A Potential-Based Panel Method for the Analysis of a 2-Dimensional Partially Cavitating Hydrofoil

양력판 이론에 의한 2차원 수중익의 부분 캐비티 문제 해석

A potential-based panel method is formulated for the analysis of a partially cavitating 2-dimensional hydrofoil. The method employs dipoles and sources distributed on the foil surface to represent the lifting and cavity problems, respectively. The kinematic boundry condition on the wetted portion of the foil surface is satisfied by requiring that the total potential vanish in the inner flow region of the foil. The dynamic boundary condition on the cavity surface is satisfied by requiring that the potential vary linearly, i.e., the velocity be constant. Green's theorem then results in a potential-based boundary value problem rather than a usual velocity-based formulation. With the singularities distributed on the exact hydrofoil surface, the pressure distributions are predicted with more improved accuracy than the zero-thickness hydrofoil theory, especially near the leading edge. The theory then predicts the cavity shape and cavitation number for an assumed cavity length. To improve the accuracy, the sources and dipoles on the cavity surface are moved to the newly computed cavity surface, where the boundary conditions are satisfied again. It was found that five iterations are necessary to obtain converged values, while only two iterations are sufficient for engineering purpose.

부분 캐비티가 발생한 2차원 수중익 문제를 해결하기 위하여 포텐시얼을 기저로 한 양력판 이론이 정식화 되었다. 본 이론은 수중익 표면에 다이폴과 쏘오스를 분포함으로써 각각 양력 및 캐비티 문제를 표현하고 있다. 날개표면의 접수부에서의 운동학적 경계조건은 날개의 내부유동에서의 전체 포텐시얼이 영이 된다는 대등한 조건으로 만족되었다. 캐비티 표면에서의 역학적 경계조건은 압력이 일정하다는 즉 속도가 일정하다는 조건을 거쳐 포텐시얼이 선형적으로 변한다는 조건으로 대치되었으며, 운동학적 조건은 특이함수의 세기가 결정된 후에 적분에 의하여 캐비티의 형상을 구하는데에 사용되었다. 따라서 Green 정리를 사용하면, 속도를 기저로 하는 통상적인 정식화가 아닌, 포텐시얼을 기저로 한 경계치 문제가 완성된다. 또한 수중익의 정확한 표면에 특이함수를 분포함으로써, 날개두께가 영인 수중익 신경 이론에 비하여, 날개표면에서의 압력분포의 정도를(특히 날개 앞날부근에서) 향상시켰다. 본 이론에서는 캐비티 길이를 가정하고 이에 대응하는 캐비티의 모양과 캐비테이션수를 계산하였다. 계산정도의 향상을 위하여 약 5회정도의 반복계산이 필요하지만 공학적 목적을 위해서는 2회의 반복계산이 충분함을 보였다.