1. 서 론
덕트프로펠러 (Ducted propeller)는 프로펠러 주위에 덕트를 설치하여 덕트와 프로펠러의 상호작용에 의해 높은 추력과 효율을 향상시키기거나(가속덕트) 케비테이션을 감소시키기 위해 (감속덕트) 사용한다. 가속덕트는 추력이 특히 크게 필요한 예인선이나 어망을 끄는 어선 등에 사용되고, 높은 하중 상태에서 보통의 단추진 프로펠러보다 약 15% 정도의 효율을 향상시킬 수 있으나 날개끝 하중의 증가로 케비테이션의 발생 위험성이 있다. 한편 감속덕트는 수중에서 케비케이션을 없애고 프로펠러 자체를 보호할 목적으로 수중로봇이나, 잠수함 등에 사용된다(Lee et al., 2007).
덕트 프로펠러는 또한 유삭식 무인잠수정(Remotely operated vehicle, ROV)이나 자율 무인잠수정(Autonomous underwater vehicle, AUV)과 같은 무인잠수정에 프로펠러의 성능을 높이고 프로펠러 자체를 보호할 목적으로 사용된다. 덕트 프로펠러는 일반 스크류 프로펠러와 달리 프로펠러 이외에도 덕트 자체의 추진력(추진계수)을 포함하고 있으므로, 임펠러와 덕트의 추진력을 분리하여 측정하기 위한 프로펠러 단독성능시험이 수조에서 이루어지기 쉽지 않다고 알려져 있다. 따라서 덕트 프로펠러의 단독성능을 구하기 위해서 여러 가지 모델에 대한 실험을 전산유체역학 (Computational fluid dynamics, CFD)에 의한 모사로 먼저 추정하는 것이 대안이 될 수 있다. CFD 해석에 의한 덕트 프로펠러에 대한 연구는 활발하게 진행이 되고 있으나 (Bulten, 2006; Tamura et al. 2010), CFD 해석의 결과를 검증하기 위한 단독시험결과의 자료는 상당히 제한적이다.
본 연구에서는 설계중인 자율무인잠수정에 사용될 덕트의 형상 중에서 특별히 3가지 형상(두가지 형상의 가속덕트와 한가지 형상의 감속덕트)에 주목하고 이에 대한 프로펠러 단독성능 시험을 CFD 해석를 이용하여 모사하였다. 각각의 다른 덕트의 내 부에는 Technodyne에서 설계된 Model 540과 동일한 형상의 프로펠러를 임펠러로서 사용하였다(Tecnodyne, 2006). CFD 해석은 상용해석코드인 ANSYS-CFX 14.0을 사용하여 해석을 수행하였고, 덕트가 없는 임펠러 자체의 프로펠러 단독성능 시험과 세 가지의 덕트형상과 임펠러가 결합된 총 네 가지의 경우에 대하여 프로펠러 단독성능시험결과를 전구간의 전진비에서 비교 하였다.
CFD 해석에 의한 결과는 감속덕트와 임펠러가 결합된 경우가 주어진 회전수에서 가장 큰 추력을 보이지만, 토오크 또한 가장 크므로 주어진 설계속도에서의 효율은 설계된 가속덕트와 임펠러의 조합의 경우가 높은 것으로 나타났다.
따라서, 설계점에서 가장 우수하다고 판단되는 가속덕트와 임펠러의 형상에 대하여 직접 제작하여 국립수산과학원의 수조에서 프로펠러 단독성능 시험을 수행하였다. 수조실험에서 얻어진 프로펠러단독성능시험의 결과는 CFD 해석결과와 비교하였다.
2. 덕트 프로펠러에 대한 프로펠러 단독특성 시험의 모사
2.1 덕트 프로펠러 모델
본 연구에서 CFD 해석과 실험에 고려된 3가지 형상(두가지의 가속덕트와 한가지의 감속덕트의 형상)에 대한 내용을 Table 1에 나타내었다. 세가지 모델의 선정이유는 본 연구를 통해 개발된 가속덕트 (Model 1)의 추진효율을 검증하기 위하여 기존에 일반적으로 사용되는 모델 (Model 2)과 잠수체에서 성능이 우수하다고 알려진 감속덕트(Model 3)을 선택하여 비교, 분석하기 위함이다. 즉, Table 1에서 ‘Model 1’은 ‘Rice Nozzle’의 형상으로서 ‘NACA’설계방식에 의해 특별히 개발된 형상이다(Ladson and Sproles, 1996). 개발된 덕트의 단면형상은 ‘NACA 6721’이며 이전의 연구에서의 덕트 만의 CFD 해석과정을 거쳐 가장 와류가 적게 나타나는 받음각(11°)로 하였다 (Joung et al., 2009). 그리고, ‘Model 2’는 ‘Kort Nozzle’의 형상으로서 가장 일반적으로 사용되는 ‘MARIN 19A’ 모델이다(Carlton, 2012). 이두 모델은 출구유량이 입구유량보다 크므로 (Q >Q0 ), 둘 다 가속덕트의 형태로 분류할 수 있다. 한편, ‘Model 3’는 감속덕트로서 ‘Model 1’의 단면형상과 덕트단면의 중심축에서 대칭이 되도록 설계하였고 출구유량이 입구유량보다 작으므로 (Q <Q0), 감속덕트로 분류될 수 있다. 덕트와 허브의 길이와 직경은 세가지 모델 모두 동일하며, 내부의 임펠러 또한 동일한 프로펠러의 형상(Kaplan type propeller; Model 540, Technodyne)이 사용되었다(Tecnodyne, 2006).
2.2 덕트프로펠러 단독성능시험 모사를 위한 CFD 해석 모델
2.2.1 지배방정식 및 수치해석법
덕트프로펠러 단독성능시험 모사를 위한 지배방정식으로는 연속방정식과 RANS(Reynolds averaged Navier-Stokes, RANS) 방정식이며 삼차원 비정상상태 비압축성 점성유동을 고려하는 유한체적법(Finite volume method, FVM)에 근거한 상용해석코드인 ANSYS-CFX 14.0을 사용하였다. 난류모델로서는 레이놀즈응력(Reynolds stress) 항을 k-ω SST 모델을 사용하여 해석하였고, 압력과 속도 연성은 SIMPLEC(Semi-implicit method for pressure-linked equations-consistent)법이 이용되었다. 압력항은 Standard 방법으로 Momentum, Turbulent kinetic energy와 Turbulent dissipation rate는 2nd Order upwind 방법으로 이산화 하였다. 지배방정식과 난류모델 및 압력과 속도 연성에 관한 자세한 내용은 본고에서 다루지 않으며 이에 대한 내용은 참고문헌을 참조하도록 한다(Park et al., 2012; Ferziger and Peric, 2013; Versteeg and Malalasekera, 2007).
2.2.2 격자생성 및 경계조건
프로펠러 단독 시험을 수치해석하기 위한 격자생성은 덕트나 프로펠러의 끝단과 같은 까다로운 기하학적 형상에서도 높은 수준의 격자의 질을 생산할 수 있는 ANSYS-ICEM이 이용되었다. 특히 덕트부 내벽과 프로펠러 끝단에서 발생할 수 있는 격자의 충돌을 회피하기 위하여 격자의 크기를 상당한 수준으로 줄여야하는 여러움이 있는데, ANSYS-ICEM에서는 격자의 생성을 위해 해단 부분의 표면격자작업(Surface mesh)만을 반복적으로 수행하여 최종적으로 적절한 체적격자의 생성이 가능하게 하였다. 각각의 덕트 모델에 대한 표면격자작업에 완성된 그림을 Fig. 1에 나타내었다. 덕트내부의 회전하는 임펠러의 격자는 회전영역으로 정의하고 정지영역으로 정의된 부분과는 접촉경계면(Interface)는 General Grid Interface(GGI)으로 정의하여 격 자사이의 해석정보가 전달된다(ANSYS Inc., 2011).
완성된 표면격자를 기본으로 하여 체적격자작업이 완료되었으며 완료된 격자에 대한 정보를 Table 2에 나타내었다. Table 2에서 ‘Model 3’에대한 격자의 수가 상대적으로 큰 것은 y+값을 일정하게 유지하도록 하면서 프로펠러 끝단과 덕트내벽의 충첩되는 격자를 회피하기 위하여 격자의 크기를 상당한 양으로 줄 였기 때문이다. Table 2에 세가지 모델에 대한 격자와 절점의 수와 전진비에 걸친 레이놀즈 수(Rn )과 y+을 각각 나타내었다.
Table 2
Mesh characteristics for the POW Test Simulations for the three ducted (nozzle) propeller models
CFD 해석을 위한 해석영역과 경계조건을 Fig. 2에 나타내었다. CFD 해석을 위한 전체영역(Domain)은 벽면효과를 최소화하기 위하여 크게 하면 할 수 록 영향이 줄어들지만 해석시간이 과도하게 걸릴 수 있으므로, 몇 번의 해석을 수행 후 크기를 정하고 벽면의 경계조건을 열려진 조건(Opening)으로 하였다. 따라서 Fig. 2에 나타난 바와 같이 전체영역의 길이는 덕트부의 중심으로부터 앞쪽으로 덕트 직경의 3배, 뒤쪽으로는 덕트 직경의 7배, 그리고 직경은 덕트 직경의 5배로 하였고, 좌표계의 정의는 유속방향을 X축, 반경 방향을 각각 Y축과 Z축으로 선정하였다.
2.3 세가지 덕트 모델에 대한 CFD 해석결과
2.3.1 Bollard Pull 추력시험 결과 비교 및 분석
CFD 해석에 의한 덕트 프로펠러의 단독성능시험 모사는 세가지 덕트형상과 함께 덕트 프로펠러를 제외한 덕트 내부에 사용되는 임펠러(Model540, Technodyne)에 대하여 수행되었다. 프로펠러 단독시험에 앞서 입구에서의 유속이 없는 전진비 0인 상태에서의 임펠러의 회전수(rpm)를 1335로 고정하고 ‘Bollard Pull’추력시험을 수행하고 해석결과를 비교하여 Table 3에 나타내었다. Table 3의 상단에 보인 바와 같이, 임펠러만의 ‘Bollard Pull’추력시험 결과는 제작사에서 제공된 시험 결과와 비교할 수 있다. 덕트가 없는 임펠러만의 CFD 해석결과는 제작사에서 제공된 결과와 비교하여 보면, 추력의 경우, 약 5%이내의 오차가 발생함을 알 수 있다.
Table 3
Bollard pull thrust test results for a impeller only model and the three ducted propeller models
한편, 세가지 덕트의 경우의 추력은 임펠러만의 추력과 비교하여 15~28(N) 정도 증가하였다. ‘Model 1’의 경우, 덕트에 의해 발생된 추력은 62.95(N)으로서 다른 덕트 모델에서 발생된 추력보다 크게 나왔으나 전체추력은 가장 적게 나왔다. 전체추력은 ‘Model 3’에 의해 발생된 추력과 토오크가 가장 크게 나왔다. 내부 임펠러에 대한 덕트의 추력의 발생비는 ‘Model 1’의 경우가 가장 높음을 알 수 있다.
2.3.2 프로펠러 단독시험 CFD 결과 비교 및 분석
세가지 덕트형상에 대한 프로펠러 단독성능시험은 회전수를 1000rpm (=16.67rps)로 고정하고 입구 유속을 변화시켜 계산을 수행하였다. 전진비(JA ) 0.0~1.0의 범위에서 추력계수, 토크계수 및 단독효율을 계산하여 Fig. 3, Fig. 4, Fig. 5에 각각 나타내었다.
Fig. 3에 보인 바와 같이, 덕트와 임펠러의 추력을 합한 전체 추력에 의해 계산된 추력계수(KT )을 비교하면, ‘Model 3’의 경우가 전진비(JA ) 0.0~1.0의 범위에 걸쳐 가장 크게 나옴을 알 수 있으며, 특히 ‘Model 1’의 경우, 전진비 0.65이상에서 덕트자체의 저항으로 인하여 전체추력계수가 음이 됨을 알 수 있다. 한편, 토오크 계수(10·KQ ) 경우에도 역시, Fig. 4에 나타난 바와 같이, ‘Model 3’의 경우가 전진비(JA ) 0.0~1.0의 범위에 걸쳐 가장 크며, 전진비 0.75이상에서는 ‘Model 1’의 경우, 토오크 계수가 음이 된다. 한편, 추력계수와 토오크계수에 의한 덕트프로펠러 단 독효율(ηo )을 비교하여보면, Fig. 5에 나타난 바와 같이, AUV에 사용될 설계점의 범위(JA ) 0.20~0.40의 범위 (전진속도 약 1.0~2.0knots)에서 ‘Model 1’의 경우가 ‘Model 2’와 ‘Model 3’보다 높으며, ‘Model 2’와 ‘Model 3’의 경우의 효율은 오차범위 내에서 거의 비슷하다.
Fig. 3
Comparison of the thrust coefficients (KT ) for the three ducted propeller models at open water test
Fig. 4
Comparison of the torque coefficients (10KQ ) for the three ducted propeller models at open water test
Fig. 5
Comparison of the propeller efficiencies (ηO ) for the three ducted propeller models at open water test
덕트 프로펠러 내부와 주변의 에서의 유동장의 특성을 해석하기 위하여 속도벡터 및 속도회전(Velocity curl) 분포를 설계 속도의 중앙값(JA = 0.3)에서 구하여 Fig. 6에 나타내었다. 그림에서 확인할 수 있는 바와 같이 덕트가 없는 경우의 프로펠러끝 단(tip)에서 생성되어지는 와(Vortex)는 덕트에 의해 상당히 소멸되어지고 박리점 또한 상당부분 뒤쪽으로 후퇴하고 있음을 알 수 있다. ‘Model 1’의 경우에는 박리점이 덕트의 끝단부분의 바깥부분에서 발생하고 있고, ‘Model 3’의 경우에는 끝단부분의 안쪽부분에서 발생한다. 한편, 덕트 내부의 유동을 살펴보면, 덕트의 형상에 의한 ‘Model 1’에 의해 유입되는 유속이 다른 모델에 비교하여 제일 빠르며, 프로펠러 후류 부분의 유동속도 또한 박리점 없이 잘 발달하고 있음을 알 수 있고, 이러한 현상은 전진비가 클수록 더욱 분명해진다.
3. 단독성능시험에 의한 CFD 해석결과 검증
3.1 단독성능시험을 위한 덕트 프로펠러 모델 및 시험장치
CFD 해석을 검증을 위해 CFD 해석에서 사용된 동일한 덕트모델(Model 1)과 임펠러 모델이 Fig. 7과 Fig. 8에 각각 보인 바와 같이 제작되었다. 덕트부의 3차원 형상의 데이터는 3D cad 소프트웨어로부터 추출이 되었고, 덕트 내부의 임펠러는 제작사로부터 제공받아 제작되었다. 단독성능시험에서 덕트 부분을 고정하고 추력을 측정하기 위해 특별히 고안된 고정용 지지봉에 의해 덕트부를 고정시키고 프로펠러 단독성능시험 장치에 임펠러가 장착되어 결합된 모습을 Fig. 9에 나타내었다.
덕트 프로펠러의 단독시험은 프로펠러 단독시험 장치(P.O.W Dynamometer)을 이용하여 수행되었다. P.O.W 장비는 추력 (Thrust) ±120N, 토크(Torque) ±6N-m, 최대회전수 ±3,000RPM의 성능을 갖추고 있다. 노즐(덕트)에 작용하는 양력을 측정하기 위해서는 x축 및 y축 방향의 힘과 z축에 대한 모멘트인 Fx, Fy 및 Mz를 측정가능한 3분력계를 노즐에 고정시켜 사용하였다. 이 장비는 x축 및 y축의 방향으로 최대 ±100N의 힘의 계측과 z축 기준으로 ±50 N-m의 모멘트 측정이 가능하다.
프로펠러 단독시험은 일반적으로 적용하는 침수조건에 따라 덕트의 중심이 덕트 직경 의 약 1.5배의 깊이인 350mm 깊이로 자유표면으로부터 잠기게 하였다(ITTC, 2008). 고정용 지지봉은 덕트부의 상단에 고정이 되어 덕트부 만의 추력을 측정하도록 고안되었지만, 그 형상으로 인해 발생하는 저항이 높게 발생하고 덕트부의 앞 가장 자리의 형상과 결합하여 복잡하고 불균일한 유동을 야기한다. 따라서 실험결과의 보정을 위하여 본 실험에 앞서 덕트를 고정하는 봉의 저항 및 프로펠러 허브와 캡의 저항을 확인하기 위하여 프로펠러를 설치하지 않은 상태로 끌며 저항을 계측하였다. 이러한 과정을 통해 덕트의 양력과 고정봉에 작용하는 저항을 파악 할 수 있으며, 프로펠러 단독시험에서 주어진 전진속도로 끌어 추력의 보정에 필요한 값을 사전에 구하였다. 이 값은 최종적으로 프로펠러를 설치한 상태로 수행된 모형시험에서 얻어진 추력과 토크의 계측 값에 보정치를 반영한 후 결과의 해석에 사용하였다.
3.2 단독성능시험결과와 CFD 해석결과 비교/검토
3.2.1 임펠러 (Model540, Technodyne) 모델 결과 비교
임펠러만의 단독성능시험을 위하여 회전수를 16rps (=960rpm)로 고정시키고 예인속도를 변화시켜가며 전진비(JA ) 0.15~0.95 구간에서 시험을 수행하였다. 임펠러만의 단독성능시험이 수행중인 과정에서의 촬영된 사진을 Fig. 10에 나타내었다. 추력계수, 토크계수 및 단독효율은 CFD에 해석된 결과와 비교하여 Fig. 11에 나타내었다. CFD 해석 결과와 비교하여 단독성능시험결과는 전진비 0.55 이하에서는 잘 일치하고 있으나, 속도가 증가함에 따라 약 5~7%의 차이를 보였다. 특히 전진비 0.175~0.85 구간에서 추력계수의 급격한 감소로 CFD 해석과 비교하여 큰 차이를 보인다. 그러나 AUV의 운용범위에서는 2% 미만의 오차를 보이고 있다.
3.2.2 덕트 프로펠러 단독성능시험 결과 비교
덕트가 장착된 상태에서의 단독성능시험을 수행하여 CFD 해석결과 (Model 1의 경우)와 비교하였다. 내부의 임펠러는 앞절에서 수행된 모델과 동일한 모델이며, 시험 중에 얻어진 추력은 덕트부와 임펠러부로 나뉘어 각각 저장되도록 하였다. 덕트가 장착된 상태에서의 단독성능시험의 시험 범위는 전진비 0.10~0.60에서 수행되었으며 특히 AUV의 운용범위에서 비교, 분석되었다. 실험 중에 얻어진 전체추력에서 고정용 지지봉에 의해 걸리는 저항력이 고려되어 감해졌다. 덕트 프로펠러의 단독성능시험이 수행중인 과정에서 낮은 전진비(JA =0.1)와 높은 전진비(JA =0.6) 촬영된 사진을 Fig. 12에 나타내었다. 사진에서 보인 바와 같이 높은 전진비에서 고정용 지지봉에 의해 걸리는 저항력은 상당한 수준으로 추정할 수 있다.
Fig. 12
Experimental test scene during the POW test with the duct propeller model at different advanced ratios
단독성능시험에서 얻어진 결과를 추력계수와 토오크계수에 대한 CFD 해석 결과와 비교하여 Fig. 13의 (a)와 (b)에 각각 나타내었다. 추력계수와 토오크계수 모두 낮은 전진비에서는 CFD 해석에 의한 결과값이 약간 크며, 속도가 증가함에 따라 시험에 의한 추력계수와 토오크계수의 값이 CFD 해석에 의한 결과값 보다 크게 나오고 있다. 추력계수에 대한 단독시험결과는 CFD 해석 결과와 비교하여 약 3~5%의 차이를 보이며 토크계수는 약 5~7%의 차이를 보였다.
Fig. 13
Comparison of computed (CFD) and measured (Experimental test) performance ((a) KT and (b)KQ ) in open water for the ducted propeller model
한편, 단독성능시험에서 얻어진 덕트 프로펠러의 효율을 CFD 해석 결과와 비교하여 Fig. 14에 나타내었다. 낮은 전진비 (0.10~0.40)에서의 실험값은 CFD 해석 결과와 비교적 잘 일치하 고 있으나, 속도가 증가함에 따라 높은 전진비 (0.5, 0.6)에서 실험에 의한 효율이 CFD 해석에 의한 효율 보다 높게 나오고 있다. 이는 전체추력을 고려 시에 고정용 지지봉에 의한 저항부분을 과도하게 평가하여 덕트부분에 걸리는 추력의 값을 높게 추정한 것에 기인한다. 또한 속도가 증가함에 따라 Fig. 15에 보인바와 같이 고정용 지지봉으로 전달되는 진동에 의해 임펠러 블레이드의 끝단과 덕트 내벽이 접촉되어 실험결과에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 실험에서 나타난 문제점을 보완하기 위하여 향후 시험에서는 고정용 지지봉의 형상을 새롭게 고안하고 덕트부의 중량을 줄이고 진동을 줄이기 위한 방안들이 강구되고 있다.
4. 결론 및 토의
본 논문에서는 자율무인잠수정의 추진을 위해 특별히 고안된 덕트 프로펠러(가속덕트 2기와 감속덕트 1기)에 대한 단독성능 시험의 모사를 CFD 해석을 이용하여 수행하고, 수조에서의 시험을 통해 검증하였다. 덕트 내부의 임펠러로서는 상용 프로펠 러모델을 이용하였고, 설계된 덕트의 형상 중에서 효율이 가장 높은 형상의 덕트 모델은 향후 자율무인잠수정에 장착이 되어 사용하기 위하여 실험을 수행하였다. CFD 해석에 의한 3가지덕트 형상의 단독성능시험의 모사와 수조에서의 시험을 통해 다음의 결론을 얻을 수 있다.
(1) 덕트가 없는 임펠러만의 CFD 해석결과는 제작사에서 제공된 결과와 비교하여 보면, 약 5%이내의 오차로서 잘 일치하 고 있으며, 세가지 덕트를 비교하여 보면, ‘Model 1’의 경우가 비교적 낮은 추력을 보이고 있으나, AUV에 사용될 설계점의 범위(JA ) 0.15~0.30의 범위에서 ‘Model 1’의 경우가 ‘Model 2’와 ‘Model 3’에 비하여 단독효율이 높다. 이는 설계된 가속덕트인 ‘Model 1’의 경우, 덕트에 의한 속도장의 변화에 의해 다른 덕트 모델에 비하여 유입속도에 대한 유출속도의 비가 크므로 낮은 토오크 값에서도 비슷한 추력값을 나타내어 높은 효율을 나타내는 것으로 보인다.
(2) 효율이 가장 높은 ‘Model 1’에 대한 검증을 위해 모델을 직접 제작하여 수행된 수조에서의 단독성능시험에서는 추력계수와 토오크계수 모두 낮은 전진비에서는 CFD 해석에 의한 결과값이 약간 크며, 속도가 증가함에 따라 시험에 의한 추력계수와 토오크계수의 값이 CFD 해석에 의한 결과값 보다 크게 나 오고 있다. 추력계수에 대한 단독시험결과는 CFD 해석 결과와 비교하여 전진계수 0.5이하에서 낮은 추력계수(약 3~5%의 차이)를 보이며 토크계수는 전진계수 0.5 이하에서 낮은 토오크 계수(약 5~7%의 차이)를 보였다.
한편, 실험과정에서 나타난 문제점들(덕트 고정용 지지봉에 의해 야기 되는 저항의 증가, 진동에 의해 임펠러 블레이드의 끝단과 덕트 내벽이 접촉되어 실험결과에 영향을 미치는 것 등)은 향후 시험에서 보완되어져야 할 사항이다. 덕트와 임펠러로 제작된 모델의 재질은 알루미늄 합금(AL6065)이며, 향후 덕트의 무게를 줄이기 위하여 3차원 스캐너에 의해 제작될 예정에 있다.
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