CFD를 이용한 림 구동 일체형 추진장치의 단독성능 예측 = Prediction of open-water performance of a rim-driven integrated propulsor using CFD

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study presents numerical results for the open-water performance of a rim-driven integrated propulsor designed based on the Ka4-70 propeller blade and No. 19A duct geometry. Computational fluid dynamics (CFD) simulations of non-cavitating and cavitating flows were conducted with the propulsor not mounted to the hull using commercial Reynolds-averaged Navier–Stokes solver (Fluent software). The rotation of the propeller was described by the moving reference frame method. Mixture and Schnerr–Sauer models were used to simulate two-phase flow and mass transfer by cavitation. The simulation results showed that the developed rim-driven propulsor had lower open-water efficiency and exhibited different cavitational characteristics compared with the conventional shaft-driven propulsor, and the hydrodynamic characteristics changed according to the presence or absence of a propeller hub.
In addition, we investigated the effects of modified duct shapes and additional swirl stators for roll control on the performance.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 Ka4-70 프로펠러 날개와 No. 19A 덕트 형상을 기반으로 설계된 림 구동 일체형 추진장치의 단독성능을 예측하기 위한 전산유체역학(CFD) 해석 결과를 제시하였다. 상용 CFD Solver인 Fluent를 활용하여 추진장치가 선체에 장착되지 않은 상태에서 캐비테이션을 고려하지 않은 조건과 고려한 조건에 대한 해석을 수행하였다. 추진기의 회전은 MRF(Moving Reference Frame) 기법을 통해 표현하였고, 캐비테이션에 의한 이상유동과 액체-증기 간의 물질전달을 모사하기 위해 Mixture Model 및 Schnerr-Sauer Model을 적용하였다. 해석 결과, 림 구동 추진장치는 기존의 축 구동 추진장치에 비해 효율이 다소 낮아지고 다른 캐비테이션 특성이 나타나며, 프로펠러 허브 유무에 의해 유체역학적 특성이 변화함을 확인할 수 있었다. 또한 전동기 고정자 장착을 위해 설계 변경된 덕트 형상과 롤 제어를 위해 설치된 스월 스테이터가 추진성능에 미치는 영향에 대해서도 분석을 수행하였다.

참고문헌 (Reference)

1 서성부, "중형 공동수조에서의 프로펠러 단독특성에 대한 위벽효과 보정 연구" 한국마린엔지니어링학회 34 (34): 718-724, 2010

2 유혜란, "전치 가이드베인을 가지는 수중 덕트 프로펠러 주위의 전산 유동 해석" 한국전산유체공학회 9 (9): 62-69, 2004

3 정태환, "세가지 다른 모형의 덕트 프로펠러의 CFD 해석과 시험에 관한 연구" 한국해양공학회 28 (28): 199-208, 2014

4 김민건, "비정렬격자를 이용한 프로펠러 성능 및주위 유동해석" 대한조선학회 51 (51): 162-170, 2014

5 김제인, "SVA Potsdam 프로펠러 단독 및 캐비테이션 성능 수치해석" 대한조선학회 54 (54): 215-226, 2017

6 G. H. Schnerr, "Physical and numerical modeling of unsteady cavitation dynamics" 1-12, 2001

7 K. B. Kim, "Optimal design and experimental verification of fluid dynamic bearings with high load capacity applied to an integrated motor propulsor in unmanned underwater vehicles" 114 : 221-233, 2017

8 J. S. Carlton, "Marine Propellers and Propulsion" Elsevier 2007

9 서성부, "CFD를 이용한 KRISO 추진효율 향상 장치(K-duct)의 성능 해석" 한국해양공학회 31 (31): 183-188, 2017

10 ANSYS Inc, "ANSYS Fluent Theory Guide 19.2"