KR102589128B1 - 코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기 및 이의 추진 성능 평가 방법 - Google Patents

코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기 및 이의 추진 성능 평가 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102589128B1
KR102589128B1 KR1020210141276A KR20210141276A KR102589128B1 KR 102589128 B1 KR102589128 B1 KR 102589128B1 KR 1020210141276 A KR1020210141276 A KR 1020210141276A KR 20210141276 A KR20210141276 A KR 20210141276A KR 102589128 B1 KR102589128 B1 KR 102589128B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
coanda
jet
propulsion performance
vortex ring
propulsion
Prior art date
Application number
KR1020210141276A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20230057164A (ko
Inventor
허영민
이신형
석우찬
서인덕
이인수
Original Assignee
서울대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 서울대학교산학협력단 filed Critical 서울대학교산학협력단
Priority to KR1020210141276A priority Critical patent/KR102589128B1/ko
Publication of KR20230057164A publication Critical patent/KR20230057164A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102589128B1 publication Critical patent/KR102589128B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63G—OFFENSIVE OR DEFENSIVE ARRANGEMENTS ON VESSELS; MINE-LAYING; MINE-SWEEPING; SUBMARINES; AIRCRAFT CARRIERS
    • B63G8/00—Underwater vessels, e.g. submarines; Equipment specially adapted therefor
    • B63G8/08—Propulsion
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B71/00—Designing vessels; Predicting their performance
    • B63B71/10—Designing vessels; Predicting their performance using computer simulation, e.g. finite element method [FEM] or computational fluid dynamics [CFD]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H11/00—Marine propulsion by water jets
    • B63H2011/002—Marine propulsion by water jets using Coanda effect, i.e. the tendency of fluid jets to be attracted to nearby surfaces
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T70/00—Maritime or waterways transport
    • Y02T70/50—Measures to reduce greenhouse gas emissions related to the propulsion system

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Ocean & Marine Engineering (AREA)
  • Excavating Of Shafts Or Tunnels (AREA)
  • Aerodynamic Tests, Hydrodynamic Tests, Wind Tunnels, And Water Tanks (AREA)

Abstract

본 발명은 코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기 및 이의 추진 성능 평가 방법에 관한 것으로, 특히, 본 발명에 따른 코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기는 제1축 방향으로 수축 운동하여 주축 제트(Primary Jet)를 생성하는 주축 피스톤(Primary Piston); 및 상기 제1축과 수직을 이르는 제2축 방향으로 수축 운동하여 코안다 제트(Coanda Jet)를 생성하고, 상기 주축 피스톤의 제1출구와 이웃하도록 제2출구가 배치되는 코안다 피스톤(Coanda Piston);을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기 및 이의 추진 성능 평가 방법 {A VORTEX RING THRUSTER USING THE COANDA EFFECT AND A METHOD FOR EVALUATING ITS PROPULSION PERFORMANCE}
본 발명은 코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기 및 이의 추진 성능 평가 방법에 관한 것으로, x축 방향으로 수축 운동하는 주축 피스톤 및 y축 방향으로 수축 운동하는 코안다 피스톤을 포함하고, 상기 코안다 피스톤의 출구 측 일정 부분이 주축 제트의 추진 방향으로 굴곡진 코안다 벽을 포함함으로써, 다양한 선박의 주 추진 장치로서 적용이 가능하도록 추진 성능을 향상시킨 코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기 및 이의 추진 성능 평가 방법에 관한 것이다.
해양 자원 탐사 및 군사용 목적으로 사용되는 소형 잠수정의 추진 방식은 프로펠러 추진 방식과 제트 추진 방식으로 분류된다.
최근에는 소음 발생이 적고, 제어 및 조종 성능이 우수한 제트 추진 방식 중 하나인 와류 고리 추진 방식을 소형의 무인 잠수정에 적용하고 있다.
와류 고리 추진기(Vortex Ring Thruster, VRT)는 해파리나 오징어와 같은 연체 동물의 추진 기술을 모방한 제트 추진 시스템으로, 다른 추진 시스템에 비해 소음 발생이 적고 자세 제어 및 조종 성능 관점에서 우수한 장점이 있어 주로 소형 무인 잠수정(Unmanned Underwater Vehicle, UUV)의 보조 추진 장치로 활용되고 있다.
하지만, 상기한 와류 고리 추진기는 일정한 전진 속도로 이동할 경우 프로펠러 추진 방식에 비해 추진 효율이 비교적 낮아 저속으로 운행하는 소형 무인 잠수정의 보조 추진 장치에만 적용되는 한계가 있다.
따라서, 종래의 와류 고리 추진기가 소형 무인 잠수정뿐 아니라 다양한 선박의 주 추진 장치로서 적용될 수 있도록 코안다 효과를 적용하여 추진 성능을 향상시킨 코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기의 개발이 요구되고 있다.
[특허 문헌] KR 10-2028320호 (등록일자 2019년 09월 27일)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은, 제1축 방향으로 수축 운동하는 주축 피스톤(Primary Piston) 및 상기 제1축과 수직을 이르는 제2축 방향으로 수축 운동하고, 상기 주축 피스톤의 제1출구와 이웃하도록 제2출구가 배치되는 코안다 피스톤(Coanda Piston)을 포함하며, 상기 코안다 피스톤은, 상기 제2출구 측 일정 부분이 상기 주축 제트의 추진 방향으로 굴곡진 곡률 반경을 갖는 코안다 벽(Coanda Wall)을 포함함으로써, 피스톤의 수축 운동에 의해 추진기 출구부 측에 형성되는 와류 고리(Vortex Ring) 및 이에 후행하는 후행 제트(Trailing Jet)가 형성되며, 상기 와류 고리는 코안다 피스톤의 추가적인 운동량 공급에 의해 진행 속도가 빨라지고 와류 고리의 크기가 상대적으로 크게 형성되어 와류 고리 추진기의 추진 성능이 월등히 향상되도록 구성된 코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기 및 이의 추진 성능 평가 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기는 제1축 방향으로 수축 운동하여 주축 제트(Primary Jet)를 생성하는 주축 피스톤(Primary Piston); 및 상기 제1축과 수직을 이르는 제2축 방향으로 수축 운동하여 코안다 제트(Coanda Jet)를 생성하고, 상기 주축 피스톤의 제1출구와 이웃하도록 제2출구가 배치되는 코안다 피스톤(Coanda Piston);을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 코안다 피스톤은, 상기 제2출구 측 일정부분이 상기 주축 제트의 추진 방향으로 굴곡진 곡률 반경을 갖는 코안다 벽(Coanda Wall);을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 제2출구는, 상기 제1출구와 소정으로 이격되도록 배치되어 상기 코안다 제트가 상기 제1출구와 일정 크기의 출구 높이를 갖도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명에 따른 코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기의 추진 성능 평가 방법은 추진 성능 평가 지표(η) 및 와류 고리의 동적 거동 특성에 대한 분석을 포함하며 주축 제트와 코안다 제트의 속도비(λ) 설정 단계; 코안다 벽의 곡률 반경 변화에 따른 추진 성능 비교 단계; 주축 제트와 코안다 제트 속도비의 변화에 따른 추진 성능 비교 단계; 코안다 제트의 출구 높이 변화에 따른 추진 성능 비교 단계; 및 행정비(Stroke Ratio) 변화에 따른 추진 성능 비교 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기의 추진 성능 평가 방법은, 상이한 다수개의 곡률 반경 조건과 상이한 다수개의 속도비(λ) 조건에서 와류 고리 추진기(Vortex Ring Thruster, VRT) 및 코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기(Coanda Vortex Ring Thruster, CoVoRT)의 추진 성능을 비교 및 분석하여 코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기의 추진 성능을 평가하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 추진 성능 평가 지표(η)는,
( = 피스톤 운동에 의해 유입된 에너지, = 피스톤 운동 방향의 평균 운동 에너지,
Figure 112021120942915-pat00004
= 코안다 피스톤에서 방출되는 유체의 질량,
Figure 112021120942915-pat00005
= 주축 피스톤에서 방출되는 유체의 질량,
Figure 112021120942915-pat00006
= 코안다 제트 속도,
Figure 112021120942915-pat00007
= 주축 제트 속도)인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 주축 제트와 코안다 제트의 속도비(λ)는,
(
Figure 112021120942915-pat00009
=주축 제트의 속도,
Figure 112021120942915-pat00010
= 코안다 제트의 속도) 인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 코안다 벽의 곡률 반경 변화에 따른 추진 성능 비교 단계는, 서로 다른 적어도 세 가지 이상 조건의 곡률 반경을 갖는 비교군의 추진 성능을 비교 평가하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 주축 제트와 코안다 제트 속도비(λ)의 변화에 따른 추진 성능 비교 단계는, 서로 다른 적어도 세 가지 이상 조건의 속도비를 갖는 비교군의 추진 성능을 비교 평가하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 코안다 제트의 출구 높이 변화에 따른 추진 성능 비교 단계는, 상기 주축 피스톤의 직경(D)에 대한 상기 코안다 제트의 출구 높이(
Figure 112021120942915-pat00011
)의 비(
Figure 112021120942915-pat00012
/D)가 서로 다른 적어도 세 가지 이상 조건의 비교군의 추진 성능을 비교 평가하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명에 따른 상기 행정비(Stroke Ratio) 변화에 따른 추진 성능 비교 단계는, 서로 다른 적어도 세 가지 이상 조건의 행정비를 갖는 비교군의 추진 성능을 비교 평가하고, 피스톤의 당김 변수인 상기 행정비는,
(
Figure 112021120942915-pat00014
= 주축 제트의 속도,
Figure 112021120942915-pat00015
: 주축 피스톤의 직경, T : 총 추진 시간)인 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따른 코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기 및 이의 추진 성능 평가 방법에 의하면, 주축 피스톤(Primary Piston) 및 주축 제트의 추진 방향으로 굴곡진 곡률 반경을 갖는 코안다 벽(Coanda Wall)을 갖는 코안다 피스톤을 포함함으로써, 피스톤의 수축 운동에 의해 추진기 출구부 측에 형성되는 와류 고리(Vortex Ring) 및 이에 후행하는 후행 제트(Trailing Jet)가 형성되며, 상기 와류 고리는 코안다 피스톤의 추가적인 운동량 공급에 의해 진행 속도가 빨라지고 와류 고리의 크기가 상대적으로 크게 형성되어 와류 고리 추진기의 추진 성능이 월등히 향상되는 효과가 있다.
아울러, 일정한 전진 속도로 이동할 경우 프로펠러 추진 방식에 비해 추진 효율이 낮은 한계를 갖는 종래의 와류 고리 추진기와는 달리 x축 방향으로 수축운동하는 주축 피스톤과 y축 방향으로 수축 운동하는 코안다 피스톤을 포함하여 각각의 피스톤의 수축 운동에 대한 반작용으로 추진력을 발생시킴으로써, 추진 성능이 향상되어 와류 고리 추진기가 다양한 선박의 주 추진 장치로서 적용될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기의 전반적인 구성을 나타내는 구성도이다.
도 2는 종래의 와류 고리 추진기의 구성을 나타낸 구성도이다.
도 3은 서로 다른 조건의 곡률 반경을 나타낸 도이다.
도 4는 곡률 반경 변화 및 속도비 변화에 따른 추진 성능 결과값을 비교한 표이다.
도 5는 곡률 반경 변화 및 속도비 변화에 따른 추진 성능 결과값을 비교한 그래프이다.
도 6은 속도비 변화에 따른 해석 결과를 비교한 제1도이다.
도 7은 속도비 변화에 따른 해석 결과를 비교한 제2도이다.
도 8은 속도비 변화에 따른 해석 결과를 비교한 제3도이다.
도 9는 곡률 반경 변화에 따른 해석 결과는 비교한 도이다.
도 10은 서로 다른 조건의 코안다 제트 출구 높이를 나타낸 도이다.
도 11은 코안다 제트의 출구 높이 변화에 따른 결과를 비교한 도이다.
도 12는 행정비 변화에 따른 결과를 비교한 도 및 결과값을 나타낸 표이다.
도 13은 행정비 변화에 따른 결과를 도시한 도이다.
도 14는 본 발명에 따른 코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기의 추진 성능 평가 방법의 구성을 나타낸 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명한다. 우선, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기의 전반적인 구성을 나타내는 구성도이고, 도 2는 종래의 와류 고리 추진기의 구성을 나타낸 도이다.
본 발명에 따른 코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 주축 피스톤 및 코안다 피스톤을 포함할 수 있다.
상기 주축 피스톤(Primary Piston)은 제1축 방향으로 수축 운동하여 주축 제트(Primary Jet)를 생성하도록 구성된다.
구체적으로, 상기 주축 피스톤은 제1축 방향 즉, x축 방향으로 수축 운동하여 출구부 측으로 와류 고리(Vortex Ring) 및 이에 후행하는 후행 제트(Trailing Jet)가 형성될 수 있도록 한다.
또한, 상기 주축 피스톤의 제1출구 측으로 상기 코안다 피스톤의 제2출구가 배치되고, 출구측으로 주축 제트가 생성된다.
상기 코안다 피스톤(Coanda Piston)은 상기 제1축과 수직을 이르는 제2축 방향으로 수축 운동하여 코안다 제트(Coanda Jet)를 생성하고, 상기 주축 피스톤의 제1출구와 이웃하도록 제2출구가 배치되도록 구성된다.
또한, 상기 코안다 피스톤은 상기 제2출구 측 일정부분이 상기 주축 제트의 추진 방향으로 굴곡진 곡률 반경을 갖는 코안다 벽(Coanda Wall)을 포함할 수 있다.
상기 코안다 벽은 상기 코안다 피스톤의 제2출구측 일정 부분이 주축 제트 측 방향으로 일정 각도 굴곡진 곡면으로 생성되어 곡률 반경의 증감 정도에 따라 코안다 제트에 의해 발생되는 음의 방향 와도(Vorticity) 성분의 유입 각도가 커지거나 작아지게 되어 와류 고리(Vortex Ring) 형성에 필요한 에너지 유입을 저지 또는 증대시키는 구성요소로 작용할 수 있다.
따라서, 상기 코안다 벽은 코안다 벽의 곡률 반경 변화에 따라 와류 고리 추진기의 추진 성능이 평가될 수 있다.
또한, 상기 코안다 벽은 크기가 증가할수록 코안다 제트의 속도가 증가하여 추진 성능이 향상되고, 코안다 벽의 곡률 반경이 감소할수록 코안다 제트의 속도가 감소하여 추진 성능이 저하되는 현상이 나타날 수 있다.
이는, 상기 곡률 반경이 감소할수록 상기 코안다 제트에 의해 발생하는 음의 방향 와도(Vorticity) 성분의 유입 각도가 커지게 되어 와류 고리(Vortex Ring) 형성에 필요한 에너지 유입이 저지되기 때문이다.
한편, 상기 제2출구는 상기 제1출구와 소정으로 이격되도록 배치되어 상기 코안다 제트가 상기 제1출구와 일정 크기의 출구 높이를 갖도록 구성된다.
상기 코안다 제트의 출구 높이(
Figure 112021120942915-pat00016
)는 출구 높이 변화에 따른 와류 고리 추진기(Vortex Ring Thruster, VRT) 및 코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기(Coanda Vortex Ring Thruster, CoVoRT)의 와도 컨투어(Vorticity Contour)을 비교하여 추진 성능을 평가하는 구성이다.
또한, 상기 코안다 제트의 출구 높이(
Figure 112021120942915-pat00017
) 변화에 따른 VRT와 CoVoRT 와도 윤곽을 비교할 경우,
Figure 112021120942915-pat00018
/D = 0.1 (D는 주축 피스톤의 직경)인 경우 음의 방향 와도가 코안다 제트의 수축 운동에 의해 발생한 운동량이 와류 고리(Vortex Ring)에 유입을 저지하고 이후 후행 고리(Trailing Ring)가 형성된다.
또한,
Figure 112021120942915-pat00019
/D = 0.05인 경우 추진 성능이 가장 우수한 것으로 나타난다.
이 때,
Figure 112021120942915-pat00020
= 7.62 mm 이다.
이하, 본 발명에 따른 코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기의 추진 성능 평가 방법을 설명하도록 한다.
도 14는 본 발명에 따른 코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기의 추진 성능 평가 방법의 구성을 나타낸 블록도이다.
본 발명에 따른 코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기의 추진 성능 평가 방법은 도 14에 도시된 바와 같이 추진 성능 평가 지표(η) 및 주축 제트와 코안다 제트의 속도비(λ) 설정 단계(S100), 코안다 벽의 곡률 반경 변화에 따른 추진 성능 비교 단계(S200), 주축 제트와 코안다 제트 속도비의 변화에 따른 추진 성능 비교 단계(S300), 코안다 제트의 출구 높이 변화에 따른 추진 성능 비교 단계(S400) 및 행정비(Stroke Ratio) 변화에 따른 추진 성능 비교 단계(S500)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기의 추진 성능 평가 방법은 3가지 곡률 반경 조건과 3가지 속도비 조건에서 VRT 와 CoVoRT의 추진 성능을 비교 분석하는 평가 분석 방법으로, 추진 성능 평가 지표를 이용한 정량적 비교 및 와류 고리(Vortex Ring) 형성 및 분리 관점에서 분석을 수행하게 된다.
피스톤 운동 구현 방식에 따른 해석 결과를 비교하며, 시간 스케일의 무차원 수인 formation time인
Figure 112021120942915-pat00021
에 따라 결과를 도시하면,
이다.
또한, 피스톤 수축 길이 및 제트 속도의 설정에서 피스톤의 수축 길이는 6
Figure 112021120942915-pat00023
이며, 제트는 등속운동을 하고 속도(
Figure 112021120942915-pat00024
)는 0.1524 m/s로 나타난다.
또한, 코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기의 추진 성능 평가의 해석자 검증을 위한 물리량 비교는 Rosenfeld(1998)와 Zhang 등(2020) 등이 수행한 CFD 해석 결과와 Gharib 등(1998)등이 수행한 실험 결과와 비교한다.
Gharib 등(1998)은 vortex circulation의 최대값이 Total circulation과 동일할 때의 formation time을 formation number로 정의하였으며, 이는 Pinch-Off 과정이 발생하는 시간을 의미한다.
또한, 상기 Pinch-Off 현상은 후행 고리(Vortex Ring)가 후행 제트(Trailing Jet)와 분리되는 현상을 의미한다.
상기 추진 성능 평가 지표는 피스톤 운동에 의해 유입된 에너지 대비 전체 도메인에 발생한 피스톤 운동 방향(제1방향 즉, x축 방향)의 유동 방향 평균 운동 에너지 를 추진 성능 평가 지표(Propulsion Performance Evaluation Index, PPEI) η로 설정하고, 상기 η는 아래와 같은 관계식을 갖는다.
이 때,
Figure 112021120942915-pat00028
와
Figure 112021120942915-pat00029
는 각각 코안다 피스톤(200)과 주축 피스톤(100)이 수축 운동하여 방출하는 유체의 질량을 나타낸다.
또한,
Figure 112021120942915-pat00030
와
Figure 112021120942915-pat00031
는 각각 코안다 피스톤(200)과 주축 피스톤(100)의 속도를 나타낸다. 즉,
Figure 112021120942915-pat00032
와
Figure 112021120942915-pat00033
는 각각 코안다 제트와 주축 제트의 속도를 나타낸다.
또한, 상기 추진 성능 평가 지표는 종래의 VRT와 CoVoRT의 추진 성능 평가 지표의 정량적 비교를 위한 것으로, 분모는 인풋으로 들어가는 에너지 즉, 유입 에너지량이고, 분자의 경우에는 계산 영역에 해당하는 축 방향 속도 즉, 추진에 쓰이는 에너지로 아웃풋에 해당하는 에너지를 나타낸다.
또한, 상기 주축 제트와 코안다 제트의 속도의 비(λ)는 주축 제트의 속도(
Figure 112021120942915-pat00034
)와 코안다 제트의 속도(
Figure 112021120942915-pat00035
)의 비로 설정된다.
즉, λ는 아래와 같다.
도 3은 서로 다른 조건의 곡률 반경을 나타낸 도이고, 도 4는 곡률 반경 변화 및 속도비 변화에 따른 추진 성능 결과값을 비교한 표이며, 도 5는 곡률 반경 변화 및 속도비 변화에 따른 추진 성능 결과값을 비교한 그래프이고, 도 9는 곡률 반경 변화에 따른 해석 결과는 비교한 도이다.
본 발명에 따른 상기 코안다 벽의 곡률 반경 변화에 따른 추진 성능 비교 단계(S200)는 도 3 내지 도 5 및 도 9에 도시된 바와 같이 서로 다른 적어도 세 가지 이상 조건의 곡률 반경을 갖는 비교군의 추진 성능을 비교 평가한다.
구체적으로, 상기 코안다 벽의 곡률 반경 변화에 따른 추진 성능 비교 단계(S200)는 코안다 벽(220)의 곡률 반경 변화에 따른 VRT 및 CoVoRT의 추진 성능을 비교 분석하는 단계로서, 코안다 벽의 곡률 반경 변화에 따른 VRT와 CoVoRT의 와도 컨투어(Vorticity Contour)를 비교하여 성능 평가를 실행하는 단계이다.
또한, 상기 비교 단계에서 코안다 벽(220)에 의해 발생하는 음의 와류가 곡률 반경이 감소함에 따라 유입 각도가 커져 와류 고리(Vortex Ring) 형성에 필요한 에너지 유입을 저지하는 영향이 커지는 것을 알 수 있다.
또한, 코안다 벽(220)의 곡률 반경은 도 3에 도시된 바와 같이 R87(0.87
Figure 112021120942915-pat00037
), R83(0.83
Figure 112021120942915-pat00038
), R79(0.79
Figure 112021120942915-pat00039
)로 설정되어 비교 평가를 수행한다. 이 때,
Figure 112021120942915-pat00040
는 주축 피스톤의 직경을 나타낸다.
이 때, 코안다 제트의 출구부 길이가 주축 제트의 10%로 설정하고, λ= 0.5, 1.0, 2.0 인 경우에 대해 CFD 해석을 수행한다.
평가 결과, λ= 1.0 이고, 곡률 반경이 R87인 CoVoRT의 경우 최대 50% 정도의 추진 성능이 향상된다.
또한, λ= 2.0 인 경우, CoVoRT는 모든 곡률 반경에서 VRT에 비해 추진 성능이 저하된다.
즉, 곡률 반경이 작아지는 경우, 주축 제트가 출구부쪽으로 유출될 때 유입 각도가 커지게 되어 와류 고리 형성에 필요한 에너지 유입이 저지되는 경향이 나타나게 된다.
따라서, 코안다 벽의 곡률 반경이 클수록 추진 성능이 향상되게 된다.
도 6은 속도비 변화에 따른 해석 결과를 비교한 제1도이고, 도 7은 속도비 변화에 따른 해석 결과를 비교한 제2도이며, 도 8은 속도비 변화에 따른 해석 결과를 비교한 제3도이다.
본 발명에 따른 상기 주축 제트와 코안다 제트 속도비(λ)의 변화에 따른 추진 성능 비교 단계(S300)는 도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이 서로 다른 적어도 세 가지 이상 조건의 속도비를 갖는 비교군의 추진 성능을 비교 평가한다.
또한, 주축 제트와 코안다 제트 속도 비의 변화에 따른 추진 성능 비교 단계(S300)는 코안다 제트의 속도 변화에 따른 VRT와 CoVoRT의 와도 컨투어(Vorticity Contour)를 비교하여 성능 평가를 실행하는 단계이다.
이 때, 속도비 λ는 0.5, 1.0, 2.0 인 경우에 대해 CFD 해석을 수행한다.
평가 결과, 코안다 제트의 속도가 증가할수록 (즉, λ가 증가할수록) 와류 고리(Vortex Ring)와 음의 와류가 후행 제트(Trailing Jet)를 따라 진행하면서 와류 고리 형성에 영향을 끼치는 것을 알 수 있다.
또한, λ= 2.0 인 경우, 음의 방향 Vorticity 성분이 와류 고리(Vortex Ring) 형성에 필요한 에너지 유입을 저지하게 된다.
따라서, 코안다 제트의 속도 변화에 따른 VRT 와 CoVoRT의 와도 윤곽을 비교한 결과, λ= 0.5 인 경우, VRT에 비해 후행 제트(Trailing Jet)의 유입되는 vorticity의 크기가 증가하고, 코안다 제트로 인한 운동량 유입으로 와류 고리(Vortex Ring)의 전진 속도가 빠르게 나타난다.
즉, λ= 0.5 인 경우에는 CoVoRT의 와류 고리는 VRT의 와류 고리에 비해 코안다 피스톤의 추가적인 운동량 공급으로 인해 와류 고리의 진행 속도가 빠르고 와류 고리의 크기가 상대적으로 크게 나타난다.
한편, λ= 2.0 인 경우, formation time 이 증가함에 따라 코안다 제트로 인한 과도한 운동량 유입으로 선행하는 와류 고리(leading vortex ring)의 pinch-off 현상이 발생하게 된다.
와류 고리와 후행 제트의 상호 작용으로 나타나는 pinch-off 현상은 추진 성능에 좋지 않은 영향을 주는 것으로, VRT와 CoVoRT의 와류 고리의 동적 특성을 비교한 결과 PPEI 경향과 유사한 것을 알 수 있다.
결과적으로, CoVoRT의 추진 성능이 VRT에 비해 우수하게 나타난다.
도 10은 서로 다른 조건의 코안다 제트 출구 높이를 나타낸 도이고, 도 11은 코안다 제트의 출구 높이 변화에 따른 결과를 비교한 도이다.
본 발명에 따른 상기 코안다 제트의 출구 높이 변화에 따른 추진 성능 비교 단계(S400)는 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이 상기 주축 피스톤(100)의 직경(D)에 대한 상기 코안다 제트의 출구 높이()의 비(/D)가 서로 다른 적어도 세 가지 이상 조건의 비교군의 추진 성능을 비교 평가한다.
또한, 상기 코안다 제트의 출구 높이 변화에 따른 추진 성능 비교 단계(S400)는 코안다 제트의 출구 높이 변화에 따른 VRT 와 CoVoRT의 와도 컨투어(Vorticity Contour)를 비교하여 성능 평가를 실행하는 단계이다.
이 때, 상기 코안다 제트의 출구 높이(
Figure 112021120942915-pat00043
)를 주축 피스톤의 직경(D)으로 나눈 값 즉,
Figure 112021120942915-pat00044
/D는 0.05, 0.075 및 0.1 의 조건으로 비교 평가를 수행할 수 있다.
Figure 112021120942915-pat00045
/D = 0.1 인 경우, 음의 와류가 코안다 제트의 수축 운동에 의해 발생한 운동량이 와류 고리에 유입을 저지하고 이후 후행 고리를 형성하게 된다.
또한,
Figure 112021120942915-pat00046
/D = 0.05 인 경우(이 때,
Figure 112021120942915-pat00047
= 7.62mm) 추진 성능이 가장 우수하게 나타난다.
즉, 코안다 제트의 출구 높이가 작을수록 추진 성능이 향상된다.
도 12는 행정비 변화에 따른 결과를 비교한 도 및 결과값을 나타낸 표이고, 도 13은 행정비 변화에 따른 결과를 도시한 도이다.
본 발명에 따른 상기 행정비(Stroke Ratio) 변화에 따른 추진 성능 비교 단계(S500)는 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이 서로 다른 적어도 세 가지 이상 조건의 행정비를 갖는 비교군의 추진 성능을 비교 평가할 수 있다.
또한, 상기 행정비(Stroke Ratio) 변화에 따른 추진 성능 비교 단계(S500)는 행정비 변화에 따른 VRT 와 CoVoRT의 와도 컨투어(Vorticity Contour)를 비교하여 성능 평가를 실행하는 단계이다.
상기 행정비는 피스톤을 얼마나 당길지에 대한 변수로써, 행정비가 크면 피스톤을 많이 당기는 것이고, 행정비가 작으면 피스톤을 적게 당기는 것을 나타낸다.
또한, 상기 행정비는 아래와 같은 관계식을 갖는다.
행정비가 큰 경우 많은 운동량 유입으로 와류 고리의 전진 속도가 빠르게 나타나고, 후행 제트 및 와류 고리의 z 방향 와도가 크다.
따라서, 행정비가 큰 CoVoRT의 경우(도 13에서 행정비가 8인 경우) 후행 고리가 생성되어 추진 성능이 저하되게 된다.
이는, 행정비가 크게 되면 음의 와류가 출구부까지 진전되면서 주축 제트와 코안다 제트가 운동량이 합쳐지지 못하고 분리가 됨에 따라 에너지 유입이 적게 되어 후행 고리가 형성되게 된다.
본 발명에서 상기 행정비는 4, 6, 8 인 조건으로 비교 평가를 수행한다.
이 때, 상기 행정비가 4의 경우, 추진 성능이 가장 우수하게 나타난다.
결과적으로, 코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기의 추진 성능 평가 방법에 의한 CoVoRT의 추진 성능은 곡률 반경이 작고, 속도의 비가 1일 때, 추진 성능이 비교적 우수하게 나타난다.
또한, 코안다 제트의 출구 높이
Figure 112021120942915-pat00049
/D = 0.05 이고 행정비가 4일 때 추진 성능이 우수하게 나타났으며, 이는 VRT에 비해 최대 67%가 향상된 성능이 나타나게 된다.
상기와 같은 본 발명에 따른 코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기 및 이의 추진 성능 평가 방법에 의하면, 주축 피스톤(Primary Piston) 및 주축 제트의 추진 방향으로 굴곡진 곡률 반경을 갖는 코안다 벽(Coanda Wall)을 갖는 코안다 피스톤을 포함함으로써, 피스톤의 수축 운동에 의해 추진기 출구부 측에 형성되는 와류 고리(Vortex Ring) 및 이에 후행하는 후행 제트(Trailing Jet)가 형성되며, 상기 와류 고리는 코안다 피스톤의 추가적인 운동량 공급에 의해 진행 속도가 빨라지고 와류 고리의 크기가 상대적으로 크게 형성되어 와류 고리 추진기의 추진 성능이 월등히 향상되는 효과가 있다.
아울러, 일정한 전진 속도로 이동할 경우 프로펠러 추진 방식에 비해 추진 효율이 낮은 한계를 갖는 종래의 와류 고리 추진기와는 달리 x축 방향으로 수축운동하는 주축 피스톤과 y축 방향으로 수축 운동하는 코안다 피스톤을 포함하여 각각의 피스톤의 수축 운동에 대한 반작용으로 추진력을 발생시킴으로써, 추진 성능이 향상되어 와류 고리 추진기가 다양한 선박의 주 추진 장치로서 적용될 수 있는 효과가 있다.
이에 설명한 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 용어 및 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 도면 및 실시 예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
1 : 코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기
100 : 주축 피스톤
200 : 코안다 피스톤
220 : 코안다 벽
S100 : 추진 성능 평가 지표(η) 및 주축 제트와 코안다 제트의 속도비(λ) 설정 단계
S200 : 코안다 벽의 곡률 반경 변화에 따른 추진 성능 비교 단계
S300 : 주축 제트와 코안다 제트 속도비의 변화에 따른 추진 성능 비교 단계
S400 : 코안다 제트의 출구 높이 변화에 따른 추진 성능 비교 단계
S500 : 행정비(Stroke Ratio) 변화에 따른 추진 성능 비교 단계

Claims (11)

  1. 제1축 방향으로 수축 운동하여 주축 제트(Primary Jet)를 생성하는 주축 피스톤(Primary Piston); 및
    상기 제1축과 수직을 이르는 제2축 방향으로 수축 운동하여 코안다 제트(Coanda Jet)를 생성하고, 상기 주축 피스톤의 제1출구와 이웃하도록 제2출구가 배치되는 코안다 피스톤(Coanda Piston); 을 포함하고,
    상기 코안다 피스톤은,
    상기 제2출구 측 일정부분이 상기 주축 제트의 추진 방향으로 굴곡진 곡률 반경을 갖는 코안다 벽(Coanda Wall); 을 포함하는 것을 특징으로 하는 코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제2출구는,
    상기 제1출구와 소정으로 이격되도록 배치되어 상기 코안다 제트가 상기 제1출구와 일정 크기의 출구 높이를 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는 코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기.
  4. 제 1항 및 제 3항 중 어느 한 항에 따른 코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기의 추진 성능 평가 방법에 있어서,
    추진 성능 평가 지표(η) 및 주축 제트와 코안다 제트의 속도비(λ) 설정 단계;
    코안다 벽의 곡률 반경 변화에 따른 추진 성능 비교 단계;
    주축 제트와 코안다 제트 속도 비의 변화에 따른 추진 성능 비교 단계;
    코안다 제트의 출구 높이 변화에 따른 추진 성능 비교 단계; 및
    행정비(Stroke Ratio) 변화에 따른 추진 성능 비교 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기의 추진 성능 평가 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기의 추진 성능 평가 방법은,
    상이한 다수개의 곡률 반경 조건과 상이한 다수개의 속도비(λ) 조건에서 와류 고리 추진기(Vortex Ring Thruster, VRT) 및 코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기(Coanda Vortex Ring Thruster, CoVoRT)의 추진 성능을 비교 및 분석하여 코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기의 추진 성능을 평가하는 것을 특징으로 하는 코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기의 추진 성능 평가 방법.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 추진 성능 평가 지표(η)는,

    ( = 피스톤 운동에 의해 유입된 에너지, = 피스톤 운동 방향의 평균 운동 에너지,
    Figure 112021120942915-pat00053
    = 코안다 피스톤에서 방출되는 유체의 질량,
    Figure 112021120942915-pat00054
    = 주축 피스톤에서 방출되는 유체의 질량,
    Figure 112021120942915-pat00055
    = 코안다 제트 속도,
    Figure 112021120942915-pat00056
    = 주축 제트 속도)
    인 것을 특징으로 하는 코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기의 추진 성능 평가 방법.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 주축 제트와 코안다 제트의 속도비(λ)는,

    (
    Figure 112021120942915-pat00058
    =주축 제트의 속도,
    Figure 112021120942915-pat00059
    = 코안다 제트의 속도)
    인 것을 특징으로 하는 코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기의 추진 성능 평가 방법.
  8. 제 4항에 있어서,
    상기 코안다 벽의 곡률 반경 변화에 따른 추진 성능 비교 단계는,
    서로 다른 적어도 세 가지 이상 조건의 곡률 반경을 갖는 비교군의 추진 성능을 비교 평가하는 것을 특징으로 하는 코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기의 추진 성능 평가 방법.
  9. 제 4항에 있어서,
    상기 주축 제트와 코안다 제트 속도비(λ)의 변화에 따른 추진 성능 비교 단계는,
    서로 다른 적어도 세 가지 이상 조건의 속도비를 갖는 비교군의 추진 성능을 비교 평가하는 것을 특징으로 하는 코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기의 추진 성능 평가 방법.
  10. 제 4항에 있어서,
    상기 코안다 제트의 출구 높이 변화에 따른 추진 성능 비교 단계는,
    상기 주축 피스톤의 직경(D)에 대한 상기 코안다 제트의 출구 높이(
    Figure 112021120942915-pat00060
    )의 비(
    Figure 112021120942915-pat00061
    /D)가 서로 다른 적어도 세 가지 이상 조건의 비교군의 추진 성능을 비교 평가하는 것을 특징으로 하는 코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기의 추진 성능 평가 방법.
  11. 제 4항에 있어서,
    상기 행정비(Stroke Ratio) 변화에 따른 추진 성능 비교 단계는,
    서로 다른 적어도 세가지 이상 조건의 행정비를 갖는 비교군의 추진 성능을 비교 평가하고,
    피스톤의 당김 변수인 상기 행정비는,

    (
    Figure 112021120942915-pat00063
    = 주축 제트의 속도,
    Figure 112021120942915-pat00064
    : 주축 피스톤의 직경, T : 총 추진 시간)
    인 것을 특징으로 하는 코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기의 추진 성능 평가 방법.
KR1020210141276A 2021-10-21 2021-10-21 코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기 및 이의 추진 성능 평가 방법 KR102589128B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210141276A KR102589128B1 (ko) 2021-10-21 2021-10-21 코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기 및 이의 추진 성능 평가 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210141276A KR102589128B1 (ko) 2021-10-21 2021-10-21 코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기 및 이의 추진 성능 평가 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20230057164A KR20230057164A (ko) 2023-04-28
KR102589128B1 true KR102589128B1 (ko) 2023-10-13

Family

ID=86143059

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210141276A KR102589128B1 (ko) 2021-10-21 2021-10-21 코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기 및 이의 추진 성능 평가 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102589128B1 (ko)

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100668122B1 (ko) * 2005-03-25 2007-01-12 이재형 다양한 환형슬릿을 가지는 스파이럴 노즐
KR102028320B1 (ko) 2019-01-17 2019-10-04 엘아이지넥스원 주식회사 와류를 이용한 일체형 추진 장치 및 이의 에너지 하베스팅 시스템

Also Published As

Publication number Publication date
KR20230057164A (ko) 2023-04-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2499739C2 (ru) Реактивный двигатель сверхзвукового летательного аппарата
Staats et al. Active control of the corner separation on a highly loaded compressor cascade with periodic nonsteady boundary conditions by means of fluidic actuators
US7234914B2 (en) Apparatus and method for enhancing lift produced by an airfoil
AU2020201562B2 (en) Jet-turbine and jet-ventilator
KR102589128B1 (ko) 코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기 및 이의 추진 성능 평가 방법
Won et al. Design optimization of duct-type AUVs using CFD analysis
Mirzaei et al. A novel configuration optimization for high-speed ventilated supercavitating vehicles
Brown et al. Development of a ducted propulsor for bli electric regional aircraft-part I: Aerodynamic design and analysis
Kubota et al. Aerodynamic performances of a combined cycle inlet
Lin et al. Cavity evolution of ventilated vehicle launch under a rolling condition
Conners et al. The feasibility of high-flow nacelle bypass for low sonic boom propulsion system design
Tormalm Flow control using vortex generators or micro-jets applied in an UCAV intake
Celik et al. Investigation of the optimum duct Geometry for A Passenger ferry
Weir et al. A new design concept for supersonic axisymmetric inlets
Alyanak et al. Variable shape cavitator design for a supercavitating torpedo
RU2718816C1 (ru) Способ для снижения лобового сопротивления при обтекании тела потоком жидкой или газовой среды
Pashias et al. Hydrodynamic design of a bi-directional, rim-driven ducted thruster suitable for underwater vehicles
Rakesh et al. Fluidic Thrust Vectoring of Engine Nozzle
RU2629340C1 (ru) Способ создания тяги двигателя
RU2454354C2 (ru) Реактивный двигатель сверхзвукового летательного аппарата
Kiran Grandhi et al. Effect of Axial Location on the Performance of a Control Jet in a Supersonic Cross Flow
Chhavi et al. Adaptation of Sailfish topology in fuselage design and performance comparison with modern fuselage
RU2782411C1 (ru) Воздухозаборное устройство сверхзвукового летательного аппарата
Rohr et al. A numerical study of active flow control for low pressure turbine blades
US20150098842A1 (en) Impulse Plus Propulsion System

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant