난류 및 공동 모형에 따른 러더 캐비테이션 예측 수치해석 연구

Abstract

캐비테이션은 기계 부품을 침식시키고, 성능을 저하시켜 소음, 진동 및 전체 시스템의 동요를 유발한다. 캐비테이션 해석은 비점성 포텐셜 유동을 사용하는 방법과 나비어-스톡스(Navier-Stokes) 방정식을 사용하는 전산유체역학(computational fluid dynamics, CFD) 방법으로 크게 구분할 수 있다. 많은 선행 연구는 포텐셜 유동을 이용하여 캐비테이션 수치 해석을 수행하였으며, 이 방법은 받음각이 큰 경우 발생하는 re-entrance jet 현상에 의한 캐비테이션 형상 변화를 제대로 파악하지 못하는 단점을 가진다. 본 연구는 RANS 방정식을 사용하는 난류 및 공동 모델에 따른 캐비테이션 예측 수치 해석을 수행하였다. 난류 및 공동 모델의 검증을 위해 공개된 실험값이 존재하는 NACA66 (mod) 형상에 일반적으로 널리 사용되는 2가지 난류 모델(SST k-ω 모델, realizable k-ε 모델)과 2가지 공동 모델(Kunz 모델, SchnerrSauer 모델) 조합으로 수치 해석 결과를 비교하였다. 난류 모델의 경우 k-ε 모델과 k-ω 모델의 장점을 결합한 k-ω SST 모델이 적합하였으며, 캐비테이션 모델의 경우 실제 캐비테이션 발생 현상에 초기 조건이 이론적으로 부합하는 Kunz 모델이 수치 해석에 적합하였다. 검증 결과를 토대로 선정된 최적 모델 조합을 통해 러더(rudder) 형상에 대해 수치 해석을 수행하였다. 러더의 경우 선박의 항해 조건을 고려하여 유동 조건을 선정하였으며, 3 가지 캐비테이션 수와 4 가지 받음각에 대해 수치 해석을 수행하였다. 해석에 사용된 프로그램은 리눅스 기반 오픈소스 코드인 OpenFOAM을 이용하였으며, 사용된 수치 격자는 상용 소프트웨어인 Star CCM+를 이용하여 생성하였다.