KR20180083634A - 분사형 공동 발생 및 유지를 위한 분사 제어 시스템 및 그 방법 - Google Patents

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정영래
백부근
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국방과학연구소
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Abstract

본 발명은 고속 캐비테이션 터널에서 모형 시험을 통해 분사형 공동을 생성하기 위한 분사 제어 시스템에 관한 것으로, 공기를 압축하는 공기 압축기; 공기 압축기에서 압축된 공기를 저장하는 공압 탱크; 공압 탱크에 순차 연결되는 레귤레이터, 유량 조절장치 및 유량계를 포함하여, 상기 공압 탱크에 저장된 압축 공기를 요구 분사량에 따라 캐비테이션 터널로 분사하여 분사형 공동을 형성하는 분사부; 및 시험자가 입력한 목표 공동 크기에 해당하는 공동수를 계산한 후 분사량-공동수간 상관관계를 이용하여 분사형 공동을 발생시키기 위한 요구 분사량을 산출하여 분사부를 제어하는 분사 제어 컴퓨터;를 포함하여 구성된다.

Description

분사형 공동 발생 및 유지를 위한 분사 제어 시스템 및 그 방법{VENTILATION CONTROL SYSTEM AND METHOD FOR GENERATING AND SUSTAINING VENTILATED CAVITY}
본 발명은 고속 캐비테이션 터널에서 모형 시험을 통해 분사형 공동을 생성하기 위한 분사 제어 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
수중 운동체의 경우 주행 항력 중 대부분이 물과의 접촉에 의한 마찰 항력이며, 물의 큰 밀도로 인해 공기중과 비교했을 때 약 800배의 큰 마찰저항을 받게 된다. 게다가 수중에서 속도를 2배 증가시키기 위해선 속도의 세제곱에 해당하는 8배의 추진 에너지가 요구되므로 수중 운동체의 속도를 증가시키는 데에는 상당한 어려움이 따를 수밖에 없다.
초공동화(Supercavitation) 기술은 이러한 수중 속도 한계를 극복하고자 개발된 기술로, 수중 운동체를 공동(Cavity)으로 완전히 덮어 해수와의 접촉을 차단시킴으로써 마찰 항력을 획기적으로 감소시키는 기술이다. 초공동화 기술을 구현하는데 있어 가장 핵심적인 기술 중 하나는 바로 수중 운동체 주위에 초공동을 발생시키는 기술로, 일반적으로 캐비테이터(Cavitator)라고 하는 공동 발생 장치를 수중 운동체의 앞단(Nose)에 부착하여 주행하게 된다. 그러나, 초공동을 발생시키기 위해서는 초공동 상태에 도달하기까지 매우 큰 초기 속도(70m/s 이상)가 요구되며, 이때 요구되는 추진 에너지도 크게 증가하게 된다.
이러한 문제를 완화시키기 위해 캐비테이터와 함께 인위적으로 공기 또는 가스를 공동 내부에 분사하여 초공동 발생을 촉진시키는 분사형 공동 발생기가 사용된다.
분사형 공동 발생기는 분사량 조절을 통해 공동을 낮은 속도에서도 크게 만들 수 있어 수중 운동체의 초기 주행 단계에서 적은 추진 에너지로도 단시간 내 초공동 상태에 도달할 수 있게 해준다. 또한, 운동체의 속도나 수심이 변할 경우 공동의 크기가 달라져 초공동 상태가 유지되지 못할 수도 있는데 이때 분사량 조절을 통해 초공동 상태를 유지시켜 주는데 필수적인 장치이다. 이러한 분사형 공동 발생 장치를 개발하기 위해서는 고속 캐비테이션 터널(High-speed cavitation tunnel : HCT)과 같은 시험시설에서 모형시험을 통해 원하는 크기의 분사형 공동을 발생시키고 제어할 수 있는 기술을 개발하는 것이 필수적이다.
본 발명의 목적은 고속 캐비테이션 터널에서 모형 시험을 통해 원하는 크기의 분사형 공동을 생성 및 유지시킬 수 있는 분사 제어 시스템 및 그 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 분사 제어 시스템은, 공기를 압축하는 공기 압축기; 공기 압축기에서 압축된 공기를 저장하는 공압 탱크; 공압 탱크에 순차 연결되는 레귤레이터, 유량 조절장치 및 유량계를 포함하여, 상기 공압 탱크에 저장된 압축 공기를 요구 분사량에 따라 캐비테이션 터널로 분사하여 분사형 공동을 형성하는 분사부; 및 시험자가 입력한 목표 공동 크기에 해당하는 공동수를 계산한 후 분사량-공동수간 상관관계를 이용하여 분사형 공동을 발생시키기 위한 요구 분사량을 산출하여 분사부를 제어하는 분사 제어 컴퓨터;를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따라 상기 분사 제어 컴퓨터는 상기 유량계를 통해 계측된 토출 유량과 시험자가 입력한 유량의 차이를 계산하여, 상기 산출된 요구 분사량과 일치되도록 유량조절장치를 제어함에 의해 상기 요구 분사량을 일정하게 유지시킬 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 분사 제어 방법은, 캐비테이션 터널의 유속 및 주변 압력, 캐비테이터 직경을 근거로 시험자가 입력한 목표 공동 크기에 해당하는 공동수를 구하는 단계; 상기 구한 공동수를 분사량 계산식에 대입하여 목표 공동 크기의 분사형 공동을 생성하기 위해 요구되는 분사량을 계산하는 단계; 및 상기 계산된 분사량에 따라 캐비테이션 터널로 공기를 분사하여 분사형 공동을 발생시키는 단계;를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따라 상기 캐비테이션 터널로 분사되는 도출 유량과 시험자가 입력한 유량의 차이를 계산한 후 상기 계산된 유량차이에 따라 유량조절장치를 제어하여 요구 분사량을 일정하게 유지시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 실시예에 따라 본 발명은 캐비테이션 터널에서의 모형 시험을 통해 분사량-공동간 상관관계를 이용하여 캐비테이션 터널의 수중 환경에 해당하는 요구 분사량을 계산하여 분사함으로써 정확하고 안정적으로 공기를 공급할 수 있는 효과가 있다. 특히 본 발명은 원하는 크기의 분사형 공동을 발생시키기 위한 공기 (또는 가스) 분사량을 계산한 후 캐비테이션 터널 내부에 정확하고 안정적으로 공급함으로써 분사형 공동 발생 장치 개발을 위한 기반 기술 확보가 가능할 것으로 기대된다.
도 1은 공동수와 공동 최대 직경/길이간 상관 관계를 나타낸 그래프.
도 2는 분사량과 공동수간 상관 관계를 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 분사형 공동 발생 및 유지를 위한 분사 제어 시스템의 구성도.
도 4는 도 3은 본 발명의 실시예에 따라 분사형 공동 발생 및 유지를 위한 분사 제어 시스템의 상세 동작을 나타낸 순서도.
초공동 수중운동체의 고속 주행을 위해서는 분사형 공동 발생 장치가 필수적이며, 이러한 분사형 공동 발생 장치를 개발하기 위해서는 사전에 캐비테이션 터널에서의 모형시험을 통해 분사형 공동 발생 및 유지/제어 기술을 확보하여야 한다.
본 발명은 고속 캐비테이션 터널에서 분사량-공동간 상관관계를 이용하여 원하는 크기의 분사형 공동(Cavity)을 생성 및 유지시킬 수 있는 방안을 제안한다.
이를 위하여 본 발명은 캐비테이션 터널에서의 모형시험을 통해 원하는 크기(목표 크기의)의 분사형 공동을 발생시키기 위한 공기 분사량을 계산하여 고속 캐비테이션 터널 내부에 정확하고 안정적으로 공급한다.
수중 운동체의 앞단(Nose)에 위치하는 캐비테이터(Cavitator)가 디스크형인 경우, 상기 캐비테이터에 의해 발생되는 공동의 형상 즉 최대 직경(DC)과 최대 길이(LC)는 아래 수학식 1에 개시된 바와같이, 공동수(σ), 캐비테이터의 직경(Dn) 및 캐비테이터의 항력 계수(Cx)에 의해 결정된다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서
Figure pat00002
이다.
상기 공동수는
Figure pat00003
로 정의된다. 이때
Figure pat00004
는 물의 밀도, V∞는 캐비테이션 터널 유속, P∞와 PC는 각각 터널 주변(ambient) 압력과 공동 내부 압력이다.
상기 수학식 1에서 캐비테이터의 항력 계수(Cx)는 공동수만의 함수이므로, 캐비테이터 직경과 공동수가 정해지면 공동의 형상을 결정할 수 있다. 여기서 공동수는 터널 유속과 터널 주변 압력이 정해지면 공동 내부 압력(PC)에 따라 결정되며, 상기 공동 내부 압력(PC)은 공동 내부로 공급되는 공기(또는 가스)의 분사량에 따라 바뀌게 된다.
따라서, 공동수(σ)는 공기의 분사량과 밀접한 상관관계를 가지게 되는데, 캐비테이션 터널에서의 분사량(Q)과 공동수(σ) 간의 상관관계는 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다. 즉, 원하는 크기의 공동을 발생시키기 위해서는 터널 유속 및 주변 압력, 캐비테이터 직경이 주어진 상태에서 수학식 1을 이용하여 원하는 공동 크기에 해당되는 공동수를 찾은 다음 해당 공동수를 수학식 2에 넣어서 요구되는 분사량(
Figure pat00005
)을 계산할 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00006
도 1은 공동수와 공동 최대 직경/길이간 상관 관계를 나타내고, 도 2는 분사량과 공동수간 상관 관계를 나타낸다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 캐비테이션 터널의 유속(
Figure pat00007
)이 10m/sm이고, 캐비테이터의 직경(Dn)이 0.03m일 때, 수학식 1을 이용하여 구한 공동수(σ)가 0.15라고 가정하면, 수학식 2를 이용하여 구한 분사량은 도 2의 그래프에서 0.15의 공동수(σ)에 대응되는 값으로 결정된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 분사형 공동 발생 및 유지를 위한 분사 제어 시스템의 구성도이다.
도 3에 도시된 바와같이, 본 발명에 따른 분사 제어 시스템은, 공기 압축기 (100), 공압 탱크(110), 레귤레이터(120), 유량 조절장치(130), 유량계(140) 및 분사제어 컴퓨터(150)로 구성된다.
상기 공기 압축기(100)는 공기를 압축하고, 공압 탱크(110)는 공기 압축기(100)에서 압축된 공기를 저장하는 역할을 수행한다.
상기 레귤레이터(120), 유량 조절장치(130) 및 유량계(140)는 각각 복수개 구비되어 공압 탱크 (110)의 각 연결밸브에 순차 연결되어 분사부를 형성한다. 레귤레이터(120)는 공압 탱크(110))로부터 공급된 공기(또는 가스)의 유량을 안정적으로 제어하기 위하여 일정한 압력을 유지한다. 유량 조절장치(130)는 분사제어 컴퓨터(150)의 제어에 따라 레귤레이터(120)에서 도출되어 고속 캐비테이션 터널(HCT)로 분사되는 공기의 유량을 조절하고, 상기 유량계(140)는 유량 조절장치(130)의 후단에 위치하여 상기 유량 조절장치(130)로부터 토출되는 유량을 검출하여 분사제어 컴퓨터(150)로 출력한다.
상기 분사제어 컴퓨터(150)는 목표 공동 크기 입력, 요구 분사량 계산 및 전체 시스템 운용 및 제어를 수행한다.
상기 유량 조절장치(130)는 분사제어 컴퓨터(150)의 제어에 따라 유량을 조절하고, 상기 유량계(140)는 토출 유량을 검출하여 분사제어 컴퓨터(150)로 출력한다.
이와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 분사형 공동 발생 및 유지를 위한 분사제어시스템의 동작은 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 분사형 공동 발생 및 유지를 위한 분사 제어 시스템의 상세 동작을 나타낸 순서도이다.
운영자에 의해 분사제어 컴퓨터(150)에 목표 공동의 크기가 입력되면(S100), 분사제어 컴퓨터(150)는 수학식 1을 이용하여 목표 공동의 크기에 해당하는 공동수를 계산하고(S110), 상기 계산된 공동수에 해당하는 요구 분사량을 수학식 2를 통해 계산한 후(S120), 레귤레이터(120)와 유량 조절장치(130)를 제어하여 공압 탱크(110)내의 공기(또는 가스)를 상기 계산된 분사량으로 캐비테이션 터널(HCT)로 분사한다.
이때, 레귤레이터(120)는 공압 탱크(110)로부터 공급된 공기(또는 가스)의 유량을 안정적으로 제어하기 위하여 일정한 압력을 유지하며, 분사제어 컴퓨터(150)는 유량조절장치(130) 하단에 설치된 유량계(140)를 통해 계측된 토출 유량과 상기 계산되어 입력된 요구 분사량간의 차이를 계산하여(S130), 상기 계산된 요구 분사량과 일치되도록 유량조절장치(130) 내부의 유량조절 밸브를 제어하는 방식의 피드백 제어를 수행함으로써 상기 계산된 요구 분사량이 안정적으로 유지되도록 한다(S140).
상술한 바와같이 본 발명은 캐비테이션 터널에서의 모형 시험을 통해 분사량-공동간 상관관계를 이용하여 캐비테이션 터널의 수중 환경에 해당하는 요구 분사량을 계산하여 분사함으로써 정확하고 안정적으로 공기를 공급할 수 있는 효과가 있다.
초공동 수중 운동체의 고속 주행을 위해서는 분사형 공동 발생 장치가 필수적이며, 이러한 분사형 공동 발생 장치를 개발하기 위해서는 사전에 캐비테이션 터널에서의 모형시험을 통해 분사형 공동 발생 및 유지/제어 기술을 확보하여야 한다. 본 발명을 통해 원하는 크기의 분사형 공동을 발생시키기 위한 공기 (또는 가스) 분사량을 계산한 후 캐비테이션 터널 내부에 정확하고 안정적으로 공급함으로써 분사형 공동 발생 장치 개발을 위한 기반 기술 확보가 가능할 것으로 기대된다.
또한, 본 발명에 따른 분사형 공동 발생 및 유지를 위한 분사 제어 시스템 및 그 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 상술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다.
100 : 공기 압축기 110 : 공압 탱크
120 : 레귤레이터 130 : 유량 조절장치
140 : 유량계 150 : 분사제어 컴퓨터

Claims (10)

  1. 공기를 압축하는 공기 압축기;
    공기 압축기에서 압축된 공기를 저장하는 공압 탱크;
    공압 탱크에 순차 연결되는 레귤레이터, 유량 조절장치 및 유량계를 포함하여, 상기 공압 탱크에 저장된 압축 공기를 요구 분사량에 따라 캐비테이션 터널로 분사하여 분사형 공동을 형성하는 분사부; 및
    시험자가 입력한 목표 공동 크기에 대응되는 공동수를 계산한 후 분사량-공동수간 상관관계를 이용하여 공동 발생을 위한 요구 분사량을 산출하여 분사부를 제어하는 분사 제어 컴퓨터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 분사 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 분사 제어 컴퓨터는
    아래 수학식을 이용하여 목표 공동 크기에 해당하는 공동수(σ)를 계산하는 것을 특징으로 하는 분사 제어 시스템.
    Figure pat00008
    ,
    Figure pat00009

    여기서, Dn은 캐비테이터의 직경, DC는 공동의 최대 직경, LC는 공동의 최대 길이, Cx는 캐비테이터의 항력 계수이다.
  3. 제2항에 있어서, 상기 공동수(σ)는
    다음 식으로 정의되는 것을 특징으로 하는 분사 제어 시스템.
    Figure pat00010

    여기서,
    Figure pat00011
    는 물의 밀도,
    Figure pat00012
    는 캐비테이션 터널 유속,
    Figure pat00013
    는 각각 터널 주변(ambient) 압력과 공동 내부 압력을 나타낸다.
  4. 제1항에 있어서, 상기 분사 제어 컴퓨터는
    상기 계산된 공동수(σ)를 아래 수학식에 대입하여 요구 분사량 (
    Figure pat00014
    )을 산출하는 것을 특징으로 하는 분사 제어 시스템.
    Figure pat00015

    여기서, Q는 캐비테이션 터널에서의 분사량,
    Figure pat00016
    sms는 캐비테이션 터널의 유속, Dn은 캐비테이터의 직경이다.
  5. 제1항에 있어서, 상기 분사 제어 컴퓨터는
    상기 유량계를 통해 계측된 토출 유량과 시험자가 입력한 유량의 차이를 계산하여, 상기 산출된 요구 분사량과 일치되도록 유량조절장치를 제어함에 의해 상기 요구 분사량을 일정하게 유지시키는 것을 특징으로 하는 분사 제어 시스템.
  6. 캐비테이션 터널의 유속 및 주변 압력, 캐비테이터 직경을 근거로 시험자가 입력한 목표 공동 크기에 해당하는 공동수를 구하는 단계;
    상기 구한 공동수를 분사량 계산식에 대입하여 목표 공동 크기의 분사형 공동을 생성하기 위해 요구되는 분사량을 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 분사량에 따라 캐비테이션 터널로 공기를 분사하여 분사형 공동을 발생시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 분사 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 공동수는
    아래의 분사량 계산식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 분사 제어 방법.
    Figure pat00017

    여기서, Dn은 캐비테이터의 직경, DC는 공동의 최대 직경, LC는 공동의 최대 길이, Cx는 캐비테이터의 항력 계수이다.
  8. 제7항에 있어서, 상기 공동수(σ)는
    다음 식으로 정의되는 것을 특징으로 하는 분사 제어 방법.
    Figure pat00018

    여기서,
    Figure pat00019
    는 물의 밀도,
    Figure pat00020
    는 캐비테이션 터널 유속,
    Figure pat00021
    는 각각 터널 주변(ambient) 압력과 공동 내부 압력을 나타낸다.
  9. 제6항에 있어서, 상기 요구 분사량 (
    Figure pat00022
    )은
    상기 계산된 공동수(σ)를 아래 수학식에 대입하여 산출하는 것을 특징으로 하는 분사 제어 방법.
    Figure pat00023

    여기서, Q는 캐비테이션 터널에서의 분사량,
    Figure pat00024
    sms는 캐비테이션 터널의 유속, Dn은 캐비테이터의 직경이다.
  10. 제6항에 있어서, 상기 캐비테이션 터널로 분사되는 도출 유량과 시험자가 입력한 유량의 차이를 계산한 후 상기 계산된 유량차이에 따라 유량조절장치를 제어하여 요구 분사량을 일정하게 유지시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분사 제어 방법.
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