각의 증가에 따라 단계적으로 낮아진다.
2. 캐비테이터에서 발생한 공동이 전방 경사면을 완전히 감싼 이후에는 경사부 형상과 무관하게 거의 동일한 속도-항력 특성을 보인다. 이는 경사부 뒤쪽의 몸체 형상이 원기둥이고, 공동이 경사면을 감싼 이후에는 공동 발달이 거의 같기 때문이다.
3. 전방 경사부의 형상은 캐비테이터에서 발생한 공동이 경사면을 완전히 감싸기 전까지의 속도 구간에서 공동의 발달과 몸체항력, 특히 압력항력성분에 중요한 영향을 미치며, 초기가속 시 수중운동체의 속도 성능에 영향을 미칠 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
수중에서 운동하는 물체가 매우 제한된 속도에서 운항되는 이유는?
수중에서 운동하는 물체는 공기 중에서 같은 속도로 운동하는 물체에 비해 큰 항력이 작용하고, 속도가 증가할수록 항력이 급격하게 증가하기 때문에 매우 제한된 속도에서 운항해온 것이 사실이다. 수중 운항 속도의 통상적인 한계를 극복하고 고속 운항이 가능하도록 하는 기술의 개발이 러시아, 독일, 미국, 중국 등을 중심으로 진행되고 있으며, 대표적 예로 초공동 (또는 초월공동)을 이용한 고속화 기술이 있다.
수중 운항 속도의 통상적인 한계를 극복하고 고속 운항이 가능하도록 하는 기술의 대표적 예는?
수중에서 운동하는 물체는 공기 중에서 같은 속도로 운동하는 물체에 비해 큰 항력이 작용하고, 속도가 증가할수록 항력이 급격하게 증가하기 때문에 매우 제한된 속도에서 운항해온 것이 사실이다. 수중 운항 속도의 통상적인 한계를 극복하고 고속 운항이 가능하도록 하는 기술의 개발이 러시아, 독일, 미국, 중국 등을 중심으로 진행되고 있으며, 대표적 예로 초공동 (또는 초월공동)을 이용한 고속화 기술이 있다.
supercavity를 활용한 러시아 고속 어뢰의 특징은?
초공동(supercavity)을 이용한 수중운동체 고속화 기술은 몸체 머리에 캐비테이터(cavitator)를 장착하여 발생시킨 공동으로 몸체를 완전히 감싸서 몸체 표면이 물과 직접 접촉하는 면적을 없애고 몸체 표면의 압력을 일정하게 해서 전체 항력을 감소시킴으로써 수중에서도 고속 운항이 가능케 하는 기술이다. 초공동을 이용한 수중운동체 고속화의 선두 주자로는 실용화되어 배치된 것으로 알려진 러시아의 고속 어뢰 Shkval(Fig. 1(a))이 있으며, 200노트 이상의 속도로 운항이 가능한 것으로 알려져 있다 (Kim & Nah, 2011). 일반 어뢰의 주행속도가 40노트 전후임을 감안할 때, 초공동 기술을 사용한 Shkval은 매우 빠른 속도로 주행함을 알 수 있다.
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