[논문]압축성과 비압축성 유동해석에 따른 수중 추진기 날개 끝 와류공동과 공동소음에 대한 수치비교 연구

하준범; 구가람; 조정훈; 정철웅; 설한신

doi:10.7776/ask.2021.40.4.261

압축성과 비압축성 유동해석에 따른 수중 추진기 날개 끝 와류공동과 공동소음에 대한 수치비교 연구
Numerical comparative investigation on blade tip vortex cavitation and cavitation noise of underwater propeller with compressible and incompressible flow solvers 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.40 no.4, 2021년, pp.261 - 269

하준범 (부산대학교 기계공학부) , 구가람 (부산대학교 기계공학부) , 조정훈 (부산대학교 기계공학부) , 정철웅 (부산대학교 기계공학부) , 설한신 (한국해양과학기술원부설 선박해양플랜트연구소)

초록
AI-Helper

공동 유동과 이로 인한 소음에 관한 대부분의 기존 연구들은 효율성이라는 장점 때문에 비압축성 가정의 검증 없이 비압축성 Reynolds averaged Navier-Stokes 방정식에 기반한 수치 해석 방법을 사용하고 있다. 하지만 지금까지 비압축성 가정이 공동 유동과 소음의 예측에 미치는 영향에 대한 연구가 전무한 실정이다. 본 연구에서는 날개 끝 와류공동 유동과 소음에 대한 유체의 압축성 영향을 고찰하기 위하여 날개 끝 와류 공동을 대상으로 비압축성 기반의 해석과 압축성 기반의 해석을 모두 수행하고, Ffowcs Williams and Hawkings(FW-H) 음향상사법을 적용하여 공동 소음을 예측하고 비교하였다. 상류 방향의 유동 영향을 고려하기 위하여, 스큐각이 17°인 수중 추진기를 장착한 DARPA Suboff 잠수함 몸체를 고려하였다. 해석 영역은 실험결과와의 비교를 위하여 선박해양플랜트연구소에서 보유하고 있는 대형 캐비테이션 터널의 시험부와 동일하게 설정하였다. 날개 끝 와류 공동을 정확하게 예측하기 위하여 고정확도의 비정상 상태 지연박리와류모사 해석방법을 적응형 격자 기법과 연계하여 사용하였다. 압축성 유동 해석기법을 이용하여 예측한 음향 스펙트럼이 실험결과와 더 일치하는 결과를 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Without any validation of the incompressible assumption, most of previous studies on cavitation flow and its noise have utilized numerical methods based on the incompressible Reynolds Average Navier-Stokes (RANS) equations because of advantage of its efficiency. In this study, to investigate the effects of the flow compressibility on the Tip Vortex Cavitation (TVC) flow and noise, both the incompressible and compressible simulations are performed to simulate the TVC flow, and the Ffowcs Williams and Hawkings (FW-H) integral equation is utilized to predict the TVC noise. The DARPA Suboff submarine body with an underwater propeller of a skew angle of 17 degree is targeted to account for the effects of upstream disturbance. The computation domain is set to be same as the test-section of the large cavitation tunnel in Korea Research Institute of Ships and Ocean Engineering to compare the prediction results with the measured ones. To predict the TVC accurately, the Delayed Detached Eddy Simulation (DDES) technique is used in combination with the adaptive grid techniques. The acoustic spectrum obtained using the compressible flow solver shows closer agreement with the measured one.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. (Color available online) Entire computational domain and geometries of target submarine and propeller.
그림 Fig. 2. (Color available online) Computational grids around Suboff submarine body and propeller in LCT.
표 Table 1. Dimensions of LCT, Suboff and propeller.
표 Table 2. y⁺ and prism layers on LCT wall, Suboff body and propeller surface.
그림 Fig. 3. (Color available online) Observer point location for cavitation noise.
그림 Fig. 4. (Color available online) Comparison of time histories and directivity of acoustic pressure between numerical results and analytic solution for monopole noise source.
그림 Fig. 5. (Color available online) Comparison of time histories and directivity of acoustic pressure between numerical results and analytic solution for dipole noise source.
그림 Fig. 6. (Color available online) Comparison of iso-surface of tip vortex cavitation predicted using (a) incompressible and (b) compressible solvers.
그림 Fig. 7. Comparison of tip vortex structure predicted using (a) incompressible and (b) compressible solvers.
표 Table 3. Comparison of propeller thrust coefficients.
그림 Fig. 8. (Color available online) Permeable integral surface for FW-H equation.
그림 Fig. 9. (Color available online) Comparison of predicted power spectral density of sound pressure level with measured one.
표 Table. 4. Comparison of OASPLs between numerical and experimental results.

참고문헌 (27)

J. Bae, J. Park, and J. Yoon, "Characteristics of impulsive noise of waterfront construction site and its effects on fishes" (in Korean), Trans. Korean Soc. Noise Vib. Eng. 19, 928-934 (2009).

원문보기 상세보기
H. Sohn, D. An, and H. Kim, "A study on the legal frame to manage anthropogenic underwater noise for marine mammal protection in Korean waters" (in Korean), Ocean Pol. R. 30, 163-186 (2015).
Y. Lim, K. Jo, and J. Yeun, "A study on the improvement of cavitation inception speed for controllable pitch propeller in the actual warship" (in Korean), J. Korean Soc. Marine Eng. 38, 1170-1174 (2014).
S. Park, S. Lee, G. You, and J. Suh, "Vortex cavitation inception delay by attaching a twisted thread" (in Korean), J. Soc. Nav. Arch. Korea, 51, 259-264 (2014).

원문보기 상세보기
J. Ahn, G. Kim, K. Kim, Y. Park, H. Ahn, Y. Jung, and J. Yoon, "Performance improvement study of propeller propulsion efficiency and cavitation for the 8800TEU class container" (in Korean), J. Soc. Nav. Arch. Korea, 54, 453-460 (2017).

원문보기 상세보기
H. Seol, C. Park, and K. Kim, "Numerical prediction of marine propeller bpf noise using FW-H equation and its experimental validation" (in Korean), Trans. Korean Soc. Noise Vib. Eng. 26, 705-713 (2016).

원문보기 상세보기
H. Seol, "Time domain method for the prediction of pressure fluctuation induced by propeller sheet cavitation: Numerical simulations and experimental validation," Ocean Eng. 72, 287-296 (2013).

상세보기
I. Park, J. Kim, K. Kim, J. Ahn, Y. Park, and M. kim, "Numerical analysis of the wake of a surface ship model mounted in KRISO large cavitation tunnel" (in Korean), J. Soc. Nav. Arch. Korea, 53, 494-502 (2016).

원문보기 상세보기
I. Park, J. Kim, H. Seol, K. Kim, and J. Ahn, "Numerical analysis of tip vortex and cavitation of elliptic hydrofoil with NACA 66 2-415 cross section" (in Korean), J. Ocean Eng. Tech. 32, 244-252 (2018).

원문보기 상세보기
I. Park, K. Kim, J. Kim, H. Seol, Y. Park, and J. Ahn, "Numerical study on propeller cavitation and pressure fluctuation of model and full scale ship for a MR tanker" (in Korean), J. Soc. Nav. Arch. Korea, 57, 35-44 (2020).

원문보기 상세보기
J. Cho, G. Ku, C. Cheong, and H. Seol, "Numerical investigation of cavitation noise of the submarine propellers using DDES technique and quadrupole corrected FW-H equation", Proc. INTER-NOISE and NOISE-CON Cong. and Conf. 4376-4381(2020).
A. Purwana, I. M. Ariana, W. Wardhana, and D. W. Handani, "Performance and noise prediction of marine propeller using numerical simulation," Proc. 3rd Int. Sem. Sci. Technol. 20-25 (2017).
D. Li, J. Hallander, and T. Johansson, "Predicting underwater radiated noise of a full scale ship with model testing and numerical methods," Ocean Eng. 161, 121-135 (2018).

상세보기
G. Ku, S. Ryu, and C. Cheong, "Numerical investigation into cavitation flow noise of hydrofoil using quadrupole-corrected Ffowcs Williams and Hawkings equation" (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. 37, 263-270 (2018).
S. Kim, C. Chenong, W. Park, and H. Seol, "Numerical investigation of cavitation flow around hydrofoil and its flow noise" (in Korean), Trans. Korean Soc. Noise Vib. Eng. 26, 141-147 (2016).

원문보기 상세보기
S. Kim, C. Cheong, and W. Park, "Numerical investigation into the effects of viscous flux on cavitation flow around hydrofoil," Trans. Korean Soc. Noise Vib. Eng. 721-729 (2017).
S. Kim, C. Cheong, and W. Park, "Numerical investigation into effects of viscous flux vectors on hydrofoil cavitation flow and its radiated flow noise," Appl. Sci. 8, 289 (2018).

상세보기
M. Ha, C. Cheong, H. Seol, B. Paik, M. Kim, and Y. Jung, "Development of efficient and accurate parallel computation algorithm using moving overset grids on background multi-domains for complex two-phase flows," Appl. Sci. 8, 1937 (2018).

상세보기
S. Kim, C. Cheong, and W. Park, "Numerical investigation on cavitation flow of hydrofoil and its flow noise with emphasis on turbulence models," AIP Advances 7, 065114 (2017).

상세보기
G. Ku, C. Cheong, S. Kim, C.-T. Ha, and W. Park, "Numerical study on cavitation flow and noise in the flow around a Clark-Y Hydrofoil" (in Korean), Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A 41, 87-94 (2017).
M. S. Gritskevich, A. V. Garbaruk, J. Schutze, and F. R. Menter, "Development of DDES and IDDES formulations for the k-ω shear stress transport model," Flow, Turbul. Combust. 88, 431-449 (2012).

상세보기
G. Lee, K. Chang, S. Lee, and G. Kim, "Numerical simulations of transitional flow over aerospatiale A-airfoil using DDES and IDDES" (in Korean), J. Comput. Fluids Eng. 24, 1-7 (2019).
Y. Liu, H. Yan, L. Lu, and Q. Li, "Investigation of vortical structures and turbulence characteristics in corner separation in a linear compressor cascade using DDES," J. Fluids Eng. 139 (2017).

상세보기
N. Zhang, X. Liu, B. Gao, and B. Xia, "DDES analysis of the unsteady wake flow and its evolution of a centrifugal pump," Renew. Energy, 141, 570-582 (2019).

상세보기
K. S. Brentner and F. Farassat, "An analytical comparison of the acoustic analogy and Kirchhoff formulation for moving surfaces," AIAA J. 36, 1379-1388 (1998).

상세보기
J. Y. Zhu, Z. W. Hu, and D. J. Thompson, "The flow and flow-induced noise behaviour of a simplified high-speed train bogie in the cavity with and without a fairing," Proc. Inst. Mech. Eng. Part F: J. Rail and Rapid Tra. 232, 759-773 (2018).

상세보기
C. E. Brennen, Cavitation and Bubble Dynamics (Cambridge University Press, Cambridge, UK, 2014), pp. 47-216.

저자의 다른 논문 :

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format