[논문]넓은 받음각 범위에서 높은 양항비를 가지는 다중 수중익 형상의 전개장치

박주연; 박형민

doi:10.5407/jksv.2019.17.2.025

넓은 받음각 범위에서 높은 양항비를 가지는 다중 수중익 형상의 전개장치
Vane deployer with a hydrofoil array for enhanced lift-to-drag ratio at wide range of angle of attack 원문보기

한국가시화정보학회지= Journal of the Korean society of visualization, v.17 no.2, 2019년, pp.25 - 31

박주연 (Department of Mechanical & Aerospace Engineering, Seoul National University) , 박형민 (Department of Mechanical & Aerospace Engineering, Seoul National University)

Abstract ▼ AI-Helper

A device that consists of an array of hydrofoils (called a vane deployer) is widely used in ocean engineering. In general, the vane deployer has to spread out efficiently, which is possible by enhancing the lift-to-drag ratio. In the present study, using a computational fluid dynamics, we investigate the effect of hydrofoil arrangement on the lift-to-drag ratio to establish the condition in which a reasonable level of constant lift-to-drag ratio is achieved in a wide range of angle of attack, to avoid a degradation of the hydrodynamic performance. First, the flow around two-dimensional hydrofoil array is examined by varying the size of hydrofoil components, gap between the hydrofoils, and arrangement type. As a result, we determine the optimized hydrofoil array configuration whose lift-to-drag ratio is nearly independent on the angle of attack. Finally, a three-dimensional simulation is performed for the optimized geometry to estimate the performance of actual vane deployer.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Considered vane deployer (hydrofoil array) configuration: overall shape is NACA6406 and three element hydrofoil (NACA6412) array is positioned.
그림 Fig. 2. Mesh topology for 2D hydrofoil array: (a) C-type computational domain. (b) Mesh around hydrofoil array. (c) Inflation at the edge of hydrofoil.
그림 Fig. 3. Comparison of lift-to-drag ratio (L/D) of single NACA0012: △, Abott and von Doenhoff⁽⁷⁾; ▼, Li et al.⁽⁸⁾; ●, present (transition k-kl-ω); ■, present (k-kl-ω); ×, present (k-ε).
그림 Fig. 4. Comparison of a single hydrofoil (NACA6406) and a hydrofoil (NACA6412) array: (a) L/D; (b, c) pressure contour around hydrofoil array and single hydrofoil at αtot = -4° (minimum and maximum values of the contour level are –1.0 kPa and 1.0 kPa, respectively).
그림 Fig. 5. Effect of chord length (c₁, c₂ and c₃) of element hydrofoil: (a) L/D. ●, (constant length) c₁ = c₂ = c₃ = 0.33 m; ■, (decreasing length) c₁ = 0.5 m, c₂ = 0.3 m and c₃ = 0.2 m;　(b, c) pressure contour around hydrofoil array at α_tot = 2° (minimum and maximum values of the contour level are –1.0 kPa and 1.0 kPa, respectively); (d, e) velocity contour at the same condition.
그림 Fig. 6. Effect of gap size: (a) L/D. ●, array of c₁ = 0.5 m, c₂ = 0.3 m and c₃ = 0.2 m with g₁ = g₂ = 0 m; ▲, g₁ = g₂ = 0.05 m; ■, g₁ = g₂ = 0.1 m.　(b, c) pressure contour around hydrofoil array (g₁ = g₂ = 0 m and g₁ = g₂ = 0.1 m) at α_tot = -4° (minimum and maximum values of the contour level are –1.0 kPa and 1.0 kPa, respectively).
그림 Fig. 7. Effect of gap variation (same element hydrofoil size, in each case): ●, constant gap; ▼, 1:2 gap ratio (g₁ = 0.067 m, g₂ = 0.133 m); ▼, 2:1 gap ratio (g₁ = 0.133 m, g₂ = 0.067 m).
그림 Fig. 8. 3D vane deployer: (a) Geometry of the 3D array. (b) 2D pressure field on x-y plane at z = -0.54 m (minimum and maximum values of the contour level are 5.0 kPa and 6.3 kPa, respectively).

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 ANSYS FLUENT (version 19.2)를 이용하여 2차원 다중 수중익 형상에 대하여 유동장을 수치해석으로 분석하고 각 배열 조건에 따른 양항비를 분석하고자 한다. 목표로 하는 기본(목표) 다중 수중익(전개 장치) 모양은 C = 1 m의 코드길이를 가지는 NACA6406 단면 형상이며, 내부를 0.
본 연구에서는 받음각에 큰 영향을 받지 않고 안정적인 양항비를 가지는 최적의 다중 수중익을 도출하기 위해 수치해석 연구를 수행하였다. 이를 위해 다양한 2차원 모델에 대한 양항비과 유동장을 분석하였고, 최적의 배열 형상을 찾은 후 3차원 전개 장치모델을 형성하여 그 성능을 분석했다.
본 연구에서는 전체 길이 1 m의 2차원 다중 수중익 주위를 흐르는 1.5 m/s의 속도의 물의 흐름을 수치해석적으로 분석하기 위해, Fig. 2(a)에서 보이는 바와 같이 C-type 계산영역을 형성하였다. 이 때, 고려한 유속은 실제 전개 장치를 바다환경에서 사용한다고 가정하고 약 3 knot의 운전속도(일반적인 경우)를 고려한 것이다.
이를 기본 형상으로 하여 NACA6412의 코드길이(c1 , c2 , c3)와 배열형태 그리고 수중익 사이의 간격들(g1 , g2)을 조절하고, 다중 수중익의 받음각(αtot)에 관계없이 최대의 양항비를 낼 수 있는 최적 다중 수중익(전개 장치) 형상을 도출하는 것이다.
이에 따라 본 연구에서는 αtot = –6°~6° 영역에서 요소 수중익의 크기가 c1 = 0.4 m, c2 = 0.24 m 그리고 c3 = 0.16 m의 크기로 줄어들고, 각 수중익 사이 간격이 1:2 비율인 다중 수중익을 최적의 설계조건으로 도출하고자 한다.

가설 설정

1 %와 turbulent viscosity ratio = 10으로 설정하였다. 유동은 steady상태로 가정하였지만 Re_C가 큰 transition regime의 유동이기 때문에 pseudo transient의 모델식으로 설정하였다.
2(a)에서 보이는 바와 같이 C-type 계산영역을 형성하였다. 이 때, 고려한 유속은 실제 전개 장치를 바다환경에서 사용한다고 가정하고 약 3 knot의 운전속도(일반적인 경우)를 고려한 것이다. 전개 장치 코드길이를 기준으로 한 Reynolds 수는 Re_C= 1,500,000이다.

제안 방법

8). 3차원 모델은 실제로 전개장치를 물에 띄워 작동할 때와 마찬가지로 수면에서부터 0.06 m 가라앉은 상태로 분석하였다. 이러한 분석을 위하여 Volume of Fluid(VOF) 모델을 사용하여 유동장을 물과 공기가 공존하는 two-phase fluid로 설정하였고 대기압과 정수압을 고려하였다.
0의 값이 되도록 계산하였으며, 이는 8 μm의 크기를 가진다. Inflation 층의 두께가 매우 얇기 때문에 수중익 테두리에서의 mesh skewness가 매우 높아짐으로, 이를 해결하기 위하여 각 수중익 둘레를 950개의 mesh 요소들로 나누었다. 최종적으로 형성된 mesh 요소들의 개수는 231,796개 이며, 고려한 각 경우에 대하여 수치 해석 running time은 약 15시간이다.
경계조건으로는 inlet에서 1.5 m/s의 유속과 x축을 주유동 방향으로 설정하였고, 유동장 전체 에는 외부 유동에서 통상적으로 사용하는 수치인 난류강도 0.1 %와 turbulent viscosity ratio = 10으로 설정하였다. 유동은 steady상태로 가정하였지만 Re_C가 큰 transition regime의 유동이기 때문에 pseudo transient의 모델식으로 설정하였다.
따라서 위와 같은 transition k-kl-ω 모델과 경계조건들을 통한 분석 방법으로 압력과 속도장이 coupling되어 있는 second order upwind scheme을 사용하여 다중 수중익 주위의 유동을 해석하고 양항비를 계산하였다.
7과 같이 두 간격의 크기를 각각 다르게 하여 비교해 볼 수 있다. 본 연구에서는 두 개의 간격이 일정한 경우와, 간격의 비가 1:2 그리고 2:1인 경우들의 양항비를 계산해보았다. 고려한 받음각 영역에 대한 평균 양항비는 각 간격의 비율에 따라 크게 달라지지 않았지만, 1:2의 간격을 가지는 다중 수중익은 α_tot= 0°~2°에서 일정한 간격의 다중 수중익보다 약간 더 높은 양항비를 보였다.
)의 크기나 위치가 양항비에 큰 영향을 미친다. 본 연구에서는 수중익 사이의 간격 영향을 분석하기 위하여 앞서 분석한 c₁= 0.5 m, c₂= 0.3 m 그리고 c₃= 0.2 m의 다중 수중익을 기준으로 각 요소 수중익의 크기를 90%와 80%로 줄이고 전개 장치 전체의 크기는 1 m로 고정하여 결과적으로 각 요소 수중익 사이의 간격을 증가시키면서 그 영향을 분석하였다(Fig. 6). 수중익 사이의 간격이 늘어나면서 2, 3번째 수중익 leading edge의 상단에 위치했던 국부 양압력지대가 아래쪽으로 이동하고(Fig.
앞서 분석한 최적 조건을 기준으로 spanwise 방향으로 1 m의 크기를 가지는 3차원 모델을 설계하여 실제 전개 장치를 고려한 양항비와 압력장을 분석하였다(Fig. 8). 3차원 모델은 실제로 전개장치를 물에 띄워 작동할 때와 마찬가지로 수면에서부터 0.
2b). 이 mesh 요소들은 다중 수중익에서 먼 위치의 유동장 내에서는 비교적 정렬된 grid 형상이지만, 다중 수중익 근처에서는 코드 길이가 0.33 m인 NACA6412 3개가 1 m의 NACA6406의 외형을 근사하기 위해 직렬(serial) 배열로 나열되어 있어 인접한 수중익이 서로 매우 가깝게 위치하여 비교적 skewness가 높은 비정렬 grid를 형성하였다.
06 m 가라앉은 상태로 분석하였다. 이러한 분석을 위하여 Volume of Fluid(VOF) 모델을 사용하여 유동장을 물과 공기가 공존하는 two-phase fluid로 설정하였고 대기압과 정수압을 고려하였다. Fig.
본 연구에서는 받음각에 큰 영향을 받지 않고 안정적인 양항비를 가지는 최적의 다중 수중익을 도출하기 위해 수치해석 연구를 수행하였다. 이를 위해 다양한 2차원 모델에 대한 양항비과 유동장을 분석하였고, 최적의 배열 형상을 찾은 후 3차원 전개 장치모델을 형성하여 그 성능을 분석했다. 단일 수중익과 다중 수중익의 받음각에 따른 양항비를 비교했을 때, 단일 수중익보다 다중 수중익이 받음각에 영향을 받지 않고 안정 적인 성능을 보였다.

대상 데이터

2)를 이용하여 2차원 다중 수중익 형상에 대하여 유동장을 수치해석으로 분석하고 각 배열 조건에 따른 양항비를 분석하고자 한다. 목표로 하는 기본(목표) 다중 수중익(전개 장치) 모양은 C = 1 m의 코드길이를 가지는 NACA6406 단면 형상이며, 내부를 0.33 m의 코드길이(c₁ , c₂, c₃)를 가지는 NACA6412 요소 수중익 3개로 다중 수중익을 형성하였다(Fig. 1). 이를 기본 형상으로 하여 NACA6412의 코드길이(c₁ , c₂, c₃)와 배열형태 그리고 수중익 사이의 간격들(g₁, g₂)을 조절하고, 다중 수중익의 받음각(α_tot)에 관계없이 최대의 양항비를 낼 수 있는 최적 다중 수중익(전개 장치) 형상을 도출하는 것이다.

이론/모형

본 연구에서는 전개 장치 주위 난류유동을 분석하기 위한 난류 모델로 transition k-kl-ω 모델을 사용하였다.

성능/효과

분석한 αtot 영역에서 단일 수중익의 경우에는 받음각에 따른 양항비의 변화폭(최대 양항비 대비)이 100%이지만, 본 최적조건에서는 그 폭이 56%로 크게 줄어들었다.
고려한 받음각 영역에 대한 평균 양항비는 각 간격의 비율에 따라 크게 달라지지 않았지만, 1:2의 간격을 가지는 다중 수중익은 αtot = 0°~2°에서 일정한 간격의 다중 수중익보다 약간 더 높은 양항비를 보였다.
이를 위해 다양한 2차원 모델에 대한 양항비과 유동장을 분석하였고, 최적의 배열 형상을 찾은 후 3차원 전개 장치모델을 형성하여 그 성능을 분석했다. 단일 수중익과 다중 수중익의 받음각에 따른 양항비를 비교했을 때, 단일 수중익보다 다중 수중익이 받음각에 영향을 받지 않고 안정 적인 성능을 보였다. 요소 수중익들의 크기 차이나 사이의 간격도 양항비 크기와 받음각에 대한 안정성에 영향을 미치는 것을 확인하였다.
또한, 정수압 크기가 다중 수중익 주변의 압력을 무시할 정도로 매우 큰 것으로 나타났다. 따라서 이러한 이유로 3차원 모델의 양항비는 6.9로 같은 형상의 2차원 모델의 양항비보다 작은 수치로 계산되었지만, 수치해석에 고려한 장비의 무게(약 53kg)와 부력 및 항력 등을 함께 고려하였을 때에도, 충분히 양력을 발생하여 물속에서 안정적으로 전개 성능을 발휘할 것으로 예상된다.
8(b)에서 나타나듯이, 3차원 모델은 정수압을 고려했기 때문에 다중 수중익의 윗면과 아랫면에는 2차원 모델을 분석했을 때와 비슷한 압력차가 나타났지만 다중 수중익 주변이 모두 양압력지대로 분석되었다. 또한, 정수압 크기가 다중 수중익 주변의 압력을 무시할 정도로 매우 큰 것으로 나타났다. 따라서 이러한 이유로 3차원 모델의 양항비는 6.
단일 수중익과 다중 수중익의 받음각에 따른 양항비를 비교했을 때, 단일 수중익보다 다중 수중익이 받음각에 영향을 받지 않고 안정 적인 성능을 보였다. 요소 수중익들의 크기 차이나 사이의 간격도 양항비 크기와 받음각에 대한 안정성에 영향을 미치는 것을 확인하였다.

후속연구

가 잘 알려져 있다. 다중 수중익으로 구성되는 전개 장치의 특성 상, 장치 내부에서 인접한 수중익 사이의 상호작용으로 단일 수중익과는 다른 유동장-양항비 관계 양상이 나타날 것이며, 이에 대한 연구가 필요하다. 다중 물체에 주위에 대한 연구로 최근 Choi and Park⁽⁵⁾은 구의 배열(sphere array)에서 구 사이의 간격 및 개수에 따라 난류량과 와류 구조가 단일 구의 후류와 크게 다르다는 것으로 실험적으로 증명하고 그 원리를 규명한 바 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전개장치의 역할은?	전개장치(vane deployer)라고 흔히 불리는 해양 장비는 다중 수중익 배열로 구성이 되며, 해양에 유출된 기름 수거(oil sweeping), 저인망 어업(trawl fishing) 그리고 지질 탄성파 탐사(seismic survey)와 같은 분야들에 널리 사용되고 있다. 예를 들어, 유출된 기름 수거를 하기 위해 통상적으로는 두 척의 배를 이용해 양 끝에 오일펜스 (oil fence)를 설치하여 앞으로 나아가며 오일펜스를 옆으로 펼쳐, 길게 펴진 오일펜스에 기름막(oil film)이 부딪혀 모이게 하여 많은 양의 기름을 회수 한다.
	본 논문에서 수행한, 넓은 받음각 범위에서 안정적인 양항비를 가지는 최적의 다중 수중익을 도출하는 전개장치를 얻기 위한 실험의 결과는 무엇인가?	이를 위해 다양한 2차원 모델에 대한 양항비과 유동장을 분석하였고, 최적의 배열 형상을 찾은 후 3차원 전개 장치모델을 형성하여 그 성능을 분석했다. 단일 수중익과 다중 수중익의 받음각에 따른 양항비를 비교했을 때, 단일 수중익보다 다중 수중익이 받음각에 영향을 받지 않고 안정 적인성능을 보였다. 요소 수중익들의 크기 차이나 사이의 간격도 양항비 크기와 받음각에 대한 안정성에 영향을 미치는 것을 확인하였다.
	전개장치를 최대한 길게 펼쳐야 할 때 중요하게 고려할 것은?	전개장치는 동력이 존재하지 않는 상태에서 배(main vessel)나 해안가로부터 멀어지며 오일펜스 등을 최대한 길게 펼쳐야 하기 때문에, 진행 방향으로 흘러가며 높은 양력 대비 적은 항력을 받는 것이 중요하다. 향상된 수력학적 성능(즉, 양력과 향력의 비인 양항비(lift-to-drag ratio))을 얻기 위하여 전개 장치의 주위 유동(압력)장과 후류의 유동 특성을 이해하는 것이 필요한데, 지금까지는 단일 수중익(또는 익형) 모델에 대해서만 양항비 및 유동 구조 분석이 주로 이루어져 있다.

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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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