1차년도 연구결과
설계프로펠러에 대하여 단독성능과 CFD 해석 결과를 이용하여 실선의 속도와 회전수를 예측하였다.
Ⅰ. 단독성능(P.O.W.)
수치해석을 통한 단독성능 추정에는 KPA4를 이용하였으며, 모형시험과 수치해석간의 오차를 고려하여 수치해석과 모형시험간의 보정치를 사용하여 실선 값을 예측하였다.
Ⅱ. 캐비테이션 성능
1차년도 연구에서는 초기 설계 단계에서 Burrill 차트를 이용하여 확장면적비를 결정하였으며, KPA4를 이용하여 반경별 단면에 작용하는 하중을 분석하여 경험적으로 캐비테이션에 안정적인 프로펠러를 설계하였다. 하지만, 대상선의 반류분포가 일반적인 형태와는 다소 상이하기 때문에 양력면 이론을 이용한 프로펠러 비정상 캐비테이션 성능 수치추정 프로그램인 KPA3를 이용하여 프로펠러에 발생하는 캐비테이션의 형상 및 범위 그리고 캐비테이션의 크기를 재차 확인하였다.
Ⅲ. 저항 성능
상용 수치해석 프로그램인 Star CCM+ Ver 11.02를 사용하여 저항성능을 추정하였으며 난류모델은 Realizable Model이며 격자수는 본 연구실의 수조 모형시험 시 가장 정도가 맞는 격자계로 구성하였으며 약 300만개 정도로 설정하였다. Time Step은 0.001초에 약 10.8도이며 Physical Time은 약 50초로 설정하였다.
Ⅳ. 자항 성능
저항 성능 해석 프로그램과 같은 Star CCM+ Ver 11.02를 사용하여 자항성능을 추정하였으며 Rotation Method는 Sliding Interface Moving Mesh로 설정하였다. 격자수는 본 연구실의 수조 모형시험 시 가장 정도가 맞는 격자계로 구성하였으며 약 400만개 정도로 설정하였다. Time Step은 0.001초에 약 10.8도이며 Physical Time은 약 25초로 설정하였다.
결론 및 고찰
㈜대해선박설계로부터 200톤 트롤어선에 대한 프로펠러의 설계와 성능해석을 의뢰 받아 제공받은 모델링 선박의 프로펠러 설계를 수행하고, 그 성능에 대하여 포텐셜 이론을 기반으로 하는 수치해석 기법으로 해석을 수행하였다.
어선용 프로펠러 KF시리즈 데이터를 바탕으로 직경 및 피치비, 전개면적비, 캠버 등과 같은 설계요소들을 변경하여 요구하는 성능을 낼 수 있도록 설계하였으며, Design load에서 예측되는 속도 및 회전수는 다음과 같다.
어선용 프로펠러 KF시리즈 데이터를 바탕으로 직경 및 피치비, 전개면적비, 캠버 등과 같은 설계요소들을 변경하여 요구하는 성능을 낼 수 있도록 설계하였으며, Design load에서 예측되는 속도 및 회전수는 다음과 같다.
성능 해석 결과 캐비테이션 및 RPM을 고려하였을 때 프로펠러만으로는 목표선속을 맞출 수 없다고 판단되었다. 이를 해결하기 위해서는 높은 출력을 내는 엔진으로 바꾸거나 선형을 개선해야하며 목표선속을 낮추어야할 필요성이 있어 협의를 통해 엔진 스펙과 목표 선속을 2차 년도와 같이 변경하였다.
2차년도 연구결과
1차년도 연구내용과 같이 최적 설계프로펠러에 대하여 단독성능과 CFD 해석 결과를 이용하여 실선의 속도와 회전수를 예측하였다.
Ⅰ. 단독성능(P.O.W.)
수치해석을 통한 단독성능을 추정하는데 KPA4를 이용하였으며, 모형시험과 수치해석간의 오차를 고려하여 수치해석과 모형시험간의 보정치를 사용하여 실선값을 예측하였다.
Ⅱ. 캐비테이션 성능
1차년도 최적 프로펠러 설계방법과 같은 방법으로 초기 설계 단계에서 Burrill 차트를 이용하여 확장면적비를 결정하였으며, KPA4를 이용하여 반경별 단면에 작용하는 하중을 분석하여 경험적으로 캐비테이션에 안정적인 프로펠러를 설계하였다. 하지만, 대상선의 반류분포가 일반적인 형태와는 다소 상이하기 때문에 캐비테이션을 재차 확인하였다.
Ⅲ. 저항 및 자항 성능
2차년도 연구에서는 Star CCM+ Ver 11.02를 사용하여 저항성능을 추정하였으며 난류모델은 Realizable Model이며 격자수는 본 연구실의 수조 모형시험 시 가장 정도가 맞는 격자계로 구성하였으며 약 140만개 정도로 설정하였다. Time Step은 0.04초이며 Physical Time은 30초로 설정하였다.
Ⅳ. 자항 성능
자항 해석에서는 해석 조건은 동일하지만 격자수를 약 250만개 정도로 설정하였고 Time Step은 0.002초, Physical Time은 30초로 설정하였다.
결론 및 고찰
㈜대해선박설계로부터 200톤 트롤어선에 대한 프로펠러의 설계와 성능해석을 의뢰 받아 제공받은 모델링 선박의 프로펠러 설계를 수행하고, 그 성능에 대하여 포텐셜 이론을 기반으로 하는 수치해석 기법을 이용하여, 그 성능에 대한 해석을 수행하였다.
본 설계는 어선용 프로펠러 KF시리즈 데이터를 바탕으로 직경 및 피치비, 전개면적비, 캠버 등과 같은 설계요소들을 변경하여 요구하는 성능을 낼 수 있도록 설계하였으며, Design load에서 예측되는 속도 및 회전수는 다음과 같다.
본 설계는 어선용 프로펠러 KF시리즈 데이터를 바탕으로 직경 및 피치비, 전개면적비, 캠버 등과 같은 설계요소들을 변경하여 요구하는 성능을 낼 수 있도록 설계하였으며, Design load에서 예측되는 속도 및 회전수는 다음과 같다.
성능 해석 결과 목표 선속 및 RPM, 캐비테이션 성능을 만족하였으나 포텐셜 프로그램을 기반으로 해석하여 실제 실험과 차이를 보일 수 있기 때문에 3차년도 모형시험을 통하여 최종 성능을 확인하고 최적 프로펠러를 확정하였다.
3차년도 연구결과
1.모형시험
Ⅰ. 시험 항목
대상선의 성능평가를 위하여 프로펠러의 단독시험, 저항시험, 자항시험을 수행하였다. 단독시험의 경우 전진비(J) 0.1~0.9까지 9가지 case에 대하여 수행하였고, 부산대학교 모형시험 수조의 조건에 따라 각 전진비(J)별 예인속도와 회전수를 정하여 수행하였다, 또한 자유수면의 영향을 받지 않게 하기위해 1.5D(D=0.22m) 이상을 물 속에 잠수시켜 수행하였다. 저항시험과 자항시험의 경우 부산대학교 모형시험수조가 보유한 동력계의 용량 한계에 따라 9knots부터 10knots까지 1knots 간격으로 총 네가지 case에 대하여 수행하였다, Design Draft는 Base Line으로부터 연직 상방향 0.3m(Full load) 에 맞춰 수행하였다.
※실험 결과는 [5.모형시험 결과]에 나타내었다.
※실험 결과는 [5.모형시험 결과]에 나타내었다.
Ⅱ. 프로펠러 단독성능 (Propeller Open Water)
- 상사된 프로펠러 단독의 성능을 측정하기 위한 시험으로 선체 없이 프로펠러만을 상사조건에 만족하는 속도와 회전수로 예인한다. 이때 전진비 의 범위는 0~1로 예인 전차의 속도를 변경하여 조정. 프로펠러가 설정 회전수에 도달하면 전진비에 따른 예인속도로 전차를 움직여 동력계로 측정되는 전압을 측정하며 기록된 전압을 바탕으로 추력과 토크를 계산하고 전진계수, 추력계수, 토크계수, 프로펠러 단독효율의 값을 구한다.
※모형 상사법과 실선 추정법은 부록에 나타내었다.
- 프로펠러 단독시험법
프로펠러 단독시험기에서 전진계수 J를 변화시키면서 추력 T 및 토오크 Q를 측정한다.
전진계수를 변화시키는 방법은 일반적으로 프로펠러의 회전수 n을 고정시키고 모형선의 속도 (예인전차의 속도) 를 변화시킨다. 이 때, 회전수는 동력계가 허용하는 측정 범위를 감안하여 최대한 크게 잡는다. 이는 실선 프로펠러와 모형선 프로펠러 사이의 Reynolds 수 차이를 줄이기 위한 것이다.
모형실험에서는 부산대학교 모형시험수조에 적합한 이상의 레이놀즈수를 설정하기 위해 회전수 n을 고정하지 않고 와 n을 조절하였다.
부산대학교 모형시험수조 예인전차의 최고속도는 4m/s이지만 예인전차의 가속시간과 수조의 길이를 고려하여 최고 예인속도는 3.23m/s, 회전수는 1500RPM로 제한하여 진행하였다.
모형실험 후 실선프로펠러의 성능을 예측하기 위한 실선 확장법으로 ITTC1978 2차원 확장법을 사용하였다. 이 방법에서는 Scale 30:1 이하의 모형의 경우 단독성능은 모형과 실선의 성능이 같다고 보므로 모형프로펠러와 실선프로펠러의 성능은 같다.
※모형 상사법과 실선 추정법은 부록에 나타내었다.
- 프로펠러 단독시험법
프로펠러 단독시험기에서 전진계수 J를 변화시키면서 추력 T 및 토오크 Q를 측정한다.
전진계수를 변화시키는 방법은 일반적으로 프로펠러의 회전수 n을 고정시키고 모형선의 속도 (예인전차의 속도) 를 변화시킨다. 이 때, 회전수는 동력계가 허용하는 측정 범위를 감안하여 최대한 크게 잡는다. 이는 실선 프로펠러와 모형선 프로펠러 사이의 Reynolds 수 차이를 줄이기 위한 것이다.
모형실험에서는 부산대학교 모형시험수조에 적합한 이상의 레이놀즈수를 설정하기 위해 회전수 n을 고정하지 않고 와 n을 조절하였다.
부산대학교 모형시험수조 예인전차의 최고속도는 4m/s이지만 예인전차의 가속시간과 수조의 길이를 고려하여 최고 예인속도는 3.23m/s, 회전수는 1500RPM로 제한하여 진행하였다.
모형실험 후 실선프로펠러의 성능을 예측하기 위한 실선 확장법으로 ITTC1978 2차원 확장법을 사용하였다. 이 방법에서는 Scale 30:1 이하의 모형의 경우 단독성능은 모형과 실선의 성능이 같다고 보므로 모형프로펠러와 실선프로펠러의 성능은 같다.
Ⅲ. 저항시험
실선의 저항은 수조에서 모형시험으로 추정하는데, 모형선은 실선으로부터 축소하여 만든 기하학적 상사가 되어야 된다. 또한 실선과 모형선의 역학적 상사가 만족되어야 되는데 선박의 경우 실선과 모형선의 조파저항계수가 같아지는 대응속도(동일 Froud 수)와 마찰저항계수가 같아지는 Reynolds 수의 조건을 동시에 만족시키는 것이 현실적으로 어렵다, 따라서 조파저항과 마찰저항을 분리하여 생각하고 모형시험은 실선과 모형선의 Froude 수가 동일한 대응속도에서 전 저항을 계측한다. 계측한 전 저항으로부터 실선의 저항을 추정하는 방법은 여러 가지가 있다. 모형 저항시험은 모형선이 실선의 상태와 가능한 동일한 조건이 되도록 해야 되며 따라서 모든 방향의 운동은 구속되지 않아야 된다. 다만 모형선을 예인해야 되기 때문에 앞뒤운동(surge)은 구속되며 예인 점 (towing point)은 프로펠러의 추전점과 동일 선상에 있으며 가능한 후미에 두는 것이 좋다. 모형선의 축척비는 수조의 크기와 예인전차의 가용속도범위 내에서 결정하며 가능한 모형시험의 불확실성을 최소화하기 위해 모형선의 크기를 크게 하는 것이 좋다.
※모형 상사법과 실선 추정법은 부록에 나타내었다.
※모형 상사법과 실선 추정법은 부록에 나타내었다.
Ⅳ. 자항 추진 시험
2. 수치해석
Ⅰ. 프로펠러 단독성능
POW 해석 시 격자수는 약 580만개로 구성하였으며 실험과 동일한 조건으로 계산을 진행하였다.
계산 결과 실험과 동일하게 0.9J 에서의 KT가 음의 값으로 계산되었다. 실험 결과값과 수치해석 결과값은 KQ의 경우 오차가 약 2% 이내로 정도 높은 해석 결과를 보였지만 추력의 경우 약 9%로 상대적으로 큰 오차를 보였다. 이후 자항 해석에서 추력값의 차이가 모션에 의한 저항증가와 보정되어 최종적인 선속은 실험과 유사하게 해석되었다.
Ⅱ. 저항 해석
저항 해석 시 비교적 프루드수가 높은 어선의 특성을 고려하여 운항 시 자세 변화에 의한 저항 차이가 발생할 것으로 보고 Star-CCM상에서 제공하는 DFBI(Dynamic Fluid Body Interaction)기법을 적용하여 Heave와 Pitch를 Free로 해석한 경우와 DFBI 해석이 어느정도 수렴되었을 때의 평균적인 자세 변화를 고정하고 이후 자세 변화 없이 해석한 경우를 비교하였다. 자세변화를 고려한 경우가 실험 결과와 더 정도 높은 결과를 보이는 것을 확인하였지만 자세 변화를 고려할 경우 해석 시간이 과도하게 길어지기 때문에 자항 해석 시에는 수렴된 자세로 고정하여 해석하고 이후 자세 변화에 의한 저항 차이를 보정해주는 방식으로 해석을 진행하였다.
Ⅲ. 자항 해석 결과
저항 해석에서 언급하였듯이 자항 해석 시 운항 시 자세 변화를 고정한 상태에서 해석을 수행한 뒤 자세 변화에 의한 저항을 보정하여 해석하였다. 회전수와 추력 차이에 의해 반류계수와 추력감소계수에서 차이를 보이지만 단독효율의 감소로 설계 속도 부근에서는 준추진효율이 실험 결과와 유사하게 나타나는 것을 확인하였다.
Ⅳ. 결론 및 고찰
실선 성능 해석 결과 선속은 12.02노트, 회전수는 297.53으로 목표를 달성하였지만 Sea Margin을 고려했을 때 선속이 2.5% 낮은 것으로 확인되었다. 2차년도 결과에 비하여 다소 낮은 선속과 큰 회전수를 가지고 있는데 이는 2차년도 결과가 포텐셜 이론을 기반으로 추정되어 모형시험 조건과 다소 차이를 보였기 때문인 것으로 판단된다. Sea Margin을 고려한 목표선속을 달성하기 위해서는 현재 회전수가 약 9%로 여유가 있기 때문에 선속 증가를 위해 추가로 피치와 캠버를 증가시켜 보완 설계할 경우 선속을 증가시킬 수 있을 것으로 보인다.
- Admiralty Coefficient를 통한 추진 성능 비교
최종적으로 목표 달성을 위하여 Admiralty coefficient(=)를 사용해 기존선 대비 성능 개선 정도를 평가하였다. 단순히 선속이나 동력으로 비교할 경우 기존선과 개발선의 주요제원, 적재량, 선속이 정확히 일치하는 경우를 찾기 어려우므로 기존선 추진동력의 적절한 보정 없이 추진동력을 단순히 산술 비교하는 것은 비논리적이다. 따라서 추진 동력을 배수량, 선속, 엔진 마력으로 보정하여 추진 성능 개선 판단 기준으로 선정하였고 Sea Margin을 고려한 Service 조건에서 기존선인 공선호 대비 약 20%의 추진 성능 증가를 보였다.
- Admiralty Coefficient를 통한 추진 성능 비교
최종적으로 목표 달성을 위하여 Admiralty coefficient(=)를 사용해 기존선 대비 성능 개선 정도를 평가하였다. 단순히 선속이나 동력으로 비교할 경우 기존선과 개발선의 주요제원, 적재량, 선속이 정확히 일치하는 경우를 찾기 어려우므로 기존선 추진동력의 적절한 보정 없이 추진동력을 단순히 산술 비교하는 것은 비논리적이다. 따라서 추진 동력을 배수량, 선속, 엔진 마력으로 보정하여 추진 성능 개선 판단 기준으로 선정하였고 Sea Margin을 고려한 Service 조건에서 기존선인 공선호 대비 약 20%의 추진 성능 증가를 보였다.
- Burrill Chart 및 KPA3를 통한 캐비테이션 성능 비교
설계된 프로펠러에 대하여 CFD를 통한 공동 해석이나 모형시험을 수행하는 것은 제약이 따르기 때문에 Burrill Chart를 통해 균일 유동에서 공선호와 설계선에서 발생하는 캐비테이션을 비교하고 양력면 이론을 이용한 프로펠러 비정상 캐비테이션 성능 수치추정 프로그램인 KPA3를 이용하여 설계점에서 대상 프로펠러에 발생하는 캐비테이션을 확인하였다. Burrill chart를 이용하여 캐비테이션 발생 체적을 비교하였을 때 공선호가 약 10%, 대상선이 약 5%의 back Cavitation이 발생하는 것으로 나타나 3% 이상 개선되었다고 볼 수 있다. 이후 실험과 CFD 해석 결과를 바탕으로 KPA3 프로그램을 통해 실운항과 유사한 불균일 유동에서의 캐비테이션 체적을 확인하였다.
설계된 프로펠러에 대하여 CFD를 통한 공동 해석이나 모형시험을 수행하는 것은 제약이 따르기 때문에 Burrill Chart를 통해 균일 유동에서 공선호와 설계선에서 발생하는 캐비테이션을 비교하고 양력면 이론을 이용한 프로펠러 비정상 캐비테이션 성능 수치추정 프로그램인 KPA3를 이용하여 설계점에서 대상 프로펠러에 발생하는 캐비테이션을 확인하였다. Burrill chart를 이용하여 캐비테이션 발생 체적을 비교하였을 때 공선호가 약 10%, 대상선이 약 5%의 back Cavitation이 발생하는 것으로 나타나 3% 이상 개선되었다고 볼 수 있다. 이후 실험과 CFD 해석 결과를 바탕으로 KPA3 프로그램을 통해 실운항과 유사한 불균일 유동에서의 캐비테이션 체적을 확인하였다.