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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 박원규
- 발행연도
- 2018
- 저작권
- 부산대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수6
이 논문의 연구 히스토리 (3)
2018
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어뢰, 잠수함과 같은 수중체와 파랑 중 운동 안정성을 향상시킨 SWATH(Small Waterplane Area Twin Hull), SWASH(Small Waterplane Area Single Hull) 선박의 운용성능 향상을 위해 수중체의 마찰저항 감소에 대한 연구가 요구되고 있다.
본 논문에서는 SWATH 형 선박 수중체의 마찰저항 감소를 위해 가스분사에 의한 저항 감소에 대해 연구하였다. 스트럿을 통해 수상선과 수중체가 연결되는 SWATH 형선박을 단순화하여 스트럿이 부착된 원통형 수중운동체의 가스 분사에 의한 저항 감소 영향을 실험을 통해 경향성을 분석하고, 다상유동 해석을 통해 유동장 특성 및 저항 감소 인자에 대해 연구하였다.
먼저, 스트럿이 있는 원통형 수중운동체에 대해 캐비테이션 터널에서 가스분사에 따른 모형시험을 수행하였다. 소결메쉬형태의 원통형 미세기포 발생장치를 설계하여 원주방향으로 균일한 가스 분사가 가능하도록 하였으며, 유속, 분사유량, 후부형상 등의 변화에 따른 원통형 수중운동체의 저항 감소 영향에 대해 실험하였다. 시험결과 분사 유량이 증가함에 따라 몸체 주위의 기포 분포 면적이 증가하였고, 동일 분사 유량에서 몸체 후방으로 갈수록 기포 분포량이 줄어들었으며, 스트럿 후방에서는 스트럿 영향으로 기포의 교란이 있는 것을 확인 할 수 있었다. 또한, 분사유량에 따른 전체저항 계측 결과에서 분사유량 증가에 따라 저항이 줄어드는 경향을 확인할 수 있었다. 무차원화 된 분사유량계수에 대해 전체 저항비를 비교하였을 때, 기포 부력의 영향이 큰 6 m/s 유속의 결과를 제외하면 전체저항비가 일정한 비율로 감소하였으며,6 m/s 이하의 낮은 속도에서는 기포 부력과 3차원 원통형 형상의 영향으로 저항 감소 특성이 떨어지는 것을 확인할 수 있었다.
다음으로 스트럿을 포함한 원통형 수중운동체에 대해 가스분사가 있는 다상유동해석 프로그램을 개발하여 가스 분사에 따른 저항 감소 특성을 분석하였다. 가스분사량 변화, 유속변화, 후부 형상변화에 따른 시험결과와 유동해석 결과를 비교 분석하여, 유동해석의 신뢰성을 확보하였다. 가스분사에 의한 저항 감소 영향을 마찰항력 성분과형상항력 성분으로 분리하여 분석하였을 때, 마찰항력에 의한 저항감소가 지배적인 역할을 하는 것을 확인할 수 있었다. 기체 체적 분율(void fraction)에 따른 마찰저항감소비를 분석한 결과 비례관계를 유추할 수 있으며, 스트럿을 부착한 원통형 수중운동체에서 가스가 분사된 후부터 후부형상 변화가 시작되는 영역에 대해 유속이 6 m/s 이상일 때, 마찰저항감소비에 대한 기체 체
적 분율의 비는 0.9와 1.5 사이의 값을 가짐을 알 수 있었다. 마찰저항을 전체마찰저항에 대한 비로 나타내었을 때, 일정 분사유량계수일 때까지 마찰저항비가 선형적으로 감소하였으며, 분사유량이 일정량 이상 일 때는 저항감소비에 대한 기울기가 달라짐을 확인할 수 있었다. 이는 평판에 가스분사에 의한 저항 감소 영향을 분석한 Merkle 등의 결과와 유사한 경향을 보였다.
스트럿 포함 원통형 수중운동체의 가스분사유량 변화에 따른 표면 기체 체적 분율, 속도변화, 난류점성의 영향 등을 살펴보았다. 가스 분사에 의한 기체 체적 분율과 난류 점성의 변화가 마찰항력 감소의 주요 요인이었으며, 동일한 가스 분사 유량에서 유속을 변화시켰을 때, 유속이 증가함에 따라 마찰항력비가 감소하였다. 실린더형 후부 형상에 대해 분사 유량에 따른 저항 감소 특성을 분석한 결과, 분사유량 증가에 따라 마찰항력비가 감소하였으며, 이러한 경향은 라운드형 후부 형상을
가진 경우와 유사하였다. 실린더형 후부 형상과 라운드형 후부 형상 결과를 종합하여, 분사유량에 대해 길이, 직경과 유속으로 무차원화한 유량계수를 정의하여 유량계수에 따른 마찰항력비를 분석하였다. 분석결과 유속이 6 m/s 이상이고, 분사유량계수가 0.0035 이하인 지역에서 분사유량계수에 따라 마찰항력 감소비가 선형적으로 감소하였다.
본 연구에서 개발된 중첩격자계를 적용한 스트럿 부착 수중운동체의 가스분사에 의한 다상유동해석 코드는 향후 SWATH, SWASH 함형의 스트럿 부착 수중체의 가스분사에 의한 저항감소에 대해 스트럿 위치, 형상, 개수 변경, 고속영영에 대한 영향 등과 가스 분사를 동시에 고려한 저항감소 연구에 적용 될 수 있을 것이다. 스트럿 포함 수중운동체의 가스 분사에 의한 저항감소 실험 결과는 이 후 가스 분사에 의한 저항감소 연구의 비교 자료로 활용될 수 있고, 분사유량 계수와 마찰저항계수비에 대한 관계는 실선성능 추정 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
본 논문에서는 SWATH 형 선박 수중체의 마찰저항 감소를 위해 가스분사에 의한 저항 감소에 대해 연구하였다. 스트럿을 통해 수상선과 수중체가 연결되는 SWATH 형선박을 단순화하여 스트럿이 부착된 원통형 수중운동체의 가스 분사에 의한 저항 감소 영향을 실험을 통해 경향성을 분석하고, 다상유동 해석을 통해 유동장 특성 및 저항 감소 인자에 대해 연구하였다.
먼저, 스트럿이 있는 원통형 수중운동체에 대해 캐비테이션 터널에서 가스분사에 따른 모형시험을 수행하였다. 소결메쉬형태의 원통형 미세기포 발생장치를 설계하여 원주방향으로 균일한 가스 분사가 가능하도록 하였으며, 유속, 분사유량, 후부형상 등의 변화에 따른 원통형 수중운동체의 저항 감소 영향에 대해 실험하였다. 시험결과 분사 유량이 증가함에 따라 몸체 주위의 기포 분포 면적이 증가하였고, 동일 분사 유량에서 몸체 후방으로 갈수록 기포 분포량이 줄어들었으며, 스트럿 후방에서는 스트럿 영향으로 기포의 교란이 있는 것을 확인 할 수 있었다. 또한, 분사유량에 따른 전체저항 계측 결과에서 분사유량 증가에 따라 저항이 줄어드는 경향을 확인할 수 있었다. 무차원화 된 분사유량계수에 대해 전체 저항비를 비교하였을 때, 기포 부력의 영향이 큰 6 m/s 유속의 결과를 제외하면 전체저항비가 일정한 비율로 감소하였으며,6 m/s 이하의 낮은 속도에서는 기포 부력과 3차원 원통형 형상의 영향으로 저항 감소 특성이 떨어지는 것을 확인할 수 있었다.
다음으로 스트럿을 포함한 원통형 수중운동체에 대해 가스분사가 있는 다상유동해석 프로그램을 개발하여 가스 분사에 따른 저항 감소 특성을 분석하였다. 가스분사량 변화, 유속변화, 후부 형상변화에 따른 시험결과와 유동해석 결과를 비교 분석하여, 유동해석의 신뢰성을 확보하였다. 가스분사에 의한 저항 감소 영향을 마찰항력 성분과형상항력 성분으로 분리하여 분석하였을 때, 마찰항력에 의한 저항감소가 지배적인 역할을 하는 것을 확인할 수 있었다. 기체 체적 분율(void fraction)에 따른 마찰저항감소비를 분석한 결과 비례관계를 유추할 수 있으며, 스트럿을 부착한 원통형 수중운동체에서 가스가 분사된 후부터 후부형상 변화가 시작되는 영역에 대해 유속이 6 m/s 이상일 때, 마찰저항감소비에 대한 기체 체
적 분율의 비는 0.9와 1.5 사이의 값을 가짐을 알 수 있었다. 마찰저항을 전체마찰저항에 대한 비로 나타내었을 때, 일정 분사유량계수일 때까지 마찰저항비가 선형적으로 감소하였으며, 분사유량이 일정량 이상 일 때는 저항감소비에 대한 기울기가 달라짐을 확인할 수 있었다. 이는 평판에 가스분사에 의한 저항 감소 영향을 분석한 Merkle 등의 결과와 유사한 경향을 보였다.
스트럿 포함 원통형 수중운동체의 가스분사유량 변화에 따른 표면 기체 체적 분율, 속도변화, 난류점성의 영향 등을 살펴보았다. 가스 분사에 의한 기체 체적 분율과 난류 점성의 변화가 마찰항력 감소의 주요 요인이었으며, 동일한 가스 분사 유량에서 유속을 변화시켰을 때, 유속이 증가함에 따라 마찰항력비가 감소하였다. 실린더형 후부 형상에 대해 분사 유량에 따른 저항 감소 특성을 분석한 결과, 분사유량 증가에 따라 마찰항력비가 감소하였으며, 이러한 경향은 라운드형 후부 형상을
가진 경우와 유사하였다. 실린더형 후부 형상과 라운드형 후부 형상 결과를 종합하여, 분사유량에 대해 길이, 직경과 유속으로 무차원화한 유량계수를 정의하여 유량계수에 따른 마찰항력비를 분석하였다. 분석결과 유속이 6 m/s 이상이고, 분사유량계수가 0.0035 이하인 지역에서 분사유량계수에 따라 마찰항력 감소비가 선형적으로 감소하였다.
본 연구에서 개발된 중첩격자계를 적용한 스트럿 부착 수중운동체의 가스분사에 의한 다상유동해석 코드는 향후 SWATH, SWASH 함형의 스트럿 부착 수중체의 가스분사에 의한 저항감소에 대해 스트럿 위치, 형상, 개수 변경, 고속영영에 대한 영향 등과 가스 분사를 동시에 고려한 저항감소 연구에 적용 될 수 있을 것이다. 스트럿 포함 수중운동체의 가스 분사에 의한 저항감소 실험 결과는 이 후 가스 분사에 의한 저항감소 연구의 비교 자료로 활용될 수 있고, 분사유량 계수와 마찰저항계수비에 대한 관계는 실선성능 추정 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
목차
I. 서론 11. 연구의 배경 12. 수중/수상체 저항 감소 선행 연구 4가. 고분자 분사에 의한 저항 감소 기법 4나. 표면 처리에 의한 저항 감소 기법 51) 리블렛 구조 62) 초발수 나노구조 63) 표면처리에 의한 마찰저항 감소의 한계 8다. 가스 이용 저항 감소 기법 101) MDR (Micro Bubble Drag Reduction) 102) ALDR (Air layer drag reduction) 133) PCDR (Partial Cavity Drag Reduction) 153. 연구의 목적 20II. 연구 방법 및 조건 211. 가스분사에 의한 저항 감소 실험 방법 및 조건 21가. 시험장치 구성 및 시험 방법 211) 기포 발생 장치 및 시험체 212) 시험 장치 및 시험 방법 262. 가스 분사 다상 유동해석 방법 및 조건 28가. 다상유동 해석 기법 281) 지배방정식 및 난류 모델 282) 해석 조건 37III. 가스 분사에 의한 저항 감소 영향 연구 결과 및 분석 441. 가스 분사에 의한 저항 감소 시험 결과 및 분석 44가. 가스 분사에 의한 영향 시험 결과 441) 정수 중 기포 발생 시험 결과 442) 유속 변화에 따른 기포 발생 시험 443) 기포 분사에 따른 표면 기포 분포 관측 결과 484) 가스 분사에 따른 저항감소 결과 분석 49나. 가스 분사에 의한 저항 감소 영향 시험 결과 종합 분석 612. 가스 분사에 의한 다상유동 해석 결과 및 분석 62가. 라운드형 후부 형상을 가진 수중운동체의 다상유동 해석 결과 621) 가스분사에 따른 스트럿 부착 시험체의 실험결과와 해석결과 비교 622) 분사량 변화에 따른 항력 특성 비교 683) 유속 변화에 따른 항력 특성 비교 1154) 분사유량, 유속 변화에 따른 항력 특성 종합 비교 121나. 실린더형 후부 형상을 가진 수중운동체의 다상유동 해석 결과 1251) 가스분사에 따른 실린더형 후부형상 시험체의 실험결과와 해석결과 비교 1252) 분사량 변화에 따른 항력 특성 비교 1273) 분사유량계수 변화에 따른 마찰항력 특성 후부형상 고려 종합비교 152IV. 결 론 154
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