KR20090106118A - 선박의 유동 박리 제어장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 선박의 유동 박리 제어장치에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 2개의 삼각형상의 곡면 또는 평면으로 이뤄진 유동 박리 제어장치를 선체 선미부에 장착함으로써 선박의 3차원 유동 박리인 빌지 보오텍스를 제어하여 선박의 저항, 자항 및 캐비테이션 성능의 향상시키는 기술에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 선박의 빌지 보오텍스를 바탕으로 선체(10)의 선미부(11)에 길이 방향 박리 형상을 고려한 점(TE,MP,LE) 및 회전 방향 박리의 형상을 고려한 점(TP)으로 이뤄진 2개의 삼각 형상(TE ~ TP ~ MP)(TP ~ MP ~ LE)의 곡면 또는 평면의 3차원 유동 박리 제어장치(20)가 장착되어 구성되며, 상기 선체(10)의 박리 유동을 감소시키고 프로펠러 면에서의 반류 분포를 개선시키는 것을 특징으로 하는 선박의 유동 박리 제어장치를 제시한다.
유동 박리제어, 빌지 보오텍스, 반류 분포

Description

선박의 유동 박리 제어장치{Apparatus for control of separation flow around ships}
본 발명은 선박의 유동 박리 제어장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 2개의 삼각형상의 곡면 또는 평면으로 이뤄진 유동 박리 제어장치를 선체 선미부에 장착함으로써 선박의 3차원 유동 박리인 빌지 보오텍스(bilge vortex)를 제어하여 선박의 저항, 자항 및 캐비테이션 성능의 향상시키는 기술에 관한 것이다.
일반적으로, 선박의 운항 중 선수로부터 선체를 따라 움직이는 유동은 선미부를 향해 갈수록 에너지를 잃게 되고 급격한 형상의 변화가 있는 선미부에서는 선체로부터 유동이 떨어지는 유동 박리 현상이 나타난다.
상기의 유동 박리 현상은 선박의 운항 중에 필연적으로 발생하는 유체역학적 현상이며, 선체의 선미부에 위치하는 유동 박리점의 후방으로 난류성 와류를 유발시키며, 이로 인하여 선박의 마찰 저항이 증가 될 뿐만 아니라 압력이 감소되어 형상 저항이 증가 된다.
이러한 유동 박리 현상에 의한 저항의 증가는 선박의 추진 효율을 감소시키는 요인으로 작용 된다.
따라서, 추진 효율을 향상시키기 위해서는 유동 박리 현상에 의한 저항을 최소화시켜야 하는 과제가 남는다.
이러한 과제를 해결하기 위해서 새로운 방법이 제시되고 있는데, 최근 선박에 있어서 저항감소 및 추진성능 향상을 도모하기 위해 다양한 방법이 채택되었다.
예를 들면, 선박의 프로펠러 주위에 노즐을 배치하거나, 선체 선미부의 양 외측면에 핀을 설치하여 선미유장을 제어함으로써 박리저항을 감소시키거나 부가 추력을 얻거나 혹은 추진기 유입각을 바꾸어 추진효율 향상을 시도하였다.
또한, 추진기 전방 선체 선미부의 양 외측면의 추진기 축 중심 상하부에 선미유장의 흐름에 대해 임의의 각도를 갖도록 핀을 설치하였다.
그러나, 이러한 다양한 방법에도 불구하고 선박의 저항감소 및 추진성능 향상을 도모하는 데 그 한계가 있었다.
　　
이에 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서 2개의 삼각형상의 곡면 또는 평면으로 이뤄진 유동 박리 제어장치를 선체 선미부에 장착함으로써 박리 유동은 감소시키고 프로펠러 면에서의 반류 분포를 개선함에 따라 선박의 저항, 자항 및 캐비테이션 성능의 향상시키는 데 그 목적이 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로서 본 발명에 의하면, 선박의 빌지 보오텍스를 바탕으로 선체(10)의 선미부(11)에 길이 방향 박리 형상을 고려한 점(TE,MP,LE) 및 회전 방향 박리의 형상을 고려한 점(TP)으로 이뤄진 2개의 삼각 형상(TE ~ TP ~ MP)(TP ~ MP ~ LE)의 곡면 또는 평면의 3차원 유동 박리 제어장치(20)가 장착되어 구성되며, 상기 선체(10)의 박리 유동을 감소시키고 프로펠러 면에서의 반류 분포를 개선시키는 것을 특징으로 하는 선박의 유동 박리 제어장치를 제시한다.
본 발명에 의하면, 빌지 보오텍스의 크기를 고려하여 유동 박리 제어장치(20)의 제 1컴포넌트를 구성하는 폭(TE ~ TP)은 프로펠러 반지름(R)의 0.4 ~ 0.6R 이상으로 형성하고, 중심선과 이뤄지는 각 α는 90도 미만으로 설정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 상기 유동박리점(MP ~ TE)의 길이는 재부착선과 축심선을 이루는 각으로서 β각으로 설정하고, 상기 빌지 보오텍스의 시작부분에서 유동의 상/하부 분리선인 유동박리점(LE ~ MP)을 γ각으로 설정된 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 2개의 삼각형상의 곡면 또는 평면으로 이뤄진 유동 박리 제어장치를 선체 선미부에 장착함으로써 반류개선 및 자항성능 증대 효과를 극대화한 부가장치의 장착으로 인한 추가적인 저항 발생이 없고, 오히려 저항 감소 효과가 있다.
또한, 본 발명은 유동박리 현상으로 인해 발생할 수 있는 부가 저항을 방지하기 위한 단순한 형상의 유동박리 제어장치를 제공함으로써 추가적인 프로펠러 설계 없이도 선박 성능을 향상시키며, 단축 및 쌍축 선박 모두의 좌/우현에 각각 대칭/비대칭형으로 적용 가능하다.
이하, 본 발명의 실시 예에 대한 구성 및 그 작용을 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 선박의 유동 박리 제어장치를 설명하기 위한 3차원 모델의 측면도이다. 도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 선박의 유동 박리 제어장치를 설명하기 위한 정면도 및 측면도이다. 도 4는 유동 박리 제어장치를 장착하지 않았을 때의 반류분포에 대한 전산유체역학 해석 및 모형시험 결과이며, 도 5는 유동 박리 제어장치를 선미에 장착한 경우의 반류분포에 대한 전산유체역학 해석 및 모형시험 결과이다.
도 1 내지 도 3을 살펴보면, 본 발명은 선박의 빌지 보오텍스를 바탕으로 선체(10)의 선미부(11)에 길이 방향 박리 형상을 고려한 (TE,MP,LE) 및 회전 방향 박리의 형상을 고려한 점(TP)으로 이뤄진 2개의 삼각 형상(TE ~ TP ~ MP) (TP ~ MP ~ LE)의 곡면 또는 평면의 3차원 유동 박리 제어장치(20)가 장착되어 구성된다.
이때, 선체(10)의 3차원 박리 유동인 빌지 보오텍스는 선체(10) 표면의 한계유선(limiting streamlines)을 확인하여 주 박리선(primary separation line)과 재부착선(re-attachment line)으로 구분하여 나타내었다.
상기 재부착선을 따라 유동박리제어(Separation Flow Controller: SFC)장치(20)를 설치함으로 보오텍스의 크기를 감소시키고 상부유동은 프로펠러 상부로 유도하여 유속를 증가시키게 된다.
또한, 상기 유동 박리 제어장치(20)의 폭(TE ~ TP)은 보오텍스의 크기를 고려하여 프로펠러 반지름(R)의 0.4 ~ 0.6R 이상으로 설정하며, 중심선과 이루는 각 α도 90도 미만으로 설정한다.
그리고, 상기 유동 박리 제어장치(20)의 제1 컴포넌트의 선(MP ~ TE)은 재부착선을 고려하여 β각으로 하고, 보오텍스의 시작부분에서 유동의 상/하부 분리를 위한 유동 박리 제어장치(20)의 제 2컴포넌트의 선(LE ~ MP)는 근처의 선체 표면 유동을 따르는 각 γ 로 설정한다.
이때, 상기 유동 박리 제어장치(20)의 길이 방향 형상을 결정짓는 점(TE ~ MP ~ LE) 및 각 β, γ는 빌지 보오텍스의 재 부착선을 고려하여 빌지 보오텍스를 감소시키게 된다.
그리고, 상기 유동 박리 제어장치(20)의 폭 방향 형상을 결정짓는 점(TE ~ TP) 및 각 α는 빌지 보오텍스의 회전 방향의 크기를 고려하여 그 크기를 감소시키게 된다.
또한 상기 제 1 및 제 2 컴포넌트를 이루는 점(LE ~ MP ~ TE) 및 (TE ~ TP) 를 연결하는 선은 원활한 유동 제어를 위해 완만한 곡선으로 처리하는 것이 좋으나, 제작의 편이를 위한 직선처리도 무방하다.
따라서, 상기 유동 박리 제어(SFC)장치(20)의 구성 요소는 모두 선박 빌지 보오텍스를 고려하여 정의하였으며 프로펠러 반지름(R)을 기준으로 다음과 같이 수치화할 수 있다.
1. 높이(H): 축심 상방 약0.4R 이상으로 설정하였으며, 프로펠러 전방에 위치하며, 축심으로부터 점 TE까지의 거리로 나타내었다.
2. 폭(B): 0.4R ~ 0.6R 이상으로 설정하였으며, 길이(TE ~ TP)로 나타내었다.
3. 각(α): 폭과 중심선이 이루는 각으로 90도 미만으로 설정하였다.
4. 길이(L1): 2.0R 이상으로 설정하였으며, 선(TE ~ MP)로 나타내었다.
5. 각(β): L1과 축심선이 이루는 각을 나타낸다.
6. 길이(L2): 보오텍스 발단 부분의 상/하부 유동을 분리하기 위한 선 LE ~ MP로 약0.5 ~ 1.2R로 설정하였다.
7. 각(γ): L2와 축심선이 이루는 각을 나타낸다.
또한, 도 1 및 도 2에 도시된 제 1콤포넌트(Component)는 상/하부의 유동을 분리하며, 보오텍스의 회전력를 감소시키며, 전체 유속을 증가시키고, 반류 분포를 개선하는 역할을 한다.
제 2콤포넌트(Component)는 유동박리를 상부유동의 프로펠러 상부로 유도하며, 장치에 의해 발생될 수 있는 추가 유동박리를 억제시킨다.
이때, 상기 유동 박리 제어장치(20)의 제 2컴포넌트는 제 1컴포넌트에 의해 발생될 수 있는 부가 박리를 방지 및 추가 빌지 보오텍스 감소 효과를 극대화할 수 있다.
따라서, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 유동 박리 제어장치(20)의 장착 여부에 따라 반류개선 및 자항성능 증대 효과를 극대화할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 선박의 3차원 유동 박리인 빌지 보오텍스를 아래와 같은 목적으로 제어하기 위해 유동 박리 제어(SFC)장치를 구현하였다.
첫째, 저항성능 향상: 박리의 크기 및 선미 유동의 회전력을 감소하여 전체적으로 빠른 유동을 생성시켜 저항을 감소시킨다.
둘째, 자항성능 향상: 프로펠러 면의 반류분포를 제어하여 효율을 증대시킨다.
셋째, 캐비테이션 성능 향상: 회전방향에 따른 반류분포 변화를 단순화하고, 저속 영역의 위치를 제어하여 캐비테이션 성능을 향상시킨다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예로서 선박의 유동 박리 제어장치에 대해 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 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 기술적 범위 내에 포함된다 할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 선박의 유동 박리 제어장치를 설명하기 위한 3차원 모델의 측면도이다.
도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 선박의 유동 박리 제어장치를 설명하기 위한 정면도 및 측면도이다.
도 4는 유동 박리 제어장치를 장착하지 않았을 때의 반류 분포에 대한 전산유체역학 해석 및 모형시험 결과이다.
도 5는 유동 박리 제어장치를 선미에 장착한 경우의 반류 분포에 대한 전산유체역학 해석 및 모형시험 결과이다.
<　도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
10: 선체　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　11: 선미부
20: 유동 박리 제어장치
TE ~ TP ~ MP, TP ~ MP ~ LE: 길이 혹은 회전 방향의 박리 형상을 고려한 점

Claims (4)

  1. 선박의 빌지 보오텍스를 바탕으로 선체(10)의 선미부(11)에 길이 방향 박리 형상을 고려한 점(TE,MP,LE) 및 회전 방향 박리의 형상을 고려한 점(TP)으로 이뤄진 2개의 삼각 형상(TE ~ TP ~ MP)(TP ~ MP ~ LE)의 곡면 또는 평면의 3차원 유동 박리 제어장치(20)가 장착되어 구성되며,
    상기 선체(10)의 박리 유동을 감소시키고 프로펠러 면에서의 반류 분포를 개선시키는 것을 특징으로 하는 선박의 유동 박리 제어장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 유동 박리 제어장치(20)의 길이 방향 형상을 결정짓는 점(TE ~ MP ~ LE) 및 각 β, γ는 빌지 보오텍스의 재 부착선을 고려하여 빌지 보오텍스를 감소시키는 것을 특징으로 하는 유동 제어장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 유동 박리 제어장치(20)의 폭 방향 형상을 결정짓는 점(TE ~ TP) 및 각 α는 빌지 보오텍스의 회전 방향의 크기를 고려하여 그 크기를 감소시키는 것을 특징으로 하는 유동 제어장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 유동 박리 제어장치(20)의 제 2컴포넌트는 제 1컴포넌트에 의해 발생될 수 있는 부가 박리를 방지하고, 추가 빌지 보오텍스를 감소시키는 것을 특징으로 하는 유동 제어장치.
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