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주리 담
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1 대한조선학회논문집 Journal of the Society of Naval Architects of Korea pissn: , Vol. 50, No. 5, pp , October 2013 eissn: , 유동가시화를이용한혼 - 타의간극유동차단장치효과에관한실험적검증 신광호 1, 서정천 2 김효철 2 유극상 2 오정근 3 해군전력분석시험평가단함정기술처 1 서울대학교조선해양공학과 / 해양시스템공학연구소 2 군산대학교조선공학과 3 Experimental Verification on the Effect of the Gap Flow Blocking Devices Attached on the Semi-Spade Rudder using Flow Visualization Technique Kwangho Shin 1, Jung-Chun Suh 2 Hyochul Kim 2 Keuksang Ryu 2 Jungkeun Oh 3 Naval Engineering Division, Naval Force Analysis, Testing & Evaluation Group, R.O.K. Navy 1 Dept. of Naval Architecture & Ocean Engineering / Research Institute of Marine System Engineering, Seoul National University 2 Dept. of Naval Architecture, Kunsan National University 3 This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License( which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Recently, rudder erosion due to cavitation has been frequently reported on a semi-spade rudder of a high-speed large ship. This problem raises economic and safety issues when operating ships. The semi-spade rudders have a gap between the horn/pintle and the movable wing part. Due to this gap, a discontinuous surface, cavitation phenomenon arises and results in unresolved problems such as rudder erosion. In this study, we made a rudder model for 2-D experiments using the NACA0020 and also manufactured gap flow blocking devices to insert to the gap of the model. In order to study the gap flow characteristics at various rudder deflection angles(5, 10, 35 ) and the effect of the gap flow blocking devices, we carried out the velocity measurements using PIV(Particle Image Velocimetry) techniques and cavitation observation using high speed camera in Seoul National University cavitation tunnel. To observe the gap cavitation on a semi-spade rudder, we slowly lowered the inside pressure of the cavitation tunnel until cavitation occurred near the gap and then captured it using high-speed camera with the frame rate of 4300 fps(frame per second). During this procedure, cavitation numbers and the generated location were recorded, and these experimental data were compared with CFD results calculated by commercial code, Fluent. When we use gap flow blocking device to block the gap, it showed a different flow character compared with previous observation without the device. With the device blocking the gap, the flow velocity increases on the suction side, while it decreases on the pressure side. Therefore, we can conclude that the gap flow blocking device results in a high lift-force effect. And we can also observe that the cavitation inception is delayed. Keywords : Particle image velocimetry( 입자영상속도계 ), Semi-spade rudder( 혼-타 ), Gap flow( 간극유동 ), Gap flow blocking device( 간극유동차단장치 ), Cavitation( 공동현상 ), Cavitation observation( 공동현상관찰 ) 1. 서론 1.1 연구배경및개요오늘날조선기술의발전과해상물동량의증가로인해선박의대형화 고속화추세가두드러지게나타나고있다. 선박의대형화 고속화는선박운용시높은소요마력을필요로하게되는데, 이러한고마력은선미후류 (wake) 의속도를증가시킴으로추진기 (propeller) 와타 (rudder) 가있는선미구조물주위를흐르는유체의압력강하를일으킨다. 그리고이런압력강하는공동현상 (cavitation, 이하캐비테이션 ) 발생인자인 nuclei 에영향을미쳐캐비테이션을유발하게되는데, 이렇게생겨난캐비테이션은선미구조물에소음, 진동, 침식, 효율감소등의악영향을미친다 (Lecoffre, 1999). 특히최근에는대형선박의타로널리쓰이고있는혼-타 (semi-spade rudder) 의캐비테이션으로인한침식사례가지속적으로보고되는상황에서, 선박운용의경제성과안전성측면에서 접수일 : 2013 년 5 월 11 일 1 차수정일 : 2013 년 8 월 6 일 게재확정일 : 2013 년 9 월 23 일 Corresponding author : khshin0111@naver.com,

신광호 서정천 김효철 유극상 오정근 타에발생하는캐비테이션에대한관심이커지고있다. 타는추진기에의해발생한캐비테이션과타자체의형상에의해유발된캐비테이션의영향을받게되는데, Fig. 1 은혼- 타에발생하는캐비테이션의종류를보여준다. 에관한연구들이많이이루어지고있다.

(a) 3-D views of rudder system : conventional (left) and new (right) Fig.

Fig. 2 에서볼수있듯이타의고정부와가동부사이에간극 (gap) 이존재하며, 가동부가회전할때우현쪽 (starboard) 과좌현쪽 (portside) 중한쪽은압력면 (pressure side), 다른쪽은흡입면 (suction side) 이되면서압력면으로부터흡입면방향으로간극사이를통과하는유동이발생한다. 이런간극유동은 Fig.

4) 은혼-타의 Horn section 이며, 재질은두랄루민 1) 이고, NACA 0020 단면을사용했다. 타의코드 (chord) 길이는 200 mm, 스팬 (span) 길이는 150 mm, 고정부 (horn) 와가동부 (movable wing part) 사이의간극 (gap) 은 1mm이다.

2 신광호 서정천 김효철 유극상 오정근 타에발생하는캐비테이션에대한관심이커지고있다. 타는추진기에의해발생한캐비테이션과타자체의형상에의해유발된캐비테이션의영향을받게되는데, Fig. 1 은혼- 타에발생하는캐비테이션의종류를보여준다. 에관한연구들이많이이루어지고있다. 그중 Friesch and Junglewitz (2005) 는혼- 타의 Gap 캐비테이션에의한침식을억제하는몇가지방법들을제시하였고, Lee, et al. (2010) 는 Guide plates 형태로혼-타의간극에설치할수있는 Fig. 3 과같은간극유동차단장치 (gap flow blocking devices) 를고안했다. (a) 3-D views of rudder system : conventional (left) and new (right) Fig. 1 The types of cavitation damage on semi-spade rudder 혼-타의경우전가동타 (full-spade rudder) 와달리고정부 (horn and pintle part) 와가동부 (movable wing part) 사이에불연속표면이존재하며이로인해간극유동 (gap flow) 이라는유동특성을나타낸다. Fig. 2 에서볼수있듯이타의고정부와가동부사이에간극 (gap) 이존재하며, 가동부가회전할때우현쪽 (starboard) 과좌현쪽 (portside) 중한쪽은압력면 (pressure side), 다른쪽은흡입면 (suction side) 이되면서압력면으로부터흡입면방향으로간극사이를통과하는유동이발생한다. 이런간극유동은 Fig. 1 에서볼수있듯이타의간극주위에 Gap 캐비테이션을유발시킨다. (b) 2-D model shape for horn section Fig. 3 Gap flow blocking devices 1.2 실험장치및방법실험모형실험을위해제작한모형 (Fig. 4) 은혼-타의 Horn section 이며, 재질은두랄루민 1) 이고, NACA 0020 단면을사용했다. 타의코드 (chord) 길이는 200 mm, 스팬 (span) 길이는 150 mm, 고정부 (horn) 와가동부 (movable wing part) 사이의간극 (gap) 은 1mm이다. 간극유동차단장치 (gap flow blocking device) 는 Fig. 4 와같이캠 2) 을이용하여편향각 (deflection angle) 이 3 이상이되면약 95% 정도간극을차단하도록설계 제작하였다. Fig. 2 Principle of generating gap flow 혼-타에발생하는침식현상은타의표면보다간극부분에서발생하는침식이더욱심각하며, 최근들어이러한 Gap 캐비테이션 Fig. 4 Test model with gap flow blocking devices 1) 두랄루민 (Duralumin) : 구리와마그네슘및그외 1~2 종의원소를알루미늄에첨가하여시효경화성을가지게한고장력알루미늄합금 2) 캠 (Cam) : 회전운동또는왕복운동을하는특수한윤곽이나홈이있는판상 ( 板狀 ) 장치로기계요소의운동을변환하는요소로쓰임 JSNAK, Vol. 50, No. 5, October

3 유동가시화를이용한혼 - 타의간극유동차단장치효과에관한실험적검증 실험방법및조건 PIV 실험및캐비테이션관찰실험모두간극유동차단장치를열거나닫은상태 (open/closed) 에서실험하였고, 실제선박조종시주로사용되는편향각은 5, 10, 35 로각각실험하였다. PIV 실험을위한시스템은일반적으로촬영영역을조명하는레이저 (laser), 유체유동에따라이동하는추적입자 (tracer particle), 산란된입자영상을획득하는영상기록장치인 CCD 카메라, 레이저와카메라를통제하는동기장치 (synchronizer), 제어및계산용컴퓨터로구성되며, Fig. 5 은실제실험에사용된장비들의대략적인구성을나타내고있다. : Pixel value of the Interrogation Window : Pixel value of the Searching Window : Average of the Interrogation Window : Average of M N pixels of the Searching Window at (x, y) 미소조사영역 (Interrogation Window) pixel, 탐색영역 (Searching Window) pixel, 50% overlap 을적용하여, 한쌍의영상으로부터 개의속도벡터를구했으며, 각속도벡터사이의거리는약 mm이다. 또한해석시간을단축하기위해연속덧셈방법과 FFT(Fast Fourier Transform) 를이용하였고, 픽셀단위이하의속도벡터는 Gaussian peak fit 방법을이용했다. 이렇게구한속도벡터는통합히스토그램 (Global histogram) 방법을통해에러벡터를제거했고, 제거된에러벡터위치에서의속도보간은역거리보간법 (Inverse distanceweighted interpolation) 을이용했다. 실험의각 Case 마다획득한 600 쌍의영상을위에서언급한알고리즘으로해석했으며, 그평균값을구했다. Fig. 5 PIV experimental set-up in the cavitation tunnel 캐비테이션터널에모형타를설치하고, 레이저 코팅거울 (coated mirror) 평면광을만들어주는렌즈 (optic for laser sheet) 를이용해서촬영영역에레이저평면광을형성시켜, 유동에따라모형타주위를이동하는입자들의움직임을촬영하였다. 레이저의발광및카메라의노출시간은동기장치를통해통제되며, 카메라에의해촬영한영상은컴퓨터에디지털이미지로저장된다. 본연구에서는 1대의카메라로미소시간간격으로각각한번의노출을통해두장의영상을얻어내는이중프레임 / 단일노출 (Double frame/single exposure) PIV 방법을사용했으며, 이렇게획득한영상은 Oh (2006) 가개발한정규상호상관도를이용한 2-D PIV 알고리즘으로해석을수행하였다. 속도벡터를구하는알고리즘은식 (1) 의정규상호상관도 (Normalized Cross-correlation) 를사용했다. Fig. 6 Coordinate system and location of target plane Fig. 6 은본연구에사용된좌표계와촬영영역을나타내고있다. 평면광을모형타의밑부분에형성시켜간극을중심으로가로 세로각 cm2크기의촬영영역에서속도장을측정하였다. 획득한영상은 x, y 축모두코드길이로무차원화하였고, 타의간극유동차단장치가설치된부분은 x/c = ~ 이다. 실험은모형타의가동부를회전시켜 Table 1 과같이편향각에따른압력면과흡입면을각각만들어총 12 case 의실험을수행하였다. (1) 326 대한조선학회논문집제 50 권제 5 호 2013 년 10 월

신광호 서정천 김효철 유극상 오정근 Table 1 Cases of PIV experiments 캐비테이션관찰실험의대략적인장비구성은 Fig. 7 과같으며, 높은시간분해능을갖는고속카메라 (Phantom v.5.1) 를사용하여빠르게변화하는모형타의캐비테이션을관찰하였다.

57 10 6, 캐비테이션수는실선의운항조건과유사하게설정했다. 실선에서타의경우추진기후류에서작동하므로균일유동에서의실험을수행하는것이적절하지않을수도있으나, ITTC (2008) 에타의캐비테이션비교실험시균일유동에서할수있음을제시하고있다.

4 신광호 서정천 김효철 유극상 오정근 Table 1 Cases of PIV experiments 캐비테이션관찰실험의대략적인장비구성은 Fig. 7 과같으며, 높은시간분해능을갖는고속카메라 (Phantom v.5.1) 를사용하여빠르게변화하는모형타의캐비테이션을관찰하였다. 실험에적용된카메라의프레임수는 4300fps(frame per second) 이며, 해상도는 pixels 이다. 실험은서울대학교캐비테이션터널에서수행하였으며, 그제원은 Table 2 와같다. PIV 실험및캐비테이션관찰실험시에터널내관측부의유속을 7 m s로설정했으며, 터널내부물의온도는 22~25, Reynolds 수는 ~ , 캐비테이션수는실선의운항조건과유사하게설정했다. 실선에서타의경우추진기후류에서작동하므로균일유동에서의실험을수행하는것이적절하지않을수도있으나, ITTC (2008) 에타의캐비테이션비교실험시균일유동에서할수있음을제시하고있다. 이에따라본연구의경우간극유동차단장치의효과에대한비교실험이며, 연구의중점사항이간극유동자체에관한것이므로균일유동에서의실험으로도유용한결과를얻을수있을것으로판단했다. Table 2 Specification of cavitation tunnel at Seoul National University Size Material Length Height 9.03 m 3.33 m Stainless steel Capacity Max. velocity Range of 8.6 ton 16 m s 0.15 ~ 3.0 bar 2-D Observation 1 L 0.5 H 0.15 W m3 Fig. 7 Cavitation observation set-up in the cavitation tunnel 캐비테이션수는식 (2) 과같이정의하고, P ref 는차압계 (differential pressure transducer) 를사용하여직접측정하였다. (2) (3) : Absolute pressure at a reference point in the flow : Vapor pressure of the liquid at the test temperature : Density of the liquid : Velocity at the reference point 모형타에서발생하는캐비테이션을관찰하기위해식 (3) 와같이터널내의감압 ( ) 을통해서캐비테이션수를점진적으로낮췄고, 초생캐비테이션이발생한순간을촬영했다. 그리고그때의감압량을확인, 초생캐비테이션수를알아냈다. 수치해석방법캐비테이션관찰실험을통해알아낸초생캐비테이션수와모형타의압력계수 (pressure coefficient) 를비교하기위해수치해석 (Numerical analysis) 을이용해서모형타의압력계수를구했다. 수치해석을위한격자 (mesh) 생성은 Gambit 을사용했고, 이렇게생성한격자는상용 CFD 프로그램인 Fluent 을사용해서계산했다. 타의 Chord 는실제모형타와동일한치수를적용했고, 계산영역 (2-D Computational domain) 은가로 세로각 1.5 m 0.5 m 로설정했다. 모형타의좌표는모형타제작을위해작성한 CAD 파일을이용했고, 격자는편향각 5, 10 에대해간극유동차단장치열거나닫은상태 (open/closed) 유무에따라총 4 case 의구조격자 (structured grid) 로생성했다. 셀수는 Open-gap Case 는 63,900개, Closed-gap Case는 58,900개이다. 계산조건은실험과동일한유체상태량 ( 온도, 밀도, 점도, 압력, 속도 ) 을적용했고, 비정상, 비압축성, single-phase 유동으로가정했다. 지배방정식으로연속방정식식 (4) 과 RANS(Reynolds averaged Navier-Stokes eq.) 식 (5) 를사용했다. 식 (5) 의 는동점성계수 (kinemetic viscosity), 는 Specific Reynolds stress tensor 이다. 난류모델은 Realizable 모델에 Non-equilibrium wall function 을사용했고, 압력 속도연성은 SIMPLEC 의방법을사용했다. JSNAK, Vol. 50, No. 5, October

촬영영역으로유입되는유동에서부분적으로속도차이가생기는영역이있으나, 그속도차이가크지않으며, 전반적으로균일류 (uniform flow) 의유입으로생각할수있다. 그리고촬영영역전체의속도크기 (velocity magnitude, )) 를계산한결과의평균값과유속 7m s와의오차는대략 1% 정도로나타났다. 또한 의크기 ( 평균값 ) 는 크기 ( 평균값 ) 의 1.

5 유동가시화를이용한혼 - 타의간극유동차단장치효과에관한실험적검증 (4) 간극유동을포함한혼-타주위의유동은층류 (laminar), 난류 (turbulent), 천이영역 (transition) 이혼재되어있는복잡한유동특성을나타낸다. CFD 계산시, 캐비테이션의주요인자이며, 타주변의압력변동 (pressure fluctuation) 에영향을미치는 nuclei 에대한고려가부족함으로, CFD 를통해얻어낸압력계수를모형타의정확한값이라할수는없다. 하지만모형타의형상에따른국부압력의차이는알수있으므로 CFD 의결과를모형타의압력계수로간주하였다. (5) 방법으로관측영역의속도장을측정하였다. 촬영영역으로유입되는유동에서부분적으로속도차이가생기는영역이있으나, 그속도차이가크지않으며, 전반적으로균일류 (uniform flow) 의유입으로생각할수있다. 그리고촬영영역전체의속도크기 (velocity magnitude, )) 를계산한결과의평균값과유속 7m s와의오차는대략 1% 정도로나타났다. 또한 의크기 ( 평균값 ) 는 크기 ( 평균값 ) 의 1.4% 수준으로미미하였다. 실험은모형타의흡입면 (suction side) 과압력면 (pressure side) 에대해서편향각 (deflection angle) 5, 10, 35, 그리고각편향각에따라간극유동차단장치의열거나닫은상태 (open/ closed) 에대해수행하였다. 그결과는각실험 case 마다속도크기 (velocity magnitude) 의 contour 로 Fig. 9 ~ Fig. 20으로나타냈다. (6) 압력계수는식 (6) 과같이나타내며, 은모형타의국부압력이다. 캐비테이션관찰실험을통해구한캐비테이션수와 CFD 를통해계산한결과를비교 분석하였다. 그리고수치해석시모형타의표면은 Fig. 8과같이 Head pressure, Head suction, Tail pressure, Tail suction 으로구분하였다. side with open-gap 압력면에서간극을통과해흡입면으로유입되는상대적으로저속인간극유동 (Fig. 9, 13, 17) 으로인해간극부분인 0.365C 부터 T.E. 3) 방향으로유동박리 (Flow separation) 영역이나타난다. 이러한박리영역은편향각이커질수록넓은영역을나타낸다. side with closed-gap 차단장치가작동된 ( 간극이차단된 ) 경우 (Fig. 10, 14, 18) 와작동되지않은경우 (Fig. 9, 13, 17) 를비교해보면, 간극유동의차단으로인해불연속적인표면이연속적으로바뀌면서간극뒷부분에발생하던유동박리영역이작아짐을보인다. 또한간극이닫히면서상대적으로빠른유속을보이는영역이 L.E. 4) 방향에서 T.E. 방향으로확장됨을보인다. (a) Open-gap side with open-gap L.E. 방향에서유입된물이타의표면을따라빠른속도로이동하는가운데, 간극주변을지나면서간극으로유입되는현상이발생한다. 이런현상때문에간극부분에서 V x 는감소하며, V y 는순간적으로증가한다 (Shin, 2009). side with closed-gap 간극유동이있을경우압력면에서 V y 가가장빠른영역은간극입구부분이다. 하지만간극유동이차단되면, 간극의앞부분으로 V y 가빠른영역이이동한다 (Shin, 2009). (b) Closed-gap Fig. 8 Division of model surface 2. 결과및고찰 2.1 PIV 실험결과캐비테이션터널에모형타를설치하기전, 유속 7m s에서 PIV 또한속도크기를살펴보면, 간극유동차단장치를닫았을경우, 흡입면은촬영영역의전체적인속력이증가했고 (Fig. 9와 Fig. 10, Fig. 13과 Fig. 14, Fig. 17과 Fig. 18 비교 ), 압력면은촬영영역의전체적인속력이감소했다 (Fig. 11 과 Fig. 12, Fig. 15 와 Fig. 16, Fig. 19 와 Fig. 20 비교 ). 이를통해간극유동을차단하면본래의목적인캐비테이션지연효과와함께, 양력을향상시키는효과도얻을수있을것으로사료된다. 3) Trailing Edge 4) Leading Edge 328 대한조선학회논문집제 50 권제 5 호 2013 년 10 월

신광호 서정천 김효철 유극상 오정근 Fig. 9 side with open-gap at deflection angle 5 Fig. 12 side with closed-gap at deflection angle 5 Fig.10 side with closed-gap at deflection angle Fig.

6 신광호 서정천 김효철 유극상 오정근 Fig. 9 side with open-gap at deflection angle 5 Fig. 12 side with closed-gap at deflection angle 5 Fig.10 side with closed-gap at deflection angle Fig. 13 side with open-gap at deflection angle 10 Fig. 11 side with open-gap at deflection angle 5 Fig. 14 side with closed-gap at deflection angle 10 JSNAK, Vol. 50, No. 5, October

7 유동가시화를이용한혼 - 타의간극유동차단장치효과에관한실험적검증 Fig. 15 side with open-gap at deflection angle 10 Fig. 18 side with closed-gap at deflection angle 35 Fig. 16 side with closed-gap at deflection angle 10 Fig. 19 side with open-gap at deflection angle 35 Fig. 17 side with open-gap at deflection angle 35 Fig. 20 side with closed-gap at deflection angle 대한조선학회논문집제 50 권제 5 호 2013 년 10 월

신광호 서정천 김효철 유극상 오정근 (a) Open-gap at deflection angle 5 (b) Closed-gap at deflection angle 5 (c) Open-gap at

Closed-gap at deflection angle 35 Fig. 21 Cavitation number and location of model (experiments) 2.

21의 (a), (c), (e)) 초생캐비테이션이발생한위치는압력면의간극주변 (0.365C) 이었고, 간극유동이차단되었을경우 (Fig.

050C) 이었다. Fig. 22 는편향각 5 에서 open/closed - gap 일때발생하는초생캐비테이션의모습을보여준다. 그리고 Fig.

at deflection angle 5, (c) 는 side closed-gap at deflection angle 5 일때의모습이다.

23 (a) 는간극으로유입되는유동에서 gap 캐비테이션의발생모습이고, Fig. 23 (b) 는간극에서유출되는유동에서 gap 캐비테이션의발생모습이다. 그리고 Fig.

8 신광호 서정천 김효철 유극상 오정근 (a) Open-gap at deflection angle 5 (b) Closed-gap at deflection angle 5 (c) Open-gap at deflection angle 10 (d) Closed-gap at deflection angle 10 (e) Open-gap at deflection angle 35 (f) Closed-gap at deflection angle 35 Fig. 21 Cavitation number and location of model (experiments) 2.2 공동현상관찰실험결과 Fig. 21 은모형타의간극유동차단장치를열고닫았을경우, 캐비테이션이발생한순서, 위치, 캐비테이션수를나타내고있다. 간극유동이있을경우 (Fig. 21의 (a), (c), (e)) 초생캐비테이션이발생한위치는압력면의간극주변 (0.365C) 이었고, 간극유동이차단되었을경우 (Fig. 21 의 (b), (d), (f)) 초생캐비테이션이발생한위치는편향각 5, 10 에서는흡입면의간극유동차단장치앞부분 (0.305C) 이었고, 편향각 35 에서는흡입면 L.E. 부분 (0.050C) 이었다. Fig. 22 는편향각 5 에서 open/closed - gap 일때발생하는초생캐비테이션의모습을보여준다. 그리고 Fig. 23 은발달된 gap 캐비테이션의모습을보여주는데, (a) 는 pressure side open-gap at deflection angle 5, (b) 는 sduction side opengap at deflection angle 5, (c) 는 side closed-gap at deflection angle 5 일때의모습이다. 모형타의초생캐비테이션을관찰하고, 터널내의감압을통해캐비테이션수를더낮춰서, 발달된형태의 gap 캐비테이션을관찰했다. Fig. 23 (a) 는간극으로유입되는유동에서 gap 캐비테이션의발생모습이고, Fig. 23 (b) 는간극에서유출되는유동에서 gap 캐비테이션의발생모습이다. 그리고 Fig. 23 (c) 는간극유동차단장치앞부분에서부터 attached cavitation(sheet cavitation) 의발생모습이다. (a) side with open-gap (b) side with closed-gap Fig. 22 Cavitation inception (a) PS, open-gap (b) SS, open-gap (c) SS. closed-gap Fig. 23 Developed gap cavitation at deflection angle 5 JSNAK, Vol. 50, No. 5, October

9 유동가시화를이용한혼 - 타의간극유동차단장치효과에관한실험적검증 Table 3 Cavitation inception number and location (experiments) Open-Gap Closed-Gap Deg. σ Location σ Location C 0.365C 0.365C C 0.305C 0.050C Table 3 은편향각에따른초생캐비테이션수와발생위치를보여준다. 간극유동이존재할경우편향각 5, 10, 35 모두압력면간극입구에서가장먼저캐비테이션이발생했다. 그리고간극유동이차단되었을경우에는편향각 5, 10, 35 모두흡입면에서가장먼저캐비테이션이발생했는데, 편향각 5, 10 일때는흡입면간극유동차단장치앞부분 (0.305C) 에서가장먼저발생했으며, 편향각 35 일때는흡입면 L.E. 부분 (0.050C) 에서가장먼저캐비테이션이발생했다. 또한간극유동차단장치를닫았을경우에간극유동차단장치가열려있을경우보다초생캐비테이션수가낮게나타났으며, 이는간극유동차단이캐비테이션발생지연에효과가있음을보여준다. 차단했을경우에는흡입면에서가장먼저캐비테이션발생이예상된다. 또한간극부근에서캐비테이션발생의주요한원인이되는압력변동 ( fluctuation) 이심하게나타남을보여준다. Table 4 는실험으로확인한초생캐비테이션수및발생위치를 CFD 계산결과와비교한표이다. 편향각 5, 10 에서실험, CFD 모두간극유동을차단했을경우초생캐비테이션수가더낮음을알수있다. (b) (a) (d) (a) 1111 Head pressure (b) 1111 Head suction (c) 1111 Tail pressure (d) 1111 Tail suction Fig. 25 Surface pressure distribution for closed-gap at deflection angle 5 (CFD) (c) 2.3 수치해석과실험결과비교 Fig. 24, Fig. 25, Fig. 26, Fig. 27 은수치해석으로얻은모형타의 -C p Curve 이다. 수치해석결과도실험결과와마찬가지로간극유동이있는경우, 압력면간극부근에서가장먼저캐비테이션발생이예상되며, 간극유동차단장치를이용해서간극유동을 (b) (a) (d) (c) (a) 1111 Head pressure (b) 1111 Head suction (c) 1111 Tail pressure (d) 1111 Tail suction (b) (a) (d) (c) (a) 1111 Head pressure (b) 1111 Head suction (c) 1111 Tail pressure (d) 1111 Tail suction Fig. 26 Surface pressure distribution for open-gap at deflection angle 10 (CFD) 3. 결론 Fig. 24 Surface pressure distribution for open-gap at deflection angle 5 (CFD) 혼-타의간극유동특성, 간극유동과캐비테이션간의관계, 간극유동차단장치의효과에대해알아보기위해 2-D PIV 기법을이용한간극유동가시화와고속카메라를이용한캐비테이션관찰실험을수행하였고, 상용 CFD 프로그램인 Fluent 를사용하여모형타의압력분포를계산하여실험결과와비교하였다. 332 대한조선학회논문집제 50 권제 5 호 2013 년 10 월

신광호 서정천 김효철 유극상 오정근 후기 (b) (a) (d) (a) 1111 Head pressure (b) 1111 Head suction (c) 1111 Tail pressure (d) 1111 Tail suction Fig.

Closed-Gap Deg. Ex. / CFD σ Location σ Location 5 Experiments 1.69 CFD 1.46 0.365C 0.366C 1.41 1.38 0.305C 0.319C 본연구는정부의재원으로한국과학재단의 NRL 사업으로지원을받아수행되었습니다. References Friesch, J.

ITTC - Recommended Procedures and Guidelines, 7.5-02 03-03.7. Lecoffre, Y., 1999. Cavitation - Bubble Trackers. Balkema. Lee, C.M. Oh, J.K. & Rhee, S.H., 2010.

Development of algorithm for stereoscopic PIV using normalized cross-correlation and its application. Ph.D. Seoul National University. Shin, K.H., 2009.

10 Experiments 2.08 CFD 2.05 0.365C 0.366C 1.84 1.93 0.305C 0.324C 간극유동차단장치를이용하여간극을차단했을경우간극유동이있는경우와다른양상의유동특성을나타냈으며, 흡입면은속력증가, 압력면은속력감소를일으켰고, 이를통해간극유동차단장치가고양력효과를가져올것으로사료된다.

10 신광호 서정천 김효철 유극상 오정근 후기 (b) (a) (d) (a) 1111 Head pressure (b) 1111 Head suction (c) 1111 Tail pressure (d) 1111 Tail suction Fig. 27 Surface pressure distribution for closed-gap at deflection angle 10 (CFD) Table 4 Cavitation inception number and location (Comparison of experiments and CFD) (c) Open-Gap Closed-Gap Deg. Ex. / CFD σ Location σ Location 5 Experiments 1.69 CFD C 0.366C C 0.319C 본연구는정부의재원으로한국과학재단의 NRL 사업으로지원을받아수행되었습니다. References Friesch, J. & Junglewitz, A., Cavitation Induced Erosion on Rudders. HANSA International Maritime Journal, 142(12), pp ITTC, ITTC - Recommended Procedures and Guidelines, Lecoffre, Y., Cavitation - Bubble Trackers. Balkema. Lee, C.M. Oh, J.K. & Rhee, S.H., Two-Dimensional Model Tests for Rudder Gap Cavitation and Suppression Devices. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 47(2), pp Oh, J.K., Development of algorithm for stereoscopic PIV using normalized cross-correlation and its application. Ph.D. Seoul National University. Shin, K.H., A study on the flow visualization about the gap of semi-spade rudders and the effect of the gap flow blocking devices. A master s thesis. Seoul National University. 10 Experiments 2.08 CFD C 0.366C C 0.324C 간극유동차단장치를이용하여간극을차단했을경우간극유동이있는경우와다른양상의유동특성을나타냈으며, 흡입면은속력증가, 압력면은속력감소를일으켰고, 이를통해간극유동차단장치가고양력효과를가져올것으로사료된다. 그리고간극을차단했을경우, 모형타에발생하는초생캐비테이션이지연됨을알수있었다. 또한불연속표면을포함하는혼-타주위유동의경우캐비테이션발생의주요한환경을제공하는유동박리 (flow separation) 와압력변동 (pressure fluctuation) 이심하게발생됨을확인할수있었다. 본실험결과를토대로 bubble dynamic 관점에서간극주위의캐비테이션발생원인에대한고찰과캐비테이션침식에관한연구가필요할것으로생각된다. 이러한고찰을바탕으로본실제로간극유동차단장치를선박에설치할경우, 본연구가간극유동차단장치의최적형상을제작하기위한이론적인정보를제공할것으로판단된다. 신광호서정천김효철유극상 오정근 JSNAK, Vol. 50, No. 5, October

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