대한조선학회논문집 Journal of the Society of Naval Architects of Korea Vol. 49, No. 5, pp. 410-415, October 2012 http://dx.doi.org/10.3744/snak.2012.49.5.410 몰수형피치댐핑포일주위유동의 PIV 해석 김옥석 1, 이경우 2 서해지방해양경찰청경비안전과 1 목포해양대학교조선해양공학과 2 PIV Analysis of Flow around a Submerged Pitch Damping Foil Ok-Sok Gim 1, Gyoung-Woo Lee 2 Dept. of Guard and Safety, West Regional Headquaters, Korea Coast Guard, Mokpo, Korea 1 Dept. of Naval Architecture & Ocean Engineering, Mokpo National Maritime University 2 Abstract An experimental study is carried out to investigate the near-wake characteristics of a NACA 0018 foil with a flat plate. Two-frame grey-level cross correlation PIV method is used to measure the local flow characteristic around a pitch damping foil to control the vertical motion of high speed crafts in a circulating water channel. The analysis also includes angles of attack 10 and 20 degrees respectively. Reynolds number Re 3.5 10 4 based on the chord length(c=100mm) of NACA0018 has been applied during the whole experiments. The distance between the foil and the flat plate is D/C=0.5, 1.0 and 1.5 respectively. The channel effect according as the distance between the foil and the flat plate has a close relation with the velocity distributions around the foil. In the wake of 20-degree of attack, the complex turbulent flow and a thick boundary layer are formed due to the processes of vortex generation and dissipation. Keywords : Pitch damping foil( 피치댐핑포일 ), Particle image velocimetry(piv, 입자영상유속계 ), High speed craft( 고속선 ), Channel effect( 채널효과 ), Vertical motion control( 연직면운동제어 ) 1. 서론 활주형선박은배수량형선박에비해고속에서항주자세의변화가크다. 특히파랑중에서고속으로활주할경우파랑하중에의해운동진폭이커지며불안정성이증가하는경향을보인다 (Kim, et al., 2009). 이러한선박의연직운동은불쾌한승선감을초래하고멀미등의원인이되며, 제한된운항조건에대한중요한인자로작용한다. 따라서선박의운동안정성확보를위해다양한입사파에서상하동요와종동요와같은연직운동의제어를위한연구가수행되고있다. Kim, et al. (2010) 은고속선의선미파및선미사파에서조종성및침로안정성의유지에대한평가를위해연직방향운동에대한실험적연구를수행하였다. 또한고속선의연직방향운동해석을위해 Arribas and Fernandez (2006) 은일반적으로고속선의조종성예측시초기스트립이론은신뢰할수없는기법으로인식하여일부변형하여고속에서상하동요와종동요운동에적용하였다. 활주형선박에서연직방향운동제어를위해 T-포일 (T-foil), 트림탭 (Trim tab), 인터셉터 (Intercepter) 등의장치가적용되고있다. 이러한장치들의설치위치는트림탭과인터셉터는선미부에 T- 포일은선수부에적용되고있다. 즉, 선박의연직방향운동은선수에서가장크게일어나기때문에상하동요와종동요를감쇄시키기위해선수부에인접한곳에설치하는것이보다효과적이 다. T- 포일, 트림탭및인터셉터는속도에비례하여댐핑 (Damping) 효과가증가하나일반적으로속도가낮은재래선박에있어서는양력이속도의제곱에대한함수이므로댐핑효과를크게기대하기어렵다. 또한인터셉터가선저하부대신트랜섬선미의선측에설치될경우에는조종성을제어하는장치로사용된다 (Anthony 2008). 댐핑포일의역학적매커니즘을살펴보면, 종동요에의한에너지분포는횡동요보다크며이를제어하기위해서는매우큰힘과모멘트가필요하다. 트림각 (θ) 에서정역학적복원모멘트는 와같이표현할수있다. 댐핑포일의위치와역학적인관계를도시한 Fig. 1에서포일의제어모멘트는 와같이나타낼수있다. 만약트림각 (θ) 이종동요각이고종동요운동에의해발생하는짝힘을 라고한다면, 제어모멘트는식 (1) 과같이이짝힘과일치해야한다. (1) 여기서 은포일의양력으로, 은무게중심과포일중심간거리, 은종메터센터높이, 은선박길이, V는선속, A는접수면적, C L 은양력계수를의미한다. 따라서피치댐핑포일을적용한활주형선박에서충분한제어모멘트를 접수일 : 2012 년 3 월 10 일 1 차수정일 : 2012 년 7 월 25 일 게재확정일 : 2012 년 9 월 17 일 교신저자 : domingo@mmu.ac.kr, 010-2614-3001
김옥석 이경우 확보하기위해서는포일의영각 (Angle of attack) 조절을통해감쇄동력을발생시켜야한다. WL LFP RP Fig. 1 Pitch-stabilizing moment with damping foil G 각적용하였다. NACA0018 의코드길이 (C=100mm) 에기초한레이놀즈수는 Re=3.5 10 4 로자유난류가발생하지않는유입유동을적용하였다. 동일입자의추적을위한알고리즘은계조치 ( 階照値 ) 상호상관 (Grey Level Cross-correlation) PIV 기법이적용된 CACTUS(V. 3.1) 을이용하였다 (Cho & Lee, 2001; Gim, et al., 2011). 시간해상도는초당 125 프레임을확보하여유동정보를얻었으며순간유동장은약 0.2 초동안의유동을해석하였고평균유동장으로는 1500 프레임 ( 약 12초 ) 을평균하였다. 이상과같은연구동향에서는선박의운동응답에대한연구가주로이루어지고있으며댐핑포일과같은연직방향운동을제어하는장치의국부유동에대한연구는미흡한실정이다. 특히해상관광객, 낚시객및레저인구에대한수요가증가함에따라연직방향의운동제어를위한선체주위유동에대한연구가요구된다. 따라서본연구에서는 PIV(Particle Image Velocimetry) 기법을이용하여피치댐핑포일의영각과침수깊이변화에따른주변유동변화를알아보고그효과를고찰하였다. 2. 실험장치및조건 2.1 실험장치 Fig. 2 Schematic arrangement of PIV system with CWC Fig. 2는회류수조및고속카메라등실험장치의개략적인구성을도시한것이다. 모델주변부유중인동일입자추적을위한광원은직진성과반사성이우수한 500 mw의광다이오드를사용하였다. 이를집적화한 2차원광원을모델의계측영역에조사하여 1.0 L 0.3 B 0.3 D m3의회류수조영역에서실험을수행하였다. Table 1과같이모델실험시회류수조내유체의온도는 25±1 전후의청수를사용하였으며실험전후계측한유체온도는 0.5 차를보였다. 모델주위유동관측을위해사용된 PVC(Polyvinyl chloride) 입자는비중이 1.02 로광원에의한반사성이우수한균일한입자로일정한크기를선별하여실험에사용하였다. 또한미소기포의부착등에의해추적입자와유체와의비중차가발생하지않도록하였다. 2.2 실험모델및조건 Fig. 3은피치댐핑포일모델의형상, 평판하부에서모델깊이및영각등개략적인개념을도시한것이다. 모델의영각조정은포일전연부 (Leading edge) 에서코드길이의 1/3 지점을축으로 -10 및 20 를적용하였다. 영각은모델과 X축이이루는각으로 -(Negative) 는전연부가회전축보다아래에있다는의미이다. 모델은좌우대칭형인 NACA0018 을적용하였으며코드 (Chord) 길이는 100mm 스팬 (Span) 길이는 200mm 로회류수조의특성을감안하여설계 제작하였다. 모델의각도변화에따른유동특성계측을위한영역은포일코드길이의 3배후반부까지설정하였다. 모델의침수깊이 (D) 는평판하부 (Bottom) 에서포일의중심까지의길이를기준으로 0.5C, 0.75C 및 1.0C (C=Chord length) 를각 Fig. 3 Coordinate system and model setup Table 1 Experimental condition Item Specification Light source Laser(GL532H-500mW ) Fluid Fresh water (25±1 ) Time resolution 125 FPS Particle PVC(ρ : 1.02, φ : 150μm ) Dimension (NACA0018) Chord length : 100mm Span length : 200mm Algorithm 2-frame grey-level cross correlation CACTUS v.3.1 전체실험에서나타날수있는계측오차에대해일부를살펴보면, 레이저광원은파장이매우짧아서계측에서나타날수있는불확실성은무시할수있는정도로미소하다. 회류수조의유입유동에대한평가를위해모델을장착하지않은상태에서유입유동과동일한방향의속도변동성분의해석결과는 Table 2와같다. 회류수조의오차를알아보기위해유입유속의평가는 3단계로조 JSNAK, Vol. 49, No. 5, October 2012 411
몰수형피치댐핑포일주위유동의 PIV 해석 절하여 0.1m/s, 0.25m/s 및 0.4m/s 로계측하였으며각각의유동의편차는매우미소한값으로균일한유동으로평가되었다. 시간평균유동장계측을위해획득한유동정보를평균한결과전체동일입자추적과정에서발생한오차는평균 4% 이하로나타났다. Table 2 Measurement uncertainties of u-component measured by PIV system (units : m/s) Source Average R.M.S. Min. Max. u 0.11042 0.00540 0.10338 0.11851 0.25393 0.00274 0.25027 0.26133 0.40153 0.00288 0.39878 0.40907 3. 실험결과및고찰 Fig. 4는영각 -10 도에서평판과모델간격이 D/C=0.5, 0.75 및 1.0 인경우의벡터장이다. Fig. 4(a) 는평판과포일간간격이 D/C=0.5 로전연부아랫면에서벡터는유입유속의 2배에이르는빠른분포를형성하며하류로발달하고있다. 이와더불어포일의윗면과평판사이의유동도빠른속도분포가형성되고있다. 전연부아랫면의빠른속도분포의원인은평판과포일의폭이전연부는넓고후연부는좁은이퓨저 (Effuser) 의형태로압력차로인하여포일아랫면에서빠른속도분포가나타났다. 또한후연부의포일윗면의빠른속도분포는콴다효과와채널효과에의한영향으로판단된다 (Seo, et al., 2008). Fig. 4(b) 는평판과포일간간격이 D/C=0.75 로포일윗면후연부에서발생하는빠른유속은매우감소하였으며포일아랫면전연부에서빠른유속은 Fig. 4(a) 의경우에비해감소하기는했으나여전히빠른분포를보이고있다. Fig. 4(c) 는평판과포일간간격이가장넓은 D/C=1.0 로포일의코드길이와동일한간격에서는포일윗면과평판사이에서발생하는채널효과에의한빠른속도분포는사라졌고포일의아랫면에서도빠르게분포하던속도분포가크게감소하였다. 영각이동일한경우에평판과간격변화에의해서압력과채널효과에의해빠른유동의형성은평판과가장근접한경우에강한속도장을형성하였다. Fig. 4(a) 의유동구조는양력이연직하방으로가장강하게발생하도록하는유동장을형성하고있다. Fig. 5 Instantaneous velocity field at deg. Fig. 4 Instantaneous velocity field at deg. Fig. 5는영각 -20 도에서평판과모델간격이 D/C=0.5, 0.75 및 1.0 인경우순간벡터장을나타낸것이다. NACA 0018 은영 412 대한조선학회논문집제 49 권제 5 호 2012 년 10 월
김옥석 이경우 각 15도 전후에서 전연부에서 유동박리 됨에 따라 경계층에 와와 난류가 생성되어 양력이 감소하기 시작하는 영역이다 (Seo, et al., 2008). 영각을 20도로 증가할 경우 전연부에서 유동박리가 발생하며 경계층 내에서 와가 생성되고 칼만와열(Karman vortex street)을 형성하고 있다. Fig. 5(a)는 D/C=0.5인 경우로 포일의 윗면 후연부에서 강한 유동과 혼합되면서 하류에 와열을 형성하 는 특징을 보인다. Fig. 5(b) D/C=0.75와 Fig. 5(c) D/C=1.0의 경우에도 유동의 형태는 유사하며 벡터의 크기가 다르게 나타났 다. 평판에 의한 영향에서 가장 자유로운 경우인 Fig. 5(c)는 포 일 윗면에서 평이한 유동특성을 보이며 유입유동이 포일을 지나 독립된 후류를 형성하였다. Fig. 6은 영각 -10도에서 평판하부와의 간격이 D/C=0.5, 하게 증감하였다. Fg 7(a) D/C=0.5는 Fig. 5의 속도장에서 나타 난 전연부 아랫면과 후연부 윗면에서 빠른 유동에 따른 높은 에 너지분포를 형성하였다. Fig. 7(b) D/C=0.75에서도 포일 윗면과 아랫면에서 큰 에너지 분포가 후류로 흘러가는 유동구조를 보이 고 있다. Fig. 7(a)와 Fig. 7(b)에서는 후연부가 끝단 윗면에서 급 격하게 에너지가 감소하지만 Fig. 7(c) D/C=1.0는 아랫면에서 에너지의 급격하게 감소하는 경향을 보였다. Fig. 6과 Fig. 7에서 영각변화에 따른 운동에너지분포는 평판과 포일의 간격이 가장 가까운 D/C=0.5에서 영각 -10도에서 가장 크게 나타나고 가장 거리가 먼 D/C=1.0의 영각 -20도에서 가장 작은 운동에너지 분 포가 나타났다. 0.75 및 1.0일 때 운동에너지 분포를 3차원으로 도시한 결과이 다. 운동에너지 분포는 Fig. 6(a) D/C=0.5에서 전연부 아랫면에 서 강하게 나타났으며 Fig. 6(b)의 D/C=0.75에서도 크기가 다소 감소하였지만 동일한 곳에서 강하게 나타났다. 평판과 포일 거리 가 가장 먼 Fig. 6(c) D/C=1.0에서는 전체적으로 운동에너지가 크게 감소하였다. Fig. 7 Total kinetic energy at deg. Fig. 6 Total kinetic energy at deg. Fig. 7는 영각을 -20도로 증가시킨 경우의 운동에너지 분포를 도시한 결과이다. 운동에너지의 증감 추이는 Fig. 6과 비슷한 분 포를 보이고 있다. 그러나 영각의 증가로 인한 경계층 내에 생성 된 와로 운동에너지가 크게 증가하고 후류 에너지 분포도 불규칙 JSNAK, Vol. 49, No. 5, October 2012 Fig. 8은 영각 -10도에서 D/C=0.5, D/C=0.75 및 D/C=1.0인 경우의 연직방향 속도분포를 추출한 결과이다. 속도장과 운동에 너지분포에서 평판하부와 포일간 간격을 증가시킬 경우 유동의 변화가 크게 나타났으나 연직방향의 속도분포는 유사한 구조로 큰 변화를 보이지 않았다. 따라서 영각 10도에서 발생하는 양력 변화는 유입유동 방향의 속도성분에 의한다고 해석된다. Fig. 9는 영각 20도에서 연직방향 속도분포로 벽난류(Wall turbulence)에 의해 생성되는 후류 칼만와열의 내부구조 이해가 가능하다. 원형실린더의 경우에 후류 와열은 구조물의 30배 후 방까지 영향을 미치며 진폭의 크기는 기하학적 형상에 따라 달라 진다. 413
몰수형피치댐핑포일주위유동의 PIV 해석 또한와의진폭은일정구간까지증가하다가감소하여소멸되는구조를갖는다 (Roshko, 1993). 상하로진동하는와열은시계방향과반시계방향으로회전하며교차로후류를형성하고있다. 또한평판과포일간의거리에따라와의위치도동일하게상하로진동하는영역을달리하고있다. Fig. 10 Steady analysis of a pitch damping foil Fig. 11 Profile of velocity magnitude at deg. Fig. 8 V-components at deg. Fig. 12 Profile of velocity magnitude at deg. Fig. 10 와같이 2 차원포일에작용하는수평속도 (U) 와수직속 도 (- ) 에서포일주변유입유동은 이고영각변화 ( ) 에대해 2차원연직방향으로작용하는 Fig. 9 V-components at deg. 양력은 (c=chord length) 이다. 포일에작용하는양력은유입유동에대해수직하게작용한다. 해상에서유입유동방향과크기가계속변화하기때문에양력도이와함께지속적으로변화하게된다. 유입유동이일정할경우에영각변화에따라속도변화로연직방향으로작용하는양력에의해선박의종동요운동제어가가능하다 (Odd, 2005). Fig. 11 과 Fig. 12 는영각과모델위치에따라전연부, 후연부, 포일의 2배및 3배지점에서벡터크기를상호비교한결과이다. Fig. 11 의영각 10 도에서는 D/C=0.5 인경우에전연부와후연부 414 대한조선학회논문집제 49 권제 5 호 2012 년 10 월
김옥석 이경우 및후류에서모두가장큰값이나타났다. Fig. 12 의영각 20 도에서는 y=0-50mm 구간에서는영각 10 도와같이 D/C=0.5 에서큰값은보이지만와열의생성구간인 y=50-120mm 구간에서는불규칙한특징이나타났다. 4. 결론 선박의연직방향운동제어에적용되는피치댐핑포일주위의유동특성을알아보기위해 PIV 기법을이용하여다음과같은결론을얻을수있었다. 1) 모델주위유동과운동에너지는영각의변화에도불구하고선저와포일의간격이가장근접한 D/C=0.5 에서강한분포를나타냈다. 피치댐핑포일의적용을위해평판과포일간간격이중요한고려사항이다. 2) 영각 -10 도에서는평판하부와포일간간격에관계없이연직방향의속도성분은일정한분포를보였으며양력을발생시키는성분은유입방향의속도성분에의한다. 영각 -20 도에서는후류의칼만와열로상하로진동하는성분이유동장을지배하며이는진동과소음의원인이된다. 댐핑포일의최대허용각도에대한동적제어효율에대한지속적인연구와응용이필요하다. 참고문헌 Anthony, F.M., 2008. The Marine Engineering Reference Book. Butterworth-Heinemann Arribas, F.P. & Fernandez, J.A., 2006. Strip theories applied to the vertical motions of high speed crafts. Ocean Engineering, 33, pp.1214-1229. Cho, D.H. & Lee, Y.H., 2001. Application of PIV to Fluid Machinery and Assessment of Ventilation Performance in Ships. Journal of Korean Society of Marine Engineering, 25(3), pp.540-551. Gim, O.S. Lee, G.W. Lee, C.W. & Oh, W.J., 2011. PIV Measurement of Flow around a surmerrged Pitch Damping Foil. Proceeding of the Annual Autumn Meeting, SNAK. pp.573-578. Kim, D.J. Rhee, K.P. Hwang, S.H. & Park, H.S., 2009. An Experimental Study on the Motion Response of a High-Speed Planing Craft in Regular Head Waves. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 46(4), pp.373-381. Kim, D.J. Rhee, K.P. You, Y.J. & Park, H.S., 2010. An Experimental Study on the Vertical Motion of a High-Speed Planing Craft in Regular Following Waves. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 47(4), pp.496-507. Odd, M.F., 2005. Hydrodynamics of High-Speed Marine Vehicles. Cambridge University Press. pp.210-211. Roshko, A., 1993. Perspective on bluff body aerodynamics. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 49(1-3), pp.79-100. Seo, D.W. Kim, J.H. Kim, H.C. & Lee, S.H., 2008. Influence of Jet Nozzle Arrangement on the Performance of a Coanda Foil. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 45(6), pp.569-578. 김옥석이경우 JSNAK, Vol. 49, No. 5, October 2012 415