선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구에서는 잠수함 함교의 일부가 자유수면 위로 노출되어 난류유동소음과 쇄파버블소음이 동시에 발생하는 상황에 대한 유동소음해석기법을 개발하고 검증하였다. 먼저 잠수함 형상 주위 유동장 해석을 위해 VOF(Volume of Fluid)법 기반의 비압축성 다상유동해석을 수행하여 자유수면의 형상 및 주위 유동장 정보를 추출하였다.
- 본 연구에서는 잠수함 형상 주위에 발생하는 유동소음 수준을 예측하기 위한 유동소음 해석기법을 개발하였다. 해석조건으로는 잠수함이 자유수면 근처를 운항하여 난류유동 소음과 쇄파버블에 의한 소음이 동시에 발생하는 상황을 고려하였다.
제안 방법
- 먼저 잠수함과 같이 복잡한 형상의 유동해석을 위해, 비정렬 유동해석격자를 생성하였고 VOF법 기반의 비압축성 이상유동해석 솔버를 이용해 주위 난류유동장 및 자유수면 형상을 해석하였다. 도출된 유동해석 결과에 병렬적으로 두 가지 소음해석 기법을 적용하여 난류유동소음과 쇄파버블소음 해석을 수행하였다.
- 9로 유지하였다. 또한 자유수면 근처에 충분히 세밀한 격자를 작성하여, 구조물에 의해 발생하는 복잡한 형태의 자유수면을 재현할 수 있도록 하였다. 유동해석 도메인의 전체 크기는 길이 30.
- 본 연구에서는 잠수함 함교의 일부가 자유수면 위로 노출되어 난류유동소음과 쇄파버블소음이 동시에 발생하는 상황에 대한 유동소음해석기법을 개발하고 검증하였다. 먼저 잠수함 형상 주위 유동장 해석을 위해 VOF(Volume of Fluid)법 기반의 비압축성 다상유동해석을 수행하여 자유수면의 형상 및 주위 유동장 정보를 추출하였다. 이후 도출된 유동장 정보를 기반으로 Permeable FW-H 기법을 적용하여 난류 유동소음수준을 도출하였다.
- 해석조건으로는 잠수함이 자유수면 근처를 운항하여 난류유동 소음과 쇄파버블에 의한 소음이 동시에 발생하는 상황을 고려하였다. 먼저 잠수함과 같이 복잡한 형상의 유동해석을 위해, 비정렬 유동해석격자를 생성하였고 VOF법 기반의 비압축성 이상유동해석 솔버를 이용해 주위 난류유동장 및 자유수면 형상을 해석하였다. 도출된 유동해석 결과에 병렬적으로 두 가지 소음해석 기법을 적용하여 난류유동소음과 쇄파버블소음 해석을 수행하였다.
- , 2014; 2016). 쇄파버블소음의 경우, 다상유동해석 결과로부터 확인가능한 잠수함 주위의 자유수면 형상과 난류운동에너지 분포결과를 쇄파버블모델에 적용하여 쇄파버블 소음수준을 도출하였다. 개발된 소음해석기법으로 도출된 잠수함의 난류유동소음 해석결과는 선박해양플랜트연구소(KRISO)의 대형캐비테이션터널(LCT)에서 수행된 동일한 조건의 실험결과와 비교 검증을 수행하여, 기법의 타당성을 입증하였다.
- 난류유동 소음해석에는 투과성 적분면 설정을 통해 난류 유동소음원의 효과를 고려할 수 있는 Permeable FW-H 기법을 적용하였으며, 투과성 적분면은 잠수함의 형태를 고려해 실린더형상의 투과성 적분면을 설정하였다. 쇄파버블소음의경우, 유동해석 결과의 난류운동에너지 분포 결과로부터 쇄파버블 분포형태 및 버블밀도분포함수를 도출하여, 쇄파버블 형상 전체에 걸쳐 부피적분 형태를 취해줌으로써 쇄파버블 소음해석값을 도출하였다. 마지막으로 유동소음 해석값은 난류유동소음값과 쇄파버블 소음값을 합산하여 도출하였고, 동일한 조건의 대형캐비테이션 터널에서 수행된 실험 결과와 소음수준 및 주파수 경향이 일치하는 것을 확인할 수 있었다.
- 2와 같다. 약 800만개의 격자로 구성하였으며, 격자 밀도는 총 5단계로 구분하여 잠수함 모델 근방에 가장 세밀한 격자를 분포시켰다. Wall-function의적용을 위해 잠수함 표면의 평균 y+를 81.
- 잠수함 형상은 실린더, 구와 같은 단순한 형상과 달리 함교, 수직· 수평타와 같은 복잡한 형태로 구성되기 때문에 자동격자생성 프로그램을 통해 비정렬격자를 생성하였다. 유동해석격자 생성에는 OpenFOAM(https://www.openfoam.com/)에서 제공하는 오픈소스 자동격자생성 프로그램인 SnappyHexMesh를 사용하였으며, 이는 구조물 형상정보를 stl 형식으로 입력받아 정해진 파라미터에 맞게 구조물 주위의 유동격자를 점차 세밀하게 나누고, 생성된 조밀한 격자의 형상을 조정 및 이동하여 해석구조물의 표면과 일치시키는 과정을 수행한다.
- 이후 쇄파에 의해 발생하는 다량의 버블집합체에 의한 소음을 아래와 같이 수치해석적 모델로 구현하고 실험결과와 비교 검증함으로써 모델의 타당성을 검증하였다. 먼저 단일버블에 의해 발생하는 소음신호를 식(12)과 같이 지수적으로 감쇠하는 협대역 신호로 가정하고, 이를 파워스펙트럼밀도를 표현하면 식(13)와 같이 나타난다.
- 8 m로 실험결과와의 비교검증을 위해 대형 캐비테이션 터널의 제원을 반영하였다. 잠수함 표면은 벽면부착 경계조건(no-slip condition)을 적용하고, 터널의 벽면은 미끄럼 경계조건(slip condition)으로 설정하였다.
- 잠수함 형상은 실린더, 구와 같은 단순한 형상과 달리 함교, 수직· 수평타와 같은 복잡한 형태로 구성되기 때문에 자동격자생성 프로그램을 통해 비정렬격자를 생성하였다.
- 실험에 활용된 잠수함 형상의 길이는 약 6 m 크기로 임의형상의 연구용 잠수함 모형이다. 캐비테이션터널 내부는 청수(fresh water)로 채웠으며, 자유수면 근처 운항조건을 모사하기 위해, 잠수함 함교의 중간 높이에 자유수면이 위치하도록 시험유체량을 조절하였다. 또한 추진기에는 자체추력을 가하지 않은 무부하 조건을 적용하고, 캐비테이션이 발생하지 않는 유속인 1.
- 본 연구에서는 잠수함 형상 주위에 발생하는 유동소음 수준을 예측하기 위한 유동소음 해석기법을 개발하였다. 해석조건으로는 잠수함이 자유수면 근처를 운항하여 난류유동 소음과 쇄파버블에 의한 소음이 동시에 발생하는 상황을 고려하였다. 먼저 잠수함과 같이 복잡한 형상의 유동해석을 위해, 비정렬 유동해석격자를 생성하였고 VOF법 기반의 비압축성 이상유동해석 솔버를 이용해 주위 난류유동장 및 자유수면 형상을 해석하였다.
대상 데이터
- 소음신호를 계측하는 수중음향센서(B&K 8103)는 잠수함 추진기로부터 1.1 m 연직 아래 음향관측부 내부에 위치하고 있으며, 계측된 소음데이터는 B&K analyzer software를 통해 후처리되었다.
- 7에 나타낸 선박해양플랜트연구소(KRISO)의 대형캐비테이션터널(LCT)에서 진행되었다. 실험설비의 규모는 전체 길이 60 m, 높이 22.5 m이며, 터널시험부의 크기는 길이 12.5 m, 폭 2.8 m, 높이 1.8 m이다. 잠수함 모델은 Fig.
- 실험에 활용된 잠수함 형상의 길이는 약 6 m 크기로 임의형상의 연구용 잠수함 모형이다. 캐비테이션터널 내부는 청수(fresh water)로 채웠으며, 자유수면 근처 운항조건을 모사하기 위해, 잠수함 함교의 중간 높이에 자유수면이 위치하도록 시험유체량을 조절하였다.
- 또한 자유수면 근처에 충분히 세밀한 격자를 작성하여, 구조물에 의해 발생하는 복잡한 형태의 자유수면을 재현할 수 있도록 하였다. 유동해석 도메인의 전체 크기는 길이 30.4 m,폭 2.8 m, 높이 1.8 m로 실험결과와의 비교검증을 위해 대형 캐비테이션 터널의 제원을 반영하였다. 잠수함 표면은 벽면부착 경계조건(no-slip condition)을 적용하고, 터널의 벽면은 미끄럼 경계조건(slip condition)으로 설정하였다.
- 잠수함 형상의 유동소음 계측 실험은 Fig. 7에 나타낸 선박해양플랜트연구소(KRISO)의 대형캐비테이션터널(LCT)에서 진행되었다. 실험설비의 규모는 전체 길이 60 m, 높이 22.
- 해석조건에는 실험과 동일하게 내부를 청수로 채우고, 유속은 1.94 kn (Re = 5.85 × 105)로 설정하였으며, 초기 유입 유동의 난류운동에너지는 0.00015 m2/s2로 설정하였다.
이론/모형
- 난류유동 소음해석에는 투과성 적분면 설정을 통해 난류 유동소음원의 효과를 고려할 수 있는 Permeable FW-H 기법을 적용하였으며, 투과성 적분면은 잠수함의 형태를 고려해 실린더형상의 투과성 적분면을 설정하였다. 쇄파버블소음의경우, 유동해석 결과의 난류운동에너지 분포 결과로부터 쇄파버블 분포형태 및 버블밀도분포함수를 도출하여, 쇄파버블 형상 전체에 걸쳐 부피적분 형태를 취해줌으로써 쇄파버블 소음해석값을 도출하였다.
- 본 연구에서는 난류유동소음해석을 위해 Permeable FW-H 기법을 적용하였다. Fig.
- 설정한 해석조건의 경우 잠수함 함교중간에 자유수면이 위치하기 때문에, 다상유동현상에 해당한다. 이를 위해 VOF법을 기반으로하는 비압축성 이상유동해석 난류유동솔버를적용하였다. 일반적으로 낮은 마하수 현상에 대해서, 음향상 사법을 적용해 소음값을 도출시에는, 계산효율의 향상을 위해 비압축성 유동해석 결과를 활용할 수 있다고 알려져 있다(Wang et al.
- 먼저 잠수함 형상 주위 유동장 해석을 위해 VOF(Volume of Fluid)법 기반의 비압축성 다상유동해석을 수행하여 자유수면의 형상 및 주위 유동장 정보를 추출하였다. 이후 도출된 유동장 정보를 기반으로 Permeable FW-H 기법을 적용하여 난류 유동소음수준을 도출하였다. 일반적으로 난류유동소음해석에는 음향상사법 기반의 FW-H 기법이 활용되지만, 본 연구에서는 기존의 기법에서 고려할 수 없던 난류소음원의 영향까지 해석 가능한 Permeable FW-H 기법을 적용하였다(Choi et al.
- 이후 도출된 유동장 정보를 기반으로 Permeable FW-H 기법을 적용하여 난류 유동소음수준을 도출하였다. 일반적으로 난류유동소음해석에는 음향상사법 기반의 FW-H 기법이 활용되지만, 본 연구에서는 기존의 기법에서 고려할 수 없던 난류소음원의 영향까지 해석 가능한 Permeable FW-H 기법을 적용하였다(Choi et al., 2014; 2016). 쇄파버블소음의 경우, 다상유동해석 결과로부터 확인가능한 잠수함 주위의 자유수면 형상과 난류운동에너지 분포결과를 쇄파버블모델에 적용하여 쇄파버블 소음수준을 도출하였다.
성능/효과
- 쇄파버블소음의 경우, 다상유동해석 결과로부터 확인가능한 잠수함 주위의 자유수면 형상과 난류운동에너지 분포결과를 쇄파버블모델에 적용하여 쇄파버블 소음수준을 도출하였다. 개발된 소음해석기법으로 도출된 잠수함의 난류유동소음 해석결과는 선박해양플랜트연구소(KRISO)의 대형캐비테이션터널(LCT)에서 수행된 동일한 조건의 실험결과와 비교 검증을 수행하여, 기법의 타당성을 입증하였다.
- 실험에서 자유수면(공기-물 경계선)은 검정색 점선으로 표현하였고, 해석결과에서는 파란색, 빨간색이 각각 물, 공기를 의미하여 자유수면을 확인할 수 있다. 두 결과를 비교해보면 자유수면 형태가 정확하게 일치하는 것을 확인할 수 있다. Fig.
- 또한 실험값과 난류유동소음만을 비교했을 경우 저주파수 대역에서 높은 정확도로 해석값이 실험값과 일치하지만, 4000 Hz 이상의 고주파수에서 오차가 커지는 경향을 보인다. 반면 쇄파버블소음까지 합산된 유동소음 해석결과와 실험값은 고주파수에서 상대적으로 작은 오차를 보여준다.
- 쇄파버블소음의경우, 유동해석 결과의 난류운동에너지 분포 결과로부터 쇄파버블 분포형태 및 버블밀도분포함수를 도출하여, 쇄파버블 형상 전체에 걸쳐 부피적분 형태를 취해줌으로써 쇄파버블 소음해석값을 도출하였다. 마지막으로 유동소음 해석값은 난류유동소음값과 쇄파버블 소음값을 합산하여 도출하였고, 동일한 조건의 대형캐비테이션 터널에서 수행된 실험 결과와 소음수준 및 주파수 경향이 일치하는 것을 확인할 수 있었다.
- 먼저 실험결과를 살펴보면 뚜렷한 톤 소음(tone noise)이나타나지 않고, 광대역 소음(broad band noise) 특성을 가지는 것을 확인할 수 있다. 일반적으로 톤 소음의 경우 실린더나 구와 같이 구조물의 후류에서 주기적인 와류가 발생할 경우 또는, 추진기와 같이 주기적으로 반복운동을 하는 구조물에서 나타나는 소음특성이다.
- 소음계측 실험결과에서 확인할 수 있듯이 잠수함에서 발생하는 유동소음은 광대역 소음의 특성을 가진다. 이는 유동소음 해석결과에서도 동일한 특성을 나타내는 것을 확인 가능하다.
- 실험계측결과와 유동소음 해석결과를 비교시 전체적으로 소음값의 준위와 주파수 특성이 매우 잘 일치하는 것을 확인할 수 있다. 다만 실험값에서 5000 Hz 부근에 높은 협대역 소음성분이 계측되는데 이는 잠수함 없이 측정된 소음결과에도 동일하게 발생하며, 터널의 배경소음으로 볼 수 있다.
- 10은 함교의 전면부에 나타나는 봉우리와 같은 자유수면 형태를 표현하고 있다. 실험과 해석결과에서 모두 동일한 위치/높이로 생성되는 것을 확인할 수 있다.
- 9은 함교 측면에 나타나는 자유수면 형상에 대하여 실험결과와 자유수면 유동해석 결과를 비교한 결과이다. 실험에서 자유수면(공기-물 경계선)은 검정색 점선으로 표현하였고, 해석결과에서는 파란색, 빨간색이 각각 물, 공기를 의미하여 자유수면을 확인할 수 있다. 두 결과를 비교해보면 자유수면 형태가 정확하게 일치하는 것을 확인할 수 있다.
- (A)는 잠수함의 중앙 단면에서의 속도분포를 나타낸다. 잠수함의 표면을 따라 얇게 경계층이 분포하고, 자유수면 근처의 함교 전면부에서 상당한 가속이 발생하는 것을 확인할 수 있다. (B)는 동압력분포를 나타내고 대체적으로 속도분포의 반대경향을 보인다.
- 특히 난류유동소음 결과를 쇄파버블소음까지 합산된 유동소음결과와 비교해보면 고주파수 대역에서 실험값과의 오차가 감소하는데, 이는 잠수함에서 발생하는 유동 소음에 있어 고주파수 대역의 소음에는 난류유동소음뿐만아니라 쇄파버블 소음까지 반드시 고려해주어야 한다는 것을 의미한다. 최종적으로 동일한 조건의 실험과 해석결과의 비교 검증을 통해 개발된 잠수함 유동소음 해석기법의 효용성을 확인할 수 있었다.
- 파란색 실선은 실험에서 계측된 결과로써 잠수함으로부터 발생되는 쇄파버블과 난류유동소음이 모두 포함되어 있다. 해석결과의 경우 초록색 실선이 쇄파로부터 발생하는 쇄파버블소음값, 노란색 실선이 난류유동소음, 빨간색 실선이 두 소음을 합산한 유동소음을 의미한다.
후속연구
- 향후에는 본 연구에서 고려된 유동소음원 이외에 잠수함의 주요 수중방사소음원에 해당하는 추진기소음 해석기법에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다. 추진기에서 발생하는 공동광대역 소음 및 비공동광대역 소음해석 기법이 확보될 경우 잠수함의 종합적인 수중방사소음해석이 가능하여, 차세대 잠수함의 선형개발과 수중방사소음 수준 예측 등에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 예상된다.
- 향후에는 본 연구에서 고려된 유동소음원 이외에 잠수함의 주요 수중방사소음원에 해당하는 추진기소음 해석기법에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다. 추진기에서 발생하는 공동광대역 소음 및 비공동광대역 소음해석 기법이 확보될 경우 잠수함의 종합적인 수중방사소음해석이 가능하여, 차세대 잠수함의 선형개발과 수중방사소음 수준 예측 등에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 예상된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.