콴다 러더의 제트 슬릿특성이 양력성능에 미치는 영향

초록

콴다 효과(Coanda effect)는 헨리 콴다(H. Coanda)에 의해 발견되었으며 항공 및 선박 등 여러 분야에서 응용되고 있는 물리적 현상이다. 콴다 효과는 물체 표면에 접선방향으로 분출된 고속의 유동이 물체표면을 따라 진행하면 그 주위에 형성된 낮은 압력 분포가 유선을 물체표면에 더욱 밀착시켜 박리되지 않고 표면을 따라 잘 흘러가게 함으로써 양력을 증가시키는 현상을 뜻한다. 콴다 효과 이용과 관련하여 현재까지 발표된 여러 연구들은 주로 선회류(spiral jet)에 관한 내용으로 출구부와 출구와 맞닿는 벽면의 곡률에 관한, 출구에서 물체의 표면으로 분출되는 각도의 영향에 대한 연구 등이 있다. 선박의 저속 운항 상태에서는 일반적으로 프로펠러 후연에 설치된 혼 타의 경우 충분한 조종성능을 발휘할 수 있는 타력을 공급하지 못하는 경우가 많다. 따라서 저속 운항 선박의 조종성능을 높이기 위해 타의 단면의 형상을 변화시키거나 부가물 등을 장착하여 타의 양력성능을 개선시키기 위한 연구가 이루어지고 있다. 또한 선박 타에 콴다 효과를 이용하여 조종성능을 개선시키기 위한 연구가 진행된 바 있다. 본 논문에서는 47KPC 선박의 혼 타에 콴다 효과를 적용하여 저속에서 선박의 타력을 확보하기 위한 연구를 수행하였다. 수치계산을 통해 혼 타의 고정부의 단면에 대해 제트 슬릿특성이 양력성능에 미치는 영향을 조사하여 효과적인 콴다 제트 슬릿을 설계하였다. 2차원 수치계산결과 동일한 제트유량을 공급하였을 때 슬릿의 크기가 0.5mm인 경우가 1.5mm인 경우보다 양력성능이 83%정도 향상된 것으로 나타났다. 즉 동일한 유량으로 제트를 분사할 경우 제트 슬릿의 크기가 작을수록 제트 sheet가 타판의 표면을 잘 따라가면서 순환을 증가시켜 선박의 타력을 증가시킴을 알 수 있다. 2차원 수치계산을 통해 효과적인 제트 슬릿 및 압력실의 크기를 선정해 1/21.4 스케일의 혼-타 모형에 콴다 장치를 장착하여 모형시험을 수행하였다. 모형의 혼 부분에는 압력실 및 제트 슬릿등의 복잡한 형상을 가지므로 비교적 가공이 쉽고 빠른 RP(Rapid Prototyping)를 통해 fullcure720재료로 모형을 제작하였다. 모형시험은 본교의 회류수조에서 수행하였으며 모형시험을 통해 수치적인 결과를 비교 검증하기 위해 혼의 슬릿부의 크기를 0.5mm와 1mm로 하여 슬릿의 특성에 따른 양력성능변화를 실험을 통해 검증하였다.