[논문]FW-H 방정식을 이용한 선박 추진기 날개통과주파수 소음의 수치예측과 모형시험 검증

설한신; 박철수; 김기섭

doi:10.5050/ksnve.2016.26.6.705

문제 정의

이 연구는 비공동 상태와 공동이 발생하였을 경우에 대한 추진기 소음계측 결과^(11~13)와 캐비테이션 소음을 고려할 수 있는 음향상사 기법을 개발하여 추진기 소음을 예측하고 그 결과를 비교분석하여 추진기 소음예측 및 해석기법의 기초를 마련하고자 한다.

가설 설정

10). 수치 추진기 캐비테이션 유동 예측의 경우 반류 스크린을 사용한 경우와 같이 시간 변화에 따라 속도 변화가 없는 유동이 유입된다고 가정하고 문제를 해석하기 때문에 모든 블레이드에서 동일한 캐비테이션 패턴을 예측한다. 하지만 실제 dummy body의 경우(Fig.

제안 방법

2.1절의 수치예측 결과와 2.2절의 추진기 소음 계측 결과를 비교하여 예측결과의 효용성을 검증하였다. 반류 스크린을 사용한 경우와 dummy body를 사용하여 반류를 생성한 실험에 대하여 500Hz 이내의 추진기 날개통과주파수 소음을 수치예측 결과와 비교하였다.
먼저 반류 스크린과 dummy body 후류에서 작동하고 있는 추진기의 유동을 해석하기 위하여 추진기 회전면에서의 공칭 속도분포를 Fig.2와 같이 계측하였으며 이를 수치적으로 Fig.3과 같이 수치적으로 모델링 하였으며 소음을 예측하기 위한 추진기의 유동해석 결과를 Fig.4에 나타내었다.
반류 스크린을 사용하여 반류를 생성한 경우는 터널 윗 벽면에 수중 청음기를 설치하였으며 dummy body를 사용하여 반류를 만든 경우는 물체 후류 방향에 수중 청음기를 장착하여 소음을 계측하였다. 이는 추진기에 의해 발생하는 소음을 좀 더 잘 계측하기 위함이다.
2절의 추진기 소음 계측 결과를 비교하여 예측결과의 효용성을 검증하였다. 반류 스크린을 사용한 경우와 dummy body를 사용하여 반류를 생성한 실험에 대하여 500Hz 이내의 추진기 날개통과주파수 소음을 수치예측 결과와 비교하였다.
추진기 소음을 다양한 운용상황 하에서 계측, 분석하였으며 계측 값의 신뢰성을 확보하기 위하여 각 상황에서의 배경소음을 계측하였다. 실험이 이루어진 중형캐비테이션터널은 소음연구 보다는 추진기 캐비테이션 발생 거동을 용이하게 관찰 할 수 있도록 설계 되었기에 터널의 음향특성에 대한 연구를 먼저 수행하였다, 추진기 날개 주파 수소 음의 경우 배경소음보다 10dB 이상 높은 소음수준을 나타내어 계측한 실험 결과의 신뢰성을 확보할 수 있을 것으로 판단하였다^(11~13).
이 연구를 통해 선박해양플랜트연구소 중형 캐비테이션 터널에서 반류 스크린과 dummy body를 사용하여 반류를 생성, 추진기 비공동과 공동소음을 계측하고 개발된 추진기소음 예측프로그램과 실험 결과와의 비교를 통해 수치 소음 예측기법의 효용성을 검증하였다.
추진기 소음을 다양한 운용상황 하에서 계측, 분석하였으며 계측 값의 신뢰성을 확보하기 위하여 각 상황에서의 배경소음을 계측하였다. 실험이 이루어진 중형캐비테이션터널은 소음연구 보다는 추진기 캐비테이션 발생 거동을 용이하게 관찰 할 수 있도록 설계 되었기에 터널의 음향특성에 대한 연구를 먼저 수행하였다, 추진기 날개 주파 수소 음의 경우 배경소음보다 10dB 이상 높은 소음수준을 나타내어 계측한 실험 결과의 신뢰성을 확보할 수 있을 것으로 판단하였다^(11~13).
실제 해상과는 달리 터널은 벽면으로 막혀 있어 추진기에서 발생한 소음이 관측부벽면에 의해 반사되어 정확한 추진기 소음 계측 결과를 얻기 어렵다. 하지만 추진기 소음 자체가 매우 강하고 지배적이므로 추진기와 가까운 부분에서 측정이 이루어진다면 반사되어 들어오는 소음보다 추진기에 의해 직접 전파되는 소음이 지배적이라고 알려져 있기에 소음원인 추진기에 근접한 위치에 청음기를 설치하여 추진기 날개 통과 주파수 소음을 계측하였다⁽¹⁵⁾.

대상 데이터

추진기 캐비테이션 관찰과 소음측정실험은 선박해양플랜트연구소(KRISO) 중형 캐비테이션 터널에서 수행되었다. 추진기 소음을 다양한 운용상황 하에서 계측, 분석하였으며 계측 값의 신뢰성을 확보하기 위하여 각 상황에서의 배경소음을 계측하였다.

이론/모형

소음 계산은 비공동 소음의 경우 블레이드 표면을 여러 개의 패널로 나누어 모든 패널에 의한 음압의 영향을 합하면 음압 시간에 대한 변화가 얻어 계산하며 공동 소음의 경우 추진기 날개 표면의 캐비테이션 체적을 계산하고 이를 소음원으로 변환하여 임의의 관찰자 위치에서의 음압을 적분한다. 이 때, 지연 시간은 거리가 음원 시간의 함수이기에 닫힌형태로 계산될 수 없기에 Newton 방법에 의한 반복계산이 사용되었다. 음압 변화는 푸리에 변환을 통해 각 하모닉에 대한 음압 수준의 단위를 가진 음향 스펙트럼으로 변환하였으 며 수치예측에 의한 결과는 #에 대한 불연속적 값들을 출력하므로 수치적으로 적분된다.

성능/효과

터널 내부압력을 150kPa로 가압하여 공동 생성을 억제한 상태에서 추진기 회전수를 변화시킨 결과이다. 각 결과 그림에서 보듯 비공동 추진기 소음의 경우 1차 추진기 날개 통과 주파수 소음의 경우 2dB에서 3dB 정도의 오차를 보이며 상당히 정확한 수준의 예측 정밀도를 보이고 있으며 고차 날개 주파수 소음은 유동 소음과 유사한 크기를 가질 정도로 매우 작게 계측되었다. 이는 일반적인 비공동소음의 특징으로 대부분의 날개 주파수 소음 에너지가 1차 날개 주파수에 집중되어 있기 때문이다.
수치 추진기 캐비테이션 유동 예측의 경우 반류 스크린을 사용한 경우와 같이 시간 변화에 따라 속도 변화가 없는 유동이 유입된다고 가정하고 문제를 해석하기 때문에 모든 블레이드에서 동일한 캐비테이션 패턴을 예측한다. 하지만 실제 dummy body의 경우(Fig.10)는 복잡한 유동현상으로 하나의 블레이드에서만 캐비테이션이 발생하였고 이 원인으로 실험 결과도 비공동 소음과 유사하게 1차 날개주파수에서 소음이 집중되는 특성을 보였다.
그러므로 이러한 가정으로 인해 실험 결과와의 비교에서는 일부 오차를 포함하고 있음을 알 수 있다. 하지만 일반적으로 추진기 비공동 소음에서 가장 큰 소음을 방사하는 1차 날개 주파수에서 인정할 만한 오차 범위 내에서 그 값을 예측하고 있음을 확인하였으며 얇은 층 캐비테이션이 발생한 경우에도 비선형효과가 크지 않은 범위에서는 공동 조건에서도 비교적 추진기 소음을 잘 예측하였다. 그러므로 개발된 수치 예측 기법은 선박 수중 방사 소음의 주된 주파수 대역이자 선박 소음 규제의 대상이 유력한 저주파 대역에서 추진기 소음을 예측, 분석할 수 있는 유용한 도구로 활용될 수 있을 것이며 더 나아가 추진기 소음저감 대책을 위한 기초를 마련할 수 있을 것이라 생각된다.

후속연구

그러므로 개발된 수치 예측 기법은 선박 수중 방사 소음의 주된 주파수 대역이자 선박 소음 규제의 대상이 유력한 저주파 대역에서 추진기 소음을 예측, 분석할 수 있는 유용한 도구로 활용될 수 있을 것이며 더 나아가 추진기 소음저감 대책을 위한 기초를 마련할 수 있을 것이라 생각된다. 고주파 대역의 소음 및 보다 정교한 소음 예측을 위해서는 현재 보다 더 정밀한 유동해석과 수치적으로 모사하기 힘든 물리현상에 대한 이해가 선행되어야 할 것이며 이를 소음 해석이론과 접목하는 방법에 대한 연구가 계속 진행되어야 할 것으로 보인다. 이를 위해서는 이 연구와 같은 실험적, 수치적 접근이 상호 보완적으로 이루어 져야 한다.
하지만 일반적으로 추진기 비공동 소음에서 가장 큰 소음을 방사하는 1차 날개 주파수에서 인정할 만한 오차 범위 내에서 그 값을 예측하고 있음을 확인하였으며 얇은 층 캐비테이션이 발생한 경우에도 비선형효과가 크지 않은 범위에서는 공동 조건에서도 비교적 추진기 소음을 잘 예측하였다. 그러므로 개발된 수치 예측 기법은 선박 수중 방사 소음의 주된 주파수 대역이자 선박 소음 규제의 대상이 유력한 저주파 대역에서 추진기 소음을 예측, 분석할 수 있는 유용한 도구로 활용될 수 있을 것이며 더 나아가 추진기 소음저감 대책을 위한 기초를 마련할 수 있을 것이라 생각된다. 고주파 대역의 소음 및 보다 정교한 소음 예측을 위해서는 현재 보다 더 정밀한 유동해석과 수치적으로 모사하기 힘든 물리현상에 대한 이해가 선행되어야 할 것이며 이를 소음 해석이론과 접목하는 방법에 대한 연구가 계속 진행되어야 할 것으로 보인다.

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