프로펠러와 같은 수중운동체 주변에서 발생하는 공동 현상은 물체를 부식시키고 소음을 발생시키므로, 공학적 측면에서 중요한 문제로 다루어지고 있다. 따라서 본 연구에서는 Clark-Y 수중익형에서 발생하는 공동 현상과 이로 인한 유동 소음을 예측하였다. 공동 예측 결과를 정량적으로는 수중익형 표면의 압력 분포, 정성적으로는 수중익형 주변 공동의 체적분율 변화 양상을 이용하여 비교하였으며, 실험결과 및 선행 연구와 비슷한 경향을 가짐을 확인하였다. 이러한 공동에 의한 유동 소음을 예측하기 위하여 음향상사법을 이용하였으며, 시간에 따른 체적분율 변화를 단극자 소음원으로, 수중 익형 표면에서의 비정상 압력섭동을 이극자 소음원으로 모델링하였다. 소음 예측 결과는 SPL과 방향성을 통해 분석하였고, 계산된 전체 주파수 영역에서 비정상 압력섭동에 의한 소음원이 지배적임을 확인하였다.
프로펠러와 같은 수중운동체 주변에서 발생하는 공동 현상은 물체를 부식시키고 소음을 발생시키므로, 공학적 측면에서 중요한 문제로 다루어지고 있다. 따라서 본 연구에서는 Clark-Y 수중익형에서 발생하는 공동 현상과 이로 인한 유동 소음을 예측하였다. 공동 예측 결과를 정량적으로는 수중익형 표면의 압력 분포, 정성적으로는 수중익형 주변 공동의 체적분율 변화 양상을 이용하여 비교하였으며, 실험결과 및 선행 연구와 비슷한 경향을 가짐을 확인하였다. 이러한 공동에 의한 유동 소음을 예측하기 위하여 음향상사법을 이용하였으며, 시간에 따른 체적분율 변화를 단극자 소음원으로, 수중 익형 표면에서의 비정상 압력섭동을 이극자 소음원으로 모델링하였다. 소음 예측 결과는 SPL과 방향성을 통해 분석하였고, 계산된 전체 주파수 영역에서 비정상 압력섭동에 의한 소음원이 지배적임을 확인하였다.
Because the cavitation flow driven by an underwater propeller corrodes the materials around it and generates a high level of noise, it has become an important topic in engineering research. In this study, computational fluid dynamics techniques are applied to simulate cavitation flow, and the noise ...
Because the cavitation flow driven by an underwater propeller corrodes the materials around it and generates a high level of noise, it has become an important topic in engineering research. In this study, computational fluid dynamics techniques are applied to simulate cavitation flow, and the noise in the flow is predicted by applying the acoustic analogy to the predicted flow. The predicted results are compared with measurement results and other predictions in terms of surface pressure distribution and the temporal variation in liquid volume fraction. The predicted results are found to be in good agreement with the measured results. The source of the noise attributed to the time rate of change in the liquid volume fraction around the hydrofoil is modeled as a monopole source, and the source of the noise due to unsteady pressure perturbations on the hydrofoil surface is modeled as a dipole source. Then the predicted noise results are analyzed in terms of directivity and SPL spectrum. The noise caused by unsteady pressure perturbations was dominant in the entire frequency range considered in the study.
Because the cavitation flow driven by an underwater propeller corrodes the materials around it and generates a high level of noise, it has become an important topic in engineering research. In this study, computational fluid dynamics techniques are applied to simulate cavitation flow, and the noise in the flow is predicted by applying the acoustic analogy to the predicted flow. The predicted results are compared with measurement results and other predictions in terms of surface pressure distribution and the temporal variation in liquid volume fraction. The predicted results are found to be in good agreement with the measured results. The source of the noise attributed to the time rate of change in the liquid volume fraction around the hydrofoil is modeled as a monopole source, and the source of the noise due to unsteady pressure perturbations on the hydrofoil surface is modeled as a dipole source. Then the predicted noise results are analyzed in terms of directivity and SPL spectrum. The noise caused by unsteady pressure perturbations was dominant in the entire frequency range considered in the study.
본 연구에서는 향후 수중 추진기 공동 현상에 의한 소음을 예측하기 위한 기반으로써, Clark-Y 수중익형 주변에서의 공동 현상을 예측하였다. 또한 수중익형에서의 공동에 의한 소음을 예측하기 위하여 기존의 유동장을 기반으로 음향상사법을 적용하였다.
가설 설정
본 연구에서는 편의상 소음원을 점음원으로 가정하기 위하여 유동 내의 체적분율 변화에 따른 소음원을 반영할 수 있도록 주파수 범위를 설정해주었으며, 이에 따라 해석 시간 간격 또한 결정되었다.
제안 방법
본 연구에서는 향후 수중 추진기 공동 현상에 의한 소음을 예측하기 위한 기반으로써, Clark-Y 수중익형 주변에서의 공동 현상을 예측하였다. 또한 수중익형에서의 공동에 의한 소음을 예측하기 위하여 기존의 유동장을 기반으로 음향상사법을 적용하였다.
대상 데이터
해석을 위해 선정한 수중익형은 선행연구들을 통하여 많은 관련 자료가 있는 Clark-Y 수중익형이다. 해석 격자계 및 유동조건은 각각 Fig.
데이터처리
본 연구에서는 균일 혼상류 모델을 이용하여 수중익형에서 발생하는 공동 현상으로 인한 유동장의 변화를 모사하고 소음을 예측하였다. 유동장의 해석 결과는 수중 익형 주변의 압력 분포와 공동에 의한 유동장의 체적분율 정의 측면에서 비교 분석 하였으며, Kim 등(16)의 결과와 유사한 압력 분포를 얻었다. 또한 공동의 체적분율의 변화는 주기성을 가지고 반복되는 것을 확인하였으며 선행연구들과 동일한 경향성을 가지는 것을 확인하였다.
이론/모형
본 연구에서 사용된 난류모델은 필터가 적용된 RANS 기반의 Standard k-ε 모델을 사용하였다. k와 ε에 대한 수송방정식은 다음 식과 같다.
액체와 기체 간의 질량 전달을 모델링하기 위하여, 균일 혼상류 모델을 바탕으로 하며, 증기의 질량비로 공동을 표현하는, Merkle 등(8)에 의해 제안된 다음 모델을 사용하였다.
액체와 기체가 공존하는 유동장을 수치적으로 모사하기 위하여, 연속방정식은 액체와 기체에 대해 각각 풀고 운동량 방정식은 혼상류에 대해 푸는 균일 혼상류 모델을 3차원 비정상 비압축성 RANS 방정식에 적용하고, 일반 좌표계에 대하여 정식화하면 다음과 같다.
성능/효과
유동장 해석결과 양력이 항력보다 더 크게 나타나므로, 비정상 압력섭동에 의한 소음은 양력 방향으로 더 크게 방사되는 것을 확인하였다. 공동 현상에 의해 방사되는 소음은 모든 주파수 영역에서 비정상 압력 섭동에 의한 소음이 지배적이었다. 하지만 현재 연구는 점음원가정이 가능한 주파수 영역대까지 소음예측을 수행하여 좀 더 큰 고주파수 영역에서는 상대적 기여도가 달라질 가능성이 있기 때문에 추가 연구를 통하여 규명되어야 할 것으로 생각된다.
유동장의 해석 결과는 수중 익형 주변의 압력 분포와 공동에 의한 유동장의 체적분율 정의 측면에서 비교 분석 하였으며, Kim 등(16)의 결과와 유사한 압력 분포를 얻었다. 또한 공동의 체적분율의 변화는 주기성을 가지고 반복되는 것을 확인하였으며 선행연구들과 동일한 경향성을 가지는 것을 확인하였다. 소음 예측에는 먼저 공동현상에 의한 소음원을 점음원으로 가정하였다.
소음 예측에는 먼저 공동현상에 의한 소음원을 점음원으로 가정하였다. 유동장 내의 체적분율 변화를 단극자 소음원으로 모델링하였으며, 소음이 모든 방향으로 균일하게 방사되는 것을 확인하였다. 수중익형 표면의 비정상 압력 섭동에 의한 소음원은 이극자 소음원으로 모델링하였다.
후속연구
하지만 현재 연구는 점음원가정이 가능한 주파수 영역대까지 소음예측을 수행하여 좀 더 큰 고주파수 영역에서는 상대적 기여도가 달라질 가능성이 있기 때문에 추가 연구를 통하여 규명되어야 할 것으로 생각된다. 또한 본 논문의 결과를 기초로 향후 수중 추진기의 공동에 의한 유동소음의 영향을 고찰할 예정이다.
공동 현상에 의해 방사되는 소음은 모든 주파수 영역에서 비정상 압력 섭동에 의한 소음이 지배적이었다. 하지만 현재 연구는 점음원가정이 가능한 주파수 영역대까지 소음예측을 수행하여 좀 더 큰 고주파수 영역에서는 상대적 기여도가 달라질 가능성이 있기 때문에 추가 연구를 통하여 규명되어야 할 것으로 생각된다. 또한 본 논문의 결과를 기초로 향후 수중 추진기의 공동에 의한 유동소음의 영향을 고찰할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전산유체 분야에서 다상 유동을 모사하기 위해 사용하는 3가지 방식은 무엇인가?
전산유체 분야에서 공동 현상과 같은 다상 유동을 모사하기 위해 크게 3가지 방식이 사용되고 있다. 첫째로 공동 현상이 발생하는 부분의 압력은 액체의 증기압과 같다고 가정하는 단상 연속방정식을 이용하는 방법, 둘째로 공동 현상이 발생한 부분은 액체와 기체가 혼합된 상태라고 가정하는 균일 혼상류 모델(Homogeneous mixture model), 셋째로 액체와 기체에 대해 각각의 연속 방정식과 운동량 방정식, 에너지 방정식을 적용하는 방식이며, 본 연구에서는 수력학적 분야에서 많이 활용되고 있는 균일 혼상류 모델을 사용하였다.
공동 현상이란 무엇인가?
수중 미사일이나 선박의 터빈과 같이 물속에서 고속으로 운행되는 물체가 증가함에 따라 공동현상의 중요성도 함께 증가하고 있다. 수중에서 물체가 가속하면 물체 부근의 압력이 국부적으로 낮아지게 되며, 증기압보다 낮아질 경우 액체에서 기체로의 상변화가 발생하게 되는데 이를 공동 현상이라 한다. 공동 현상에 의해 발생한 기포는 물체에서 떨어져 나오면서 주위 수압에 의해 다시 붕괴되는데, 이 때 순간적으로 발생하는 고압은 물체를 부식시키고, 소음의 주요 원인으로 작용한다.
수중운동체 주변에서 발생하는 공동 현상이 중요한 문제로 다루어지는 이유는 무엇인가?
프로펠러와 같은 수중운동체 주변에서 발생하는 공동 현상은 물체를 부식시키고 소음을 발생시키므로, 공학적 측면에서 중요한 문제로 다루어지고 있다. 따라서 본 연구에서는 Clark-Y 수중익형에서 발생하는 공동 현상과 이로 인한 유동 소음을 예측하였다.
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