가상구속모형시험을 통한 X-형 선미 제어판 배치 잠수함의 조종성능 추정

Abstract

X-형 선미 제어판 배치를 가진 잠수함은 선미에 있는 4개의 제어판 크기가 모두 같으며, 각각의 제어판이 개별적으로 움직이므로, 하나의 제어판에 기능고장이 발생해도 나머지 3개의 제어판을 활용하여 수중에서의 조종성능을 확보할 수 있다. 또한 동일면적을 가지는 십자형 선미 제어판과 비교하였을 때, 높은 종횡비를 가질 수 있으므로 보다 큰 양력을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 이러한 장점들로 인해 X-형 선미 제어판은 현재 각국 해군 잠수함의 선미 제어판으로 채택되고 있는 추세지만, 국내에서 X-형 선미 제어판 배치를 가지는 잠수함에 대한 연구는 많지 않다. 그러므로 본 연구에서는 X-형 선미 제어판 배치로 인한 잠수함의 유체력 특성을 파악하고, 이에 따른 조종성능을 추정하였다. 조종성능을 추정하는 방법 중, 구속모형실험을 통한 추정방법은 일정 케이스에 대한 실험만을 통해 조종 미계수를 추정하고 조종 시뮬레이션을 구성하여 다양한 상황에서의 조종성능을 파악할 수 있다. 또한, 실험을 통해 계산된 유체력을 분석하여 잠수함의 유체력 특성을 파악할 수 있다는 장점이 있으므로, 본 연구에서는 오픈소스 전산유체역학 (Computational Fluid Dynamics, CFD) 해석 toolkit인 OpenFOAM을 기반으로 개발된 SNUFOAM을 사용하여 잠수함에 대한 가상구속모형시험을 수행하였다. 가상구속모형시험에 사용된 잠수함 모형은 X-형 선미 제어판 배치를 가진 generic submarine Joubert BB2 (BB2) 모형이다. 먼저, SNUFOAM 해석자를 사용하여 저항시험, 추진기 단독성능시험 및 자항시험을 수행하였고, CFD 해석결과가 실험결과와 유사함을 확인하였다. 가상구속모형시험 중 정적시험 결과를 통해 잠수함의 부가물에 의해 교란된 유동이 선미방향으로 빠져나감을 확인하였으며, 잠수함의 압력중심 위치를 확인할 수 있었다. 제어판 시험을 통해 잠수함이 좌우로 선회할 때, 타의 조작으로 인한 횡동요 모멘트가 발생하지 않음을 확인하였다. 이는 상부 수직타가 하부 수직타보다 면적이 커서 횡동요 모멘트가 발생하는 기존의 십자형 제어판과는 달리 X-형 선미 제어판은 4개의 제어판 크기가 모두 같으므로, 제어판 시험에서 횡동요 모멘트가 발생하지 않았다고 판단하였다. 가상구속모형시험을 통해 계산된 유체력을 분석하여, X-형 선미 제어판 배치를 가지는 잠수함의 유체력 특성을 확인할 수 있었으며, 조종 미계수를 최소제곱법을 통해 추정하였다. 추정된 조종 미계수를 사용하여 수평면 선회 시뮬레이션을 수행하였고, 동일조건에서의 자유항주 모형실험 궤적과 시뮬레이션을 통한 선회궤적을 비교 및 검증하였다.

X-form configuration of submersible vehicle has advantages of better maneuverability than the cruciform configuration, which has been traditionally used. The X-form configuration has much longer span of control planes than those of the cruciform configuration, so it has the advantage of generating larger control force. Its control system, however, is complex, because horizontal and vertical forces induced by control planes were coupled. For the reason above, its dynamic characteristics should be analyzed by identifying a dynamic modelling and deriving maneuvering derivatives. The present study concerned virtual captive model tests for a submarine with an X-form configuration. The test model was generic submarine Joubert BB2 (BB2), of which design was open most recently by Maritime Research Institute Netherlands (MARIN). A model of the same scale ratio was studied to compare turning circle simulation results with the free running test results reported by MARIN. The hydrodynamic force on the BB2 model was estimated using virtual captive model test using computational fluid dynamics (CFD). To do this, SNUFOAM, an object-oriented open source CFD tool-kit, was used as a solver for unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes (URANS) simulation. Total grid size used for URANS simulation was about three million cells. Standard was selected for turbulence model and wall function was used with averaged y^+= 70. In addition, dynamic mesh library was used for dynamic tests. Maneuvering derivatives were calculated using hydrodynamic force obtained by virtual captive model tests using URANS simulation. Finally, maneuvering simulation for turning circle tests was carried out using equations of motion, which include the maneuvering derivatives, thrust, hydrostatic and control force. This study proved that virtual captive model tests with SNUFOAM can be useful for the analysis of the maneuvering performance of the submarine.