[논문]축대칭 몰수체의 유효반류 추정

김기섭; 문일성; 안종우; 김건도; 박영하; 이창섭

doi:10.3744/snak.2019.56.5.410

축대칭 몰수체의 유효반류 추정
Prediction of the Effective Wake of an Axisymmetric Body 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.56 no.5, 2019년, pp.410 - 417

김기섭 (한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소) , 문일성 (한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소) , 안종우 (한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소) , 김건도 (한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소) , 박영하 (한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소) , 이창섭 (충남대학교 선박해양공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

An axisymmetric submerged body(L=5.6m, Diam=0.53m) is installed in Large Cavitation Tunnel (LCT) of KRISO and the nominal and total velocities without and with the propeller in operation, respectively, are measured using Laser Doppler Velocimeter (LDV). The flow field is nearly axisymmetric except the wake of the supporting strut, and is considered ideal to study the hydrodynamic interaction between the propeller and the oncoming axisymmetric sheared flow. The measured velocity data are then provided to compute the propeller-induced velocity to get the effective velocity, which is defined by subtracting the propeller-induced velocity from the total velocity. We adopted, in computing the induced velocity, two different methods including the vortex lattice method and the vortex tube actuator model to evaluate the resultant effective velocity distribution. To secure a fundamental base of experimental data necessary for the research on the effective wake, we measured the drag of the submerged body, the nominal and total velocity distributions at various axial locations for three different tunnel water speeds.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

시험부 유속의 변화는 프로펠러 날개 표면의 점성 감소와 반류변화 등 다양한 효과를 유발하기 때문에, 프로펠러 추진성능 특성만으로 정량적인 시험부 유속 변화 효과를 설명하기 어렵다. 따라서 시험부 유속증가에 의한 몰수체 후방에서의 프로펠러 추진성능 변화를 정성적으로 살펴보았다. Fig.
본 논문에서는 LCT에서 계측한 반류자료를 기반으로, 현재 사용되고 있는 유효반류 추정기법으로 유효반류를 계산하고 그 특성을 살펴보았다. 유효속도분포는 실험적으로 직접 계측 할 수 없는 관계로 수치해석 결과와 정량적 비교는 어렵다.

제안 방법

반류 속도분포를 계측하기 전에 먼저 몰수체 주위 유동의 상태를 파악하기 위해서 시험부 유속 변화에 대한 몰수체 알몸의 항력과 yaw 모멘트를 계측하였으며, yaw 모멘트 계측치를 통하여 몰수체를 유동 방향과 일치시켜 설치한 정도를 확인할 수 있다.
총 속도는 공칭속도, 상호작용속도, 프로펠러 유기속도로 구성된다. 공칭반류 계측과 다르게, Fig. 8, 9와 같이 축대칭 몰수 체에 프로펠러(KP1097)를 장착하여 작동할 때, 프로펠러 면으로부터 상류로 0.2R 만큼 떨어진 면에서 총 속도를 계측하였다. 총 속도계측을 위한 시험부 유속은 시험부 유속변화에 의한 항력변화를 검토(Fig.
공칭반류 및 총유속은 2차원 유속계측이 가능한 LDV 시스템을 이용하여 계측하였다. LDV는 단텍 다이나믹스 제품으로 레이저빔 간의 거리가 112㎜이고 초점 거리가 1600㎜인 Fiber probe를 활용하고 있다.
공칭반류를 최대한 실선 스케일에 가깝게 재현하기 위해, 본 연구에서는 Fig. 3에서 보는 바와 같이 터널 시험부의 유속을 증가시켜가며 몰수체의 항력이 수렴성을 보이는 속도에서 계측한 공칭반류와 총 속도를 사용하였다.
4와 같이 레이저빔을 배치하여 2차원 유속을 계측할 수 있다. 녹색광(파장: 514.5nm)을 이용하여 축방향 유속을, 황색광(파장: 532nm)을 이용하여 수직방향 유속을 계측한다. 후방산란형(back-scatter mode)이며, 100㎜ 두께의 아크릴 창을 통과하여 산란된 신호를 전달하여야 하므로 레이저 파워가 상당히 중요하다.
즉, 터널유속 8m/s 이상에서는 몰수체 표면의 경계층 유동이 충분히 발달되어 형상저항도 일정한 값에 도달한 것으로 판단할 수 있다. 따라서 본 논문에서 수행한 몰수체의 반류계측에는 터널유속 8m/s 이상을 기준으로 하였다.
따라서 본 논문에서는 스트럿의 영향을 배제하기 위하여 180° 방향의 속도 분포를 사용한다.
본 논문에서는 대형 캐비테이션 터널(Kim et al., 2012)에서 축대칭 몰수체의 공칭반류와 총 유속 분포를 계측하고, 이를 기반으로 수치해석적 방법으로 프로펠러 유기속도를 계산하여 유효반류 속도 분포를 추정하였다. 유기속도의 계산에는 보오텍스 격자법(VLM) 및 보오텍스유관작동판(VTA) 모형을 사용하였으며, 각각의 방법에 의해서 계산된 프로펠러 유기속도를 이용하여 추정된 유효속도분포를 비교하였다.
와 차이가 있음에 유의할 필요가 있다. 본 논문에서는 프로펠러에 의해 유기되는 속도를 구하기 위해 2가지 이론을 적용하였다.
44% 수준이다. 스트럿이 프로펠러 면의 유속 분포에 미치는 영향을 최소화하기 위하여 축대칭 몰수체 중앙에서 약간 상류 쪽에 스트럿(strut) 1개로 지지하였으며, 스트럿과 몸체 골격의 연결부에는 3분력계를 설치하였다.

대상 데이터

계측점은 11개 반경위치 (0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.05, 1.1, 1.2, 1.3R, R: 프로펠러 반경)에서, 원주방향으로 -30° ∼ 210° 범위에 대해 10°간격으로 25개를 선정하여 총 275개이다.
후방산란형(back-scatter mode)이며, 100㎜ 두께의 아크릴 창을 통과하여 산란된 신호를 전달하여야 하므로 레이저 파워가 상당히 중요하다. 기존에는 다파장의 Ar-ion 레이저를 사용하였지만 파장별 파워 차이가 있어, 파장별로 1.0W를 출력할 수 있는 DPSS(Diode Pumped Solid State) 레이저 2대를 사용하였다.
몰수체 시험은 KRISO 대형 캐비테이션터널(Large Cavitation Tunnel, 이하 ‘LCT', 2010년 준공)에서 수행 되었다.
2R 만큼 떨어진 면에서 총 속도를 계측하였다. 총 속도계측을 위한 시험부 유속은 시험부 유속변화에 의한 항력변화를 검토(Fig. 3 참조)하여 항력의 변화가 수렴하기 시작하는 시험부 유속(약 8m/s)을 선정하였다. 또한, 프로펠러 회전 수는 프로펠러 설계점 근처의 전진계수에서 Reynolds 수가 가능한 큰 값이 되도록 산정되었다.

이론/모형

, 2012)에서 축대칭 몰수체의 공칭반류와 총 유속 분포를 계측하고, 이를 기반으로 수치해석적 방법으로 프로펠러 유기속도를 계산하여 유효반류 속도 분포를 추정하였다. 유기속도의 계산에는 보오텍스 격자법(VLM) 및 보오텍스유관작동판(VTA) 모형을 사용하였으며, 각각의 방법에 의해서 계산된 프로펠러 유기속도를 이용하여 추정된 유효속도분포를 비교하였다.

성능/효과

6에 도시하였다. 여기서 유속이 증가할수록 축 방향 유속이 증가하여 동심축 반류 수축(concentric wake contraction)이 발생 하는 것을 확인할 수 있다. 이 현상은 Hoekstra(1975)가 제안 한 선박 모형선의 공칭속도로부터 실선의 공칭속도 분포를 추정하는 방법으로도 설명이 가능하다.
VTA법과 VLM에 의한 유효속도는 유사한 경향을 보여주고 있다. 유효속도는 계측에 의해 별도로 계산되는 값이 아니므로 어느 값이 더 좋은 결과인지 속단하기 어렵지만, 두 기법에 의 한 유효속도 추정기법이 프로펠러 설계 및 성능해석에 사용하는데 적합한 것으로 판단된다.
Huang의 축대칭 물체길이는 본 논문에서 대상으로 하는 축대칭 몰수체 보다 약 17% 길며, 시험유속은 풍동의 최고 유속 61m/s 이내의 유속으로 추정된다. 특히 두 시험시설의 시험부 단면 크기와 시험에 사용한 몰수체의 형상차이로 인하여 정확한 비교는 제한적이지만, Huang의 원주방향 평균속도 분포도 본 논문에서 제시하는 속도분포와 유사한 패턴을 보여주고 있음을 확인할 수 있다.
유효속도분포는 실험적으로 직접 계측 할 수 없는 관계로 수치해석 결과와 정량적 비교는 어렵다. 하지만 시험에서 계측한 공칭반류와 프로펠러 면을 대신하여 계측한 근접면에서의 총유속 차이를 이용하여 유효반류의 특성을 보임으로써, 수치해석기법의 정성적인 특성을 비교하여 VTA법과 VLM이 실제 유효속도에 근접한 것을 보였다.

후속연구

또한 높은 레이놀즈 수에서 계측한 축대칭 몰수체의 항력, 공칭속도, 총 속도를 제시함으로써, 축대칭 반류 중 프로펠러 추진성능 및 유효반류 추정 기법의 성능향상에 중요한 자료로 활용될 것으로 생각된다.
유효반류 추정의 궁극적 목표는 실선 프로펠러 설계에 사용하기 위함이다. 실선의 공칭반류를 이론적 방법 또는 모형시험과 확장법을 사용하여 구할 수 있다고 가정하면, 공칭반류와 프로펠러의 상호작용을 해석하여 실선의 유효반류를 추정할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유효속도(effective velocity,VE)는 무엇인가?	유효속도(effective velocity,VE)는 총 속도(total velocity,에서 프로펠러 유기속도(propeller induced velocity,Vi)를 뺀 값으로, 또는 공칭속도(nominal velocity,VN)와 선미유동과 프로펠러의 상호작용으로 인한 상호작용속도(interaction velocity)의 합으로, 표현된다(Carlton, 2007). Kim et al.
	현장에서 프로펠러 설계에 점성 유동을 가정한 수치해석 기법을 많이 사용하지 않았던 이유는?	프로펠러 설계는 현재까지 비점성 유동을 가정한 수치해석 기법을 많이 사용하고 있다. 최근에 점차 점성유동을 고려한 수치해석 기법의 적용이 증가하고 있으나, 수치계산 시간의 한계와 설계에 적용하기 위한 편의성 등의 이유로 인하여 현장 적용에 한계를 보이고 있다. 그러나 비점성 유동을 가정한 프로펠러 수치해석 기법은 프로펠러에 유입되는 유속분포를 입력변수로 하고 있는 관계로 프로펠러 유기속도를 포함한 유효반류의 산출이 중요한 변수이다.
	반류를 정확히 추정하는 것이 중요한 이유는?	선종 별로 선미 반류(wake field)의 특성이 크게 다르므로 프로펠러와 반류의 상호작용도 크게 다르다. 동일 선종의 경우에도 선속, 소요마력 및 프로펠러 회전수 등에 따라서 반류가 프로펠러의 부하 및 피치분포 등 형상요소 결정에 미치는 영향이 크게 달라지며, 프로펠러 추진성능과 캐비테이션 성능에 큰 영향을 주기 때문에, 반류를 정확히 추정하는 것은 프로펠러의 설계목표 달성 및 성능 해석에 우선적으로 중요한 사항이다. 프로펠러 설계와 성능해석에 필요한 반류 정보는 유효속도(effective velocity,VE) 분포이어야 한다.

참고문헌 (9)

Carlton, J.S., 2007. Marine propellers and propulsion. Elsevier
Hoekstra, M., 1975. Prediction of full scale wake characteristics base on model wake survey. International Shipbuilding Progress 22(250), pp.204-219.

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Huang, Thomas T., & Groves, Nancy C., 1980. Effective wake : Theory and experiment. Proceedings of the 13th Symposium on Naval Hydrodynamics, pp.651-673.
ITTC Propeller Committee, 1984. Proceedings of the 17th ITTC. Gothenburg, Sweden, pp.144-149.
Kerwin, J.E. and Lee, C.S., 1987. Prediction of steady and unsteady marine propeller performance by numerical lifting-surface theory. Transactions Society of Naval Architects and Marine Engineers, 86, pp.1-30
Kim, K.S., Ahn, J.W., Park, Y.H., Paik, B.G., Kim, G.D., Kim, S.P., & Yu, Y.W., 2010. A characteristics of model ship wake generated at MOERI large cavitation tunnel using a model ship. Proceeding of the SNAK Conference, June 2010, pp.2050-2056.
Kim, K.S., Ahn, J.W., & Park, Y.H., 2012. 3 years after MOERI large cavitation tunnel completion. Bulletin of the Society of Naval Architects of Korea, 2012, 49(4).
Lee, C.S. & Lee, J.T., 1990. Prediction of effective wake considering propeller-shear-flow interaction. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 27(2), pp.1-12.
Paik, B.G., Ahn, J.W., Seol, H.S., Park, Y.H., Kim, K.S. & Cheon, H.G., 2017. Development of LDV(Laser Doppler Velocimetry) for measuring three dimensional hull wake of ship model in large cavitation tunnel. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 54(6), pp.515-521.

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