[논문]모형 추진기 날개 끝 보텍스 캐비테이션 초생분석 연구

설한신; 김성용

doi:10.7776/ask.2018.37.6.387

모형 추진기 날개 끝 보텍스 캐비테이션 초생분석 연구
Study on the analysis of model propeller tip vortex cavitation inception 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.37 no.6, 2018년, pp.387 - 395

초록
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본 논문은 추진기 모형시험을 이용하여 추진기 날개 끝 보텍스 캐비테이션의 소음특성 및 추진기 캐비테이션 초생 (propeller cavitation inception) 분석에 관한 연구이다. 날개 끝 보텍스 캐비테이션은 일반적으로 추진기에서 가장 먼저 발생하는 캐비테이션으로 발생 유무에 따라 수중방사소음 수준과 특성이 달라진다. 특히 캐비테이션 초생 이후 선속이 높아짐에 따라 급격하게 소음수준이 증가한다고 알려져 있다. 그러므로 함정 추진기에서 날개 끝 보텍스 캐비테이션 발생을 지연시키는 것과 더불어 추진기 캐비테이션의 소음특성을 분석하고 캐비테이션 초생을 판단하는 것 역시 함정 및 수중무기체계의 추진기 개발에 있어 매우 중요한 문제라 할 수 있다. 본 연구는 추진기 날개 끝 보텍스 캐비테이션의 발생과 성장에 따른 소음특성 변화를 분석하고 다양한 영상-소음 계측 및 분석기법을 활용하여 추진기 캐비테이션 초생 판단기법을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the noise characteristics of the propeller tip vortex cavitation and its inception were analyzed experimentally. Generally, tip vortex cavitation is the first appeared cavity that occurs in a propeller. If propeller tip vortex cavitation is appeared, the level and characteristics of underwater radiated noise changes dramatically compared with the non-cavitating propeller. Therefore, it is very important to analyze the noise characteristics of the propeller cavitation and to detect the cavitation inception in the development of the propulsion system for military vessel and underwater weapon system. The change of noise characteristics due to the inception and growth of the propeller tip vortex cavitation was analyzed. Various imaging-noise measurement and analysis technique were used to determine the inception of propeller cavitation.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of the KRISO large cavitation tunnel.
그림 Fig. 2. Test set-up & model propeller.
그림 Fig. 3. Test condition & ship operating profile.
그림 Fig. 4. Propeller cavitation observation: (a) J_A = 1.12, σ_A = 2.75 (b) J_A = 1.12, σ_A = 1.50 (c) J_A = 1.20, σ_A = 2.00 (d) J_A = 1.20, σ_A= 1.50.
그림 Fig. 5. Propeller cavitation inception and related noise: Synchronized measurement results of image and noise.
표 Table 1. Type and name of propeller cavitation.
그림 Fig. 6. Noise spectrum according to cavitation number: (a) J_A = 1.12 (b) J_A = 1.20.
그림 Fig. 7. DEMON analysis for J_A = 1.12.
그림 Fig. 8. DEMON analysis for J_A = 1.20.
그림 Fig. 9 Propeller cavitation inception diagram: visual detection & acoustic detection.

AI 본문요약
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문제 정의

선박해양플랜트연구소 대형캐비테이션터널은 다양한 종류의 소음계측시스템이 설치되어 있으며 본 연구에서는 관측부 하부에 플러그 타입으로 특수 설치된 소음계측시스템을 활용하였다. 본 소음계측시스템은 모형선 내부에 설치되어 있는 기계장치 및 터널내부의 유동과 압력변화에 영향을 받지 않으면서 소음원에서 방사된 소음이 음향센서로 수신될 때까지 음향임피던스의 차이 없이 소음을 계측할 수 있어 추진기소음 시험에서 신뢰할 만한 계측결과를 제공해 준다. 소음신호는 샘플링 주파수 256 kHz로 계측하였으며 100 kHz까지 분석하였다.
본 연구는 대형캐비테이션터널 추진기 모형시험에서 위 언급한 추진기 캐비테이션 초생선속 계측 및 분석법을 적용하여 정확한 추진기 캐비테이션 초생선속을 판단할 수 있는 기법에 대하여 연구하였다.
본 연구를 통해 추진기 캐비테이션 초생을 보다 정확하게 판단하기 위한 시험기법을 제시하였으며 캐비테이션의 유체역학적 특성을 고려한 추진기 캐비테이션 초생 분석에 대한 결과를 나타내었다.
본 연구에서는 선박해양플랜트연구소 대형캐비테이션터널과 함정 추진기 캐비테이션 발생을 모사하기 위한 모형선과 모형추진기를 이용하여 날개 끝 보오텍스 캐비테이션의 특성을 파악하고 다양한 접근기법으로 추진기 캐비테이션 초생선속 모형시험을 수행하였다. 추진기에서 일반적으로 가장 먼저 발생하는 캐비테이션은 날개 끝 보텍스 캐비테이션으로 이에 대한 소음특성을 파악하였다.
본 연구에서는 위와 같은 추진기 캐비테이션 초생선속과 관련 연구 중 가장 기반이 되는 기술이라 할 수 있는 추진기 캐비테이션 초생분석에 관한 연구를 수행하였다.

제안 방법

6 Hz이며 날개통과 주파수(BPF) 성분은 각각 153 Hz, 143 Hz이다. DEMON 분석 결과를 축 회전주파수와 날개통과 주파수와 비교,캐비테이션 초생을 분석하였다.
추진기 캐비테이션 초생분석을 위하여 시각적기법과 음향학적 분석기법을 적용하여 모형시험에서의 추진기 캐비테이션 초생 판정법에 대하여 연구하였으며 본 연구에서는 다 채널 초고속카메라 – 정밀소음계측시스템 연동 기법을 고안하여 시각적 추진기 캐비테이션 초생판정에 활용하였다. DEMON 분석을 기반으로 다양한 추진기 운용조건에서 음향학적 추진기 캐비테이션 초생판정에 관하여 분석하였다. 모형시험 조건과 추진기 캐비테이션의 물리적 특성을 고려한 주파수대역을 설정하여 DEMON 분석으로 추진기 캐비테이션 초생을 판정하였으며 이 결과는 시각적 판정과 동일한 결과를 나타났다.
모형시험 조건은 일반적인 함정 추진기 캐비테이션 초생선속 모형시험에서 활용되는 기법을 활용하였다. Fig. 3과 같이 추진기 전진비를 1.12와 1.20로 고정한 후 터널 내부압력을 조절하여 추진기 캐비테이션 수를 변화시켜 함정의 운항조건 주변의 다양한 추진기 하중상태에서 캐비테이션 초생을 판단하여 함정의 추진기 캐비테이션 초생선속을 예측하는 방법을 적용하였다. 이 추진기 캐비테이션 초생선속 모형시험에서 가장 중요한 기법 중의 하나가 캐비테이션 초생의 판단기법이라 할 수 있으며 이를 시각적, 음향학적으로 분석하여 결과를 도출하였다.
추진기 캐비테이션 초생분석기법으로 DEMON 분석이 많이 활용되고 있으며 정확한 DEMON 분석을 위해서는 관심 소음원, 즉 추진기 캐비테이션에 의해 영향을 받는 주파수대역을 선택하여 분석하는 것이 중요하다. Fig. 6의 결과에서 추진기 날개 끝 보텍스 캐비테이션의 초생과 성장은 1 kHz 이상의 전주파수 대역에 영향을 주고 있지만 모형시험 조건에서 추진기 캐비테이션 소음 외에 영향을 줄 수 있는 모터, 축계, 계측기기의 전기적 잡음 등에 의한 영향이 작은 3 kHz ~ 15 kHz 대역의 소음을 이용하여 DEMON 분석을 수행하여 캐비테이션 초생을 판단하였다.
선박해양플랜트연구소 대형캐비테이션터널은 다양한 종류의 소음계측시스템이 설치되어 있으며 본 연구에서는 관측부 하부에 플러그 타입으로 특수 설치된 소음계측시스템을 활용하였다. 본 소음계측시스템은 모형선 내부에 설치되어 있는 기계장치 및 터널내부의 유동과 압력변화에 영향을 받지 않으면서 소음원에서 방사된 소음이 음향센서로 수신될 때까지 음향임피던스의 차이 없이 소음을 계측할 수 있어 추진기소음 시험에서 신뢰할 만한 계측결과를 제공해 준다.
시각적 초생분석은 선박해양플랜트연구소의 추진기 캐비테이션 초생판단 기준과 Fig. 5와 같이 초고속카메라와 소음계측시스템 동기화 계측결과를 분석하여 전진비 1.12와 1.20에서 각각 캐비테이션수 3.50과 2.50에서 추진기 캐비테이션 초생으로 판단하였다.
시각적 캐비테이션 초생관찰 결과를 기반으로 하여 추진기 캐비테이션의 초생조건이라 유추할 수 있는 여러 시험조건에서 DEMON 해석을 수행하여 음향학적 추진기 캐비테이션 초생에 대하여 분석하였다. 전진비 1.
앞서 Fig. 3과 같이 전진비 1.12와 1.20에 대하여 36조건에서 캐비테이션 관찰 및 소음계측 시험을 수행하였고 각 전진비에서의 캐비테이션 초생을 분석하였다. 추진기에서는 압력 및 하중조건에 따라 다양한 형태의 캐비테이션이 발생하며 발생 위치 및 형태에 따라 상대적으로 영향을 미치는 주파수대역이 다르다고 알려져 있으며 Table 1과 같이 분류하고 있다.
20로 고정한 후 터널 내부압력을 조절하여 추진기 캐비테이션 수를 변화시켜 함정의 운항조건 주변의 다양한 추진기 하중상태에서 캐비테이션 초생을 판단하여 함정의 추진기 캐비테이션 초생선속을 예측하는 방법을 적용하였다. 이 추진기 캐비테이션 초생선속 모형시험에서 가장 중요한 기법 중의 하나가 캐비테이션 초생의 판단기법이라 할 수 있으며 이를 시각적, 음향학적으로 분석하여 결과를 도출하였다.
대형캐비테이션터널을 이용한 모형시험은 터널 내부의 유속과 압력, 추진기의 회전수 조절이 용이하기 때문에 다양한 추진기 작동상태와 환경을 재현할 수 있다. 이런 시험방법을 통해 다양하게 추진기 캐비테이션 발생패턴 및 강도를 변화시키며 추진기 캐비테이션 패턴을 관찰하며 동시에 계측된 소음신호를 측정, 분석하여 추진기 캐비테이션 초기발생과 방사되는 소음특성을 분석하였다.
일반적으로 실선 추진기에서는 날개 끝 보텍스 캐비테이션이 가장 먼저 발생하기 때문에 이를 모사하기 위하여 본 연구에서는 함정형상의 모형선과 날개 끝 보텍스 캐비테이션이 가장 먼저 발생하도록 설계된 모형추진기를 활용하였다(Fig. 2).
추진기 캐비테이션 초생분석을 위하여 시각적기법과 음향학적 분석기법을 적용하여 모형시험에서의 추진기 캐비테이션 초생 판정법에 대하여 연구하였으며 본 연구에서는 다 채널 초고속카메라 – 정밀소음계측시스템 연동 기법을 고안하여 시각적 추진기 캐비테이션 초생판정에 활용하였다.
본 연구에서는 선박해양플랜트연구소 대형캐비테이션터널과 함정 추진기 캐비테이션 발생을 모사하기 위한 모형선과 모형추진기를 이용하여 날개 끝 보오텍스 캐비테이션의 특성을 파악하고 다양한 접근기법으로 추진기 캐비테이션 초생선속 모형시험을 수행하였다. 추진기에서 일반적으로 가장 먼저 발생하는 캐비테이션은 날개 끝 보텍스 캐비테이션으로 이에 대한 소음특성을 파악하였다.
캐비테이션 초생의 판단을 위하여 스트로보스코프를 이용한 캠코더 계측, 초고속카메라를 이용한 정밀영상분석기법 등 시각적으로 캐비테이션 초생을 판단하는 기법과 캐비테이션 관찰 시험과 동시에 측정된 소음신호를 다양한 소음분석 기법을 활용하여 음향학적 캐비테이션 초생을 판단하였다. 또한 본 연구에서는 위와 같은 기존의 두 가지 기법을 동시 적용한 다채널 영상-소음 동기화 분석기법을 이용하여 캐비테이션 초생과 방사소음의 상관성을 분석하여 캐비테이션 초생판단에 활용하였다.

대상 데이터

모형시험은 선박해양플랜트연구소(Korea Research Institute Ships & Ocean Engineering, KRISO) 대형캐비테이션터널에서 수행하였다.
5 m로 미 해군연구소의 대형캐비테이션터널(Large Cavitation Channel, LCC)과 유사한 성능 특성을 가지고 있다. 시험이 이루어지는 관측부의 길이는 12.5 m이며 단면은 높이 1.8 m, 폭 2.8 m로 최고유속 16.5 m/s,터널 내부압력을 0.02 bar ~ 3.5 bar까지 조절이 가능하여 다양한 조건에서 모형시험이 가능하다(Fig. 1).

이론/모형

캐비테이션 초생의 판단을 위하여 스트로보스코프를 이용한 캠코더 계측, 초고속카메라를 이용한 정밀영상분석기법 등 시각적으로 캐비테이션 초생을 판단하는 기법과 캐비테이션 관찰 시험과 동시에 측정된 소음신호를 다양한 소음분석 기법을 활용하여 음향학적 캐비테이션 초생을 판단하였다. 또한 본 연구에서는 위와 같은 기존의 두 가지 기법을 동시 적용한 다채널 영상-소음 동기화 분석기법을 이용하여 캐비테이션 초생과 방사소음의 상관성을 분석하여 캐비테이션 초생판단에 활용하였다. 이 기법은 좌현과 우현 추진기의 캐비테이션 발생여부를 초고속카메라로 계측하며 전기적 접점신호를 이용 동시에 소음을 계측하여 영상과 소음이 동기화된 상태로 분석이 가능해 보다 정확한 추진기 캐비테이션 초생을 판단할 수 있는 장점이 있다.
모형시험 조건은 일반적인 함정 추진기 캐비테이션 초생선속 모형시험에서 활용되는 기법을 활용하였다. Fig.
음향학적 캐비테이션 초생판단은 각 캐비테이션수 조건에서 소음 스펙트럼 분석, 추진기 캐비테이션의 주기성을 분석하는 DEMON(Detection of Envelope Modulation on Noise) 해석을 활용하였다.

성능/효과

추진기소음 스펙트럼 결과에서 날개 끝 보텍스 캐비테이션이 발생하고 초기성장에 따라 1 kHz 부근 주파수 대역에서 소음이 점차 증가하고 있다.^[6] 날개 끝 보텍스 캐비테이션의 발생이 더 강해지고 성장함에 따라 소음증가 시작주파수가 저주파 대역으로 옮겨가고 있으며 1 kHz 이상의 전 주파수 대역에서 소음이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 여기서 캐비테이션 수가 더 낮아지면 추진기 얇은 층 캐비테이션 형태의 캐비테이션으로 성장하고 날개 통과주파수소음(Blade Passage Frequency, BPFnoise)이 증가하는 것을 볼 수 있다.
DEMON 분석을 기반으로 다양한 추진기 운용조건에서 음향학적 추진기 캐비테이션 초생판정에 관하여 분석하였다. 모형시험 조건과 추진기 캐비테이션의 물리적 특성을 고려한 주파수대역을 설정하여 DEMON 분석으로 추진기 캐비테이션 초생을 판정하였으며 이 결과는 시각적 판정과 동일한 결과를 나타났다.
이 결과는 시각적 추진기 캐비테이션 초생판단 결과와 동일하며 함의 운항조건과 함께 Fig. 9에 도시하였으며 그 결과 본 모형시험에서는 V + 3.2 kn를 추진기 캐비테이션 초생선속으로 판정할 수 있었다.
즉 음향학적 분석에 의한 추진기 캐비테이션 초생결과가 시각적 판단에 의한 추진기 캐비테이션 초생선속 결과보다 더 낮은 추진기 캐비테이션 초생선속 결과를 나타내는 경우가 많은데 본 연구에서는 시각적판단과 음향분석 결과가 동일하게 나타났다. 이번 연구는 기존 추진기 캐비테이션 초생선속 모형시험과는 달리 다양한 각도에서 추진기 유동장 주변을 면밀히 관찰하여 미세하고 간헐적인 추진기 캐비테이션도 계측이 가능하였고 특히 초고속카메라와 정밀소음계측시스템을 연동시킨 새로운 시험기법을 도입하여 추진기 캐비테이션 초생을 보다 정확하게 판단할 수 있었다. 음향학적 분석에서도 추진기 캐비테이션의 물리적 특성을 고려한 해석조건을 적용하여 시각적, 음향학적 판단에 의해 동일한 추진기 캐비테이션 초생결과가 도출된 것으로 판단된다.
날개 끝 보텍스 캐비테이션이 발생, 성장해 감에 따라 1 kHz 주파수 대역에서부터 소음의 증가가 발생하였다. 캐비테이션이 성장해 감에 따라 저주파대역으로 영향을 미치고 있으며 전 주파수 대역에서 소음이 증가하는 것을 확인하였다. 추진기 캐비테이션 초생분석을 위하여 시각적기법과 음향학적 분석기법을 적용하여 모형시험에서의 추진기 캐비테이션 초생 판정법에 대하여 연구하였으며 본 연구에서는 다 채널 초고속카메라 – 정밀소음계측시스템 연동 기법을 고안하여 시각적 추진기 캐비테이션 초생판정에 활용하였다.

후속연구

스펙트럼 분석과 더불어 DEMON을 이용한 초생판정에서도 DEMON 분석주파수의 선택에 따라 상이한 추진기 캐비테이션 초생선속 결과를 나타낼 수 있다. 그러므로 하나의 기법에 의존하기 보다는 두 가지 분석기법을 복합적으로 적용하는 것이 더 정확한 캐비테이션 초생판정을 가능하게 할 것이라 사료된다.
이런 맥락에서 본 연구에서 수행한 추진기 캐비테이션 관찰 – 소음계측 연동 시험법은 실선 추진기 캐비테이션 관찰 및 캐비테이션 초생선속 판정에 활용성이 높을 것으로 판단된다. 보다 정확한 함정의 추진기 캐비테이션 초생선속 판정을 위해서는 추진기 캐비테이션 발생과 성장에 대한 체계적인 기초연구와 다양한 시험기법 연구를 통해 추진기 캐비테이션 특성에 따른 소음의 연관성에 대한 파악이 필요할 것으로 판단된다. 이를 위해서는 캐비테이션 이론에 근거한 수치 시뮬레이션 연구, 다양한 추진기 운용조건을 모사할 수 있으며 정밀한 캐비테이션 관찰과 소음시험이 가능한 대형캐비테이션터널을 이용한 모형시험 연구와 실선 추진기 캐비테이션 관찰, 소음분석 연구가 종합적으로 이루어 져야 할 것이다.
이런 맥락에서 본 연구에서 수행한 추진기 캐비테이션 관찰 – 소음계측 연동 시험법은 실선 추진기 캐비테이션 관찰 및 캐비테이션 초생선속 판정에 활용성이 높을 것으로 판단된다.
보다 정확한 함정의 추진기 캐비테이션 초생선속 판정을 위해서는 추진기 캐비테이션 발생과 성장에 대한 체계적인 기초연구와 다양한 시험기법 연구를 통해 추진기 캐비테이션 특성에 따른 소음의 연관성에 대한 파악이 필요할 것으로 판단된다. 이를 위해서는 캐비테이션 이론에 근거한 수치 시뮬레이션 연구, 다양한 추진기 운용조건을 모사할 수 있으며 정밀한 캐비테이션 관찰과 소음시험이 가능한 대형캐비테이션터널을 이용한 모형시험 연구와 실선 추진기 캐비테이션 관찰, 소음분석 연구가 종합적으로 이루어 져야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	함정의 생존성 및 작전성능을 향상시키기 위해 어떤 기술이 필요한가?	따라서 함정의 생존성 및 작전성능을 향상시키기 위해서는 함정 추진기 캐비테이션초생속도를 최대한 지연시켜야 하며 함정의 설계/건조 단계에서 추진기 캐비테이션 초생선속은 체계적으로 관리되어야 한다. 이를 위해서는 함정의 설계단계, 모형시험단계, 실선 시운전 단계에서 함의 추진기 캐비테이션 초생선속 성능을 정확히 예측,판단하는 기술이 매우 중요하며 이와 관련한 다양한 연구가 수행되어 왔다. [5]
	캐비테이션 초생선속이 수중방사소음과 연관된 주요한 함정의 특수성능인 이유는?	추진기 캐비테이션 초생 이후 수중방사소음은 급격히 증가하는 경향을 보이기 때문에 함정의 추진기 캐비테이션 초생선속(Cavitation Inception Speed, CIS)은 수중방사소음과 연관된 주요한 함정의 특수성능이라 할 수 있다. 따라서 함정의 생존성 및 작전성능을 향상시키기 위해서는 함정 추진기 캐비테이션초생속도를 최대한 지연시켜야 하며 함정의 설계/건조 단계에서 추진기 캐비테이션 초생선속은 체계적으로 관리되어야 한다.
	수중방사소음이란?	수중방사소음(Underwater Radiated Noise, URN)은 함정이 수중표적을 탐지하거나 반대로 적에게 피탐 될 수 있는 주요한 요인으로 함정의 설계/건조 시 중요한 성능지표로 관리되고 있다. 함정에서 발생되는 소음은 크게 선박 내 기계류에 의한 소음, 추진기 유동 및 캐비테이션에 의한 소음과 함정 운항 중 발생되는 유동 및 쇄파에 의한 소음으로 나눌 수 있다.

참고문헌 (7)

D. P. Ross, Mechanics of Underwater Noise (Pergamon Press, New York, 1973), pp. 202-203.
J. S. Carlton, Marine Propellers and Propulson (Butterworth-Heinemann Ltd, Oxford, 1994), pp. 227-236.
W. K. Blake, Mechanics of Flow-Induced Sound and Vibration volume I (Academic Press, London, 1986), pp. 370-393.
W. K. Blake, Mechanics of Flow-Induced Sound and Vibration volume II (Academic Press, London, 1986), pp. 460-469.
S. Y. Kim, H. C. Lee, Y. J. Choi, and J. S. Oh, "Study on the analysis of cavitation inception speed using hull vibration" (in Korean), Trans. KSNVE. 27, 602-607 (2017).
G. Kuiper, "New developments around sheet and tip vortex cavitation on ships", Proc. Fourth International Symp., on Cavitation, CAV2001:lecture.007 (2001).
G. Bark and W. B. Berlekom, "Experimental investigations of cavitation dynamics and cavitation noise," Proc. 12th Symp., on Naval Hydrodynamics, 470-493 (1978).

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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