KR20060001361A - Piv measurement of total velocity of an inflow ahead of a rotating propeller attached to a ship model - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 프로펠러 유입유동의 전속도 측정방법은, 프로펠러 회전축과 나란하고 수면에 수직한 복수의 종단면을 설정하는 단계와; 레이저 평면광으로 상기 프로펠러 전방 유입유동의 각 종단면을 조명하는 단계와; CCD 카메라로 상기 각 종단면의 입자영상을 취득하는 단계와; 상기 취득된 입자영상을 상호상관 방식의 PIV 알고리듬을 이용하여 종단면에서의 속도장을 추출하는 단계; 및 상기 각 종단면에 대하여 얻은 축방향 속도성분을 조합하여 횡단면에서의 전속도 분포를 얻는 단계를 포함한다.Method for measuring the full speed of the propeller inlet flow according to an embodiment of the present invention, the step of setting a plurality of longitudinal cross-section parallel to the propeller axis of rotation and perpendicular to the water surface; Illuminating each longitudinal section of said propeller front inlet flow with a laser plane light; Acquiring particle images of each longitudinal section with a CCD camera; Extracting the velocity field in a longitudinal section of the acquired particle image using a cross-correlation PIV algorithm; And combining the axial velocity components obtained for each longitudinal section to obtain a full velocity distribution in the cross section.

선박, 프로펠러, PIV 시스템, 유효반류Ship, propeller, PIV system, effective return

Description

프로펠러 유입유동의 전속도 측정시스템과 이를 이용한 측정방법{PIV MEASUREMENT OF TOTAL VELOCITY OF AN INFLOW AHEAD OF A ROTATING PROPELLER ATTACHED TO A SHIP MODEL}Full speed measurement system of propeller inflow and measurement method using the same {PIV MEASUREMENT OF TOTAL VELOCITY OF AN INFLOW AHEAD OF A ROTATING PROPELLER ATTACHED TO A SHIP MODEL}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 프로펠러 유입유동의 전속도 측정을 위한 투명창이 구비된 선박 모형의 선미를 개략적으로 도시한 모식도이다.1 is a schematic diagram schematically showing the stern of the ship model with a transparent window for measuring the full speed of the propeller inlet flow in accordance with an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 프로펠러 유입유동의 전속도 측정 시스템을 개략적으로 도시한 모식도이다.Figure 2 is a schematic diagram showing a system for measuring the full speed of the propeller inlet flow in accordance with an embodiment of the present invention.

도 3은 프로펠러 유입유동 횡단면에서 PIV 시스템으로 측정한 종방향 와도장을 나타낸 도면이다.Figure 3 is a view showing the longitudinal vortex measured by the PIV system in the propeller inlet flow cross section.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 프로펠러 유입유동의 전속도 측정방법을 단계별로 나타낸 순서도이다.Figure 4 is a flow chart illustrating a step-by-step method for measuring the full speed of the propeller inlet flow in accordance with an embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 프로펠러 유입유동의 전속도 측정을 위하여 종방향 측정단면을 설정하는 예를 보여주는 모식도이다.Figure 5 is a schematic diagram showing an example of setting the longitudinal measurement cross-section for measuring the full speed of the propeller inlet flow according to an embodiment of the present invention.

도 6은 프로펠러 주위 종단면에서 PIV 시스템으로 측정한 순간속도장 결과를 나타낸 도면이다.FIG. 6 shows the results of the instantaneous velocity field measured with a PIV system at a longitudinal section around a propeller.

도 7은 프로펠러 전방에서 측정한 유입유동의 전속도 분포를 나타낸 도면이다.7 is a diagram showing the total velocity distribution of the inflow flow measured in front of the propeller.

본 발명은 프로펠러 설계에 관한 것으로, 보다 상세하게는 PIV(particle image velocimetry) 속도장 측정방법을 적용하여 선박 또는 잠수함 선미에 부착되어 회전하는 프로펠러 유입유동(inflow)의 전속도(total flow velocity) 측정방법과 이를 측정하기 위한 측정 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a propeller design, and more particularly, to measure the total flow velocity of the propeller inflow that is attached to the stern of a ship or submarine by applying a particle image velocimetry (PIV) velocity field measuring method. A method and a measurement system for measuring the same.

프로펠러는 선미후류(hull wake) 속에 놓여 회전하기 때문에 프로펠러의 설계 및 성능 추정을 위해서는 프로펠러와 선미후류 사이의 상호작용에 대한 이해가 필요하며, 이로부터 얻을 수 있는 유효반류(effective wake)에 대한 정보는 선박 및 프로펠러 설계에 매우 중요하다.Since the propeller rotates in a hull wake, the propeller design and performance estimation require an understanding of the interaction between the propeller and the stern wake, and information on the effective wake obtained therefrom. Is very important for ship and propeller design.

특히 프로펠러 날개에서 공동현상(cavitation)이 발생하는 경우에는 이와 같은 유동정보가 더욱 중요해지게 된다. 왜냐하면 공동(cavity)의 크기나 프로펠러 변동압력(propeller-induced pressure fluctuation) 등에 대한 예측은 유효반류의 추정과 밀접하게 관련되기 때문이다.In particular, when cavitation occurs in the propeller blades, such flow information becomes more important. This is because the prediction of cavity size or propeller-induced pressure fluctuation is closely related to the estimation of effective return.

회전하는 프로펠러 전방의 전속도로부터 프로펠러 회전에 기인하여 유도된 속도(propeller induced velocity)를 뺀 값이 유효속도(effective velocity)이며, 유효반류는 프로펠러 평면에서의 선속(ship speed)과 유효속도의 차로 정의된다.The effective velocity is the value obtained by subtracting the propeller induced velocity due to propeller rotation from the full speed in front of the rotating propeller, and the effective return is the difference between the ship speed and the effective velocity in the propeller plane. Is defined.

프로펠러와 선체(hull) 사이의 상호작용, 즉 프로펠러 회전에 의해 유도된 유속분포를 이론적으로 계산하기 위하여 축대칭 물체에 대하여 점성을 고려하거나 축대칭 전단류(shear flow) 속에 원판형 추진장치가 작동할 때 프로펠러에 의한 유선변화 모형을 변화시켜 유효반류를 추정하기도 한다. 그러나 현재까지 알려진 이론적 방법들은 비교가 가능한 전속도 실험 데이터 자료의 부재 및 비정상 유동(unsteady flow)에 기인한 불확실성 등의 이유 때문에 추정된 유효반류에 대한 신뢰성이 높지 않다.In order to theoretically calculate the interaction between the propeller and hull, ie the flow rate distribution induced by propeller rotation, the disk-type propulsion system is operated in consideration of viscosity on axisymmetric objects or in axisymmetric shear flow. The effective return can also be estimated by changing the propeller change model. However, the theoretical methods known to date are not reliable for the estimated effective return due to the lack of comparable full-speed experimental data and uncertainties due to unsteady flow.

유효반류를 추정하는 방법은 수치해석에 필요한 입력자료에 따라 크게 두 가지로 나뉜다. 먼저, 프로펠러가 없는 상태에서 선미후류를 계측한 공칭속도(nominal velocity)를 사용하는 방법은 비교적 실험이 간단하고 공칭반류(nominal wake)를 실선으로 확장하는 경험식(Sasajima 방법) 등을 이용할 수 있어 조선소 및 선박 관련 연구기관에서 많이 이용하고 있다.There are two main methods of estimating effective regurgitation depending on the input data required for numerical analysis. First, the method of using the nominal velocity in which the stern wake is measured in the absence of the propeller is relatively simple to experiment and the empirical equation (Sasajima method) that extends the nominal wake to the solid line can be used. It is widely used in shipyards and ship-related research institutes.

유입류의 전속도 분포는 Pitot 관이나 LDV를 이용하여 측정할 수 있다. Pitot 관을 이용한 방법은 시간 분해능이 낮아 프로펠러 회전에 따른 비정상 유입류의 측정에 적합하지 않으며 프로펠러 유입류를 간섭하기도 하여 사용에 어려움이 따른다. LDV를 이용한 전속도 계측방법은 시간 분해능이 높고 유입류를 간섭하지 않으나 실험이 복잡하고 계측된 속도분포의 공간 해상도가 낮다는 문제점이 있다.The full velocity distribution of the inflow can be measured using a Pitot tube or LDV. The method using the Pitot tube has low time resolution and is not suitable for the measurement of abnormal inflow due to propeller rotation, and it is difficult to use because it interferes with the propeller inflow. Full speed measurement method using LDV has high time resolution and does not interfere with inflow, but it has a problem of complicated experiment and low spatial resolution of measured speed distribution.

이와 같이 프로펠러 유입류의 전속도 측정과 관련하여 현재 사용되고 있는 방법들은 까다롭고, 측정된 속도벡터들의 공간분해능 또한 낮아 거의 사용되지 않는 추세이다. 플로펠러가 없는 상태에서 선미후류의 공칭속도를 측정하여 프로펠러의 유효반류를 추정하는 방법은 프로펠러와 선미후류 사이의 상호작용이 근사적으로 처리되거나 경험식을 사용하기 때문에 예측된 유효반류에 대한 신뢰성이 떨어지 는 문제점이 있다.As such, the methods currently used in relation to the full velocity measurement of the propeller inflow are difficult, and the spatial resolution of the measured velocity vectors is also low and is rarely used. The method of estimating the effective return of propellers by measuring the nominal speed of the stern wake in the absence of floppler is based on the reliability of the predicted effective return because the interaction between the propeller and the stern wake is approximated or empirical. There is a problem of falling.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 그 목적은 다수의 종단면에서의 속도장을 측정하여 횡단면에서의 속도분포를 얻음으로써 공칭속도 계측에 비해 보다 쉽고 정확하게 유효반류를 구할 수 있는 전속도 측정방법을 제공하는 것이다.The present invention was devised to solve the above problems, and its object is to obtain the effective distribution more easily and accurately than the nominal velocity measurement by measuring the velocity fields in multiple longitudinal sections to obtain the velocity distribution in the cross section. It is to provide a full speed measurement method.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 프로펠러 유입유동의 전속도 측정방법은, 프로펠러 회전축과 나란하고 수면에 수직한 복수의 종단면을 설정하는 단계와; 레이저 평면광으로 상기 프로펠러 전방 유입유동의 각 종단면을 조명하는 단계와; CCD 카메라로 상기 각 종단면의 입자영상을 취득하는 단계와; 상기 취득된 입자영상을 상호상관 방식의 PIV 알고리듬을 이용하여 종단면에서의 속도장을 추출하는 단계; 및 상기 각 종단면에 대하여 얻은 축방향 속도성분을 조합하여 횡단면에서의 전속도 분포를 얻는 단계를 포함한다.In order to achieve the above object, the full speed measurement method of the propeller inflow flow according to an embodiment of the present invention comprises the steps of setting a plurality of longitudinal cross-section parallel to the propeller rotation axis and perpendicular to the water surface; Illuminating each longitudinal section of said propeller front inlet flow with a laser plane light; Acquiring particle images of each longitudinal section with a CCD camera; Extracting the velocity field in a longitudinal section of the acquired particle image using a cross-correlation PIV algorithm; And combining the axial velocity components obtained for each longitudinal section to obtain a full velocity distribution in the cross section.

상기 복수의 종단면은 서로 일정한 간격을 두고 설정되며, 프로펠러 전방 유입유동의 각 종단면을 상기 레이저 평면광으로 상하방향에서 동시에 조명한다.The plurality of longitudinal sections are set at regular intervals from each other and simultaneously illuminate each longitudinal section of the propeller front inflow flow in the vertical direction with the laser plane light.

본 발명의 일 실시예에 따른 프로펠러 유입유동의 전속도 측정 시스템은, 유체를 담고 있으면서 유동장을 형성하는 수조와; 상기 수조에 담긴 유체에 잠기는 부분에 프로펠러를 구비하는 운송체 모형과; 상기 수조의 외측에서 레이저를 발생시키는 레이저 발생기와; 상기 레이저를 입력받아 평면광으로 변환시키는 평면광 변환기와; 상기 수조의 외측에 설치되어 상기 레이저 평면광으로 비춰지는 면의 입자유동을 취득하는 CCD 카메라; 및 상기 CCD 카메라로부터 전송된 입자영상의 영상신호를 받아 속도장을 추출하는 컴퓨터를 포함한다.Full speed measurement system of the propeller inlet flow according to an embodiment of the present invention, the tank containing a fluid to form a flow field; A vehicle model having a propeller in a portion submerged in the fluid in the tank; A laser generator for generating a laser outside the tank; A plane light converter which receives the laser and converts the laser into plane light; A CCD camera provided outside the tank to acquire particle flow of a surface illuminated by the laser plane light; And a computer that receives the video signal of the particle image transmitted from the CCD camera and extracts the velocity field.

본 측정 시스템은, 상기 운송체 모형의 프로펠러 회전축에 설치되어 프로펠러 회전 위상각을 상기 레이저 발생기와 동기화 시키는 인코더를 더 포함할 수 있으며, 상기 운송체 모형의 프로펠러가 구비된 부분의 상단부에 투명창이 설치될 수 있다.The measuring system may further include an encoder installed on the propeller rotating shaft of the vehicle model to synchronize the propeller rotation phase angle with the laser generator, and a transparent window is installed at an upper end of a portion provided with the propeller of the vehicle model. Can be.

상기 레이저 발생기의 전방에는 광 분리기가 설치되어 발생된 레이저빔의 적어도 2개의 빔으로 나누어 상기 수조의 바닥면과 상기 운송체 모형의 상부에서 함께 조명되도록 한다.In front of the laser generator, an optical splitter is installed so as to be divided into at least two beams of the generated laser beam so that the bottom surface of the tank and the upper part of the vehicle model are illuminated together.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 측정 시스템에서 사용되는 선박모형(10)은 선미 부분을 일부 개조하여 투명창(12)이 설치된다. 즉 레이저 평면광이 선미의 위쪽에서 아래방향으로 조사(照射)되어 프로펠러(20)와 그 주변을 조명할 수 있도록 아크릴 등으로 제작되는 투명창(12)이 설치된다. 본 실시예에서는 선박모형을 예로 들었지만, 본 발명은 잠수함 등의 해상운송체나 어뢰와 같은 해상무기에 적용할 수도 있다.Referring to Figure 1, the ship model 10 used in the measurement system according to an embodiment of the present invention is a transparent window 12 is installed by partially modifying the stern portion. That is, a transparent window 12 made of acryl or the like is installed so that the laser plane light is irradiated downward from the stern to illuminate the propeller 20 and its surroundings. In the present embodiment, a ship model is taken as an example, but the present invention can also be applied to a marine vehicle such as a submarine or a marine weapon such as a torpedo.

도 2를 참조하면, 프로펠러 전방유동의 전속도 측정 시스템은 선미에 투명창(12)이 구비된 선박 모형(10)과 이 선박 모형(10)의 아래로 유동장을 형성하 는 회류수조(circulating water channel)(23), 그리고 프로펠러 유입유동의 속도장 측정을 위해 사용되는 PIV 시스템을 포함한다. 선박 모형(10)의 아래로 유동장을 형성하기 위하여 상기 회류수조(23) 대신 공동수조(cavitation tunnel), 예인수조(towing tank), 사각수조 또는 조파수조 등이 사용될 수 있다.Referring to FIG. 2, the full speed measurement system of the propeller forward flow includes a ship model 10 having a transparent window 12 at the stern and a circulating water forming a flow field under the ship model 10. channel 23), and the PIV system used to measure the velocity field of the propeller inlet flow. In order to form a flow field below the ship model 10, a cavitation tunnel, a towing tank, a square tank, or a sowing tank may be used instead of the circulating tank 23.

도 2에 나타낸 측정 시스템에서 좌표축은 프로펠러(20)를 중심으로 주유동 방향을 Z축, 선박모형(10)의 높이 방향을 Y축, 선박모형(10)의 폭 방향을 X축으로 정의한다. 또한 실험 결과의 비교 및 검토를 쉽게 할 수 있도록 각 축의 길이는 프로펠러 직경(D)으로 무차원화하여 나타낼 수 있다. In the measurement system shown in FIG. 2, the coordinate axis defines a main flow direction about the propeller 20 as the Z axis, the height direction of the ship model 10 as the Y axis, and the width direction of the ship model 10 as the X axis. In addition, the length of each axis can be shown dimensionlessly by the propeller diameter (D) to make it easier to compare and examine the experimental results.

PIV 시스템은 레이저 발생기(30), CCD(charge coupled device) 카메라(32)를 포함한다. The PIV system includes a laser generator 30 and a charge coupled device (CCD) camera 32.

레이저 발생기(30)로는 Nd:Yag 레이저가 사용될 수 있으며, 레이저 발생기(30)에서 출력된 2개의 레이저 펄스 사이의 시간간격은 유동조건에 따라 임의로 정할 수 있다. 프로펠러(20) 회전축에는 인코더(encoder)(미도시)가 장착되어 프로펠러의 회전 위상각을 PIV 시스템과 동기시키는데 사용된다.Nd: Yag laser may be used as the laser generator 30, and the time interval between two laser pulses output from the laser generator 30 may be arbitrarily determined according to the flow conditions. An encoder (not shown) is mounted on the axis of rotation of the propeller 20 and used to synchronize the propeller's rotational phase angle with the PIV system.

레이저 발생기(30)의 전방에는 광 분리기(beam splitter)(34)가 배치되어 상기 레이저 발생기(30)로부터 방출되는 레이저빔을 2개로 나누어 회류수조(23)의 바닥창과 선박모형(10)의 투명창(12)을 통해 프로펠러 전방 유동 전체를 상하 방향에서 함께 조명하도록 할 수 있다. 레이저빔의 경로를 절곡시켜 원하는 목적물에 레이저빔을 조사할 수 있도록 레이저빔 경로 상에 반사경(36)이 배치된다. 또한 볼록렌즈(38)로 빔의 초점을 맞추고, 오목렌즈(39)로 빔을 평면광으로 만들어 조사할 수 있다.A beam splitter 34 is disposed in front of the laser generator 30 to divide the laser beam emitted from the laser generator 30 into two, so that the sole of the flow tank 23 and the vessel model 10 are transparent. Through the window 12 it is possible to illuminate the entire propeller front flow together in the up and down direction. A reflector 36 is disposed on the laser beam path so that the path of the laser beam can be bent to irradiate the laser beam to a desired object. Further, the beam can be focused with the convex lens 38 and the beam can be irradiated with the concave lens 39 as plane light.

CCD 카메라(32)는 회류수조(23)의 측면에 설치되어 레이저 평면광(40a, 40b)에 의해 가시화된 종단면의 입자영상을 취득한다. 이 때, 한 번에 2 프레임씩 쌍으로 입자영상을 취득할 수 있으며, 영상처리 장치(미도시)와 제어 및 계산용 컴퓨터(33)가 상기 CCD 카메라(32)와 연결된다. CCD 카메라(32)에서 취득된 입자영상은 영상신호로 변환되어 계산용 컴퓨터(33)로 제공된다.The CCD camera 32 is provided on the side of the flow tank 23 and acquires the particle image of the longitudinal section visualized by the laser plane light 40a, 40b. At this time, the particle image can be acquired in pairs by two frames at a time, and an image processing apparatus (not shown) and a control and calculation computer 33 are connected to the CCD camera 32. The particle image acquired by the CCD camera 32 is converted into an image signal and provided to the calculation computer 33.

CCD 카메라(32)로 얻은 입자영상은 영상신호로 변환되어 계산용 컴퓨터(33)로 제공되며, 계산용 컴퓨터(33)에서는 상호상관(cross-correlation) 방식의 PIV나 PTV(particle tracking velocimetry) 알고리듬을 이용하여 속도장을 추출할 수 있다. 이 때 설정되는 미소 조사구간의 크기는 유동조건 및 산란입자들의 개수에 따라 조절될 수 있다.The particle image obtained by the CCD camera 32 is converted into an image signal and provided to the calculation computer 33. In the calculation computer 33, a cross-correlation type PIV or PTV (particle tracking velocimetry) algorithm Velocity field can be extracted by using. At this time, the size of the minute irradiation section may be adjusted according to the flow conditions and the number of scattering particles.

선미에 설치한 투명창(12)에 기인하여 선미 형상의 왜곡이 있는지를 판단하기 위하여 프로펠러가 없는 상태에서 선박 모형(10)의 반류를 횡단면에서 측정할 수 있다. 도 3에서 보는 바와 같이 선체의 좌우 빌지(bilge)를 따라 발달한 한 쌍의 종방향 보오텍스(vortex) 결과로부터 선미 형상의 왜곡 유무를 판단할 수 있다. 즉 빌지 보오텍스들이 매우 대칭적으로 비슷한 와도값을 가지게 된 것으로부터 선미 형상이 왜곡되지 않았음을 알 수 있다. 만약 선미 형상이 왜곡되었다면 빌지 보텍스의 대칭성이 깨졌거나 그 와도값이 서로 같지 않게 된다.In order to determine whether there is distortion of the stern shape due to the transparent window 12 installed at the stern, the reflux of the ship model 10 can be measured in the cross section without the propeller. As shown in FIG. 3, it is possible to determine whether the stern shape is distorted from a pair of longitudinal vortex results developed along the left and right bilges of the hull. In other words, the stern shape is not distorted because the bilge botexes have very similar symmetry. If the stern shape is distorted, the symmetry of the bilge vortex may be broken or the transient values will not be the same.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 프로펠러 유입유동의 전속도 측정방법에 대하여 설명한다. 도 4는 프로펠러 유입유동의 전속도 측정방법을 단계별로 나 타낸 순서도이다.Hereinafter, a method for measuring the full speed of the propeller inflow flow according to the embodiment of the present invention will be described. Figure 4 is a flow chart showing a step-by-step method for measuring the full speed of the propeller inlet flow.

우선, 프로펠러 전방 횡단면에서의 전속도 분포를 구하기 위해 PIV 속도장 측정을 수행할 복수의 종단면을 설정한다.(S1)First, a plurality of longitudinal sections for performing the PIV velocity field measurement are set to obtain the full velocity distribution in the propeller forward cross section (S1).

상기 종단면은 프로펠러 회전축과 나란하고 수면에 수직하게 설정된다. 일례로, 도 5에 나타낸 바와 같이 21개의 종단면(L10,L9, ...,0,...R9,R10)을 설정할 수 있다. 여기서 각 종단면 사이의 간격은 0.05㎜로 일정한 간격을 두고 설정될 수 있으며, 좌우의 프로펠러 반경거리까지 종방향 속도장을 측정할 수 있도록 프로펠러 반경거리까지 종단면을 설정한다. 도 4에서 설명되지 않은 참조부호 18은 프로펠러 보스(boss)이다.The longitudinal section is set parallel to the propeller axis of rotation and perpendicular to the water surface. As an example, as shown in FIG. 5, 21 longitudinal sections L10, L9, ..., 0, ... R9, R10 can be set. Here, the interval between each longitudinal section may be set at a constant interval of 0.05mm, the longitudinal section is set to the propeller radial distance to measure the longitudinal velocity field to the right and left propeller radial distance. Reference numeral 18 not described in FIG. 4 is a propeller boss.

다음으로, 레이저 평면광(40a, 40b)으로 프로펠러(20) 전방 유입유동의 각 종단면(L10~R10)을 조명한다.(S2) Next, each of the end faces L10 to R10 of the inflow flow in front of the propeller 20 is illuminated by the laser plane lights 40a and 40b. (S2)

이 때, 각 종단면(L10~R10)을 레이저 평면광(40a, 40b)으로 상하방향에서 동시에 조명한다. 즉 하방에서는 회류수조(23)의 바닥면에서 프로펠러(20)를 향해 레이저 평면광(40a)을 조명하고, 상방에서는 선박모형(10)의 투명창(12)을 통해 레이저 평면광(40b)을 조명한다.At this time, each end surface L10-R10 is simultaneously illuminated with the laser plane light 40a, 40b in the up-down direction. That is to say, the lower surface illuminates the laser plane light 40a toward the propeller 20 from the bottom surface of the circulating water tank 23, and the laser plane light 40b is directed through the transparent window 12 of the ship model 10 from above. Illuminate.

다음으로, CCD 카메라(32)로 각 종단면(L10~R10)의 입자영상을 취득한다.(S3)Next, the CCD camera 32 acquires the particle images of the respective end faces L10 to R10. (S3)

그리고 나서 취득된 입자영상을 상호상관 방식의 PIV 알고리듬을 이용하여 종단면에서의 속도장을 추출한다.(S4)Then, the velocity field in the longitudinal section is extracted by using the cross-correlated PIV algorithm.

CCD 카메라(32)로 얻은 입자영상은 영상신호로 변환되어 계산용 컴퓨터로 제 공되며, 계산용 컴퓨터에서 상호상관 방식의 PIV 알고리듬을 이용하여 속도장을 추출하여 그 결과를 디스플레이 화면에 나타낸다. 다시 말하면, CCD 카메라(32)로 두 장의 순간 입자영상을 촬영한 후 디지털화한 다음 상호상관(cross-correlation) 방식으로 상관계수를 직접 계산하게 되는데, 이 계산에 사용되는 알고리듬이 '상호상관 방식의 PIV 알고리듬'이며, 이 알고리듬을 거치게 되면 촬영한 유동의 속도장을 얻게 된다. 도 6은 '0' 종단면, 즉 프로펠러(20)의 회전축을 포함하는 종단면에서 얻은 순간속도장 결과의 예를 나타낸 도면이다.The particle image obtained by the CCD camera 32 is converted into an image signal and provided to a computing computer. The velocity field is extracted by using a PIV algorithm of a cross-correlation method, and the result is displayed on a display screen. In other words, the CCD camera 32 captures two instantaneous particle images, digitizes them, and then calculates the correlation coefficient directly using a cross-correlation method. PIV algorithm, and through this algorithm we get the velocity field of the flow. FIG. 6 is a view showing an example of an instantaneous velocity field result obtained from a '0' longitudinal section, that is, a longitudinal section including a rotation axis of the propeller 20.

다음으로, 상기 각 종단면에 대하여 얻은 축방향 속도성분을 조합하여 횡단면에서의 전속도 분포를 얻는다.(S5)Next, the total velocity distribution in the cross section is obtained by combining the axial velocity components obtained for the respective longitudinal sections. (S5)

즉 각각의 종단면(L10~R10)에 대한 측정결과들로부터 Z축 방향의 임의 위치에 해당하는 축방향 속도성분을 모두 추출하여 해당 위치에서의 횡단면에 나타내면 횡단면에서의 전속도 분포를 구할 수 있다. 예를 들어 종단면(L10~R10) 측정결과들로부터 Z/D=-0.3의 위치에 해당하는 축방향 속도성분을 추출하면 도 7에 나타낸 바와 같이 프로펠러(20) 전방 Z/D=-0.3 횡단면에서의 전속도(축방향 속도) 분포를 구할 수 있다. 도 6에서 중앙부의 원은 프로펠러 보스(18)의 단면이고, 가장자리의 원은 프로펠러(20) 디스크, 즉 프로펠러(20) 날개의 최외곽 자취를 이은 것이다. That is, if all the axial velocity components corresponding to an arbitrary position in the Z-axis direction are extracted from the measurement results for each of the longitudinal sections L10 to R10 and displayed on the cross section at the corresponding position, the full velocity distribution in the cross section can be obtained. For example, if the axial velocity component corresponding to the position of Z / D = -0.3 is extracted from the measurement results of the longitudinal planes (L10 to R10), as shown in FIG. The full velocity (axial velocity) distribution can be found. In FIG. 6, the circle at the center is a cross section of the propeller boss 18, and the circle at the edge follows the outermost trace of the propeller 20 disc, ie, the propeller 20 blade.

따라서 21개의 종단면(L10~R10)에서의 2차원 속도장 정보로부터 프로펠러(20) 전방 임의의 횡단면에서의 전속도 분포를 손쉽게 추출할 수 있다. 또한 계측된 전속도에는 선미후류 등의 영향이 포함되어 있어 프로펠러 유도속도를 보다 쉽고 정확하게 구할 수 있다.Therefore, it is possible to easily extract the full velocity distribution in any cross section in front of the propeller 20 from the two-dimensional velocity field information in the 21 longitudinal sections L10 to R10. In addition, the measured full speed includes the effects of stern wake, etc., so that the propeller induction speed can be obtained more easily and accurately.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications or changes can be made within the scope of the claims and the detailed description of the invention and the accompanying drawings. It goes without saying that it belongs to the scope of the present invention.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 프로펠러 유입유동의 전속도 측정시스템과 이를 이용한 측정방법에 의하면, PIV 시스템과 투명창을 갖는 선박모형의 선미를 활용하고 복수의 종단면을 설정하여 속도장을 측정한 다음 횡단면의 속도분포를 추출해냄으로써 프로펠러 전방의 전속도를 용이하게 측정할 수 있다.As described above, according to the full speed measuring system of the propeller inflow flow and the measuring method using the same, the speed field is measured by utilizing a stern of a ship model having a PIV system and a transparent window and setting a plurality of longitudinal sections. By extracting the velocity profile of the cross section, the total velocity in front of the propeller can be easily measured.

이 때 측정된 전속도 분포는 순간속도장을 측정한 것이기 때문에 프로펠러와 선미 사이의 비정상(unsteady) 유동현상을 보다 자세히 관찰할 수 있으며, 프로펠러 회전 위상각 변화에 따른 프로펠러 유입유동의 영향을 조사할 수 있다.Since the measured velocity distribution is a measurement of the instantaneous velocity field, the unsteady flow phenomenon between the propeller and the stern can be observed in more detail, and the influence of the propeller inflow flow according to the propeller rotation phase angle change can be investigated. Can be.

또한 프로펠러 회전에 기인하여 프로펠러 날개에 각각 다르게 나타나는 하중분포에 대한 정보를 얻을 수도 있다. 따라서 프로펠러 전방 유입유동에 대한 계측을 보다 정확히 할 수 있어 프로펠러의 고속 회전에 기인하여 나타나는 공동현상, 진동, 소음, 프로펠러 변동압력 등에 대한 보다 정확한 예측과 개선이 가능하다.It is also possible to obtain information about the load distribution that appears differently on the propeller blades due to propeller rotation. Therefore, it is possible to measure the propeller forward inflow flow more accurately, and more accurate prediction and improvement of the cavitation, vibration, noise, and propeller fluctuation pressure caused by the high speed rotation of the propeller is possible.

Claims (7)

프로펠러 회전축과 나란하고 수면에 수직한 복수의 종단면을 설정하는 단계;Setting a plurality of longitudinal sections parallel to the propeller axis of rotation and perpendicular to the water surface; 레이저 평면광으로 상기 프로펠러 전방 유입유동의 각 종단면을 조명하는 단계;Illuminating each longitudinal section of the propeller forward inlet flow with a laser plane light; CCD 카메라로 상기 각 종단면의 입자영상을 취득하는 단계;Acquiring particle images of each longitudinal section with a CCD camera; 상기 취득된 입자영상을 상호상관 방식의 PIV 알고리듬을 이용하여 종단면에서의 속도장을 추출하는 단계;Extracting the velocity field in a longitudinal section of the acquired particle image using a cross-correlation PIV algorithm; 상기 각 종단면에 대하여 얻은 축방향 속도성분을 조합하여 횡단면에서의 전속도 분포를 얻는 단계Obtaining a full velocity distribution in the cross section by combining the axial velocity components obtained for each of the longitudinal sections; 를 포함하는 프로펠러 유입유동의 전속도 측정방법.Full speed measurement method of the propeller inflow flow comprising a. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 복수의 종단면은 서로 일정한 간격을 두고 설정되는 프로펠러 유입유동의 전속도 측정방법.The plurality of longitudinal section is a full speed measurement method of the propeller inlet flow is set at regular intervals from each other. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 프로펠러 전방 유입유동의 각 종단면을 상기 레이저 평면광으로 상하방향에서 동시에 조명하는 프로펠러 유입유동의 전속도 측정방법.Method for measuring the full speed of the propeller inlet flow for simultaneously illuminating each longitudinal section of the propeller front inlet flow in the vertical direction with the laser plane light. 유체를 담고 있으면서 유동장을 형성하는 수조;A water tank containing fluid to form a flow field; 상기 수조에 담긴 유체에 잠기는 부분에 프로펠러를 구비하는 운송체 모형;A vehicle model having a propeller in a portion submerged in the fluid contained in the tank; 상기 수조의 외측에서 레이저를 발생시키는 레이저 발생기;A laser generator for generating a laser outside the tank; 상기 레이저를 입력받아 평면광으로 변환시키는 평면광 변환기;A plane light converter which receives the laser and converts the laser into plane light; 상기 수조의 외측에 설치되어 상기 레이저 평면광으로 비춰지는 면의 입자유동을 취득하는 CCD 카메라;A CCD camera provided outside the tank to acquire particle flow of a surface illuminated by the laser plane light; 상기 CCD 카메라로부터 전송된 입자영상의 영상신호를 받아 속도장을 추출하는 컴퓨터Computer for extracting velocity field by receiving video signal of particle image transmitted from CCD camera 를 포함하는 프로펠러 유입유동의 전속도 측정 시스템.Full speed measurement system of the propeller inlet flow comprising a. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 운송체 모형의 프로펠러 회전축에 설치되어 프로펠러 회전 위상각을 상기 레이저 발생기와 동기화 시키는 인코더를 더 포함하는 프로펠러 유입유동의 전속도 측정 시스템.And an encoder installed on the propeller rotating shaft of the vehicle model, the encoder configured to synchronize the propeller rotation phase angle with the laser generator. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 운송체 모형의 프로펠러가 구비된 부분의 상단부에 투명창이 설치되는 프로펠러 유입유동의 전속도 측정 시스템.Full speed measurement system of the propeller inflow flow is provided with a transparent window on the upper end of the propeller of the vehicle model. 제 4 항 또는 제 6 항에 있어서,The method according to claim 4 or 6, 상기 레이저 발생기의 전방에 설치되어 발생된 레이저빔의 적어도 2개의 빔으로 나누어 상기 수조의 바닥면과 상기 운송체 모형의 상부에서 함께 조명되도록 하는 광 분리기를 더 포함하는 프로펠러 유입유동의 전속도 측정 시스템.A total speed measuring system of the propeller inflow flow further comprising an optical separator installed at the front of the laser generator and divided into at least two beams of the generated laser beam so that the bottom surface of the tank and the upper part of the vehicle model are illuminated together. .
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