자유수면 효과가 프로펠러의 추진 성능에 미치는 영향에 대한 실험적 연구 = Experimental Investigation of Free Surface Effects on Propulsion Performance of a Propeller Operating near the Free Surface

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, the free surface effects on the propulsion performance of a conventional screw propeller operating near the free surface were experimentally investigated. Propeller open water tests were conducted at the Seoul National University towing tank. A measurement system capable of simultaneously observing the flow around the propeller above the free surface and from underwater was established to analyze the free surface effects.
At the bollard-pull condition, the ventilation inception, the initial formation location and movement of the vortex funnel, and the free surface effects on thrust and shaft excitation forces were examined. The ventilation phenomenon was observed using high speed cameras. The dynamic process from the initial growth of the vortex funnel to its collapse and reformation was analyzed. Air was preferentially entrained toward the propeller’s suction side. After reaching the suction side, the air dispersed either downstream or along the rotation direction of the propeller. For the intermittent ventilation initiated by a weak vortex funnel, the center location of the vortex funnel on the free surface exhibited large fluctuations. In contrast, for the intermittent ventilation initiated by a strong vortex funnel, the vortex funnel center location was concentrated near the azimuthal position where the uppermost blade passed closest to the free surface. The free surface effects on thrust and shaft excitation forces were analyzed as time-series data by synchronizing dynamometer signals with high speed images. At shallow submergence ratios, the ventilation phenomenon through the vortex funnel reduced thrust by up to approximately 30% compared to those at deep submergence conditions, while shaft excitation forces increased by up to 250%.
To minimize free surface disturbances, the rotation direction of the vortex funnel, the impact of free surface effects on propulsion performance, and the inception conditions of the ventilation phenomenon were investigated at low advance coefficients with advance speeds close to zero. The rotation direction of the vortex funnel coincided with the rotation direction of the tip vortex. The free surface effects increased shaft excitation forces by up to 290% compared to those at deep submergence ratios. To estimate ventilation inception conditions, an estimation model was developed based on observations and Bernoulli’s equation. Exceedance of a critical line below the free surface by the tip of the vortex funnel was adopted as the criterion for determining the occurrence of the ventilation phenomenon. The predicted ventilation inception conditions were compared with experimental observations.
At high advance coefficients, the propulsion performance of the propeller was analyzed with respect to the various nondimensionalized parameters related to the free surface. The boundary-layer thickness and the contribution ratio of the frictional component to thrust and torque were calculated with respect to the Reynolds number. Thrust coefficients and high speed images were analyzed with respect to the Froude number. For the Weber number, the advance coefficients immediately before the ventilation phenomenon and the advance coefficients immediately before a decrease in thrust were distinguished and analyzed. Based on these results, recommended ranges of test conditions applicable to propeller open-water tests near the free surface were proposed.
The experimental methodology and results presented in this study can be used to quantitatively evaluate free surface effects for propellers operating near the free surface. The model test results can serve as fundamental data for estimating the inception conditions of the ventilation phenomenon for full scale propellers, and be expected to contribute to establishing safe operational guidelines for ships.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 자유수면 근처에서 작동하는 일반적인 선박 프로펠러를 대상으로, 자유수면 효과가 추진 성능에 미치는 영향을 실험적으로 분석하였다. 프로펠러 단독 성능 시험을 예인수조 환경에서 수행하였고, 자유수면과 프로펠러 주변 유동을 동시에 관측할 수 있는 계측 시스템을 구축하여 자유수면 효과를 체계적으로 분석하였다.
전진 속도가 없는 볼라드 풀 조건에서 공기 유입 현상의 초생, vortex funnel의 초생 위치와 중심의 이동, 자유수면 효과가 추력 및 축계 기진력에 미치는 영향을 분석하였다. 초고속 카메라를 이용하여 공기 유입 현상을 관측했으며 vortex funnel의 초기 성장부터 붕괴, 재형성에 이르는 동적 과정을 분석하였다. 유입된 공기는 프로펠러 흡입면에 집중되었고 흡입면에 도달한 후에는 후류 혹은 프로펠러 회전 방향을 따라 확산되었다. 간헐적으로 나타나는 약한 vortex funnel로부터 시작되는 공기 유입 현상에서는 자유수면상 vortex funnel의 중심 위치가 크게 변동하였으나, 간헐적으로 나타나는 강한 vortex funnel로부터 시작되는 공기 유입 현상에서는 vortex funnel의 위치가 프로펠러 최상단 날개가 자유수면에 가깝게 통과하는 위치에 집중되었다. 자유수면 효과가 추력 및 축계 기진력에 미치는 영향은 분력계 신호와 초고속 카메라 이미지간 시간 동기화를 통해 시계열 데이터로 분석하였다. 자유수면에 가까운 침수 조건에서는 vortex funnel을 통한 공기 유입으로 심수 조건 대비 추력이 최대 약 30%까지 감소하였고, 축계 기진력은 최대 250%까지 증가하는 것으로 나타났다.
자유수면 교란을 최소화하기 위해 전진 속도가 0에 가까운 저속 조건에서 vortex funnel의 회전 방향과 자유수면 효과가 추진 성능에 미치는 영향, 공기 유입 현상의 초생 조건을 분석하였다. Vortex funnel의 회전 방향은 팁 와류의 회전 방향과 일치하였으며 자유수면 효과는 축계 기진력을 최대 290%까지 증가시켰다. 공기 유입 현상의 초생 조건을 추정하기 위해 관측 결과와 베르누이 식으로 추정 모델을 수립하였다. Vortex funnel 끝단이 자유수면 아래 임계선을 초과하는지를 공기 유입 현상 발생을 판별하는 기준으로 설정하였고, 추정된 초생 조건을 실제 관측 결과와 비교하였다.
전진 속도가 높은 조건에서는 자유수면과 관련된 무차원 수에 따른 프로펠러 성능 변화를 분석하였다. 레이놀즈 수에 따른 날개 경계층 두께를 계산하였고, 마찰 성분이 추력 및 토크에 기여하는 비를 분석하였다. 프루드 수에 따른 추력 계측 결과와 초고속 카메라 이미지를 분석하였다. 웨버 수에 대해서는 공기가 흡입되기 직전의 전진비와 추력이 감소하기 직전의 전진비를 구분하여 분석하였다. 이를 통해 자유수면 근처에서 작동하는 프로펠러 단독 성능 시험에 적용 가능한 시험 조건의 권고 범위를 제시하였다.
본 연구에서 제안된 시험 방법과 분석 결과는 자유수면 근처에서 작동하는 프로펠러에 대한 자유수면 효과를 정량적으로 평가할 때 활용될 수 있다. 또한 실선 프로펠러의 공기 유입 현상 초생 조건을 추정하기 위한 기초 자료로 참고할 수 있으며, 선박의 안전 운용 지침 수립에도 기여할 것으로 기대한다.

목차 (Table of Contents)

• 초 록 i
• 목 차 iii
• 표 목차 vi
• 그림 목차 viii
• Nomenclature xiii
• Abbreviations xviii
• Chapter 1. 서 론 1
• 1.1. 연구 배경 1
• 1.2. 선행 연구 사례 8
• 1.2.1. 공기 유입 현상의 초생 관측 8
• 1.2.2. 자유수면 효과가 프로펠러의 추진 성능에 미치는 영향 11
• 1.2.3. 공기 유입 현상의 초생 조건 추정 13
• 1.2.4. 자유수면 근처에서 무차원 수에 따른 프로펠러 성능 분석 14
• 1.3. 연구 목표 및 연구 내용 18
• Chapter 2. 모형시험 설계 20
• 2.1. 모형시험 시설 및 장비 20
• 2.1.1. 모형시험 시설 20
• 2.1.2. 프로펠러 단독 성능 시험 장비 20
• 2.1.3. 국부 유동 관측 시험 장비 28
• 2.2. 모형시험 대상 38
• 2.3. 무차원 수 40
• 2.4. 모형시험 조건 43
• Chapter 3. 불확실성 해석 45
• 3.1. 불확실성 해석 45
• 3.2. 전체 편향 한계 불확실성 47
• 3.2.1. 프로펠러 형상 47
• 3.2.2. 프로펠러 예인 속도 47
• 3.2.3. 프로펠러 회전 속도 49
• 3.2.4. 프로펠러 추력과 토크 50
• 3.2.5. 수온과 밀도 53
• 3.2.6. 전체 편향 한계 불확실성 55
• 3.3. 전체 정밀 한계 불확실성 56
• 3.4. 전체 불확실성 58
• Chapter 4. 모형시험 결과 및 고찰 59
• 4.1. 공기 유입 현상의 관측 59
• 4.1.1. 공기 유입 현상의 초생 관측 59
• 4.1.1.1. J = 0.0 59
• 4.1.2. Vortex funnel의 초생 위치와 시간에 따른 중심의 이동 분석 69
• 4.1.2.1. J = 0.0 69
• 4.1.3. Vortex funnel의 회전 방향 70
• 4.1.3.1. J = 0.03 70
• 4.2. 자유수면 효과가 추진 성능에 미치는 영향 72
• 4.2.1. 추력에 미치는 영향 72
• 4.2.1.1. J = 0.0 72
• 4.2.1.2. J = 0.03 77
• 4.2.2. 축계 기진력에 미치는 영향 83
• 4.2.2.1. J = 0.0 83
• 4.2.2.2. J = 0.03 87
• 4.3. 공기 유입 현상의 초생 조건 추정 92
• 4.4. 자유수면과 관련된 무차원 수에 따른 프로펠러 성능 변화 102
• 4.4.1. 레이놀즈 수에 따른 프로펠러 성능 분석 102
• 4.4.2. 프루드 수에 따른 프로펠러 성능 분석 108
• 4.4.3. 웨버 수에 따른 프로펠러 성능 분석 114
• Chapter 5. 결 론 117
• 참고문헌 121
• Abstract 125