[논문]수중익의 캐비테이션 소음 계측 및 캐비티 기포 거동 해석

안종우; 강관형; 송인행; 김경열

수중익의 캐비테이션 소음 계측 및 캐비티 기포 거동 해석
Measurement of Cavitation Noise of a Hydrofoil and Prediction of Cavity Bubble Behavior 원문보기

안종우 (한국해양연구소 선박해양공학분소) , 강관형 (삼성중공업(주) 조선플랜트연구센터) , 송인행 (한국해양연구소 선박해양공학분소) , 김경열 (한국해양연구소 선박해양공학분소)

수중익의 캐비테이션 소음이 캐비테이션 터널에서 측정되었다. 캐비테이션이 초기 발생하면 소음수준이 급격히 증가되며, 기포간에 상호간섭이 나타나지 않는 캐비테이션 수까지 증가된다. 그러나 케비테이션 수가 더욱 감소하여 기포간에 상호간섭이 나타나면, 오히려 소음수준이 감소되는 것으로 나타났다. 기포의 궤적과 체적의 변화는 각각 Lagrangian 추적법 및 Kirkwood-Bethe 가정하에 모형화된 방정식을 사용하여 해석하였다. 기포 체적변화의 수치계산 결과는 실험 결과와 비교적 일치되는 것으로 나타났다.

The cavitation noise of a hydrofoil is measured in a cavitation tunnel. It is exhibited that the noise level sharply increases with the inception of cavitation and increase with the decrease of the cavitation number until a moderate cavitation number. Below the cavitation number, the trend is reversed, which may be resulted from the interference effect between cavities. The trajectory of bubble is predicted by using the Lagrangian method. Meanwhile the size of the bubble is predicted based on the Kirkwood-Bethe approximation. The predicted results for the bubble size are compared with the experimental results. It is shown that the numerical method predicts the time history of cavities fairly well.

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문제 정의

본 연구에서는 여러가지 형태의 캐비테이션 중에서 기포 (bubble) 캐비테이션의 특성을 파악하기 위하여 이차원 유동에서 기포 캐비테이션이 용이하개 발생될 수 있는 수증익을 제작하였다. 받음각 및 캐비테이션 수를 변화시키면서 캐비테이션 거동에 대한 소음특성과 시간신호의 계측 및 사진 촬영을 수행하였다.

가설 설정

사용하여 해석하였다. 기포 체적 변화의 해석에서는 기공율(void fraction)이 작은 경우롤 가정하여 기포간의 간섭 효과나 기포에 의한 유 동장의 변화는 무시하였다. 해석된 결과는 사진 촬영에서 관찰된 결과와 비교하였다.
본 실험에서는 실험 장치의 한계로 기포의 삼차원적 형상을 얻을 수 없었고 평면상의 형상만을 얻을 수가 있었다. 기포의 크기는 기포를 반구형으로 가정한 후. 컴퓨터의 그래픽 상에서 기포의 형상에 가장 닮은 원의 직경을 구함으로써 얻어졌다.
(2)를 해석하기 위해서는 유 동장의 속도 벡터와 동압이 주어져야 한다. 유 동장은 포텐셜 유동을 가정하여 패널법을 이용하여 해석하였다. 식 (1).

제안 방법

수중익의 받음각은 b . 2 , 4° 로 변화시켰으며, 각각의 받음각에서 캐비테이션 초기발생 조건을 관찰하고, 초기발생 조건으로부터 캐비테이션 수를 0.05 간격으로 조절하면서 소음을 계측하고 캐비테이션 현상을 카메라로 촬영하였다. 사진은 동일 조건에서 캐비테이션 거동의 변화를 관찰하고자각각의 조건에서 5장씩 촬영되었다.
필터를 거친 신호는 100kHz까지 분석될 수 있는 B&K사의 FFT 분석기 (Type 3550)에서 1/3-octave band로 해석을 수행하였다. 또한 KH₃₃64 필터로부터 디지털 오실로스코프 LeCroy 9310AM로 신호선을 연결하여 시간 신호도 동시에 기록하였다.〔5〕
받음각 및 캐비테이션 수를 변화시키면서 캐비테이션 거동에 대한 소음특성과 시간신호의 계측 및 사진 촬영을 수행하였다. 사신은 캐비테이션의 비정상(unsteady) 거동을 파악하기 위하여 동일한 조건에서 각각 5장씩 촬영하였다.
기포의 크기는 기포를 반구형으로 가정한 후. 컴퓨터의 그래픽 상에서 기포의 형상에 가장 닮은 원의 직경을 구함으로써 얻어졌다. 기포의 평면상의 직경을 이와 같은 방식으로 구하는데 발생 가능한 오차 한도는 1.
필터를 거친 신호는 100kHz까지 분석될 수 있는 B&K사의 FFT 분석기 (Type 3550)에서 1/3-octave band로 해석을 수행하였다. 또한 KH₃₃64 필터로부터 디지털 오실로스코프 LeCroy 9310AM로 신호선을 연결하여 시간 신호도 동시에 기록하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 수중익은 기포 캐비테이션의 특성을 쉽게 파악할 수 있도록 KRISO에서 개발된 일련번호 KH₅₅의 수중익으로 코오드는 150mm이다(Fig.l 참조). 소음특성 시험을 위하여 수중익은 Fig.
받음각 및 캐비테이션 수를 변화시키면서 캐비테이션 거동에 대한 소음특성과 시간신호의 계측 및 사진 촬영을 수행하였다. 사신은 캐비테이션의 비정상(unsteady) 거동을 파악하기 위하여 동일한 조건에서 각각 5장씩 촬영하였다.
05 간격으로 조절하면서 소음을 계측하고 캐비테이션 현상을 카메라로 촬영하였다. 사진은 동일 조건에서 캐비테이션 거동의 변화를 관찰하고자각각의 조건에서 5장씩 촬영되었다.
2와 같은 방식으로 캐비테이션 터널에 설치되었으며' 각도 조절장치를 별도로 부착하여 받음각을 조절하였다〔4〕. 소음 계측을 위한수증 청음기(hydrophone)는 크기가 소형이면서 감도가 좋은 B&K Type 8103를 사용하였다. 수중 청음기는 종형 축대칭체 내부에 장착되었고 이축 대칭 체는 벽면에 부착되어 설치되었다.
이차원 수중익의 기포 캐비테이션 관찰 및 소음계 측 실험은 KRISO의 캐비테이션 터널 제 1 계측부(600mm X 600mm)에서 수행되었다. 터널은 청수(fresh water)로 채워져 있고 실험시 수중의 공기 함유량은 45%이하로 유지되었다.
터널은 청수(fresh water)로 채워져 있고 실험시 수중의 공기 함유량은 45%이하로 유지되었다. 이차원 유동의 재현 및 정확한 소음 측정을 위하여 캐비테이션 터널 안에는 수중익 만이 설치되도록 스팬을 600mm로 제작하였다. 기존의 실험방법은 실험 장치 자체에서 발생되는 소음이 너무 커서 수중익에서 발생되는 소음을 계측하기 어려웠다〔3〕.

데이터처리

기포 체적 변화의 해석에서는 기공율(void fraction)이 작은 경우롤 가정하여 기포간의 간섭 효과나 기포에 의한 유 동장의 변화는 무시하였다. 해석된 결과는 사진 촬영에서 관찰된 결과와 비교하였다.

이론/모형

기포의 궤적은 유동장의 해석 결과를 이용하여 Lagrangian 추적법을 적용하여 구하였고 체적의 변화는 Kirkwood-Bethe 가정하에 모형화된 방정식을 사용하여 해석하였다. 기포 체적 변화의 해석에서는 기공율(void fraction)이 작은 경우롤 가정하여 기포간의 간섭 효과나 기포에 의한 유 동장의 변화는 무시하였다.

성능/효과

1) 소음 수준은 캐비테이션 발생과 함께 급격히 증가하며, 캐비테이션 수의 감소와 함께 기포 상호간에 접촉이 없는 정도까지는 증가하나 발생된 기포의 수가 증가하면서 기포 상호간에 접촉되는 경향이 높아지면 기포 간의 간섭 효과에 의하여 소음이 10kHz를중심으로 감소하는 경향을 나타낸다.
2) 구름 캐비테이션의 경우 30kHz이상의 고주파에서 높은 소음 수준을 보여 주지만, 캐비테이션 수가 더욱 감소되어 구름 캐비테이션이 사라지면 고주파의 소음도 감소된다.
3) 수치해석 결과와 실험결과를 비교하여 본바, 본 수치해법이 기포의 체적의 변화를 비교적 잘 예측한다는 것을 입증하였다.

후속연구

앞서 검증한 바와 같이 기포 체적의 변화 양상은 현재의 수치 해석 방법을 이용하여 예측이 가능하다. 그러므로 본 해석법은 향후 기포 캐비테이션에 의하여 발생되는 소음의 수준 및 스펙트럼을 예측하는데 유용하게 사용될 수 있다.
구름 캐비테이션의 주기성을 정확하게 계측하기 위해서는 적어도 초당 1000 프레임 이상을 촬영할 수 있는 고속 카메라를 이용하여야 한다. 앞으로 캐비테이션 현상을 정확히 관찰하기 위해서는 이와 같은 장비가 활용되어야 할 것으로 사료된다. 캐비테이션 수 0.

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