초록 ▼

□ 연구 목표 및 내용
○ 최종 목표
수중방사소음(Underwater Radiated Noise, URN) 저감 연구는 선박의 대형화, 고속화에 따른 공동현상으로 인해 산업계에서는 URN 저감이 가능하면서 추진효율 향상을 요구하고 있음. 국제적으로 해양공사 시 URN과 관련한 차음벽의 설치를 요구하고 있으나 국내 관련 연구는 미진함. 국제해사기구는 URN을 해양오염으로 규정하며 이에 대한 규제 논의를 진행 중임. 세계적인 해양환경규제와 함께 친환경선박으로의 패러다임이 변화하고 있음.

이에 따라 URN 저감 연

□ 연구 목표 및 내용
○ 최종 목표
수중방사소음(Underwater Radiated Noise, URN) 저감 연구는 선박의 대형화, 고속화에 따른 공동현상으로 인해 산업계에서는 URN 저감이 가능하면서 추진효율 향상을 요구하고 있음. 국제적으로 해양공사 시 URN과 관련한 차음벽의 설치를 요구하고 있으나 국내 관련 연구는 미진함. 국제해사기구는 URN을 해양오염으로 규정하며 이에 대한 규제 논의를 진행 중임. 세계적인 해양환경규제와 함께 친환경선박으로의 패러다임이 변화하고 있음.

이에 따라 URN 저감 연구에는 반드시 공동현상과 공기층에 의한 차음벽 등 난류 다상 유동을 고려해야함. 4차원 다상 난류 유동장으로부터 음향장 도출이 가능하게 되면 근-원거리장에서의 속도, 압력, 음향강도, 음파지향성 등 세계 최초로 실험적 4차원 소음 분포 및 소음원 파악이 가능해짐.

본 연구는 수중방사소음의 4차원 분포와 발생원을 실험적으로 가시화하여 파악하고 유동과 소음 간 상호작용 역학관계를 평가하여 수중소음 저감 방안을 도출하는 것을 목표로 함.

(1단계) 4차원 압력장/음향장 해석 연구: 실험적 4차원 음향장 정량적 가시화 세계 최초 시도
(2단계) 수중방사소음 평가 및 저감 연구: 고속선박유동, 프로펠러에서 발생하는 공동현상에 의한 소음 분포 및 소음원 파악, 기포에 의한 소음흡수 효과 분석

○ 전체 내용
(1단계) 고해상도 속도장 데이터를 이용한 4차원 압력장/음향장 해석 연구
- 라그랑지안 방법으로 획득한 정확한 속도 구배를 이용해 포아송 방정식을 풀어 순간 압력장을 도출하여 음압(acoustic pressure) DA 연구를 진행
- 음향장 해석 방법으로 Navier-Stokes 방정식을 변형하여 난류 변동에 대한 음의 생성 및 전파를 나타내는 Lighthill의 음향상사법을 기본으로 다양한 형태의 평가방식을 적용하여 비교 검증

(2단계) URN 평가 및 저감 연구
- URN 흡수 연구: 수중음파가 기포를 만날 경우 음파에너지의 투과율이 급격히 감쇠되는 기술 검증을 위해 소음원에 따른 기포커튼의 최적 배치, 유량, 기포율 등 최적조건을 연구
- URN 저감 연구: 프로펠러 날개에 뚫려 있는 작은 구멍을 통해 공기를 분사시켜 공기 막을 형성시킴으로써 공동소음이 방사되는 것을 줄이는 프레리(prairie) 시스템의 최적 형상 연구

(1차년도) 독일 항공우주연구센터(DLR) 연구진(시간분해 3D LPT 측정 분야 리딩 그룹)과 지속 적인 협업 연구를 수행하여 세계 최초 4차원 다상난류유동 측정 시도

(2차년도) DA 분야를 선도하고 있는 국제연구진 (DLR, Lavision, TU delft, Shanghai Jiao Tong University 등)과의 교류를 통해 효율적인 압력장, 음향장 분석 기법 개발

(3차년도) 부산대학교 지역혁신선도연구센터인 친환경스마트선박부품기술혁신센터와 교류를 통해 전산해석, 실험적 자문을 구하며 소음 흡수 연구를 진행

(4차년도) 선박 프로펠러 모델의 URN 측정에 있어 부산대학교의 고속회류수조, 선박예인 수조 등에서 시험을 수행

(5차년도) 선박해양플랜트연구소 (KRISO) 수조,터널 등에서 시험 수행

○ 1단계
● 연구 목표
(1차년도) 4차원(시간 및 공간) 다상 유동장 측정 연구
- 기-액체 상 (phase) 분리를 위한 실험적 접근, 광응답 특성 구분, 라그랑지안 입자추적(Lagrangian Particle Tracking, LPT) 등 종합적 유동장 측정 기법을 통한 기포-액체 난류 유동 역학관계 규명.

(2차년도) 인공지능 기반 데이터 동화 (Data Assimilation, DA) 연구
- 시공간 실험 측정 데이터의 방대한 물리량, 다상-난류와 같은 유체역학적 난제를 인공지능 학습을 통한 비선형모델링 시도.

(3차년도) 4차원 압력장/음향장 해석 연구
- 실험적 4차원 음향장 정량적 가시화 세계 최초 시도
- 캐비테이션에 의한 수중 프로펠러 소음을 예측하기 위한 압력장 분석.

● 연구 내용
(1차년도) 시간분해 3차원 기포-추적입자 유동장 동시측정
- 동일 유동장 내 기포-추적입자 동시 측정을 위한 실험 디자인 및 셋업
- Phase 분리/구분 알고리즘 개발 및 LPT 적용을 통한 다상난류 유동장 획득
- 체적 광원으로부터 기포의 산란광을 줄이기 위해 blue 파장 대역의 pulsed LED를 사용하며 4대의 카메라 렌즈 앞에 bandpass filter를 장착
- 획득한 이미지에서 기포와 입자 이미지를 분리하는 이미지 프로세싱 기법을 개발하고 고정밀 LPT 알고리즘을 적용하여 정확한 4차원 기포 및 유체 속도장을 동시에 획득

(2차년도) 인공지능기반 빅데이터 동화 연구
- 인공지능 DA 기법 최적화를 통한 고해상도 유동장 효율적 획득 및 검증
- 하나의 3차원 순간 속도장은 수백만개의 데이터로 이루어져 있어 자체 빅데이터로 사용이 가능하며, 인공지능 신경망에 기반하여 데이터를 clustering 하고 기계학습을 진행
- 본 연구자가 개발한 인공지능 기법 외 물리 법칙이 내포된 인공지능 알고리즘 개발을 통해 최적화된 인공지능 학습 조건을 도출하고 신뢰성 검증을 진행

(3차년도) 4차원 압력장, 음향장 해석 연구
- 고해상도 유동장을 이용한 유체동역학적인 4차원 압력장 및 음향장의 해석.
- 블레이드에서 캐비테이션 모사 모델 적용 후 유동장 단면에서의 압력장 생성. 압력장을 통해 블레이드 표면에서의 캐비테이션 면적과 성능 특성 조사.

○ 2단계
● 연구 목표
본 단계에서는 1단계에서 개발한 유동장 실험 기법, 데이터 처리 기법을 이용하여 수중소음 흡수, 저감과 관련된 application 연구를 수행하여 경험적 모델을 제시하고, CFD 해석 및 기존 문헌에서 제시된 데이터와 비교하고자 함.

(2단계) 수중방사소음 평가 및 저감 연구
- 고속선박유동, 프로펠러에서 발생하는 공동현상에 의한 소음 분포 및 소음원 파악, 기포에 의한 소음흡수 효과 분석
- 해양 수중방사소음 저감을 위한 기포커튼의 설계 및 초기 성능 추정을 위해 다양한 조건에 따른 유동 구조 분석 및 압력 분포도, 소음장 획득
- 수중익형 모델에서 공동현상에 의한 소음분포를 측정하고 소음원 파악을 통해 수중소음 저감 방안 연구

● 연구 내용
(4차년도) 수중소음 흡수 연구 (Air bubble curtain)
- 기포커튼 장치의 소음 흡수 효과 분석을 수행
- 수중음파가 기포를 만날 경우 음파에너지의 투과율이 급격히 감쇠되는 기술 검증을 위해 소음원에 따른 기포커튼의 최적배치, 유량, 기포율 등 최적조건을 연구
- 3D 프린터를 이용하여 기포커튼 발생 장치를 제작 후 홀의 지름, 간격, 개수에 따른 기포 분포도를 비교하고자 함. 또한, 공기 압력과 유량에 따른 최적화를 진행하여 소음 흡수에 가장 효과적인 형상과 조건을 도출
- 실험적 데이터를 기반으로 전산 해석을 통해 기포커튼을 모사하고 버블에 의해 발생한 난류 영역과 압력장을 분석하여 소음원 위치에 따른 소음 흡수 성능을 실험과 비교

(5차년도) 수중소음 저감 연구 (Low noise design)
- 공동현상에 의한 소음분포를 측정하고 소음원 파악을 통해 수중소음 저감방안 연구
- 프로펠러 날개에 뚫려 있는 작은 구멍을 통해 공기를 분사시켜 공기 막을 형성시킴으로써 공동소음이 방사되는 것을 줄이는 프레리 (prairie) 시스템의 최적 형상 연구
- 수중익형에서 발생하는 유동구조 및 압력 분포를 정량적으로 측정하고 이에 따른 유동소음을 측정하고하 함
- 유동 소음을 예측하기 위해 측정된 유동장을 기반으로 음향상사법을 이용하고, 비정상 압력섭동 성분을 이극자 소음원으로 모델링하여 소음장을 분석하고자 함
- 소음장 측정 결과는 SPL과 방샹성을 통해 분석하고, 측정된 전체 주파수 영역에서 비정상 압력섭동에 의한 소음원이 지배적임을 실험적으로 제시하고자 함

□ 연구성과
(정성적 성과) 난류 다상 제트의 액체상과 기체상을 동시에 측정하기 위해 STB 알고리즘에 기반한 라그랑지안 입자 추적 속도계를 적용하여 성공적으로 시간분해 3차원 속도장을 측정함. 인공지능 기반 고해상도 기-액 유동장 데이터 동화 기법 개발을 통해 난류 유동장의 시공간 데이터 해상도를 향상시켰을 뿐 아니라 빠르고 정확한 기포 검출을 위한 BIMSNet 알고리즘을 적용하여 기포 이미지를 분리하는 인공지능 연구를 진행함. 또한, 캐비테이션에 의한 수중 프로펠러 소음을 예측하기 위해 압력장을 예측하는 연구를 수행하여 블레이드 표면에서 캐비테이션 면적과 성능 특성을 획득하여 2단계 연구를 위한 기반을 마련함.

(정량적 성과) 1단계 개발 기간동안 국제학술지 논문을 1저자로 3편, 단독저자로 1편, 교신저자로 1편, 총 5편을 게재하였으며, 2편의 국내학술대회발표, 2편의 국제학술대회 발표를 수행하여 활발한 연구 교류를 수행함. 특히, 1단계 수행 중 2차년도부터는 울산대학교 기계공학부 전임교원으로 임용됨.

□ 연구성과의 활용 계획 및 기대효과
수중전체소음 수준과 저, 고주파 대역의 소음 특성을 높은 정확도로 측정할 수 있는 기법을 정립할 수 있음. 설계 단계에서 URN 저감 모델 개발에 도움이 됨.

기존 비압축성 Navier-Stokes equation 기반 DA를 적용함에 있어 수학적 모델링이 필요하기 때문에 다상-난류 유동과 같은 유체역학적 난제를 인공지능 학습을 통한 비선형모델링 시도함에 따라 높은 시/공간 재구성 성능을 보인 인공지능 기반 DA 기법을 제시하여 액상 및 기포의 물성치, 유동장 내의 물리 법칙 및 물리 현상이 입증된 모델을 개발할 수 있음.

수중방사소음 규제에 대해 적극 대응 가능. 저소음 설계에 요구되는 기술경쟁력을 제고. 국내조선소, 해양시공의 취약 기술 해소, 해외 관련기술 견제. 차세대친환경 저소음 선박, 해양공사 시장 선점 등 핵심경쟁력을 갖출 수 있음.

본 과제가 성공적으로 이루어지면 세계 최초 4차원 다상유동, 음향장 측정 기술 보유를 통해 국제적으로 수중소음설계 분야 핵심기술을 선도할 수 있음.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요약문 ... 2
• 목차 ... 6
• 1. 연구과제의 개요 ... 7
• 1) 연구의 필요성 ... 7
• 2) 연구의 목표 및 범위 ... 7
• 2. 연구과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 8
• 3. 연구과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 9
• 1) 연구수행 결과 ... 9
• 2) 목표 달성 수준 ... 13
• 4. 연구성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 13
• 5. 연구성과의 관리 및 활용 계획 ... 13
• 6. 다음 단계 연구계획 ... 14
• 1) 연구 목표 및 내용 ... 14
• 2) 연구 추진전략 ... 14
• 3) 연구 추진일정 및 기대성과 ... 15
• 4) 다음 단계 연구비 사용계획 ... 16
• 5) 연구 성과의 활용방안 및 기대효과 ... 16
• 끝페이지 ... 34