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1 한국군사과학기술학회지제 14 권제 2 호, pp. 198~204, 2011 년 4 월 학술논문 해상 수중부문 SUBOFF 모형후방난류항적계측및실험식유도 Measurement of Turbulent Wake behind a SUBOFF Model and Derivation of Experimental Equations 신명수 * 문일성 * 나영인 ** 박종천 *** Myung-Soo Shin Il-Sung Moon Young-In Nah Jong-Chun Park Abstract This paper presents the experimental result to investigate the characteristics of turbulent wake generated by submarine. A SUBOFF nude model which was assumed as an axial -symmetric body was used to create wake, and a thin strut was mounted on the top of the model. The experiments were conducted in a circulating water channel(cwc), and a hot-film was used to measure the turbulence in wake cross-section at the distance range of L from the model. The hot film anemometer measured turbulent velocity fluctuations, and the timeaveraged mean velocity and turbulent intensity are obtained from the acquired time-series data. Measured results show well the general characteristics of turbulent intensity, kinetic energy and mean velocity distribution. Also, experimental equations are derived. These experimental equations show well the general characteristics of the turbulent wake behind the submerged body with simple configuration. Keywords : Turbulent Wake( 난류항적 ), Turbulent Intensity( 난류강도 ), Turbulent Kinetic Energy( 난류운동에너지 ), SUBOFF Model(SUBOFF 모형 ), CWC Experiments(Circulating Water Channel, 회류수조실험 ), Experimental Equation( 실험식 ) 1. 서론 잠수함, AUV 등의유체역학적특성을파악하기위하여, 물체주위의유속, 난류유장, 국부유동에대한많은실험과계산적연구가이루어져왔다 [1 6]. 그러 2011 년 1 월 30 일접수 ~2011 년 3 월 25 일게재승인 * 한국해양연구원 (KORDI) ** 국방과학연구소 (ADD) *** 부산대학교 (Pusan National University) 책임저자 : 나영인 (nyi1972@kornet.net) 나, 상대적으로관심이적은수중체후류의난류, 유속항적에관한연구는매우드물다. 본논문은수중운동체후류의유속및난류의일반적인특성을분석하고, 후류의크기를예측하기위하여, 잠수체에대한난류유장계측모형시험및후류특성에대한실험식유도에대하여논의한다. 공시모형으로형상이간단한 SUBOFF 모형을채택하였으며, 추진기는장착되지않았다. 실험은회류수조 (CWC : Circulating Water Channel) 에서열선유속계 (Hot Film) 로모형후류의유속및난류량을계측하였다. 계측은성공적으로수행되었으며, 계측결과로후 198 / 한국군사과학기술학회지제 14 권제 2 호 (2011 년 4 월 )

SUBOFF 모형후방난류항적계측및실험식유도 류에대한실험식을유도하였다. 이실험식은형상이간단한잠수체후류의평균유속및난류량의일반적인특성을파악하고, 유사형상의정성적인후류분석에많은도움을줄것으로기대된다. 제작된 SUBOFF 모형제원은다음과같다. Name : SUBOFF Model Length : 1406.

) 의고속중형회류수조에서수행하였으며, 주요제원및사진을 Table 1에명시하였다. 모형의난류항적계측이주목적이기때문에, 후방의계측영역을충분히확보할수있도록중형수조를사용하였으며, 계측정도향상을위하여, 모형의크기를 1.4m로제작하여모형선길이의 2배이상후방항적을계측할수있도록하였다.

계측시스템은 Kanomax 사의쐐기형일자 (-) 열선센서 (Hot Film) Type 1075 및앰프로구성되며, 실험개념도및계측시스템구성도를 Fig. 3에도시하였다.

2 SUBOFF 모형후방난류항적계측및실험식유도 류에대한실험식을유도하였다. 이실험식은형상이간단한잠수체후류의평균유속및난류량의일반적인특성을파악하고, 유사형상의정성적인후류분석에많은도움을줄것으로기대된다. 제작된 SUBOFF 모형제원은다음과같다. Name : SUBOFF Model Length : mm Section diameter Max. : 164.0mm 2. SUBOFF 모형및계측시스템 가. 모형시험수조모형시험수조는일본에소재한 FEL(West Japan Fluid Engineering Laboratory Co., Ltd.) 의고속중형회류수조에서수행하였으며, 주요제원및사진을 Table 1에명시하였다. 모형의난류항적계측이주목적이기때문에, 후방의계측영역을충분히확보할수있도록중형수조를사용하였으며, 계측정도향상을위하여, 모형의크기를 1.4m로제작하여모형선길이의 2배이상후방항적을계측할수있도록하였다. Fore View After View Table 1. Principal Dimension of Circulating Water Channel 최고속도 관측부사양 (m) 동력부 나. 공시모형 6.0m/s 길이 폭 깊이 kw 2 시험을위한공시모형으로서, 형상이간단하고, 많은연구가수행되고있는 SUBOFF 모형을선택하였다. 종방향단면도및제작된모형사진을 Fig. 1과 2에각각도시한다. Fig. 1. Section Profile of SUBOFF Model Side View Fig. 2. Photographs of SUBOFF Model 다. 모형항적난류계측시스템난류계측시스템은 Fig. 3과같이구성되었다. SUBOFF 모형은유선형의수면관통부에부착되었다. 수심은프로펠러축중심을기준으로하여 300mm이며, 수면파도에의한영향을최소화하기위하여상부에패널을부착하였다. 평균유속및난류량은열선유속계를이용하여계측하였다. 계측시스템은 Kanomax 사의쐐기형일자 (-) 열선센서 (Hot Film) Type 1075 및앰프로구성되며, 실험개념도및계측시스템구성도를 Fig. 3에도시하였다. 열선센서의유속계측정확도는피토튜브 (Pito Tube) 센서와 2% 범위내에서일치하며, 난류량계측정확도는균일류중에서난류강도 (Turbulent Intensity) 가 0.5% 이하이다. 일자형열선센서를채용함에따라, 본논문에서계측된모든속도는축방향속도 (u) 이며, y, z방향속도성분은무시되었다. 이들성분계측을위해서는많은연구투자가요망된다. 계측된샘플데이터를 Fig. 4에도시한다. 평균유속 ( ) 및난류운동에너지 (Turbulent Kinetic Energy) 모두 0.01초정도의주기임을알수있다. 본계측에서는한주기에 15개의자료취득을위하여데이터취득 한국군사과학기술학회지제 14 권제 2 호 (2011 년 4 월 ) / 199

Schematic Diagram of Turbulent Measurement by Hot Film 여기서, KE 무차원화된운동에너지임의의 x, r에서유속, 평균유속, 유속의섭동값임의의 x, r에서무차원유속난류강도 (Turbulent Intensity) 실제의운동에너지물의밀도균일류속도 Fig. 4.

3 신명수 문일성 나영인 박종천 간격 (Sampling Rate) 을 1.5KHz 로하였다. 를원점으로하여우수좌표계를채용하였다. r은 y-z 단면의방사 (Radial) 방향변위이다. Fig. 5. Coordinate System 길이를나타내는 x, y, z, r은모두선박의길이 (L) 로무차원화된값을나타내며, 운동에너지 k 및유속 는식 (1), (2) 와같이무차원화되었다. (1) (2) Fig. 3. Schematic Diagram of Turbulent Measurement by Hot Film 여기서, KE 무차원화된운동에너지임의의 x, r에서유속, 평균유속, 유속의섭동값임의의 x, r에서무차원유속난류강도 (Turbulent Intensity) 실제의운동에너지물의밀도균일류속도 Fig. 4. Measured Velocity and Kinetic Energy (x = 1.0, y = 0.37) 3. SUBOFF 모형난류항적계측결과가. 무차원화 SUBOFF 모형의난류항적계측및실험식도출을위한좌표계는 Fig. 5와같다. 모형끝단프로펠러위치 나. 난류항적계측 2장에서논의한것처럼모형과계측시스템을구성하여, 회류수조에서실험을수행하였다. 계측시의사진을 Fig. 6에보인다. 열선유속계센서는자동이송장치를이용하여컴퓨터원격조종으로이동시켜계측효율향상을시도하였다. 계측단면은 Fig. 7과같이 6개의단면에서계측하였다. 각단면에서의계측점수는 20개이상이다. 각 단면에서계측된난류강도 (T. I., Turbulent Intensity) 및평균유속 ( ) 을 Fig. 8에보인다. 여기서, y/r은모형반폭 (B/2) 으로무차원화된 y 값을나타낸다. 추진기를장착하지않은 SUBOFF 모형은 200 / 한국군사과학기술학회지제 14 권제 2 호 (2011 년 4 월 )

Diagram of Measured Location 4. SUBOFF 모형 난류항적 실험식 SUBOFF 모형을 축대칭물체로 가정하여 난류항적을 계측하였고, 결과의 실용적인 사용을 위하여 실험식 도출을 시도하였다. Fig. 8.

4 SUBOFF 모형 후방 난류항적 계측 및 실험식 유도 축대칭 물체이며, 일자형 센서를 사용하였으므로 계 측량이 좌우 대칭으로 나타나는 것이 당연하다. = 1.0의 결과를 보면 계측은 성공적으로 수행되었음을 알 수 있다. 또한, 모형 끝단인, = 0.0, = 0.0에서 유속 및 난류강도가 0.0에 잘 수렴하고 있음을 알 수 있다. Fig. 6. Photograph of Model and Hot-Film Sensor Fig. 7. Diagram of Measured Location 4. SUBOFF 모형 난류항적 실험식 SUBOFF 모형을 축대칭물체로 가정하여 난류항적을 계측하였고, 결과의 실용적인 사용을 위하여 실험식 도출을 시도하였다. Fig. 8. Distributions of Mean Velocity and Turbulent Intensity(without propeller, from above = 0, 0.25, 1.0, 1.5) 한국군사과학기술학회지 제14권 제2호(2011년 4월) / 201

5 신명수 문일성 나영인 박종천 가. 난류운동에너지실험식계측된난류량으로우선프로펠러중심축으로부터경계층두께와중심축에서의최대난류에너지를구하고, 경계층내의분포를도출하였다. 1) 경계층두께계측된결과로부터, 각 에서의방사 (Radial) 방향의경계층범위 ( 두께 ) 분포및유도된실험식은 Fig. 9와같으며, 식 (3) 으로표현하였다. 계측결과와실험식이잘일치하고, 타당함을알수있다. 으로부터 max 까지방사 (radial) 방향의난류에너지분포를식 (3) 에의한경계층두께와, 식 (4) 에의한최대난류에너지로무차원화하여도시하였다. 선체바로뒷부분은난류경계층이형성되어있어, 증가후감소하며, 후방으로갈수록단순감소의분포를보인다. 2차함수를이용하여실험식 (5) 를도출하였다. (5) max (3) Fig. 10. Maximum Turbulent Kinetic Energy Distribution Fig. 9. Turbulent Boundary Thickness Distribution to Radial Direction 2) 최대난류에너지 방향으로프로펠러중심축에서의최대난류에너지의계측값을 Fig. 10에도시한다. 같은방법으로실험식을유도하였으며, 잘일치하고있음을알수있다. 계측결과로부터프로펠러축에서가장강한난류에너지양은 이며, 식 (4) 를도출하였다. max (4) 여기서, 은방사 (Radial) 방향의무차원거리 ( ) 이다. 3) 방사방향난류에너지분포각단면에서계측된난류운동에너지를 Fig. 11에모두도시하였다. 각 단면에서프로펠러중심축 Fig. 11. Nondimensionalized Turbulent Kinetic Energy Distribution in Boundary Layer 4) 임의위치에서의난류에너지분포계측된결과로부터, 난류경계층의두께, 중심축에서 202 / 한국군사과학기술학회지제 14 권제 2 호 (2011 년 4 월 )

SUBOFF 모형후방난류항적계측및실험식유도 의난류에너지및각단면에서경계층내의분포를실험식으로도출하였다. 임의의, 에서의난류운동에너지분포는식 (6) 과같으며, 식에서우변의첫째항은식 (4), 둘째항은식 (5) 로구할수있다. 식 (6) 에의한난류에너지분포도를 Fig. 12에도시하였다.

6 SUBOFF 모형후방난류항적계측및실험식유도 의난류에너지및각단면에서경계층내의분포를실험식으로도출하였다. 임의의, 에서의난류운동에너지분포는식 (6) 과같으며, 식에서우변의첫째항은식 (4), 둘째항은식 (5) 로구할수있다. 식 (6) 에의한난류에너지분포도를 Fig. 12에도시하였다. 류에너지분포와같은방법으로, 각 단면에서방사 (Radial) 방향의변위를경계층두께로무차원화하여, Fig. 14에 = 0.0, 1.0의분포도를도시하였다. max (6) Fig. 13. Distribution of Minimum Velocity along Propeller Axis( = = 0) Fig. 12. Turbulent Kinetic Energy Distribution by Experimental Equations 나. 평균유속실험식 SUBOFF 모형은축대칭물체이므로, 프로펠러중심축에서의최소유속을갖는경계층을형성한다. 1) 프로펠러중심축유속분포프로펠러중심축에서의 방향으로최소유속분포는 Fig. 13과같다. = 0.0에서유속이 0.0이됨이타당하나, 실제의계측은센서를가능한최대로접근시킨상태에서계측되었고, 계측된최소값은 0.2이다. 또한, 도시된바와같이, 값이 3.3이면, 최소유속이균일류와같아지므로후류경계층이없어짐을알수있다. 식 (7) 은실험결과로부터유도된유속분포식이다. min (7) 단, 2) 경계층내부유속분포 경계층내부의유속분포를구하기위해, 전술한난 Fig. 14. Mean Velocity Distribution in Boundary Layer (from above = 0.0, 1.0) 한국군사과학기술학회지제 14 권제 2 호 (2011 년 4 월 ) / 203

신명수 문일성 나영인 박종천 경계층내부의분포는식 (8) 로하였으며, 도출된실험식과계측결과는잘일치하고있다. min min max (8) 실용적인목적을위해프로펠러가없는경우에대하여실험식이도출되었다. 이실험식은, 난류에너지및평균유속분포, 특성을잘보여주고있으며, 유사형상후류의정성적분석에유용할것으로판단된다. 단,, max 도출된실험식에의한유장의평균유속분포를 Fig.

7 신명수 문일성 나영인 박종천 경계층내부의분포는식 (8) 로하였으며, 도출된실험식과계측결과는잘일치하고있다. min min max (8) 실용적인목적을위해프로펠러가없는경우에대하여실험식이도출되었다. 이실험식은, 난류에너지및평균유속분포, 특성을잘보여주고있으며, 유사형상후류의정성적분석에유용할것으로판단된다. 단,, max 도출된실험식에의한유장의평균유속분포를 Fig. 15에보인다. 선체후반부, 프로펠러단면의경계층이잘표현되어있다. 이실험식을이용하면, 임의의위치에서 SUBOFF 후방의난류에너지및유속을손쉽게구할수있으며, 형상이다른잠수체에대하여서도정성적으로적용가능할것이다. 후기본연구는국방과학연구소의핵심기술응용연구사업의지원으로수행되었습니다. Reference Fig. 15. Mean Velocity Distribution by Experimental Equations 5. 결론본연구를통하여 SUBOFF 모형후류의난류량및평균유속을회류수조에서열선유속계로계측하였다. 일자 (-) 형센서로, 축대칭물체로가정되어계측된결과는타당한값을보여주고있다. 그러나프로펠러의 3차원효과를고려한계측은좀더많은연구노력이필요하다. [1] 나영인, 허재경, 신명수, 문일성, 방형도, 최상문, 박종천, 문진권, 수중운동체주위난류항적모델개발, 대한조선학회춘계학술대회논문집 pp ~1022, [2] 방형도, 박종천, 허재경, KVLCC2M 모형선주위난류항적의수치시뮬레이션, 대한조선학회추계학술대회논문집 pp. 769~776, [3] Chang, Y., Zhao, F., Zhang, Numerical Simulation of Internal Waves Excited by a Submarine Moving in the Two-Layer Stratified Fluid, Journal of Hydrodynamics, Ser. B, Vol. 18, No. 3, Suppl., pp. 330~336, [4] 김진, 박일룡, 반석호, Calculation of Turbulent Flows Around a Submarine for the Prediction of Hydrodynamic Performance, Journal of ship and Ocean Technology, Vol. 7, No. 4, pp. 16~31, [5] 장진호, 박원규, 유동방향변화에따른잠수함주위의유동특성과유체동역학적계수의변화, 대한조선학회논문집, 제43권, 제4호, 통권제148호, pp. 460~466, [6] Toda, T. et al., Mean Flow Measurements in the Boundary Layer and Wake of a Series 60 C B = 0.6 Model, IIHR Report No. 326, / 한국군사과학기술학회지제 14 권제 2 호 (2011 년 4 월 )

05-kn _final.hwp

05-kn _final.hwp 대한조선학회논문집 Journal of the Society of Naval Architects of Korea 제47권제4호 2010년 8월 Vol. 47, No. 4, pp. 517-524, August 2010 DOI: 10.3744/SNAK.2010.47.4.517 SUBOFF 모형후방난류항적의수치시뮬레이션 나영인 *, 방형도 **, 박종천 *** 국방과학연구소제6기술연구본부