[논문]3차원 수중익에서 공기분사에 의한 캐비테이션 및 소음특성 연구

설한신; 정홍석

doi:10.7776/ask.2021.40.1.038

3차원 수중익에서 공기분사에 의한 캐비테이션 및 소음특성 연구
Study on the cavitation and noise characteristics by air injection in three dimensional hydrofoil 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.40 no.1, 2021년, pp.38 - 45

설한신 (한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소) , 정홍석 (한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소)

초록
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본 연구는 함정 추진기에 적용되고 있는 공기분사에 의한 수중방사소음 저감기술에 대한 연구기반을 마련하고자 캐비테이션 터널에서 단순화된 모형을 이용하여 공기분사에 의한 캐비테이션과 소음의 변화에 대하여 연구하였다. 추진기 날개와 유사한 특성을 나타내는 3차원 타원형 수중익에 공기분사 위치와 분사량을 조절할 수 있는 공기분사시스템을 제작하였으며 캐비테이션 터널 시험조건을 조절하여 수중익에 다양한 형태의 캐비테이션을 모사하고 공기분사에 따른 캐비테이션과 소음특성의 변화를 실험적으로 분석하였다. 공기분사 위치 및 분사량에 따라 캐비테이션 및 소음특성이 달라짐을 확인하였다. 이는 추진기에 공기분사 기술을 적용하기 위해서는 캐비테이션의 발생위치, 거동에 따른 공기 분사위치 및 분사량의 최적화가 필요함을 의미한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, changes in cavitation pattern and noise by air injection were investigated experimentally in a cavitation tunnel. Air injection system that can control the location and the amount of air was manufactured and installed in an elliptic wing that exhibits similar characteristics to those of a propeller blade. Various types of cavitation were simulated on the hydrofoil by adjusting the test conditions in the cavitation tunnel, and the changes in cavitation pattern and noise according to air injection were experimentally analyzed. It was shown that the noise characteristics varied depending on the position and the amount of air injection. This means that in order to apply the air injection technology to the propeller, it is necessary to optimize the air injection location and the amount of injection according to the cavitation characteristics.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of the KRISO MCT.
그림 Fig. 2. (Color available online) Elliptic wing and Air emission group.
그림 Fig. 3. (Color available online) Air emission system (3ch).
표 Table 1. Test conditions and Cavitation pattern (V = 8 m/s).
그림 Fig. 4. (Color available online) Cavitation behavior according to the cavitation number.
그림 Fig. 5. (Color available online) Noise spectrum accor-ding to the cavitation number.
그림 Fig. 6. (Color available online) Cavitation behavior by air injection (non-cavitation condition, C_v = 6.6).
그림 Fig. 7. (Color available online) Noise spectrum by air injection (Non-cavitation condition, C_v =6.6) .
그림 Fig. 8. (Color available online) Cavitation behavior by air injection (T.V.C inception condition, C_v =2.9).
그림 Fig. 9. (Color available online) Noise spectrum by air injection (T.V.C inception condition, C_v =2.9) .
그림 Fig. 10. (Color available online) Cavitation behavior by air injection (sheet cavitation condition, C_v =1.7) .
그림 Fig. 11. (Color available online) Noise spectrum by air injection (sheet cavitation condition, C_v =1.7) .
그림 Fig. 12. (Color available online) Cavitation behavior by tip air injection (sheet cavitation condition, C_v = 1.7).
그림 Fig. 13. (Color available online) Noise spectrum by tip air injection (sheet cavitation condition, C_v =1.7) .
그림 Fig. 14. (Color available online) Noise spectrum by location of air injection (sheet cavitation condition, C_v =1.7) .

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 타원형 수중익에서 발생하는 다양한 형태의 캐비테이션과 이에 따른 소음특성을 분석하고 공기분사를 통한 캐비테이션 거동 변화와 소음 영향에 대하여 실험적으로 분석하였다.
일반적인 모형 추진기를 이용한 공기 분사 시스템 연구에 앞서 발생한 캐비테이션과 공기분사에 의한 특성 변화를 보다 쉽게 분석하기 위하여 삼차원 타원형 날개와 같이 단순 형상에 대한 연구를 우선 수행하였다. 타원형 날개는 모형 추진기처럼 함정의 선속 별 추진기 운용 상태를 상사법칙에 따라 모사할 수는 없지만 캐비테이션 터널의 유속과 압력을 조절하여 추진기에서 발생하는 다양한 캐비테이션의 재현이 가능하기에 캐비테이션 현상의 분석과 소음저감 기술개발의 기초연구에 많이 활용된다.

제안 방법

거칠기를 주었으며 수중익의 흡입면 앞전 위치에 공기 주입구 14개, 날개 끝단 부분에 3개의 공기 주입구를 설치하였다. 공기분사 위치는 캐비테이션 발생 특성에 따라 공기분사 위치 및 분사량을 조절 할 수 있도록 Fig.
2와 같이 세 그룹으로 제작하였다. 공기 분사 위치는 날개 끝단 부 세 개의 공기 주입구(G1)와 날개 0.7R 부근의 공기주입구 그룹(G2), G2 그룹 아래의 날개 뿌리 부위의 공기주입구 그룹(G3)로 나누어 각 공기 주입구 그룹의 공기 분사유무와 날개에서 분사되는 전체 공기 분사량을 제어할 수 있도록 제작하였다.
Table 1에 나타낸 다양한 시험조건에서 공기 분사에 따른 변화를 시험하였다. 공기분사량은 날개 크기를 고려하여 분당 2 , 5 , 10 를 주입하여 시험하였다. 논문에서는 현재 함정 추진기에 적용된 공기 분사 시스템처럼 모든 주입구에서 공기를 분사하는 경우의 특성 변화를 주로 분석하였으며 캐비테이션이 충분히 발달한 얇은 층 캐비테이션이 발생한 경우는 분사량과 분사위치에 따른 소음특성 변화를 고찰하였다.
삼차원 타원형 날개를 제작하고 공기분사를 위하여 날개의 앞전에 등 간격으로 공기분사 구멍을 만들어 압축펌프와 공기 주입구를 통하여 위치별로 공기 분사와 분사량을 제어할 수 있는 시스템을 제작하였다. 공기분사에 의한 캐비테이션 특성과 소음변화를 분석하기 위하여 초고속 카메라와 소음 계측장치를 캐비테이션 터널 관측부에 설치하여 캐비테이션의 발생 위치와 거동변화에 따른 소음특성을 계측하였다.
공기분사량은 날개 크기를 고려하여 분당 2 , 5 , 10 를 주입하여 시험하였다. 논문에서는 현재 함정 추진기에 적용된 공기 분사 시스템처럼 모든 주입구에서 공기를 분사하는 경우의 특성 변화를 주로 분석하였으며 캐비테이션이 충분히 발달한 얇은 층 캐비테이션이 발생한 경우는 분사량과 분사위치에 따른 소음특성 변화를 고찰하였다.
먼저 타원형 날개에서 공기를 분사하지 않은 상태에서의 각 캐비테이션 발생 상태에서의 소음 특성을 분석하였다. 타원형 날개의 받음각을 7°로 유지하고 터널 내부압력을 낮추어 캐비테이션 발생과 소음을 계측하였다.
본 장에서는 타원형 날개에서 발생하는 다양한 형태의 캐비테이션 상태에서 분사위치, 분사량에 따른 캐비테이션 거동 및 소음변화를 도시하고 이를 분석하였다. Table 1에 나타낸 다양한 시험조건에서 공기 분사에 따른 변화를 시험하였다.
1에 나타낸 선박해양플랜트연구소(Korea Research Institute of Ships & Ocean Engineering, KRISO) 의 관측부 크기 600 mm × 600 mm 를 가지는 중형캐비테이션터널에서 수행하였다. 삼차원 타원형 날개를 제작하고 공기분사를 위하여 날개의 앞전에 등 간격으로 공기분사 구멍을 만들어 압축펌프와 공기 주입구를 통하여 위치별로 공기 분사와 분사량을 제어할 수 있는 시스템을 제작하였다. 공기분사에 의한 캐비테이션 특성과 소음변화를 분석하기 위하여 초고속 카메라와 소음 계측장치를 캐비테이션 터널 관측부에 설치하여 캐비테이션의 발생 위치와 거동변화에 따른 소음특성을 계측하였다.
소음계측시스템은 유동에 의한 자체 잡음을 최소화하기 위하여 청음기를 물과 음향 임피던스가 유사한 물질로 관측창에 매립하는 방식으로 제작하였으며 타원형 날개에서 발생하는 다양한 캐비테이션 소음을 잘 계측할 수 있도록 관측창 중앙에 설치하였다. 수중 청음기에서 계측된 신호는 전하형 증폭기에서 증폭하고 소음취득장치를 통해 1 Hz ~ 100 kHz 까지 계측하였다.
수중 청음기에서 계측된 신호는 전하형 증폭기에서 증폭하고 소음취득장치를 통해 1 Hz ~ 100 kHz 까지 계측하였다.
대한 체계적 연구가 필요하다. 이를 위해서는 추진기 캐비테이션의 발생패턴과 공기분사에 따른 소음 특성, 캐비테이션과의 상호작용에 대한 연구가 필요하며 본 연구에서는 추진기 날개와 유사한 특성을 가지는 타원형 날개를 대상체로 하여 타원형 날개에서 발생하는 캐비테이션과 소음특성을 파악하고 공기 분사에 따른 캐비테이션과 소음의 변화를 분석하였다.
캐비테이션 터널 내부의 유속을 8 m/s로 일정하게 유지하면서 날개의 받음각과 터널 내부 압력을 조절하여 비공동 상태에서부터 앞서 언급한 여러가지 형태의 캐비테이션과 발생 강도를 모사하였다.
타원형 날개의 받음각을 7°로 유지하고 터널 내부압력을 낮추어 캐비테이션 발생과 소음을 계측하였다. _ = 6.
연계시킬 수는 없다. 하지만 다양한 형태의 캐비테이션 패턴 모사가 가능하기 때문에 캐비테이션 발생이전의 비공동 조건과 날개 끝 보텍스 캐비테이션 초생조건(Tip Vortex Cavitation, T.V.C.), 얇은 층 캐비테이션 발생 시험조건에 대하여 연구를 수행하였다.
함정의 고속운항 조건과 같이 얇은 층 캐비테이션이 발생한 상태에서는 날개 끝 단 부의 공기분사 위치에서만 분사량을 달리하여 소음특성 변화를 추가적으로 고찰하였다.

대상 데이터

삼차원 타원형 날개의 공기분사에 따른 캐비테이션 및 소음특성 실험은 Fig. 1에 나타낸 선박해양플랜트연구소(Korea Research Institute of Ships & Ocean Engineering, KRISO) 의 관측부 크기 600 mm × 600 mm 를 가지는 중형캐비테이션터널에서 수행하였다. 삼차원 타원형 날개를 제작하고 공기분사를 위하여 날개의 앞전에 등 간격으로 공기분사 구멍을 만들어 압축펌프와 공기 주입구를 통하여 위치별로 공기 분사와 분사량을 제어할 수 있는 시스템을 제작하였다.
실험에 사용한 타원형 날개는 NACA0012 단면 형상을 가지며 코드 및 스팬길이는 300 mm이다. 캐비테이션 발생 거동을 실제 추진기와 유사하게 안정적으로 발생시키기 위하여 날개 앞전에 모래를 이용하여

성능/효과

4와 5의 캐비테이션 발생형태에 따른 소음 특성을 결과에서 보듯이 비공동 상태(_ = 6.6)에서 날개 끝 보텍스 캐비테이션이 발생(_ = 2.9)하기 시작하면 일반적으로 알려진 것처럼 1 kHz 주파수 대역에서부터 소음이 10 dB ~ 20 dB 상승되는 현상을 확인할 수 있다. 여기서 캐비테이션 수가 더 낮아져 강한날개 끝 보텍스 캐비테이션과 얇은 층 캐비테이션이 발생(_ = 1.
수 있다. 날개 끝 단부(G1)위치에서만 2 min 의 공기를 주입한 경우와 날개 전체 공기 주입구 (G1, G2, G3)에서 총 2 min의 공기를 분사한 경우 소음저감 특성이 Fig. 14에서와 같이 다르게 나타났으며 이는 추진기에서 캐비테이션의 발생위치와 발생량에 따라 소음을 저감하기 위한 최적의 분사 위치와 분사량이 있음을 의미한다.
비공동상태와 날개 끝 보텍스 캐비테이션 초생조건에서 날개 앞전에서 공기를 분사하였을 경우 분사된 공기가 날개 끝의 보텍스 코어, 즉 저압 유 동장으로 흘러들어가 공동화 되는 현상을 보여 광대역 소음을 10 dB ~ 15 dB 상승시키는 결과로 나타났다. 이는 버블 거동 모델을 이용한 캐비테이션 초생연구에서도 알 수 있듯이 분사된 공기는 캐비테이션을 더 쉽게 발생할 수 있게 하는 캐비테이션 핵 역할을 하기 때문이다.
11에 나타낸 것처럼 1 kHz 대역의 소음이 최대 20 dB 정도 작아지는 것을 확인할 수 있다. 얇은 층 캐비테이션 발생 시 앞전에서공기를 주입하면 얇은 층 캐비테이션의 성장-붕괴 과정에서 분사된 공기로 인해 얇은 층 캐비테이션의 붕괴 과정 중 발생되는 특정 주파수 대역의 소음이 저감됨을 확인하였다. 얇은 층 캐비테이션은 날개 앞전에서 날개 표면을 따라 얇은 종이처럼 캐비테이션이 시위 방향으로 성장하는 형태로 생성되는데 재 유입 제트 유동에 의해서 캐비테이션의 시위방향 끝 날개 표면에서부터 박리되어 주기적으로 큰 캐비테이션의 붕괴가 나타난다.
얇은 층 캐비테이션이 발생한 상태에서 공기 분사는 얇은 층 캐비테이션의 발생 체적을 증가시키지만 소음 측면에서는 1 kHz 대역의 소음을 20 dB 가량 저감하는 성능을 보여주었다. 이는 공기분사로 인하여 캐비테이션의 성장-붕괴 과정에 영향을 주어 수중 방사 소음이 저감되는 전형적인 함정 추진기 공기 분사 시스템의 특성을 보여주고 있다.
위와 같이 본 연구에서 추진기 공기분사시스템의소음저감 성능을 효과적으로 활용하기 위해서는 추진기에서 발생하는 캐비테이션의 발생위치, 발생량, 거동특성 등에 따라 공기분사 위치와 분사량을 최적화하여 활용해야 하는 것을 확인하였다.
3)하게 되면 전 주파수 대역에서 소음이 급격히 증가하는 현상이 나타난다. 캐비테이션 수가더 낮아지는 _ = 1.0인 조건에서는 안정적인 얇은 층 캐비테이션과 날개 끝 보텍스 캐비테이션이 안정적인 거동을 보이며 캐비테이션 발생양은 증가하였음에도 100 Hz 이하의 저주파 대역에서는 오히려 소음도가 낮아지는 특성을 보였다. 하지만 100 Hz 에서 700 Hz 사이의 주파수 대역은 성장한 얇은 층 캐비테이션의 체적변화로 인해 소음이 증가하였으며 강해진 날개 끝 보텍스 캐비테이션과 얇은 층 캐비테이션의 끝단에서 떨어져 붕괴되는 캐비테이션 버블에 의하여 고주파 광대역 소음은 증가하는 현상이 나타났다.
0인 조건에서는 안정적인 얇은 층 캐비테이션과 날개 끝 보텍스 캐비테이션이 안정적인 거동을 보이며 캐비테이션 발생양은 증가하였음에도 100 Hz 이하의 저주파 대역에서는 오히려 소음도가 낮아지는 특성을 보였다. 하지만 100 Hz 에서 700 Hz 사이의 주파수 대역은 성장한 얇은 층 캐비테이션의 체적변화로 인해 소음이 증가하였으며 강해진 날개 끝 보텍스 캐비테이션과 얇은 층 캐비테이션의 끝단에서 떨어져 붕괴되는 캐비테이션 버블에 의하여 고주파 광대역 소음은 증가하는 현상이 나타났다. 즉 캐비테이션 발생량이 증가한다고 하여 모든 주파수 대역의 소음이 증가하는 것은 아니며 캐비테이션의 거동변화에 따라 소음특성이 달라 질 수 있는 것이다.

후속연구

함의 성공적인 작전수행과 생존성을 위해서는 우수한 탐지체계의 개발과 더불어 자함의 수중 방사 소음을 최소화 하는 기술이 바탕이 되어야 하며 함정 수중 방사 소음 성능향상을 위한 실효성이 기 입증된 추진기 공기주입 분사 시스템을 이용한 수중방사소음 저감기술에 대한 체계적 연구가 필요하다. 이를 위해서는 추진기 캐비테이션의 발생패턴과 공기분사에 따른 소음 특성, 캐비테이션과의 상호작용에 대한 연구가 필요하며 본 연구에서는 추진기 날개와 유사한 특성을 가지는 타원형 날개를 대상체로 하여 타원형 날개에서 발생하는 캐비테이션과 소음특성을 파악하고 공기 분사에 따른 캐비테이션과 소음의 변화를 분석하였다.
향후 본 연구를 기반으로 대형 캐비테이션 터널을 이용하여 실제 함정 추진기를 모사한 모형 추진기에서의 연구와 실제 함정 추진기를 활용한 체계적 연구가 진행 된다면 궁극적으로 함정 추진기 수중 방사 소음을 저감할 수 있는 효과적인 제어기법과 운용기법이 도출 될 수 있을 것이라 판단된다.

참고문헌 (8)

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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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