수중익 주위 난류유동장의 실험적 해석에 관한 연구

Abstract

본 연구에서는 실험적 방법에 의해 3차원 수중익 주위의 평균유동 및 난류유동특성을 해석하였다. 조선공학에서의 3차원 수중익 문제는 수중익선, 프로펠러, Stabilizer 등이 있으며, 수산공학에서는 대표적으로 전개판(Otterboard)을 들 수가 있다. 전개판은 익형의 3차원 양력체로써 트롤조업시 그물을 좌우로 전개시켜주는 역할을 하는 장치이다. 이러한 전개판의 성능평가 및 우수한 사양의 전개판 도출를 위해 정량적 속도 계측 기법인 PIV을 이용하여 전개판 주위의 유동 특성을 계측하였다. 평균 유동 관점에서 전개판의 형상 및 받음각의 변화에 따른 Parametric study를 실행함으로서 우수한 성능을 가진 3차원 전개판 형상을 결정할 수 있었고 또한 전개판 주위의 세부적인 유동현상을 규명하여 전개판의 성능 변화의 원인을 파악할 수 있었다.

그리고 난류 유동 관점으로 범위를 확대하여 난류 유동 특성을 해석해 보았다. 난류유동은 매우 불규칙적인 현상으로써 일반적인 N.S. 방정식으로는 해석이 불가능하고, 이에 시간평균개념을 도입한 Reynolds 방정식에 의해서 해석되어진다. 이러한 Reynolds 방정식의 해석을 위해서는 시간에 따라 변화하는 값들의 평균값들이 필요하며, 이 값들은 전적으로 실험에 의한 방법에 의존하여 구할 수 있다. 본 연구에서는 PIV기법을 통해 난류강도, 난류운동에너지, 난류응력 등의 난류통계치를 구하여보고, 이를 바탕으로 난류유동 특성을 파악해보고자 하였다. 이러한 난류유동 해석 자료를 바탕으로 평균유동 해석의 정도를 향상시키며, 일반적인 N.S. 방정식에 의한 해석(CFD)에 적용 가능한 실험데이터를 확보할 수 있었고 최종적으로 우수한 성능의 전개판 또는 수중익의 설계 자료로써 이용하고자 한다.

This study is aimed at analysis of the averaged flow and the turbulent flow around the hydrofoils by experimental process. Used hydrofiols in this study were the otterboards with chamber that are expanded a fishing net from side to side. It measured flows around the otterboards by PIV(Particle Image Velocimetry)method in order to estimate efficiency of the otterboards. With performed parametric study according to be changed types of the otterboard and angle of attack, optimum conditions were searched. These results will be applied to design of the better otterboard. And the characteristics of the turbulent flow are measured to verify that this PIV system is useful in measurement of the turbulent flow. Variables such as the number of instantaneous velocity field or searching area and correlation area to apply Cross-correlation method, have an effect on accuracy of turbulence statistics - Turbulent intensity, Turbulent kinetic energy, Reynolds stress. Therefore computation for each variables was performed and turbulence statistics were obtained for each cases.