KR20070067760A - The vehicle moving in water with drag reduction device using ultrasonic forcing - Google Patents

The vehicle moving in water with drag reduction device using ultrasonic forcing Download PDF

Info

Publication number
KR20070067760A
KR20070067760A KR1020050128953A KR20050128953A KR20070067760A KR 20070067760 A KR20070067760 A KR 20070067760A KR 1020050128953 A KR1020050128953 A KR 1020050128953A KR 20050128953 A KR20050128953 A KR 20050128953A KR 20070067760 A KR20070067760 A KR 20070067760A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
ultrasonic
water
excitation
wall
air bubbles
Prior art date
Application number
KR1020050128953A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR100767713B1 (en
Inventor
성형진
박영수
Original Assignee
한국과학기술원
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 한국과학기술원 filed Critical 한국과학기술원
Priority to KR1020050128953A priority Critical patent/KR100767713B1/en
Publication of KR20070067760A publication Critical patent/KR20070067760A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR100767713B1 publication Critical patent/KR100767713B1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63BSHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B1/00Hydrodynamic or hydrostatic features of hulls or of hydrofoils
    • B63B1/32Other means for varying the inherent hydrodynamic characteristics of hulls
    • B63B1/34Other means for varying the inherent hydrodynamic characteristics of hulls by reducing surface friction
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06BMETHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63BSHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B1/00Hydrodynamic or hydrostatic features of hulls or of hydrofoils
    • B63B1/32Other means for varying the inherent hydrodynamic characteristics of hulls
    • B63B1/34Other means for varying the inherent hydrodynamic characteristics of hulls by reducing surface friction
    • B63B1/38Other means for varying the inherent hydrodynamic characteristics of hulls by reducing surface friction using air bubbles or air layers gas filled volumes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63BSHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B1/00Hydrodynamic or hydrostatic features of hulls or of hydrofoils
    • B63B1/32Other means for varying the inherent hydrodynamic characteristics of hulls
    • B63B1/34Other means for varying the inherent hydrodynamic characteristics of hulls by reducing surface friction
    • B63B1/38Other means for varying the inherent hydrodynamic characteristics of hulls by reducing surface friction using air bubbles or air layers gas filled volumes
    • B63B2001/387Other means for varying the inherent hydrodynamic characteristics of hulls by reducing surface friction using air bubbles or air layers gas filled volumes using means for producing a film of air or air bubbles over at least a significant portion of the hull surface
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T70/00Maritime or waterways transport
    • Y02T70/10Measures concerning design or construction of watercraft hulls

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Ocean & Marine Engineering (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Abstract

A vehicle moving in water with a drag reduction unit using ultrasonic wave is provided to reduce the frictional resistance by generating minute air bubbles by attaching an ultrasonic vibrator to a surface of the vehicle making contact with the water surface. A vehicle moving in water with a drag reduction unit using ultrasonic wave includes a unit for reducing the frictional force by generating minute air bubbles by attaching an ultrasonic vibrator to a surface of the vehicle making contact with the water surface. If an electric signal corresponding to the natural frequency of a vibrator is applied from an ultrasonic wave oscillating unit(2), the vibrator generates resonance and converts the electrical signal to vibration which is a mechanical signal.

Description

초음파를 이용한 항력감소 장치를 구비한 물과 접하여 운동하는 운송체 {The vehicle moving in water with drag reduction device using ultrasonic forcing} Vehicle moving in contact with water with drag reduction device using ultrasonic wave {The vehicle moving in water with drag reduction device using ultrasonic forcing}

도 1은 초음파 가진 장비의 원리를 설명하는 도면,1 is a view for explaining the principle of the ultrasound excitation equipment,

도 2는 초음파 가진기를 이용한 본 발명을 입증하기 위한 실험의 개략도를 나타낸 도면Figure 2 shows a schematic diagram of an experiment for demonstrating the present invention using the ultrasonic wave excitation

도 3은 본 발명을 입증하는 실험을 통해 얻어진 초음파 가진 후 마찰저항의 변화를 나타낸 도면3 is a view showing a change in the frictional resistance after the ultrasonic wave obtained through the experiment to prove the present invention

도 4는 본 발명을 입증하는 실험을 통해 얻어진 초음파 가진 후 유동방향 속도의 변화를 나타낸 도면4 is a view showing a change in the flow direction velocity after the ultrasonic wave obtained through the experiment to prove the present invention

도 5는 본 발명을 입증하는 실험을 통해 얻어진 초음파 가진 후 벽면 수직방향 속도의 변화를 나타낸 도면5 is a view showing the change in the vertical velocity of the wall surface after the ultrasonic wave obtained through the experiment to prove the present invention

***도면의 주요부호에 대한 설명****** Explanation of major symbols in drawings ***

1: 수조 11: 수조 바닦1: tank 11: basin

2: 운송체 모형 3: 가진장치2: Vehicle Model 3: Exciter

4: 촬영부4: shooting unit

본 발명은 선박과 같은 유체에서 운동하는 물체에 발생되는 마찰저항을 감소시키기 위하여 초음파를 이용한 항력감소장치를 구비한 물과 접하여 운동하는 운송체에 관한 것이다.The present invention relates to a vehicle moving in contact with water having a drag reduction device using ultrasonic waves in order to reduce frictional resistance generated in an object moving in a fluid such as a ship.

유체 내에서 운동하는 물체는 표면에서 경계층이 생성되며 유체와의 상호작용으로 마찰저항을 받으면서 운동한다. 특히 물과 접촉하며 운동하는 선박에 있어 마찰저항이 차지하는 비중은 전체 저항의 80%를 차지하고 있다. 최근에는 컴퓨터의 발달과 더불어 활발해진 직접 수치 모사(Direct Numerical Simulation, 이하 DNS라 함)방법을 통해 난류경계층 내부의 응집구조(coherent structure)가 밝혀지면서 이를 제어해 난류경계층의 마찰저항을 감소시키려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 로빈슨(Robinson, 1991)은 DNS를 통하여 난류경계층에서 표면마찰은 벽면과 아주 가까이 위치한 유선 와류(streamwise vortex)의 벽을 향한 속도성분(sweep)과 관계가 있는 것을 보여주었다. 따라서 항공우주, 선박추진과 소음제어분야 등 많은 분야에서 해당 난류유동에 존재하는 유선 와류를 효과적으로 제어함으로써 표면마찰 감소 효과를 가져 올 수 있다. 직접 수치 모사를 통하여 벽 근처의 수직 방향 속도 성분과 반대 위상을 갖는 흡입/분사를 벽면 전체에 적용함으로써 유선 와도(streamwise vorticity)를 약화시키고 결과적으로 표면 마찰도 감소시켰다(Choi et al.(1994)). 그러나 이러한 제어는 아주 미소한 감지기(sensor)와 구동기 (actuator)를 무한히 필요로 하기 때문에 아직까지는 기술적으로 실현하기는 힘들다. 현장에서 실용화를 위해서는 리블렛과 유동벽면과 같은 수동적인 제어(passive control) 방법들이 수행되어 왔다. 하지만 이런 수동제어 방법은 방법이 단순하다는 장점이 있는 반면에 유동장의 변화에 대응할 수 없기 때문에 유동조건에 따라 제어의 결과가 다르게 나타나는 단점이 있다. 이와 같은 문제점을 보안하기 위해서 국소가진을 이용하여 유동장을 제어하고자 하는 연구가 활발히 이루어지고 있다. Objects moving in a fluid create a boundary layer at the surface and move under frictional resistance through interaction with the fluid. In particular, friction resistance accounts for 80% of the total resistance in ships moving in contact with water. Recently, the coherent structure inside the turbulent boundary layer is revealed through direct numerical simulation (DNS), which has been actively developed with the development of computers, and the research is aimed at reducing the frictional resistance of the turbulent boundary layer by controlling it. Is actively underway. Robinson (1991) has shown through DNS that surface friction in the turbulent boundary layer is related to the velocity towards the wall of a streamwise vortex located very close to the wall. Therefore, in many fields, such as aerospace, ship propulsion, and noise control, effective friction control of wired vortices in the turbulent flow can reduce surface friction. Direct numerical simulation applied inhalation / injection with a phase opposite to the vertical velocity component near the wall, which weakened streamwise vorticity and consequently reduced surface friction (Choi et al. (1994)). ). However, this control is still technically difficult to realize because it requires infinitely small detectors and actuators. For practical use in the field, passive control methods such as riblets and flow walls have been performed. However, this manual control method has the advantage that the method is simple, but can not cope with changes in the flow field, the result of the control is different depending on the flow conditions. In order to secure such a problem, researches to control the flow field using local vibration have been actively conducted.

국소가진을 이용해 경계층의 마찰저항을 줄이는 연구분야 중 대표적인 방법이 미소공기방울(microairbubble)을 경계층 내에 주입하는 방법이다. McCormick and Bhattacharyya(1973)는 물속에서 실험체의 표면에 구리선을 설치하여 물을 전기분해 시켜 생성된 공기방울을 이용하여 항력을 10~30%를 감소시켰다. Pal et al.(1988)과 Kato et al.(2000)과 Kodama et al.(2000)은 유속이 낮고 유입되는 공기의 양이 많을수록 마찰저항 감소량이 크며 이 때 벽면부근에서의 미소공기의 양이 중요한 인자라는 것을 확인하였다. Xu et al.(2002)는 DNS 계산을 통하여 유동장에 유입되는 공기방울의 크기가 작을수록 마찰저항 감소량이 크며 미소공기방울이 유입되면 벽면의 streak 구조가 벽면에서 떠오르며 streak간의 거리가 멀어지는 것을 확인했다. Ferrante and Elghobashi(2004)은 DNS를 통하여 미소공기방울이 유동장에 주입된 후 벽면수직방향 속도 성분이 크게 증가하며 벽면에서 속도성분 모우션(sweep motion)을 야기하는 스트릭스(streaks)의 횡방향 거리가 증가하는 것을 확인하였다. 또한 레이놀드 응력프러덕션(Reynolds stress production)의 피크(peak) 위치가 벽면에서 멀어지면서 터뷰런트 운동에너지(turbulent kinetic energy)의 프러덕션(production)이 작아지는 것을 확인했다. Representative method of reducing frictional resistance of boundary layer by using local vibration is the method of injecting microairbubble into boundary layer. McCormick and Bhattacharyya (1973) reduced drag by 10–30% using air bubbles created by electrolysis of water by placing copper wires on the surface of the specimen in water. Pal et al. (1988), Kato et al. (2000), and Kodama et al. (2000) show that the lower the flow rate and the greater the amount of inflow air, the greater the frictional resistance decrease, and the amount of micro air near the wall It was confirmed that it is an important factor. Xu et al. (2002) confirmed that the smaller the size of air bubbles entering the flow field, the greater the frictional resistance reduction, and the smaller the air bubbles, the more streak structures on the wall and the longer the distance between streaks. Ferrante and Elghobashi (2004) show that the vertical velocity component of the wall is greatly increased after micro air bubbles are injected into the flow field through DNS, and the lateral distance of the streaks causing the velocity component motion in the wall is increased. It was confirmed to increase. We also confirmed that the peak position of Reynolds stress production moved away from the wall, resulting in a smaller production of turbulent kinetic energy.

위와 같이 미소공기 방울을 유동장에 직접 분사하는 방법들을 사용하기 위해서는 표면에 슬롯이나 홀을 뚫어 공기방울을 유동장에 직접 유입시켜야한다. 이런 방법은 선박의 표면에 많은 변화를 요구하기 때문에 실선에 적용하는데 많은 제약이 따른다. In order to use the method of directly injecting the air bubbles into the flow field as described above, air bubbles must be introduced directly into the flow field by drilling a slot or a hole in the surface. Since this method requires a lot of changes on the surface of the ship, there are many limitations in applying it to the solid line.

즉 현제 사용되고 있는 고분자중합체(polymer)와 활발히 연구되고 있는 미소공기방울 유입을 위해서는 선박표면에 다공성면(porous surface)이나 슬롯(slot)을 설치해야 한다. 이와 같은 선박의 표면변화는 기존의 제조과정 중에서 많은 변화를 요구하기 때문에 실제 적용에 많은 문제점이 있다.In other words, for the introduction of the polymer and the air bubbles are being actively studied, a porous surface or a slot must be installed on the surface of the ship. Such a surface change of the ship requires many changes in the existing manufacturing process, there are many problems in the practical application.

본 발명은 물과 접하여 운동하는 운송체의 항력저항을 감소하기 위하여 유동장내에 미소공기방울을 생성시켜 물과의 마찰 저항을 감소시키는 일환으로 초음파 가진을 이용하였다. 초음파 가진을 이용할 때의 장점은 벽면에 많은 변화를 요구하지 않는다는 것과 가진의 강도 조절이 용이하다는 것이다. 이 장치는 널리 사용되고 있는 초음파 세척기의 원리를 이용한 것인데, 초음파 세척기는 유체내부에 압력변화를 발생시켜 캐비테이션(cavitation)을 일으키며, 이렇게 캐비테이션이 발생하면 미소공기방울이 유동장내에 생성되기 때문에 미소공기방울을 유동장에 직접 넣어주는 방법을 대체할 수 있음을 이용한다.The present invention uses ultrasonic excitation as part of reducing the frictional resistance with water by generating micro air bubbles in the flow field in order to reduce the drag resistance of the vehicle moving in contact with water. The advantages of using an ultrasonic excitation are that it does not require much change on the wall and the strength of the excitation can be easily adjusted. This device uses the principle of the ultrasonic cleaner which is widely used. The ultrasonic cleaner generates cavitation by generating a pressure change inside the fluid. When the cavitation occurs, micro air bubbles are generated in the flow field. It can be used as an alternative to putting it directly in the.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 기존의 선박 등 물과 접하여 운동하는 운송체의 마찰저항감소 기법들이 가지는 문제점인 운송체 표면의 변화를 최소화 해 실제 선박과 같은 운송체적용에 좀 더 적합한 방법을 개발하는 것이다. 현제 사용되고 있는 고분자중합체(polymer)와 활발히 연구되고있는 미소공기방울 유입을 위해서는 선박표면에 다공성면(porous surface)이나 슬롯(slot)을 설치해야 한다. 이와 같은 선박의 표면변화는 기존의 제조과정 중에서 많은 변화를 요구하기 때문에 실제 적용에 많은 문제점이 있다. 하지만 초음파 가진을 이용하게 되면 인가되는 전기 신호를 기계 신호인 진동으로 변화시켜 케비테이션을 발생시키고 이를 통하여 미소공기방울이 유동장 내에 무수히 많이 생성된다. 따라서 선박표면에 큰 변화 없이 손쉽게 미소공기방울을 유동장내에 생성시킬 수 있기 때문에 기존 방법들의 단점을 보완할 수 있다The technical problem to be achieved by the present invention is to develop a method that is more suitable for the application of a vehicle such as a ship by minimizing the change in the surface of the vehicle, which is a problem with the frictional resistance reduction techniques of a vehicle moving in contact with water such as an existing ship. It is. Porous surface or slot should be installed on the surface of the vessel for the introduction of the polymer and the air bubbles which are being actively studied. Such a surface change of the ship requires many changes in the existing manufacturing process, there are many problems in the practical application. However, when the ultrasonic excitation is used, cavitation is generated by changing the applied electric signal into vibration, which is a mechanical signal, and through this, numerous air bubbles are generated in the flow field. Therefore, since small air bubbles can be easily generated in the flow field without any significant change on the surface of the ship, the disadvantages of the existing methods can be compensated for.

초음파란 인간이 들을 수 있는 가청주파수보다 높은 주파수를 가지는 음파를 의미한다. 현제 초음파는 실생활에서 폭 넓게 이용되고 있다. 의료기기의 영상장비, 잠수함의 소나(sonar), 비파괴용 검사장비 등이 대표적인 예라고 할 수 있다. 본 발명에 따른 초음파를 이용한 항력감소 장치를 구비한 물과 접하여 운동하는 운송체에 사용된 초음파 가진 장비는 케비테이션을 이용하여 액상의 매질을 기화시켜 빠른 속도의 미소공기방울을 생성하여 이물질을 제거하는 초음파 세척기의 원리를 이용한 것이다. Ultrasound refers to sound waves with frequencies higher than the audible frequency that humans can hear. Ultrasound is now widely used in real life. Imaging equipment of medical devices, sonar of submarines, and non-destructive testing equipment are typical examples. Ultrasonic wave excitation equipment used in a vehicle moving in contact with water having a drag reduction device using ultrasonic waves according to the present invention is to remove foreign substances by vaporizing a liquid medium using cavitation to generate a high speed micro air droplets. It uses the principle of an ultrasonic cleaner.

도 1은 본 발명에 사용된 초음파 세척기의 원리를 설명하고 있는데 가동 원리는 초음파 발진장치로부터 진동자의 고유진동수에 해당하는 전기 신호가 인가되면 이 진동자는 공진을 일으키면서 전기신호를 기계신호인 진동으로 변환한다. 이 변환된 기계신호는 수중의 매질로 전달되고, 이로 인해 매질의 운동에너지가 증가하면서 음압이 증가와 감소를 반복하게 된다. 이렇게 반복되는 음압의 변화가 매질의 포화증기압보다 낮아지게 되면 매질이 기화하면서 케비테이션 코어(cavitation core)가 생성된다. 케비테이션 코어는 계속되는 압력의 증압과 감압을 반복하면서 팽창하게 되고 주변압력이 표면장력 이상이 되면서 폭발한다. 이 때 아주 빠른 속도를 가지는 미소한 공기방울 입자들이 생성된다. 이 과정을 공동현상(cavitation)이라 한다. Figure 1 illustrates the principle of the ultrasonic cleaner used in the present invention, the operation principle is that when the electric signal corresponding to the natural frequency of the oscillator is applied from the ultrasonic oscillator, the vibrator causes resonance while the electrical signal is a mechanical signal vibration Convert. This converted mechanical signal is transmitted to the medium in the water, which causes the kinetic energy of the medium to increase and the sound pressure increases and decreases repeatedly. When the repetitive change in sound pressure becomes lower than the saturated steam pressure of the medium, the cavitation core is generated as the medium vaporizes. The cavitation core expands with repeated increase and decrease of pressure and explode as the ambient pressure exceeds the surface tension. At this time, very small particles of air bubbles are generated at a very high speed. This process is called cavitation.

초음파 가진을 통한 물과 접하여 운동하는 운송체의 마찰저항의 감소를 측정하기 위해서 수조에서 실험을 행하였다. 도 2는 본 발명을 입증하는 실험의 개략도를 나타낸다. 상기 실험은 개방 순환형 수조 (recirculating open water channel: 1)에서 물과 접하여 운동하는 운송체의 모형(2)으로 행해졌으며 물은 원심 펌프(도시 생략)로 순환된다. 실험에 사용된 수조(1)는 폭 250mm, 높이 250mm, 길이 1000mm인 열린(개방형) 채널이고. 여기에, 초음파 가진장치(3)가 장착된 상기 운송체 모형(2)은 폭 150mm 길이가 1000mm인 구조로 형성되고, 수조 바닥(11)에서 200mm 높이에 설치하였다. 초음파 가진 장치(3)는 운송체 모형(2)의 선단에서 460mm 떨어진 곳에 위치하며, 좌표축의 원점은 초음파 가진장치(3)의 중앙 끝에 위치하며 유동방향을 x축, 벽면수직방향을 y축, 횡 방향을 z축이 되도록 좌표축을 잡았다. 상기 운송체 모형(2)에 장착된 초음파 가진 장치(2)는 일반적인 초음파 세정장치를 사용하 였다. 실험에 사용된 초음파는 27.5kHz이며 6개의 진동자를 사용하였다. Experiments were carried out in a water bath to measure the reduction in frictional resistance of a vehicle moving in contact with water through ultrasonic excitation. 2 shows a schematic of an experiment demonstrating the present invention. The experiment was conducted with a model 2 of the vehicle moving in contact with water in a recirculating open water channel 1 where the water is circulated with a centrifugal pump (not shown). The tank 1 used in the experiment was an open (open) channel 250 mm wide, 250 mm high and 1000 mm long. Here, the vehicle model 2 equipped with the ultrasonic excitation device 3 is formed in a structure having a width of 150 mm and a length of 1000 mm, and installed at a height of 200 mm from the bottom of the water tank 11. Ultrasonic excitation device (3) is located 460mm away from the tip of the vehicle model (2), the origin of the coordinate axis is located at the central end of the ultrasonic excitation device (3), the flow direction in the x-axis, the wall vertical direction in the y-axis, The coordinate axis was set so that the horizontal direction would be the z axis. The ultrasonic wave excitation device 2 mounted on the vehicle model 2 used a general ultrasonic cleaning device. The ultrasound used in the experiment was 27.5 kHz and 6 vibrators were used.

초음파 가진에 따른 유동장의 변화를 3차원적으로 해석하기 위해 2대의 카메라를 사용하여 SPIV를 행하였다. 촬영부(4)의 크기는 90 x 90mm이며 실험은 가진의 영향을 폭넓게 살펴보기 위해서 -80mm<x<240mm에서 행해졌다. 따라서 실험구간을 4등분하여 촬영하였다. SPIV was performed using two cameras to analyze the three-dimensional change of the flow field due to ultrasonic excitation. The size of the imaging section 4 is 90 x 90 mm and the experiment was conducted at -80 mm <x <240 mm to broadly examine the effect of excitation. Therefore, the experiment was divided into four sections.

실험시 자유흐름 속도는

Figure 112005075859676-PAT00001
으로 고정되었으며 초음파 가진부가 끝나는 지점, x+=0에서 모멘텀 두께(
Figure 112005075859676-PAT00002
)는 3.633mm였으며 이를 근거로 한 레이놀즈 수는
Figure 112005075859676-PAT00003
이다. 초음파 가진을 유동장에 가했을 때 가진후류에서의 유동방향에 따른 벽면마찰계수변화를 도 3에서 보여주고 있다. 벽면마찰계수는 가진이 없을 때의 벽면 마찰계수와의 비(
Figure 112005075859676-PAT00004
)로 무차원화 했기 때문에 초음파 가진 후 벽면마찰계수가 변한 비를 알 수 있다. 이 후로 유동방향은 x=0에서 가진이 없을 때의 모멘텀 두께인
Figure 112005075859676-PAT00005
, 벽면수직방향은 x=0에서 가진이 없을 때의 벽면마찰속도인
Figure 112005075859676-PAT00006
를 이용하여 무차원화가 되었다. 모든 속도 성분은 자유단의 속도(
Figure 112005075859676-PAT00007
)로 무차원화 되었다. 따라서
Figure 112005075859676-PAT00008
=0은 진동부의 끝부분을 의미한다. 초음파 가진 후 벽면마찰계수는 급격히 감소한 후 서서히 가진이 없을 때의 유동장으로 수렴해간다. 벽면마찰계수는
Figure 112005075859676-PAT00009
<5에서 최대 60%이상 감소한다. 대략
Figure 112005075859676-PAT00010
>45부근에서 벽면마찰계수의 비가 1보다 약간 큰 값을 보이며 서서히 가진이 없을 때의 마찰계수로 수렴한다. 도 3을 통하여 초음파 가진으로 생성된 미소공기방울을 이용하여 벽면마찰저항을 효과적으로 감소시킬 수 있다는 것을 알 수 있다. 따라서 초음파 가진을 이용함으로 미소공기방울을 직접 유동장에 유입하는 방법을 효과적으로 대체할 수 있다. The free flow velocity in the experiment
Figure 112005075859676-PAT00001
And the momentum thickness at x + = 0 where the ultrasonic excitation ends
Figure 112005075859676-PAT00002
) Was 3.633 mm and the Reynolds number based on that
Figure 112005075859676-PAT00003
to be. Figure 3 shows the change of the wall friction coefficient according to the flow direction in the wake after the ultrasonic excitation is applied to the flow field. The wall friction coefficient is the ratio with the wall friction coefficient in the absence of excitation (
Figure 112005075859676-PAT00004
Because it is dimensionless, the ratio of wall friction coefficient changed after ultrasonic wave is known. Since then, the flow direction is the momentum thickness without excitation at x = 0.
Figure 112005075859676-PAT00005
, The wall vertical direction is the wall friction velocity in the absence of excitation at x = 0.
Figure 112005075859676-PAT00006
It is dimensionless using. All velocity components are the speed of the free end (
Figure 112005075859676-PAT00007
) To be dimensionless. therefore
Figure 112005075859676-PAT00008
= 0 means the end of the vibration part. After ultrasonic excitation, the wall friction coefficient decreases rapidly and gradually converges to the flow field when there is no excitation. The wall friction coefficient
Figure 112005075859676-PAT00009
<5% reduction at maximum. about
Figure 112005075859676-PAT00010
In the vicinity of> 45, the ratio of the wall friction coefficient is slightly larger than 1 and gradually converges to the friction coefficient without excitation. 3, it can be seen that the wall frictional resistance can be effectively reduced by using the micro air bubbles generated by the ultrasonic excitation. Therefore, the use of ultrasonic excitation can effectively replace the method of directly injecting micro air bubbles into the flow field.

벽면마찰계수는 벽면에서의 유동방향 평균속도의 기울기에 비례한다. 따라서 가진이 유동방향 평균속도에 미치는 영향을 살펴보기 위해 도 4와 같이 초음파 가진이 있을 때와 가진이 없을 때의 유동방향 평균 속도의 등강도 분포를 도시해보았다. 실험 촬영부 3곳의 평균속도분포를 연결한 그림이기 때문에 연결부위인

Figure 112005075859676-PAT00011
=24, 56에서 약간의 불일치를 보이지만 유동장의 변화를 잘 나타낸다. 가진이 없을 때의 유동방향의 분포를 보면 벽면에 대해 수평하게 분포하며 후류로 가면서 경계층이 서서히 성장하는 것을 볼 수 있다. 등강도의 폭의 변화를 보면 벽면부근에서 폭이 좁고 위로 올라갈수록 등강도의 폭이 넓어지게 되며
Figure 112005075859676-PAT00012
>200인 영역에서는 모두 같은 등강도 분포를 보이는 것을 알 수 있다. 벽면영역에서 등강도의 폭이 좁은 것은 그 만큼 속도가 벽면부근에서 상대적으로 큰 기울기를 가지는 것을 의미한다. 초음파 가진이 가해진 후 유동방향평균 속도가 감소하는 것을 도 4를 통해서 볼 수 있다. 특히
Figure 112005075859676-PAT00013
<24인 영역에서 유동방향 속도가 크게 감소한다.
Figure 112005075859676-PAT00014
Figure 112005075859676-PAT00015
24에서부터 가진의 영향이 서서히 약해지면서 크게 감소한 유동방향속도가 서서히 가진의 영향이 약해지면서 가진이 없을 때의 유동장으로 수렴해간다. 또한 속도가 감소한 영역에서 유동방향속도의 등강도 폭들이 가진이 없을 때에 비하여 넓어진다. 등 강도의 폭이 넓어진 것을 통하여 속도의 기울기가 감소한 것을 알 수 있다. 이렇게 벽면에서 속도의 등강도 폭이 넓어지는 것을 확인함으로서 초음파 가진이 벽면 마찰을 감소시키는 것을 확인할 수 있다. 또한 가진이 없을 때 벽면과 평행하게 보인 등강도분포가
Figure 112005075859676-PAT00016
<24에서 벽면에서 약간의 기울기를 가지며 떠오르는 것을 통하여 경계층의 두께가 두꺼워 지는 것을 볼 수 있다. 가진의 영향이
Figure 112005075859676-PAT00017
<24에서 강하게 나타나며 유동장이 큰 변화를 보이기 때문에 이 후로의 등강도 분포는 0<
Figure 112005075859676-PAT00018
<24인 부분에 대하여 자세히 살펴보겠다. The wall friction coefficient is proportional to the slope of the average velocity in the flow direction on the wall. Therefore, in order to examine the influence of the excitation on the average velocity in the flow direction, as shown in FIG. This is because the average velocity distribution of three experimental photographs is connected.
Figure 112005075859676-PAT00011
There is a slight discrepancy at = 24, 56, but it shows a good change in the flow field. The distribution of the flow direction in the absence of excitation shows that the boundary layer grows horizontally with respect to the wall and goes downstream. If you look at the change in the width of the isometric intensity, the width is narrower near the wall, and the width of the isometric width becomes wider as you go up.
Figure 112005075859676-PAT00012
It can be seen that in the region of> 200, all have the same intensity distribution. The narrow width of the equal intensity in the wall region means that the velocity has a relatively large slope near the wall. It can be seen from FIG. 4 that the average velocity in the flow direction decreases after the ultrasonic excitation is applied. Especially
Figure 112005075859676-PAT00013
In the region of <24, the flow direction velocity is greatly reduced.
Figure 112005075859676-PAT00014
Figure 112005075859676-PAT00015
From the 24th, the effect of the excitation gradually diminishes, and the greatly reduced flow direction velocity gradually converges to the flow field in the absence of excitation, with the weakening of the excitation. It is also wider than in the absence of excitation of the isotropic widths of the flow direction velocity in the region of reduced velocity. It can be seen that the slope of the speed is reduced through the widening of the back intensity. By confirming that the width of the uniform intensity of the velocity is widened on the wall surface, it can be confirmed that the ultrasonic excitation reduces the wall friction. Also, when there is no excitation,
Figure 112005075859676-PAT00016
At <24, we can see that the thickness of the boundary layer becomes thicker by rising with a slight slope on the wall. Having influence
Figure 112005075859676-PAT00017
Since it is strong at <24 and the flow field shows a large change, the distribution of isotensities thereafter is 0 <
Figure 112005075859676-PAT00018
Let's take a closer look at <24.

가진이 벽면수직방향 속도에 미치는 영향을 보기위해 도 5와 같이 초음파 가진이 있을 때와 가진이 없을 때의 벽면수직방향 평균속도의 등강도 분포를 나타내었다. 두 경우에 있어 속도의 차이가 너무 크기 때문에 등강도 분포의 레벨을 다르게 적용하였다. 가진이 없을 때의 유동장은 가진이 있을 때의 유동장의 1/30 이하의 분포를 보인다. 난류경계층 유동이므로 초음파 가진이 없을 때 벽면수직방향 속도는 자유단 속도의 0.5% 미만의 아주 작은 값을 가진다. 하지만 초음파 가진 후 벽면수직방향 속도성분의 크기가 상당히 커진다. 가진 후 벽면수직방향 속도의 최대값이 최대 자유단 속도의 15%정도까지 증가한다. 초음파 가진을 통하여 벽면 수직방향 속도성분이 30배 이상 증가하는 것을 볼 수 있다. 이는 초음파 가진으로 생성되는 미소공기방울에 영향에 기인한다. Ferrante and Elghobashi(2004)는 DNS 결과를 통하여 유동장에 미소공기방울이 유입될 때 벽면수직방향 속도가 자유단의 속도의 6%정도로 증가하는 것을 확인하였다. 벽면수직방향 속도의 증가로 유동방향 속도성 분이 감소하며 이를 통하여 벽면마찰이 감소한다는 것을 발견하였다. 본 실험에서도 도 4와 5를 통하여 초음파 가진으로 유동장에 미소한 공기방울이 생성되면 유동장의 벽면수직방향 속도성분이 크게 증가하기 때문에 벽면부근의 유동방향 속도가 감소하며 벽면 마찰이 감소하는 것을 확인 할 수 있다. In order to see the effect of the excitation on the wall vertical velocity, the isotropic distribution of the average velocity in the vertical direction of the wall with and without the ultrasonic excitation is shown in FIG. In both cases, the difference in velocity was so large that the level of the uniform intensity distribution was applied differently. The flow field in the absence of excitation shows less than 1/30 of the flow field in the presence of excitation. Because of the turbulent boundary layer flow, in the absence of ultrasonic excitation, the wall vertical velocity is very small, less than 0.5% of the free end velocity. However, after ultrasonic excitation, the magnitude of the wall vertical velocity component increases significantly. After excitation, the maximum value of the wall vertical velocity increases to about 15% of the maximum free end velocity. Ultrasonic excitation shows that the vertical velocity component increases more than 30 times. This is due to the influence on the micro air bubbles generated by the ultrasonic wave excitation. Ferrante and Elghobashi (2004) confirmed that the vertical velocity of the wall increases to about 6% of the free end velocity when micro air droplets are introduced into the flow field. Increasing the wall vertical velocity reduces the flow velocity component and decreases the wall friction. Also in this experiment, when the microscopic air bubbles are generated in the flow field by ultrasonic excitation through Figs. 4 and 5, the velocity component in the wall vertical direction of the flow field greatly increases, so the flow velocity near the wall decreases and the wall friction decreases. have.

이상과 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 항력감소 장치를 구비한 물과 접하여 운동하는 운송수단으로 선박이 가장 일반적인 적용대상이고 이외에 잠수함 및 어뢰 등에도 적용되어 항력을 감소시킬 수 있을 것이다.As a means of transportation in contact with the water having a drag reduction device according to the present invention having the configuration as described above is a vessel is the most common application and can also be applied to submarines and torpedoes to reduce drag.

상술한 봐와 같이 본 발명은 기존의 선박등 물에 접하여 운동하는 운송체의 마찰저항감소 기법들이 가지는 문제점인 운송체 표면 변화를 최소화 해 실제로 선박등에서 적용하기에 적합하다. 초음파 가진을 이용하게 되면 초음파 진동자만을 표면에 부착하여 유동장 내에 무수히 많은 미소공기방울을 생성할 수 있다. 따라서 선박표면에 큰 변화 없이 손쉽게 미소공기방울을 유동장내에 생성시켜 벽면수직방향 속도 성분을 증가시켜 벽면에서 유동방향 속도를 감소시킬 수 있고 이를 통해 마찰저항이 감소하게 된다. As described above, the present invention minimizes the change in the surface of the vehicle, which is a problem with the frictional resistance reduction techniques of the vehicle moving in contact with water, such as a conventional vessel, and is suitable for practical application in a vessel. By using the ultrasonic excitation, only the ultrasonic vibrator can be attached to the surface to generate a myriad of micro air bubbles in the flow field. Therefore, it is possible to easily generate micro air bubbles in the flow field without large change on the surface of the ship, and to increase the vertical velocity component of the wall to reduce the flow velocity on the wall, thereby reducing the frictional resistance.

Claims (1)

수면과 접하는 표면에 초음파 진동자를 부착하여 유동장에 미소공기방울을 생성하여 마찰저항을 줄이는 수단을 구비한 물과 접하여 운동하는 운송체.A vehicle that moves in contact with water having an ultrasonic vibrator attached to a surface in contact with water to generate micro air bubbles in a flow field, and having a means for reducing frictional resistance.
KR1020050128953A 2005-12-23 2005-12-23 The vehicle moving in water with drag reduction device using ultrasonic forcing KR100767713B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020050128953A KR100767713B1 (en) 2005-12-23 2005-12-23 The vehicle moving in water with drag reduction device using ultrasonic forcing

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020050128953A KR100767713B1 (en) 2005-12-23 2005-12-23 The vehicle moving in water with drag reduction device using ultrasonic forcing

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20070067760A true KR20070067760A (en) 2007-06-29
KR100767713B1 KR100767713B1 (en) 2007-10-18

Family

ID=38366290

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020050128953A KR100767713B1 (en) 2005-12-23 2005-12-23 The vehicle moving in water with drag reduction device using ultrasonic forcing

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100767713B1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116164596A (en) * 2023-04-03 2023-05-26 北京理工大学 Missile water outlet load-reducing stability-increasing device based on cavitation principle
CN116767417A (en) * 2020-12-19 2023-09-19 唐腊辉 Aircraft device with ultrasonic wave rivers cutting resistance-reducing function
CN117734872A (en) * 2023-11-24 2024-03-22 中国人民解放军国防科技大学 Underwater vehicle damping device based on permeable membrane

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101484802B1 (en) 2010-12-24 2015-01-20 현대중공업 주식회사 Apparatus for preventing air loss of air cavity vessel

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002113340A (en) * 2000-10-06 2002-04-16 Fumio Takemura Method and device for generating micro air bubble using ultrasonic wave

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116767417A (en) * 2020-12-19 2023-09-19 唐腊辉 Aircraft device with ultrasonic wave rivers cutting resistance-reducing function
CN116164596A (en) * 2023-04-03 2023-05-26 北京理工大学 Missile water outlet load-reducing stability-increasing device based on cavitation principle
CN116164596B (en) * 2023-04-03 2024-04-09 北京理工大学 Missile water outlet load-reducing stability-increasing device based on cavitation principle
CN117734872A (en) * 2023-11-24 2024-03-22 中国人民解放军国防科技大学 Underwater vehicle damping device based on permeable membrane

Also Published As

Publication number Publication date
KR100767713B1 (en) 2007-10-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kadivar et al. Control of unsteady partial cavitation and cloud cavitation in marine engineering and hydraulic systems
Feng et al. Circular cylinder vortex-synchronization control with a synthetic jet positioned at the rear stagnation point
Smith et al. Controlled interactions of adjacent synthetic jets
US5797414A (en) Method and apparatus for controlling turbulence in boundary layer and other wall-bounded fluid flow fields
Zhang et al. A review of studies of mechanism and prediction of tip vortex cavitation inception
Qiu et al. Effects of microvortex generators on cavitation erosion by changing periodic shedding into new structures
KR100767713B1 (en) The vehicle moving in water with drag reduction device using ultrasonic forcing
Petkovšek et al. Surface functionalization by nanosecond-laser texturing for controlling hydrodynamic cavitation dynamics
Kadivar et al. An experimental investigation of transient cavitation control on a hydrofoil using hemispherical vortex generators
Jiménez-González et al. Experimental sensitivity of vortex-induced vibrations to localized wake perturbations
Ageorges et al. Flow and air-entrainment around partially submerged vertical cylinders
Tan et al. Developing high intensity ultrasonic cleaning (HIUC) for post-processing additively manufactured metal components
Niu et al. Hydrodynamic noise reduction mechanism of a superhydrophobic surface with different slip velocities
Reisman et al. Effect of air injection on the cloud cavitation of a hydrofoil
Hunt et al. Drag on a partially immersed sphere at the capillary scale
Kim et al. Flow-induced vibration and impact of a cylinder between two close sidewalls
Trujillo et al. CFD modelling of the acoustic streaming induced by an ultrasonic horn reactor
Zhuang et al. Another look at supersonic cavity flows and their control
El Hassan et al. Aero-acoustic oscillations inside large deep cavities
Li et al. Evolution behavior of cavitation bubble in pure Sn liquid medium with narrow gap under low-amplitude ultrasound
James et al. Experimental investigation of a turbulent jet produced by an oscillating surface actuator
Sumer et al. Response of marine pipelines in scour trenches
Kadivar et al. Experimental investigation of the passive control of unsteady cloud cavitation using miniature vortex generators (MVGs)
Li et al. Cavitation cloud dynamic characteristics of dual-chamber self-excited oscillatory waterjet
Hilo et al. Experimental study on insertion loss of air bubble layer in freestream flow

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20110929

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20120928

Year of fee payment: 6

LAPS Lapse due to unpaid annual fee