코안다 와류 고리 추진기의 개발을 위한 유동 해석

Abstract

해파리나 오징어와 같은 연체동물의 추진 방식을 모사한 와류 고리 추진기(vortex ring thruster, VRT)는 피스톤의 수축 및 이완 운동을 통해 추진력을 발생시킨다. 와류 고리 추진기가 수축 운동할 경우 유체의 점성에 기인하여 제트의 축 중심과 벽 근처의 속도구배가 발생하고 두 영역에서의 속도구배로 인해 추진기 출구 영역에서는 와류 고리가 형성된다. 형성된 와류 고리의 동적 특성은 와류 고리 추진기의 추진 성능과 밀접한 관련이 있다. 이러한 와류 고리를 형성하는 와류 고리 추진기는 소음 발생이 적고 자세 제어 및 조종 성능 관점에서 다른 추진 시스템에 비해 우수하여 주로 소형 무인 잠수정의 추진 장치로 활용되고 있지만 추진 효율이 다른 추진 시스템에 비해 상대적으로 낮아 소형 무인 잠수정의 보조 추진 장치로 그 적용이 제한된다. 본 연구에서는 전산유체역학(computational fluid dynamics, CFD)을 이용하여 기존 와류 고리 추진기의 추진 성능 향상을 위해 코안다 효과를 활용한 와류 고리 추진기(Coanda vortex ring thruster, CoVoRT)를 고안하였으며, CoVoRT의 설계 변수의 변화에 따라 추진 성능에 미치는 영향을 고찰하였다. 와류 고리 추진기의 추진 운동을 모사하기 위해 동적 격자 기법을 이용한 해석 결과와 피스톤 입구 면에 유량 경계조건을 설정하여 해석한 결과를 비교 및 분석하였다. 수치 해석자의 유효성을 검증하기 위해 와류 고리 추진기 주위 유동에 대한 CFD 결과를 기존 선행 연구들과 비교하였다. VRT 및 CoVoRT의 추진 성능을 정량적으로 평가하기 위해 추진 성능 평가 지표(propulsion performance evaluation index, PPEI)를 도입하였으며 VRT 및 CoVoRT의 와류 고리의 동적 특성을 비교하였다. 수치해석 결과에서 CoVoRT의 PPEI는 VRT의 PPEI에 비해 최대 50% 향상된 것을 확인하였으며 CoVoRT의 와류 고리 동적 특성이 VRT에 비해 추진 성능 관점에서 우수한 것을 확인하였다.

A vortex ring thruster (VRT), which was mimicked the propulsive technique of squid and jellyfish, generates thrust by contraction motion of the piston. When the VRT contracts, the viscosity of the fluid causes a velocity gradient the center of the axis and near cylinder walls of the jet, and vortex rings are formed at the VRT exit due to the velocity gradient in center of the axis and near cylinder walls. The dynamic characteristics of vortex ring closely related to the propulsion performance of the VRT. The VRT that forms such a vortex ring has low noise generation and precise maneuverability than propeller propulsion system, so it is mainly used as a propulsion device for small unmanned underwater vehicles (UUVs), but its applications is limited due to low propulsion efficiency. In this study, a Coanda vortex ring thruster (CoVoRT) was designed to improve the propulsion performance using computational fluid dynamics (CFD). The effect of the designed CoVoRT on the propulsion performance was considered for changing design parameter. In order to simulate the propulsion motion of the VRT, the results of dynamic mesh technique and setting mass flow boundary condition on the piston inlet were compared and analyzed. For numerical validation of solver used present study, the CFD results of VRT were compared with previous studies. In terms of quantitatively evaluate the propulsion performance of VRT and CoVoRT, a propulsion performance evaluation index (PPEI) was used and dynamic characteristic of vortex rings of VRT and CoVoRT were compared. The results confirmed that CoVoRTs PPEI was improved by up to 50% compared VRTs PPEI, and that CoVoRTs vortex ring dynamic characteristic has propulsive benefit compared to VRT.