Prediction of Performance of Waterjet Propulsors by Surface Panel Method

패널법에 의한 물 분사 추진장치의 성능해석

This paper describes a potential-based panel method formulated for the prediction of the steady performance of a waterjet propulsor. The method employs normal dipoles and sources distributed on the solid surfaces such as the impeller/stator blades, hub and duct, and normal dipoles in the shed wakes trailing the impeller and stator to represent the potential flow around the waterjet propulsor. To define a closed boundary surface, the inlet and outlet open boundary surfaces are introduced where the sources and dipoles are distributed. The kinematic boundary condition on the solid boundary surface is satisfied by requiring that the normal component of the total velocity should vanish. On the inlet surface, the total inflow flux into the duct is specified, and on the outlet surface the conservation of mass principle is applied to evaluate the source strength. The solid surfaces are discretized into a set of quadrilateral panel elements and the strengths of sources and dipoles are assumed constant at each panel. Applying this approximation to the boundary conditions leads to a set of simultaneous equations. Systematic numerical tests show that the present numerical method is fast and stable. In order to validate the present method, sample computations are carried out first for the case of a conventional axial flow fan which has a similar geometry as the waterjet propulsor, and then for the case of a waterjet propulsor on which experiments are carried out at KRISO(Korea Research Institute of Ships and Ocean Engineering).

본 논문에서는 물분사추진기의 성능해석을 위하여 포텐셜을 기저로 한 패널법을 정립하였다. 문제를 수치적으로 표현하기 위하여 임펠러와 고정날개의 날개표면, 그리고 허브와 덕트표변에 법선 다이폴과 쏘오스를 분포하였으며 임펠러와 고정날개에서 방출되는 후연반류면에는 법선다이폴을 분포하였다. 경계면 닫힘조건을 만족하기 위하여 덕트의 입구면과 출구면에는 다이폴과 쏘오스를 분포하였으며, 운동학적 경계조건을 만족하기 위하여 경계면에서의 법선방향의 속도가 영이라는 비침투 조건을 사용하였다. 입구면에서의 전유량이 주어지면 연속방정식을 만족하도록 출구면에서의 쏘오스의 세기가 결정된다. 물체표면을 사각형외 패널로 이산화 하였으며, 적분방정식에 경계조건을 적용함으로써 주어진 형상에 대하여 유일한 해를 구할 수 있다. 체계적인 수치시험을 통하여 본 연구에서 개발한 수치해석방법이 안정적임을 확인하였고 프로그램의 검증을 위하여 물분사 추진기와 유사한 축류송풍기의 형상에 대하여 수치검증을 하였다. 또한, 실제적인 적용을 위하여 선박해양공학센터(KRISO)에서 실험한 물분사추진장치의 실험결과와 비교, 도시 하였다.