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Reynolds-averaged Navier-Stokes 해석과 기포동역학 모델을 이용한 날개 끝 와류 공동 소음의 수치적 고찰
Numerical investigation of blade tip vortex cavitation noise using Reynolds-averaged Navier-Stokes simulation and bubble dynamics model 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.39 no.2, 2020년, pp.77 - 86  

구가람 (부산대학교 기계공학부) ,  정철웅 (부산대학교 기계공학부) ,  설한신 (한국해양과학기술원 선박해양플랜트연구소)

초록
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본 연구에서는 날개 끝 와류 공동(Blade-Tip Vortex Cavitation, BTVC)과 이에 기인한 유동 소음을 예측하기 위하여 Eulerian/Lagrangian 연성 해석기법을 제안하였다. 제안한 방법은 크게 연속적인 4단계로 구성되며, 각각 전산유체역학을 이용한 유동장 모사, 와류모델을 이용한 날개 끝 와류의 재구성, 기포 동역학 모델을 이용한 BTVC의 생성, 그리고 음향상사법을 이용한 음향파 예측이다. 일반적으로 전산유체역학 자체가 지니는 고유한 수치감쇠와 과도한 난류 강도로 인해 와류 강도를 심각하게 작게 예측하므로, 유동방향의 날개 끝 와류는 와류모델을 사용하여 재생하였다. 다음으로 Reyleigh-Plesset 방정식에 기반한 기포 동역학 모델을 사용하여 BTVC의 발생과 변화를 모사하였다. 마지막으로 BTVC에 의한 유동소음을 각각의 구형 버블을 그 부피 시간변화율의 변화율에 크기가 비례하는 홀극원으로 모델링하여 예측하였다. 제안한 수치 방법의 유효성을 예측값과 측정값을 비교하여 검토하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, the Eulerian/Lagrangian one-way coupling method is proposed to predict flow noise due to Blade-Tip Vortex Cavitation (BTVC). The proposed method consists of four sequential steps: flow field simulation using Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques, reconstruction of wing-tip vor...

주제어

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AI 본문요약
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문제 정의

  • RANS 해석은 와류 구조 내에 조밀한 격자를 유지하지 못할 경우 수치적 감쇄로 인해 와류 강도가 소 산되는 문제가 있다. 그러나 조밀한 격자를 채택할 경우 해석 비용이 지나치게 크므로, 본 연구에서는 와류 모델링을 통해 와류 강도를 유지하고자 하였 다. 이를 위한 선행 조건으로 와류 모델링의 중심축이 되는 와류핵을 특정해야만 한다.
  • 따라서 본 연구에서는 앞서 언급한 Eulerian 접근법과 Lagrangian 접근법을 연성하여 NACA16-020 익형의 날개에서 발생하는 BTVC와 이로 인한 공동 소음을 예측하기 위한 연구를 수행하였다. RANS 해석을 기반으로 와류 모델링을 수행하였으며, 와류가 재생된 유동장에 공동핵을 분포시켰다.
  • 본 연구에서는 추진기에서 가장 먼저 발생하는 공동 현상인 BTVC를 대상으로 그 현상을 모사하고 이에 따른 유동소음을 예측하기 위하여 Eulerian 접근법과 Lagrangian 접근법 연성 해석 방법론을 정립하였으며, NACA16-020 익형의 날개를 대상으로 해당 방법을 적용하였다. 먼저 3차원 정상상태 비압축성 RANS 단상 해석을 수행하였으며, RANS 해석의 수치적 감쇄에 의한 한계를 해결하기 위하여 와류핵을 정의하고 와류 모델링을 수행하였다.

가설 설정

  • 공동분포는 수중에 균질하게 분포하고 있다고 가정하였으며, O’ Hern et al.
  • 본 연구에서는 공동의 형태를 완전한 구형으로 가정하고 있으므로, 공동 기포에 의한 소음은 홀극 소음원으로 가정할 수 있으며, 이러한 가정으로부터 공동 기포에 의한 소음을 Eq. (7)과 같이 예측할 수 있다.
  • 와류 모델은 와류핵 내부는 강체 회전, 외부는 퍼텐셜 와류로 가정하며, 본 연구에서는 Eq. (3)과 같이 Scully vortex model을 활용하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
유동 소음은 무엇인가? 선박에서 발생하는 소음은 크게 엔진, 감속기어, 펌프류의 기계류 소음과 추진기 및 선체에서 발생하는 유동소음으로 구분할 수 있다. 유동 소음은 비공동 소음과 공동소음으로 구분하며, 비공동 상태에서는 추진기 소음은 날개 회전율 주기로 나타나는 Blade Passing Frequency(BPF) 성분과 난류에 의한 광대역 소음으로 나타날 수 있다.[3] 추진기 공동소음은 광대역에 급격한 소음증가를 유발하며, 회전축이나 날개 회전율에 변조되어 추진기 관련 정보를 원거리 전송하는 현상이 발생한다.
선박에서 발생하는 소음 중 추진기 관련 정보를 원거리 전송하는 현상이 발생하는 소음은 무엇인가? 유동 소음은 비공동 소음과 공동소음으로 구분하며, 비공동 상태에서는 추진기 소음은 날개 회전율 주기로 나타나는 Blade Passing Frequency(BPF) 성분과 난류에 의한 광대역 소음으로 나타날 수 있다.[3] 추진기 공동소음은 광대역에 급격한 소음증가를 유발하며, 회전축이나 날개 회전율에 변조되어 추진기 관련 정보를 원거리 전송하는 현상이 발생한다. 이로 인하여 정숙성이 요구되는 선박에서는 추진기 공동소음에 대한 이해와 감소기술 연구가 중요시 되고 있다.
추진기의 공동현상을 예측할 수 있는 방법은 무엇인가? 추진기의 공동현상 예측은 유동장, 와류특성 및 공동핵 등을 고려한 수치해석에 기초한 추정방법과 추진기 모형시험을 통한 음향학적, 시각적 판단 방법이 있다. 수치해석은 정확한 유동장 모사, 날개 끝 와류의 재구성과 기포동역학 모델을 바탕으로 Blade-Tip Vortex Cavitation(BTVC)[5,6]를 추정하여 공동 초생 속도(Cavitation inception speed, CIS)를 예측하는 방법이다.
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참고문헌 (24)

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