Comparison of Cavitation Patterns between Model Scale Observations using Model and Full-Scale Wakes and Full Scale Observations for a Propeller of Crude Oil Carrier

원유운반선 프로펠러의 모형 및 실선 축척 반류에서의 공동현상과 실선에서 관측된 공동현상의 비교

최길환^1,†․ 장봉준¹․ 허재욱¹․ 조대승²

현대중공업 선박해양연구소¹

부산대학교 조선해양공학과²

Comparison of Cavitation Patterns between Model Scale Observations using Model and Full-Scale Wakes and Full Scale Observations for a Propeller of Crude Oil Carrier

Gil-Hwan Choi

․ Bong-Jun Chang

․ Jaewook Hur

․ Dae-Seung Cho

Hyundai Maritime Research Institute, Hyundai Heavy Industries Co., Ltd.

Dept. of Naval Architecture and Ocean Engineering, Pusan National University

Abstract

In this paper, cavitation patterns of model tests were compared with those of full-scale measurement for a propeller of crude oil carrier which was suffered from erosions on suction side of blade tip region. Cavitation tests were performed at design and ballast draft using model and full scale nominal wakes. A model ship and wire mesh method was used for the simulation of wake patterns of model nominal wakes. For the prediction of full-scale wake patterns, a RANS solver(Fluent 6.3) was used and wire mesh method was used for the simulation of the full scale wakes. Comparison results show that cavitation patterns using predicted full-scale wake patterns are closer to cavitation patterns of full-scale measurement at ballast draft condition. Also, cloud cavitations were observed on the position of eroded area at both full-scale measurement and cavitation tests using simulated full-scale wake patterns.

Keywords : Cavitation erosion(공동침식), Cavitation test(공동시험), Full-scale measurement(실선계측), Cloud cavitation(구름형 공동), Wake simulation(반류재현)

1. 서 론

프로펠러에서 발생하는 침식은 주로 날개면에서 발생되는 공 동현상에 의한 것으로 발생 위치는 Fig. 1에 보인 바와 같이 날개 끝(A), 날개 뒷날에 명음 방지를 위한 형상이 적용된 anti-singing edge부분(B), 날개 흡입면 안쪽(C), 날개 압력면 앞날 부위(D) 그 리고 날개 뿌리 부위(E)로 구분할 수 있다.

또한 프로펠러의 침식 정도는 별다른 조치가 필요 없는 오렌지 껍질과 같이 오돌 도돌 한 형태(orange peel), 1년에 3mm 미만의 완만한 침식 그리고 1년에 3mm 이상이 침식되는 급격한 침식으 로 구분할 수 있다. 3mm 미만의 침식이 발생하는 경우는 시간이 경과함에 따라 침식발생 속도가 낮아져 일정기간이 경과하면 더 이상의 침식이 발생하지 않는다. 이는 침식을 유발하는 공동붕괴 압력이 상대적으로 작고 이미 발생된 침식으로 인하여 날개표면

과 붕괴하는 공동과의 거리가 증가하기 때문이다. Fig. 1 Positions of propeller erosions on blades

실선 프로펠러에서 응력이 집중되지 않는 날개 끝, anti -singing edge부 그리고 흡입 면 날개표면에 orange peel형태로 침식현상이 발생하는 경우에는 선박의 정기 점검 시 발생부위를 그라인더로 갈아내는 방법을 사용한다. 이때 근본적인 해결을 원 하는 경우에는 날개 앞날이나 뒷날을 수정하여 날개의 받음각을 바꾸는 방법도 있다. 그러나, 프로펠러 역회전 시 응력이 집중되 는 0.5～0.8R(R:프로펠러 반경) 부위의 날개 뒷날이나 날개면 안 쪽 그리고 날개 뿌리 근처에 침식이 발생하는 경우는 선박 운항 중 날개의 절손, 선속의 저하 그리고 과다한 진동 및 소음을 발생 시키므로 즉각적인 조치가 필요하다(Choi, et al., 2009). 침식 대 응방안으로는 침식부위를 절단하거나, 침식부위를 육성 용접 후 날개 앞날이나 뒷날을 수정하거나, 반류 개선을 위한 부가물을 장 착하는 방법이 사용된다. 그리고 이러한 방법들을 적용하는 경우 반드시 모형시험을 통한 검증작업을 수행하여야 한다.

프로펠러 면에 침식을 유발하는 공동현상은 얇은층 공동현상 (sheet cavitation)이 커지다가 일정 길이를 초과하는 경우 공동이 응축 되는 과정에서 재돌입제트(re-entrant jet)에 의해 불안정하 게 된다. 이런 불안정한 공동의 응축은 맹렬하게 요동하게 되고, 이것이 주기성을 가지는 유해한 구름형 공동현상(cloud cavitation) 으로 발전되는 것으로 시험을 통하여 규명되었다 (Yamaguchi, 2006). 선체 뒤에서 작동되는 프로펠러 날개단면의 경우에는 균일류보다 복잡한 공동특성을 가지는 것으로 추정되지 만 정확한 현상에 대한 이해가 아직 이루어지지 않고 있다 (Junglewitz, 2003). 다만, 선체의 영향으로 인한 반류 중에서 작 동하는 프로펠러의 경우 각 날개단면이 주기적으로 회전하는 가 운데 특정 받음각(





실선 프로펠러의 공동침식 가능성을 평가하기 위해 가장 많이 사용하는 방법은 모형 프로펠러를 이용한 공동관측 시험이다. 프 로펠러 날개의 회전각의 위치를 변화시키며 발생되는 공동현상의 범위와 거동을 눈으로 확인하고 스케치와 사진 또는 고속카메라 로 기록한다. 침식 발생이 우려되는 경우에는 페인트나 연한 금속 재질을 공동현상이 발생되는 프로펠러 표면에 입혀 공동에 의한 표면침식 현상을 평가하거나, 선박의 프로펠러 축에 고주파 압력 센서를 부착하여 프로펠러나 타 표면에서 발생된 공동현상의 붕 괴로 인한 충격에너지를 계측하여 침식을 평가하는 방법이 있다 (Boorsma, et al., 2009). 그러나 페인트를 이용하는 침식기법은 수행하는 기관들의 시험법에 대한 신뢰도가 평균 60%로 조사되 어(ITTC, 2005) 모형 프로펠러를 이용한 실선 프로펠러의 공동 침식의 예측이 매우 어렵다는 것을 보여주고 있으며, 실선 프로펠 러에서 공동붕괴 충격에너지를 계측하는 방법은 몇 건의 선박에 서 시도된 것으로 신뢰도를 평가하기에는 아직 이른 것으로 판단 된다.

실선과 모형 프로펠러의 공동특성 차이는 반류 분포, 축척효과 와 더불어 레이놀즈 수의 지배를 받는 프로펠러 앞날에서의 층류 유동박리에도 기인한다. 이를 극복하기 위하여 Kuiper(1981)는 날

개 앞날에 거칠기 효과를 주어서 천이구간이 날개 앞쪽으로 이동 하는 것을 실험적으로 보여주었고, Jung, et al.(2004)은 프로펠 러 앞날의 거칠기 변화가 프로펠러 캐비테이션 및 변동압력 특성 에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다. 그리고 Kim, et al.(2000)은 레이놀즈 수가 증가함에 따라 공동현상이 안정화 되고, 실선의 공 동현상과 유사해지는 것을 보였다.

본 연구에서는 침식이 발생된 원유 운반선 프로펠러에 대하여 침식을 발생시키는 원인을 파악하기 위하여 밸러스트 흘수에서 실선 공동관측을 수행하였다. 또한 모형을 이용한 공동시험 기법 에 대한 비교를 위하여 모형 및 실선 반류를 이용한 공동시험을 실시하였다. 모형 반류를 이용한 공동시험은 모형선과 반류망을 이용한 방법으로, 실선 반류는 RANS Code를 이용하여 추정된 반류를 반류망으로 재현하여 수행하였다. 공동시험 시 흘수조건 은 만재 및 밸러스트 흘수이었다.

2. 프로펠러 날개 침식 사례

Table 1에 나타낸 제원을 갖는 원유운반선에 장착된 프로펠러 날개 끝단 부위에서 침식 현상이 발생하였다.

침식부위는 자세한 조사를 위하여 날개마다 공업용 고무합성 물(Reprorubber)을 이용하여 본을 떠서 Fig. 2에 예시한 바와 같 이 침식부위의 크기 및 침식상태를 파악하였다.

침식부위의 위치는 프로펠러 반경 0.95～0.975R의 날개 뒷날 이며 크기는 평균 250mm ×190mm이다.

가장 많은 침식이 발생된 날개의 침식 깊이는 가장 깊은 곳이 11mm 정도이고 날개 평균으로는 8mm이었다. 또한, 날개 2개에

Table 1 Main particulars of a propeller attached to the subject ship

Propeller diameter 9.6

Number of blades 4

(

)

0.7200

Expanded area ratio 0.4870

Delivered power 32,000 PS

Rotational speed 75.0

Fig. 2 Moulding of eroded area near the trailing edge of blade tip region for a propeller of the subject ship

서 anti-singing edge 부위가 폭 15mm x 길이 30~70mm 탈락하 였다. 탈락하지 않은 날개의 anti-singing edge 부위는 3~7mm 침식 깊이를 가진 것으로 파악되었다. 침식현상 조사 시 대상 프 로펠러 운항기간은 33개월이었다. 프로펠러의 상세 제원은 Table 2에 나타내었다.

Table 2 Propeller geometry data of the subject ship

Position P/D C/D Skew

(deg.) i

/D t/D 0.16

0.6228 0.1565 0.0 0.0000 0.0471 0.25

0.6671 0.1855 -2.97 -0.0059 0.0415 0.30

0.6853 0.1996 -3.99 -0.0095 0.0384 0.40

0.7117 0.2250 -4.80 -0.0167 0.0321 0.50

0.7290 0.2462 -3.99 -0.0232 0.0259 0.60

0.7354 0.2615 -1.82 -0.0291 0.0203 0.70

0.7245 0.2674 1.74 -0.0332 0.0156 0.80

0.6962 0.2627 6.40 -0.0350 0.0116 0.90

0.6516 0.2338 12.15 -0.0317 0.0075 0.95

0.6216 0.1961 15.54 -0.0258 0.0055 1.00

0.5879 0.0000 19.30 -0.0152 0.0035 (Note) D: Propeller diameter, P : Propeller pitch,

C: Chord length, iG : rake, t : thickness

3. 실선 공동현상 관측

대상선 프로펠러 날개 끝단 부위에서 발생한 침식 현상을 유발 하는 원인을 파악하고자 실선에서의 공동현상 관측이 수행되었 다. 공동관측은 선급의 주관으로 보오스코프(Borescope) 시스템 (Fig. 3)를 이용하여 수행되었다.

Fig. 3 Schematic diagram of full-scale cavitation measurements

실선계측 조건을 정하기 위하여 1년간의 선박 운항자료 검토결 과 선박은 만재 또는 밸러스트 흘수에서 운항되었으며, 운항 시 엔진마력은 엔진최대출력(MCR)의 75~90%이었다. 실선 운항 시 만재 흘수 보다 밸러스트 흘수인 경우가 프로펠러에서 발생되는 소음이 크게 계측되었고, 모형 프로펠러를 이용한 공동시험 결과 도 만재 흘수 조건보다 밸러스트 흘수 조건에서 공동현상이 과다

하게 관측되어 실선에서의 공동관측을 밸러스트 흘수에서 엔진최 대출력의 90% 조건에서 수행하였다.

보오스코프는 초당 25프레임 카메라 및 DVD 레코더와 연결되 어 일광조건에서 공동현상을 녹화하였으며, 변동압력 계측이나 프로펠러 축과의 신호 동조는 하지 않았다. 공동현상 비교를 위한 날개각도는 프로펠러 10회전에 해당하는 영상을 보오스코프 프레 임에 따라 분류하여 정하였다.

실선에서의 공동관측 결과 사진은 Fig. 4에, 공동현상 스케치 는 Fig. 5에 그리고 공동현상에 대한 정의는 Fig. 6에 나타내었다.

사진과 스케치를 통하여 날개각도20도에서 얇은층 공동현상이 재돌입제트(re-entrant jet)에 의해 날개 앞날로부터 60% 지점부 터 두꺼워져서 40도 이후에서 구름형 공동형태로 떨어져 나가서 (break off) 50도에서 붕괴되어 팁 보오텍스와 합쳐지는 모습을 볼 수 있었다. 구름형 공동이 붕괴되는 지점은 침식이 발생한 지 점(0.96R)과 동일하여 침식을 일으키는 원인으로 파악되었다.

Fig. 4 Photos of full-scale cavitation patterns at ballast draft

Fig. 5 Sketches of full-scale cavitation patterns at ballast draft

Fig. 6 Schematic representation of cavitation patterns

Model scale(Towing tank) Model scale(CFD) Full scale(CFD)

4. 실선 반류 계산

본선의 경우, 실선과 예인수조 모형선 주위의 유동은 300배 이상의 레이놀즈 수(RN) 차이로 인하여 서로 다르게 나타난다. 축 척효과의 대표적인 특성은 RN 크기가 증가할수록 선체 경계층의 두께가 감소하고 프로펠러 면에 유입되는 유속이 증가하여 유효 반류비(w)가 작아진다. 이러한 유효반류비의 축척효과를 고려하기 위하여 회전체 후류의 경계층과 반류 이론을 이용하는 Sasajima, et al.(1966) 방법이 사용되고 있으나 선형을 효과적으로 반영하 지 못하는 것으로 알려져 있다. 그러나 최근 수치해석기법과 컴퓨 터의 급속한 발전으로 인하여 수치유체역학(CFD)를 이용한 실선 축척에 대한 선체주위 유동해석에 대한 연구가 수행되었으며(Eca

& Hoekstra, 2000), Choi, et al.(2003)은 회류수조와 예인수조 모형에 대한 반류 분포 계측 및 CFD를 이용한 반류분포 수치 해 석에 의한 실선 반류 분포 추정 가능성을 보인 바 있다.

본 연구에서는 프로펠러에 침식이 발생한 원유운반선에 대하여 만재 및 밸러스트 흘수에서 모형 및 실선축척의 반류 분포를 CFD

Table 3 Parameters of CFD calculation in model and full-scale of subjected ship

Condition Full Load Ballast

Scale 47.0 1.0 47.0 1.0

Velocity 15.5

15.5

17.0

17.0

Solver Fluent 6.3

Turbulent

Modeling Reynolds Stress Model Discretization 2

Order Upwind

P-V Coupling SIMPLE

Mesh No. ×10

1.87 12.00 1.13 5.65

Reynolds No. 6.8×10

2.2×10

7.2×10

2.3×10

를 이용하여 계산하였다. 각 계산조건은 Table 3에 나타내었다.

Fig. 7은 만재 흘수에서 예인수조에서 계측된 반류와 CFD로 계산된 모형 및 실선 축척의 반류 분포를 보여주고 있다. 프로펠 러 면에서의 유속 분포를 선수에서 선미로 바라볼 때 12시 및 3 시 방향을 각각 0도 및 90도라고 표현하면, 계측된 모형 반류에 서 나타난 45도 방향 0.75R에 위치한 회전유동 중심이 CFD로 계 산된 모형 반류에서도 동일한 지점에 나타났으며 계측된 모형 반 류와 비교 시 전체적으로 약간 느린 분포를 보여주었다.

그리고 CFD로 계산된 모형 반류에서는 90도에서 180도 사이 에서는 유속비(Va/Vs ,Va : 유속, Vs : 선속)가 0.2인 구역이 나타 나지 않았다. 계산된 실선 축척 반류의 경우 RN 수의 영향으로 경 계층 두께가 감소하여 회전유동 구역이 45도 방향 0.3R로 이동하 여 0.3R부터 1.0R에서의 유속이 모형 반류에 비하여 매우 빨라지 고 속도 구배가 적어져서 모형 반류와 실선 반류에서의 공동현상 의 차이가 발생될 수 있음을 알 수 있었다.

Fig. 8은 밸러스트 흘수 시 예인수조에서 계측된 반류와 CFD 로 계산된 모형 및 실선 축척의 반류분포를 보여주고 있다. 예인 수조에서 계측된 모형 반류에서 나타난 85도 방향 0.75R에 위치 한 회전유동 중심이 CFD로 계산된 모형반류에서는 90도 0.75R 에서 나타났다. 전체적인 형태는 유사하였으나 12시 방향에서 유 속이 20% 증가하였고 회전유동 중심이 있는 3시 방향의 0.75R에 서도 유속이 25% 증가하여 예인수조에서 계측된 모형 축척 반류 를 사용하는 경우보다 공동현상 발생이 적을 것으로 예측되었다.

예인수조에서 계측된 반류와 CFD로 계산된 모형 축척 반류들 간 의 공동현상을 비교하기 위하여 Table 4에 나타낸 공동조건으로 시험을 수행하여 Fig. 9에 나타내었다. Fig. 9는 프로펠러 1회전 시 프로펠러에 발생되는 최대 공동발생을 표시한 것이다. 예측했 던 결과대로 CFD로 계산된 모형 축척의 반류를 이용하는 경우 공동현상 발생구간과 발생면적이 적었다. 예인수조에서 계측된 모형 축척 반류를 사용하는 경우 발생범위는 73~120도 그리고

Model scale(Towing tank) Model scale(CFD) Full scale(CFD )

Table 4 Cavitation test conditions for subjected ship

Full Load Ballast Draft forward, _ (m) 20.00 8.30 Draft after, _ (m) 20.00 11.50 Thrust coefficient, _ 0.1726 0.1739 Cavitation No., _ 2.84 1.66

Fig. 9 The maximum radial extent of the cavitation during one revolution at ballast condition

272~336도였으나, CFD로 계산된 반류의 경우 82~113도 그리고 284~326도였다. 모든 각도에서 얇은층 공동현상이 관측되었고 발생면적은 예인수조 반류가 4배 컸다. 발생범위와 면적의 차이 는 CFD로 계산된 반류가 공동이 발생되는 지점에서 유속이 빠르 고 또한 속도 구배가 적은 이유로 파악된다.

계산된 실선 축척 반류의 경우 RN 수의 영향으로 경계층 두께 가 감소하여 회전유동 중심이 100도 방향 0.55R로 이동하여 회전 유동 중심 바깥쪽에서는 모형 반류에 비하여 유속이 증가하는 것 으로 나타났으나, 모형 축척 반류들을 이용한 공동비교시험 결과 를 반영하면 CFD를 이용하여 추정된 실선 반류를 이용하는 경우 실제 공동현상보다 발생범위나 면적이 적을 것으로 유추되었다.

5. 모형 및 실선 반류에서의 공동관측

만재 및 밸러스트 흘수에서 모형 반류 및 CFD로 계산된 실선 반류를 이용하여 공동관측 시험을 수행하였으며 시험조건은 Table 4에 표시하였다.

모형 반류의 경우 반류망(wire mesh)으로 축 방향 반류만을 재현한 방법과 모형선을 이용하는 방법으로 공동관측을 수행하였 으며 실선 반류의 경우 반류망을 이용한 방식으로 공동관측이 수 행되었다.

Fig. 10의 좌측에서는 예인수조에서 계측된 밸러스트 흘수에서 모형 축척 반류와 반류망으로 재현된 반류를 비교하였으며, Fig.

10의 우측에는 CFD로 계산된 실선 축척 반류와 반류망으로 재현 된 반류를 비교하였다. 재현된 반류는 프로펠러 축 중심으로 양분 하여 각 반경별로 재현된 반류와 모형 및 실선 축척 반류의 평균 을 구하여 그 차이가 5%를 넘지 않도록 하였다.

반류망을 이용한 공동시험은 현대선박해양연구소(HMRI)의 중 형공동수조에서 축척 42인 모형 프로펠러를 이용하여 수행하였 다. 시험을 수행한 공동수조는 단면 직경 0.6m, 관측부 길이가 2.25m이며 최대유속은 12.0m/sec이다. 모형선의 경우 스웨덴의 SSPA에서 수행되었으며 단면은 2.6m ×1.5m이며 최대유속은 6.9m/sec이다.

Fig. 11 의 (a)는 반류망을 이용하여 만재흘수 시 모형 축척 반 류에서의 공동시험 결과를 나타내었다. 날개 각 10도에서 공동체

적이 최대이며 330도부터 80도까지 공동현상이 관측되었다. 20 도부터 40도까지는 날개 끝단 뒷날 부분에서 두꺼운 하얀 포말

Fig. 10 Comparison of simulated wake patterns and model/full scale wake patterns at ballast condition

(a) Full load draft

(b) Ballast draft

Fig. 11 Sketches of model-scale cavitation patterns using wire mesh method at full load and ballast draft

형태 캐비테이션(white and foamy sheet cavitation)이 관측되었 으나 공동침식을 유발시키는 악성 캐비테이션은 전 영역에서 관 측되지 않았다. 밸러스트 흘수의 경우는 Fig. 11의 (b)에 보인 바 와 같이 100도와 300도 부근에서 얇은층 공동현상만이 관측되었 다. 이는 프로펠러 축 중심 상부의 반류의 속도 구배가 매우 완만 하고 60도에서 90도에서의 유속비가 0.4인 효과로 판단되었다.

실선에서 관측된 공동현상과 공동이 발생하는 범위와 특성이 달 라 실선 공동현상과 유사성이 없는 것으로 나타났다. 만재 및 밸 러스트 흘수에서 침식시험 결과 침식은 발생하지 않는 것으로 나 타났다.

Fig. 12에는 모형선을 이용하여 스웨덴 SSPA의 공동수조에서 계측한 공동현상을 나타내었다. 시험조건은 HMRI에서 수행한 방 법과 동일하게 추력일치법을 바탕으로 캐비테이션 수를 프로펠러 축 중심 위쪽 0.7R에 맞추어 실시하였다. 모형선은 만재흘수를 기준으로 선미 파고를 고려한 흘수로 설치되었다. 밸러스트 조건 의 경우 원유운반선은 만재 흘수와 차이가 커서 흘수 조정 시 프 로펠러가 공동수조 위쪽 벽면에 너무 근접하게 되고 또한 반류 분포가 왜곡되므로 밸러스트 흘수로 조정하지 않고 만재흘수 조 건에서 공동 및 침식시험을 수행하였다. 밸러스트 흘수를 조절하

(a) Full load draft

(b) Ballast draft

Fig. 12 Sketches of model-scale cavitation patterns using a model ship at full load and ballast draft

지 않으면 반류 분포의 변화로 인해서 실선에서의 공동현상과 차 이가 날 가능성이 있는데 SSPA는 많은 실선 자료를 바탕으로 한 방법으로 시험의 타당성을 설명하였다.

모형선을 이용한 만재흘수 조건(Fig. 12 a)에서는 날개 각 20 도에서 공동체적이 최대이며 320도부터 90도까지 공동현상이 관 측되었다.

20도 및 30도에서는 두꺼운 하얀 포말 형태 공동이 관측되었 으며 50도에서는 구름형 공동현상이 실선에서 침식이 발생된 위 치 아래(0.92R) 에 발생하였다. 그러나 침식시험 결과 침식의 위 험은 없는 것으로 판단되었다.

반류망을 이용한 공동현상과 비교하면 공동의 거동이 불안정 하며 공동면적과 두께가 증가하였고 또한 공동현상의 특성도 악 성으로 나타났다. 모형선을 이용한 경우가 공동현상이 불안정한 이유는 반류망을 이용하면 반류망에서 충분히 난류로 발달된 유 동중에서 공동시험이 수행되나 모형선은 난류로 발달된 정도가 충분하지 않아 발생되는 것으로 파악된다. 공동의 면적과 특성의 변화는 축 방향의 반류 성분만을 재현하는 반류망 방법과는 달리 모형선의 경우 반지름(radial) 및 접선(Tangential)방향의 유동의 재현 및 선체-프로펠러-타의 상호간섭 효과에 의한 것이다.

모형선을 이용한 밸러스트 흘수 (b)에서는 30도에서 공동체적 이 최대이며 320도부터 100도까지 공동현상이 관측되었다. 20도 부터 50도에서는 두꺼운 하얀 포말 형태 캐비테이션이 관측되었 으며 60도에서는 구름형 공동현상이 실선에서 침식이 발생된 위 치 (0.96R)보다 아래 (0.86R)의 날개 뒷날에 발생하였다.

Fig. 13에는 실선 축척 반류 조건에서 반류망을 이용하여 관측 한 공동현상을 나타내었다.

만재흘수 조건 (a)에서는 날개 각 0도에서 최대 공동체적이 최 대이며 340도부터 0도까지 공동현상이 관측되었다. 전 구역에서 깨끗한 얇은층 캐비테이션이 관측되었으며 침식시험 결과도 침식 이 발생하지 않았다.

밸러스트 흘수 (b)에서는 30도에서 공동체적이 최대이며 320 도부터 90도까지 공동현상이 관측되었다. 30도와 40도에서 두꺼 운 하얀 포말 형태 캐비테이션이 관측되었으며 50도 근처에서는 구름형 공동현상 0.94R 주위의 날개 뒷날에서 발생하였다. Fig.

14의 (a)에서와 같이 유성잉크를 이용하여 침식시험을 수행하였 으며 수행결과 날개 4개의 0.94R 날개 뒷날 주위에서 침식이 발 생하는 것으로 평가되었다. Fig. 14의 (b)는 50도에서 두꺼운 하얀 포말형태의 공동과 구름형 공동이 가장 크게 발생하였을 때이다.

실선에서 관측된 공동현상과 비교하면 구름형 공동현상이 실 선 프로펠러 침식 부위와 근접한 0.94R 주위의 날개 뒷날에서 관 측되었으나 공동면적이 증가하였고 공동두께는 감소한 것으로 평 가되었다. 이런 차이는 CFD를 이용한 축 방향 반류 추정 정도의 문제, 반지름 및 접선 방향 반류 재현 문제 그리고 실선 프로펠러 에 비하여 낮은 RN 수 등이 복합적으로 영향을 미친 것으로 판단 된다. 그리고 모형선 밸러스트에서 관측된 공동현상의 경우는 프 로펠러 면에서의 유속분포가 공동이 많이 발생되는 만재흘수 조 건(공동발생 지점들에서 낮은 유속과 유속의 구배가 큼)이어서 공 동 발생면적이 2배 이상 증가하였으나 침식을 유발하는 구름형

공동현상이 실선에서 침식이 발생된 위치 아래쪽인 0.86R에 재현 되었다. 그러나 반류망을 이용한 밸러스트 공동시험 결과는 공동 발생 위치나 특성이 실선 프로펠러 공동 현상과 많은 차이가 발 생하여 유사성이 없었다. 이러한 원인은 밸러스트 흘수에서 RN

수에 따른 경계층 두께 및 자유표면 효과에 기인한 것으로 판단 된다.

(a) Full load draft

(b) Ballast draft

Fig. 13 Sketches of full-scale cavitation patterns using wire mesh at full load and ballast draft

(a) (b)

Fig. 14 Photos of cavitation pattern and erosion test result at ballast draft using full-scale wire mesh

6. 결 론

침식현상이 발생된 원유 운반선 프로펠러에 대하여 침식을 발 생시키는 공동현상을 관찰하기 위하여 밸러스트 흘수에서 보오스 코프를 이용하여 실선 공동관측을 수행하였다. 또한 공동시험에 서 반류 분포의 척도효과를 보기 위하여 모형 및 실선 반류에서 의 공동시험을 수행하였다. 모형 반류를 이용한 공동시험은 반류 망을 이용한 방법과 반류의 3차원 효과 및 모형선의 상호 간섭이 고려되는 모형선 방법으로 수행하였다.

실선 및 모형 반류를 CFD로 계산한 결과, 모형선 계측결과와 비교하여 회전유동의 중심이 계측된 반류의 중심과 큰 차이를 보 이지 않았으며, 만재 흘수인 경우 전체적인 유속분포도 유사하게 나타났다. 밸러스트 흘수인 경우는 예인수조에서 계측된 모형 반 류와 전체적인 형태는 유사하였으나 12시 방향과 회전유동 중심 이 있는 3시 방향의 0.75R에서도 유속이 증가하는 것으로 나타나 모형 축척 반류들 간의 공동현상을 비교하여 CFD로 추정된 반류 가 공동발생 범위와 양이 줄었드는 것을 확인할 수 있었다. 실선 축척 반류의 경우 RN의 영향으로 회전유동 중심이 모형 반류에 비하여 안쪽으로 이동하였고 회전유동 중심 바깥쪽에서는 유속이 증가하는 것으로 나타났다.

공동현상 관측 결과는 모형 반류를 반류 망으로 재현하는 경우 밸러스트 흘수에서는 실선 공동현상과의 발생범위와 공동특성에 서 유사성이 없고, 침식을 유발하는 공동현상도 확인할 수 없었다.

모형선을 이용하는 경우, 만재 흘수에서 공동현상은 실선 밸러 스트에서의 공동현상과 유사하고 실선 프로펠러의 침식 발생 위 치(0.96R) 근처인 0.92R의 날개 뒷날에서 구름형 공동현상도 발 생하였으나 침식시험 결과 침식의 위험은 없는 것으로 판단되었 다. 밸러스트 흘수의 경우는 실선에서 관측된 공동현상보다 발생 면적이 2배 이상 증가하였으며 구름 공동현상의 발생위치도 0.86R로 실선 프로펠러의 침식위치와 차이가 발생하였다. 밸러스 트 흘수에서 스텐실잉크를 이용한 침식시험결과는 0.86R의 날개 뒷날에서 침식이 발생되는 것으로 나타났다.

실선 반류 사용시는 밸러스트 조건의 경우 실선의 공동형상과 유사하게 관측이 되었으며 침식이 발생한 위치에서 구름형 공동 이 실선과 비슷한 부위에 관측되어 침식을 평가하기 위한 기법으 로의 가능성을 보여주었다.

그러나 연구에 사용된 대상선이 한 척 이고 만재와 밸러스트 흘수의 차이가 큰 원유운반선에 국한된 경우이기 때문에 실선 반 류를 사용하는 공동시험법의 유용성을 판단하기에는 아직 이르다 고 판단되며, 향후 지속적으로 다른 선종에 대한 검증을 수행할 예정이다.

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최 길 환 장 봉 준 허 재 욱 조 대 승