KR20070119125A - 수조수내 기포발생 촉진 및 유동의 난류화 형성방법과 이를위한 교란장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수조수내 기포발생 촉진 및 유동의 난류화 형성방법과 이를 위한 교란장치에 관한 것으로, 그 목적은 수조수내 공기함유량을 포화량 이하로 낮추어 시험 중 수조수내 공기입자 발생을 배제하여 그 영향을 최소화함과 동시에, 수조수 자체의 난류상태의 환경을 유지하여 정확한 실험을 가능하게 할 수 있는 수조수내 기포발생 촉진 및 유동의 난류화 형성방법과 이를 위한 교란장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 항력계측 이전에 수조수 상부에서 이동되는 예인전차에서 수조의 수면 하에 위치하도록 수직으로 다수개의 프로펠러를 내리고, 상기 예인전차를 이동시키면서 다수개의 프로펠러를 작동시켜 상방향 플로우가 형성되도록 대량의 수조수내 물을 휘저은 다음, 안정화하여 공기입자의 발생과 상승을 촉진하고, 유동의 난류화를 형성함으로써, 항력시험 중 물체에 의한 수조수 교란에도 기포발생이 최소화되고 항력이 안정적으로 도출되도록 되어 있다.

예인수조, 항력계측, 용존산소, 모형시험, 교란, 난류

Description

수조수내 기포발생 촉진 및 유동의 난류화 형성방법과 이를 위한 교란장치{Stirring device and Technique on driving out of air-bubble and keeping flow turbulence of tank water in experiment}

도 1 은 본 발명에 따른 교란장치의 사용상태를 보인 예시도

도 2 는 본 발명에 따른 교란장치의 미사용 시의 거치상태를 보인 예시도

도 3 은 동일 모형선에 대한 저항계수곡선 비교 예시도

도 4 는 교란기 가동시의 저항계수 변화 예시도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

(1) : 상부 횡프레임 (2) : 하부 횡프레임

(3) : 종프레임 (4) : 회전축

(5) : 축지지대 (6) : 힌지축

(7a) : 상부 힌지덮개 (7b) : 하부 힌지덮개

(8) : 모터 (9) : 풀리(pulley)

(10) : 벨트 (11) : 프로펠러

(12) : 로프 연결대 (13) : 와이어로프

(14) : 거치대 (15) : 수조수 표면의 수위

(16) : 지지프레임 (17) : 예인전차의 시험장치 거치대

본 발명은 수조수내 기포발생 촉진 및 유동의 난류화 형성방법과 이를 위한 교란장치에 관한 것으로, 수조를 사용한 모형시험에서 수조수내 기포의 발생과 층류 또는 층류-난류 천이(laminar-turbulent transition)로 추정되는 현상에 의해 영향을 받는 항력(drag)변화를 최소화하기 위한 방법과, 이와 같은 방법을 실현하기 위한 교란장치에 관한 것이다.

일반적으로 선박은 수면 근처에서 유체의 저항을 가장 적게 받으면서 고속(高速)을 구현할 수 있도록 설계되는 것이 가장 바람직하다. 이러한 조건에 적합한 선박을 시행착오 없이 제작하기 위해, 실선박의 건조(建造)에 앞서 선체의 외형과 똑같은 모형선을 미리 제작하여, 예인수조에서 선체(船體)의 형상에 따른 물의 저항 및 프로펠러의 단면형상에 따른 추진력 등과 같이, 선박의 저항추진성능이나 운동조종성능에 관한 여러 데이터를 얻기 위한 모형시험용 예인(曳引)수조를 오래전부터 사용하여 왔다.

이러한 모형선 시험용 예인장치는 실해역과 같은 효과를 나타낼 수 있는 길이 및 폭, 깊이 등을 갖춘 예인수조에서 시험하고자 하는 모형선을 수면에 띄워 예인전차에 모형선을 연결한 후, 예인전차가 끌도록 함으로써, 모형선박이 물위를 실제의 해역에서 달리는 것과 같이 고속 또는 저속으로 주행되도록 하여, 예인전차와 모형선에 장착된 각종 계측장비에 의해 시험 데이터를 취득하여 선박의 성능을 판 단하거나 비교하는 방법으로 최적의 성능을 갖춘 선박을 구현하도록 하는 것이다.

상기와 같은 모형선의 예인시험은 예인전차에 연결된 모형선의 속도를 일정하게 유지하면서 진행할 때 모형선에 가해지는 저항을 계측한다. 그런데, 수조형 시험시설의 유체인 물(water)의 성질은 수조를 둘러싼 환경조건에 의해 영향을 받게 된다. 즉, 기온, 기압 조건에 따라, 수조수의 온도, 밀도, 동점성계수(kinematic viscosity), 용존산소량 등이 달라지게 진다.

특히, 이와 같이 수조수를 사용하여 항력을 계측하거나 하는 등의 경우에는 외부환경 중, 대기와 수조수의 기온차이로 인한 영향이 수조수내 대류현상을 유발시키고, 용존산소량이 포화상태에 이름에 따라 기포가 발생하여 수면위로 떠오르거나 물체에 달라붙는 등의 현상이 발생하며, 이로 인하여 항력이 영향을 받는 것으로 알려져 있다.

이 중, 온도 변화에 의해 나타나는 일반적인 범위의 항력변화에 대해서는 잘 알려진 해석방법에 따라 보정(correction)이 가능하나, 수조수내 용존산소량 변화에 따른 기포발생이나 층류 또는 난류-층류의 천이현상으로 추정되는 현상에 의해 발생하는 항력변화에 대해서는 현재까지 각 상황에 적합한 보정방법이 없었다.

이와 같이 수조수를 둘러 싼 외기와의 온도차, 노출시간, 기압 등이 공기 함유량을 결정하는 인자가 될 것이나, 현실적으로 이를 측정하거나 계산하는 것은 불가능에 가까우며, 이러한 공기함유량의 변화와 층류 및 난류 상(狀)변화로 인한 영향은 수조시험으로부터 얻는 계측데이터에 영향을 주게 된다.

즉, 난류에 대비되는 층류의 영향으로 프루드 수(Froude number, Fn) 0.1 정 도의 저속에서는 항력이 난류상황에 비해 낮게 계측되어 항력계수의 Fn 에 따른 추세의 경향이 흐트러지고, 수차례의 재 시도에서도 계속 항력이 낮게 측정되는 문제점이 있다. 이와 같은 형상은 형상계수를 도출하여 항력해석을 수행하는 경우, 저속에서의 항력이 낮아지는 층류화 문제점 때문에 더 많은 속도에서의 계측이나 동일한 속도에 대한 반복 또는 확인시험을 필요로 하게 되므로 많은 시간이 소요되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로, 그 목적은 수조수내 공기함유량을 포화량 이하로 낮추어 시험 중 수조수내 공기입자 발생을 배제하여 그 영향을 최소화함과 동시에, 수조수 자체의 난류상태를 유지하여 정확한 실험을 가능하게 할 수 있는 수조수내 기포발생 촉진 및 유동의 난류화 형성방법과 이를 위한 교란장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 항력계측 이전에 수조내의 물을 상(上) 방향 플로우가 형성되도록 휘저어 교란시킨 후 수조수가 안정될 때까지 소정시간동안 기다리는 방법에 의하여 수조수내 공기입자의 발생 및 상승촉진과 유동의 난류화를 형성하여 항력시험 중 기포발생을 최소화함과 동시에, 항력이 안정적으로 도출되도록 되어 있다.

즉, 본 발명은 항력계측 이전에 수조수 상부에서 이동되는 예인전차에서 수 조수내에 위치하도록 수직으로 다수개의 프로펠러를 내리고, 예인전차를 이동시키면서 상기 다수개의 프로펠러를 회전시켜 상방향 플로우가 형성되도록 대량의 수조수내의 물을 휘저은 다음, 안정화시킴으로써, 공기입자의 발생과 상승을 촉진하여 수조수내의 용존산소를 포화상태 이하로 바꾸고 유동의 난류화를 이루도록 되어 있다.

이와 같이 본 발명은 시험 중 수조수내의 기포발생 현상의 억제와 유동의 난류상태 유지를 동시에 해결하고, 냉난방 시설유지 비용절감에 착안하여, 수조수 전체(또는 일부)를 대상으로 시험시작 전에 기포발생을 촉진시켜 시험 중 발생될 기포발생을 억제함과 동시에, 수조수 자체를 난류화 시키는 방법으로, 프로펠러를 회전시켜 수조수를 교란하여 난류화(亂流化)를 돕고 기포발생을 촉진시키는 한편, 상승류(上昇流)를 유발하여 기포를 수면으로 방출하도록 유도함으로써, 수조수의 상하교류 효과로 포화(또는 이하)상태에 있던 용존산소량을 과포화 상태로 변화시켜 기포의 발현을 촉진하도록 되어 있다.

상기와 같은 기포발생 촉진 및 유동화 난류형성을 위한 본 발명의 교란장치는 예인전차(도시없음)에 부착된 시험장치 거치대(14)와, 상기 거치대(14)의 상단에 연결설치되는 하부 힌지덮개(7b) 및 이에 결합되는 상부 힌지덮개(7a)와, 상기 상/하부 힌지덮개(7a,7b)에 의해 양단이 거치대(14)에 회전이 가능하도록 연결되는 힌지축(6)과, 상기 힌지축(6)을 양단에 고정부착한 지지프레임(16)과, 상기 지지프레임(16)에 설치되는 모터(8)와, 상기 모터(8)의 축과 벨트(10)에 의해 연결되고 지지프레임(16) 상단 근처에 위치하도록 설치되는 다수개의 풀리(9)와, 상기 각각 의 풀리(9) 중심부에 일체형으로 연결되는 회전축(4)과, 상기 지지프레임(16) 외측 하부에 위치하도록 각각의 회전축(4) 끝단에 설치되는 프로펠러(11)로 이루어져 있다.

상기 지지프레임(16)은 힌지축(4)이 양측단에 동일중심선을 구비하도록 설치되는 상부 횡프레임(1)과, 상기 상부 횡프레임(1)과 소정간격을 유지하고 설치되는 하부 횡프레임(2)과, 상기 상/하부 횡프레임(1,2)을 연결하고 회전축(4)이 위치하는 다수개의 종프레임(3)으로 이루어져 있다.

또한, 상기 하부 횡프레임(2)의 중앙에는 와이어로프(13)가 연결되는 로프 연결대(12)가 설치되어 있으며, 상기 로프 연결대(12)는 개방 도르레형 또는 후크지지형상을 구비하고, 예인전차의 상부에 설치된 권양기(도시없음)로부터 온 와이어로프(13)가 연결된다.

상기 프로펠러(14)는 날개표면이 코드(chord)방향으로 거칠게 또는 요철(凹凸)모양으로 형성되어 있어, 모터(8)에 의한 작동 시 기포발생을 더욱 촉진하도록 되어 있다.

또한, 상기 회전축(4)은 거치대(14) 위에 베어링을 포함하는 축지지대(5)에 의해 회전축의 상하방향 무게가 지지되고 회전이 가능한 구조로 되어있다. 즉, 상기 지지프레임(16)의 상부 횡프레임(1) 양측단에 힌지축(6)이 각각 설치되어 있으며, 상기 지지프레임(16)은 힌지축(6)을 중심으로 회전된다.

이와 같이 구성된 본 발명의 지지프레임(16)은 도 1 및 도 2 에 도시된 바와 같이, 예인전차에 연결설치되어 수조수내에서 사용할 경우, 프로펠러의 회전축이 수면 아래로 내려오도록 힌지축을 중심으로 지지프레임이 회전되어 수면에 직각방향으로 위치하게 되고, 사용하지 않을 때는 힌지축을 중심으로 지지프레임이 회전하여 수면에 대하여 평행하게 된다.

상기와 같은 지지프레임의 회전은 예인전차에 설치된 권양기가 로프에 연결된 지지프레임을 당김으로써 가능하게 된다.

또한, 상기 지지프레임의 종프레임(3) 상에 위치하도록 회전축(4) 및 프로펠러(11)가 배치되어 있고, 하중을 지탱할 수 있도록 되어 있다. 즉, 본 발명의 지지프레임은 길이가 긴 횡(橫)방향으로 상/하부 횡프레임(1,2)과, 짧은 종(縱)프레임(3) 여러 개로 구성되어 있으며, 강도와 안전을 고려하여 종프레임(3) 상에 프로펠러의 회전축(4)이 놓이도록 배치되어있다.

또한, 상기 회전축(4)은 사용 시에는 상하방향으로 놓여 작동하게 되므로 축 무게를 지지하고 조립이 가능한 구조를 만들기 위해 회전축(4)의 직경이 계단식으로 형성되어 있다. 즉, 상기 회전축(4)은 동일직경을 구비하는 봉(또는 파이프)타입이 아니라, 서로 다른 직경을 구비하도록 층을 이룬 봉(또는 파이프)타입으로 형성되어 있다.

또한, 상기 다수개의 풀리는 하나의 풀리와 이에 이웃하는 다른 풀리가 벨트에 의해 연결되도록 되어 있어, 모터의 구동력이 벨트에 의해 각각의 풀리에 전달되도록 되어 있다. 이와 같은 벨트 및 풀리의 연결구조는 널리 공지된 사항이므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

상기와 같이 구성된 본 발명은 프로펠러(11), 회전축(4), 풀리(9), 벨 트(10), 모터(8), 지지프레임(16), 힌지축(6)이 하나로 모듈화 되어 있어, 예인전차에 연결설치되는 거치대(14)에 설치 및 분리된다.

이와 같이 본 발명은 예인전차의 몸체에 연결된 거치대(14)에 탈착이 용이하도록 되어 있으며, 프로펠러(11)를 장착한 회전축(4)이 수면(15) 아래에 내려와 회전하여 수조수를 교란할 수 있도록 하중을 지탱해 주는 종횡방향으로 지지프레임을 구성하고, 다수 개의 프로펠러(11)는 한 개의 모터(8)로 벨트(10)와 풀리(9)를 통해 동력을 전달받도록 되어 있다.

즉, 전원으로부터 인버터를 거쳐 연결된 모터(8)의 구동력이 벨트에 의해 각각의 풀리에 전달되고, 상기 풀리의 회전에 의해 회전축이 회전되며, 회전축(4)에 연결된 프로펠러가 회전하게 된다.

이하 본 발명을 이용한 기포발생 촉진 및 유동화 난류형성방법을 좀더 상세하게 설명하면, 크레인으로 본 발명의 교란장치를 들어올려 상부 횡프레임(1) 양단의 힌지축(6)을 하부 힌지덮개(7b) 위에 올려놓고 상부 힌지덮개(7a)를 덮어 볼트로 잠근 다음, 권양기의 와이어로프(13)를 내려 도르레형 로프 연결대(12)에 연결하고, 와이어로프에 장력이 약간 걸릴 때까지 권양한다. 이후 크레인과의 연결을 분리하면 교란장치의 하중이 와이어로프(13)에 작용하게 되어, 권양기의 작동에 의해 힌지축(6)을 중심으로 회전운동이 가능하게 된다.

또한, 본 발명의 교란장치를 수면과 수직하도록 상하로 세우면, 회전축에 연결된 프로펠러는 수조수 표면(15) 아래로 잠기게 되고, 회전수 조절에 따라 물을 교란하는 정도가 달라진다. 수조수가 튀어 오르지 않는 범위 내의 일정 회전수를 유지시키면, 수조 폭 방향으로 일렬 배치된 프로펠러의 회전력이 수조수를 교란하여 함유된 공기를 기포형태로 발현시키고, 수조수를 난류상태로 변화시키게 된다.

또한, 수조 내에는 다량의 수조수가 존재하므로, 상기와 같이 교란장치를 작동하면서, 교란장치가 연결된 예인전차를 수조 길이방향으로 이동시켜 수조 전체를 단시간 내에 교란시킨다. 이때, 프로펠러의 회전방향은 상승류가 발생하도록 설계 및 설치되어 있으며, 이 상승류는 수조수 하부의 물을 끌어올리므로 교란기에 장착된 축(4) 깊이의 한계를 넘어 하부에 존재하는 수조수를 교란시키게 된다.

또한, 상기 교란장치를 이용한 수조수의 교란은 정도에 따라 다르겠으나 상당한 회전류를 유발하므로 시험을 위해서는 수조수가 잔잔해 질 때까지 기다려야 한다.

본 발명의 교란장치를 사용하여 저항 시험을 한 결과는 도3 과 도4 에 나타나 있다. 도4 는 1.0 m/s의 예인속도에서 시간대별로 계측한 저항 값을 항력계수로 나타낸 것이다. 초기에는 교란장치를 사용하지 않은 상태에서 연속하여 5회 계측하였고, 도4 에 나타난 바와 같이 낮은 항력계수 값으로 기록되었다. 이후 교란장치를 2회 왕복으로 가동하여 수조수를 휘젓고 난 다음 20여분을 기다린 후 계측하고 이후 1시간 이상 계측을 계속한 결과, 5% 이상 높게 나오던 항력 값이 시간이 지남에 따라 점차 줄어들어 난류상태의 적정 저항 값이라고 판단될 수 있는 항력계수에 수렴하게 되는 것을 확인하였고, 저항시험 완료시점에서도 재차 확인되었다.

안정된 항력이 도출된 것을 확인한 이후, 도3 에 나타난 바와 같은 다양한 속도에 대한 항력을 계측하였는데, 이전에 수행된 바 있던 2회(시험일자와 수온이 다름)의 저항시험 결과곡선에 비해 저속과 고속 구간을 통틀어 안정된 시험결과가 도출되고 있음이 확인 되었다. 도3 의 가로 축은 모형선의 레이놀즈 수에 상용로그를 취한 값을 나타내고 속도와 수온(온도에 따른 동점성계수)을 반영하고 있으며, 세로축은 모형선의 저항계수 값이다. 도3 에 나타난 6개의 일률적인 곡선들은 평판의 마찰저항계수 값(레이놀즈 수의 함수로 나타냄)에 1.0에서 0.05 간격으로 차례로 더한 값을 곱하여 얻은 값들을 각각 연결한 곡선이며, 가로축의 값이 작은 저속구간에서 측정된 항력(저항)계수의 값이 상기 곡선에 평행한 경향을 나타내면 형상계수 추정이 수월하게 되어 소수의 계측 점만으로 저속구간의 시험이 끝나게 된다.

모형선의 변형 등에 의한 저항변화가 예상될 수 있어서 특별히 변형방지와 원형유지 보관에 관심을 기울인 표준모형선을 대상으로 시험한 결과이므로 수조수 물성(物性)이외에 다른 원인이 개입될 여지가 없다고 판단하였다. 이후 5시간 이상 진행된 항력 시험에서도 층류 천이(遷移, transition) 상태라고 의심할 만한 항력 값의 감소현상은 발견되지 않았다.

즉, 본 발명의 교란장치를 시험 전(前)에 한 차례 운용함으로써 층류-난류 천이 현상이 나타나는 것으로 추정되는 유동(flow)의 상태를 난류상태로 변화시키는 것이 가능하고 난류상태가 시험 중 지속되었음이 확인되어, 효과적으로 측정데이터를 안정화시키는 장치의 제 기능을 다한 것으로 볼 수 있다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위 에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

이와 같이 본 발명은 수조수를 둘러싼 외부환경 조건에 따라 항력 계수의 변화가 심하게 나타나던 실험결과에 대응하여 효율적인 방법을 사용하여 저속에서도 난류(turbulent)상태로 만들어주는 것이 가능하므로 정확하고 안정적인 항력계수 도출이 가능하다.

또한, 본 발명은 Fn 0.1 이하에 상응하는 속도에서 계측한 항력을 평판 마찰저항계수(C_F)로 나누어 형상계수(form factor, 1+k)를 간단히 도출하는 방법으로서, 형상계수를 계산하는데 필요한 저속구간의 항력계측 횟수를 5회 이하로 줄이고 고속구간의 시작은 엔진 최고마력(MCR, maximum continuous rating)의 50% 정도에 해당하는 속도(에 상응하는 모형선의 속도) 근처에서 시작하는 것으로 저항시험에 소요되는 시간을 단축하거나 간소화시키는 것이 가능하게 되는 등의 효과가 있다.

Claims (3)

1. 항력계측 이전에 수조내의 물을 상방향 플로우가 형성되도록 휘저어 교란시킨 후 소정시간동안 안정화함으로써, 수조수내 공기입자의 발생 및 상승촉진과, 유동의 난류화를 형성하여 항력시험 중 기포발생을 최소화함과 동시에, 항력이 안정적으로 도출되도록 한 것을 특징으로 하는 수조수내 기포발생 촉진 및 유동의 난류화 형성방법.
2. 수조 상단에 위치하는 예인전차의 지지대 상부에 연결설치되는 하부 힌지덮개 및 이에 결합되는 상부 힌지덮개와,

   상기 상/하부 힌지덮개에 의해 양단이 거치대에 회전가능하도록 연결되는 힌지축과,

   상기 힌지축이 양단 상부에 동일중심선을 구비하도록 고정설치되는 지지프레임과,

   상기 지지프레임에 설치되는 모터와,

   상기 모터의 축과 벨트에 의해 연결되고 지지프레임 상단에 위치하도록 설치되는 다수개의 풀리와,

   상기 각각의 풀리 중심부에 일체형으로 연결되는 회전축과,

   상기 지지프레임 외측에 위치하도록 각각의 회전축 끝단에 설치되는 프로펠 러로 이루어진 것을 특징으로 하는 수조수내 기포발생 촉진 및 유동의 난류화 형성을 위한 교란장치.
3. 제 2 항에 있어서;

   상기 지지프레임은 힌지축이 양측단에 동일중심선을 구비하도록 설치되는 상부 횡프레임과,

   상기 상부 횡프레임과 소정간격을 유지하고 설치되는 하부 횡프레임과,

   상기 상/하부 횡프레임을 연결하고 회전축이 위치하는 다수개의 종프레임으로 이루어진 것을 특징으로 하는 수조수내 기포발생 촉진 및 유동의 난류화 형성을 위한 교란장치.

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