수중익 주위 끝단와류 공동 소음 예측에 관한 CFD 시뮬레이션 연구 = Study on the Prediction of the Tip Vortex Cavitation and Cavitation Noise Around the Hydrofoil

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this paper, an CFD simulation-based analysis on the Tip vortex cavitation(TVC) and TVC-induced noise around NACA series hydrofoils with RaNS(Reynolds-averaged Navier-Stokes), DES(Detached eddy simulation), and LES(Large eddy simulation) was conducted. The cavitation model for each CFD simulations for analyzing the TVC-induced noise spectrum was Schnerr-Sauer model or Rayleigh-Plesset model, and the comparison on the TVC-induced noise spectral-analysis results between these simulations by the cavitation model was conducted also. For the comparison on the TVC-induced cavity and vortex distribution around the section at the tip on the trailing edge of the hydrofoil between each CFD simulations with different turbulent models, the TVC-induced cavity form and vorticity magnitude field distributions were compared between each CFD simulations.
Also, the superiority of the Reynolds stress model(RSM) turbulent model with elliptic blending method on the near-wall flow treatment was proven by the comparison with wall shear stress distribution by the CFD simulation results with RSM turbulent model based on the linear pressure strain method. For the reduction on the time consumption, these CFD simulations were conducted as steady-state simulation with single-phase flow. As a result, the cases without elliptic blending method showed the inappropriate near-wall flow treatment results on the relatively low-Reynolds number flow with 10 5
-order, even though
RSM-based turbulent models without elliptic blending method applied.
Meanwhile, the comparison on TVC-induced noise spectral-analysis results based on the CFD simulations with LES by the direct method between the different cavitation models was conducted. And, for the guarantee of the fidelity on the reconstruction of background noise components in the real-world experiments, the computational domain with consideration of structures outside of the test section, such as contraction nozzle, was applied. As a result, the difference of the background noise analysis results and flow fields distribution between the CFD simulation result with consideration of structures outside the test section and CFD simulation with computational domain with test section only was shown.

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 상용 CFD 코드인 Star-CCM+(v2506)를 이용하여 진행된 RaNS(Reynolds-averaged Navier-Stokes) 및 DES(Detached eddy simulation), 그리고, LES(Large eddy simulation) 기반 CFD 시뮬레이션을 통해 NACA 계열 익형의 수중익 주위에서 발생하는 끝단 와류에 의한 공동현상(Tip vortex cavitation, TVC)과 그에 따른 공동소음을 분석하였고, 공동현상 모델로는 Schnerr-Sauer 모델 및 Rayleigh-Plesset 모델을 채택하여 그 결과를 비교하였다. 이때, RaNS 및 DES, LES를 이용한 시뮬레이션 각각에 대해, 난류 모델 변경에 따른 수중익 후연(Trailing edge) 끝단 주위 단면에서 TVC 기포 분포 형상과 기포 주위 와류 분포 형상의 변화를 난류 모델 및 지배방정식 풀이 기법에 따라 비교하였다.
또, 레이놀즈 응력 모델(Reynolds stress model, RSM) 기반 난류 모델 중 타원 블렌딩(Elliptic blending)을 적용한 난류 모델의 벽면 주위 유동 처리의 우수성을 확인하기 위해 RSM 중 선형 압력 변형률 기반의 난류 모델을 채택한 시뮬레이션을 대조군으로 하여 NACA66(2)-415 계열 수중익의 흡입면에서 마찰응력 분포를 비교하였다. 여기서, RSM 모델 간 벽면 주위 유동 처리 결과 비교를 위한 분석은 정상상태(Steady-state)의 단상 유동을 가정한 시뮬레이션 결과로 수행하였다. 그 결과, RSM 모델을 사용하더라도 타원 블렌딩 기반의 난류 모델을 채택하지 않은 경우에는 105 정도의 비교적 저 레이놀즈수(Low-Reynolds number) 난류 유동에서 벽면 처리가 미흡해짐을 확인하였다.
한편, LES 기반의 CFD 시뮬레이션을 이용한, TVC에 따른 공동소음 스펙트럼 분석을 직접법(Direct method)으로 수행하는 연구를 진행할 때 공동현상 모델 변경에 따른 결과 비교를 수행하였고, 충실한 배경소음 재현을 위해 공동수조(Test section) 외부 구조를 고려한 계산영역을 채택하였다. 그 결과, 공동수조만 모델링하는 경우와 공동수조 외부 구조를 고려하는 경우 유동장 분포의 차이가 발생하여 배경소음 재현 결과에 차이가 발생할 수 있음을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1 연구배경 및 잠수체 소음 기전 1
• 1.1.1. 잠수함 추진 기술 및 수중체 탐지 기법의 변혁 1
• 1.1.2. 수중체의 소음 기전 5
• 1.2 선행연구 검토(실험/수치 시뮬레이션) 6
• 1.2.1. 실험 관련 연구 6
• 1.2.2. 수치 시뮬레이션 관련 연구 9
• 1.3 연구 공백 및 기여 13
• 1.4 연구 목표 15
• 2. 수치 시뮬레이션 기법 16
• 2.1 지배방정식 및 수치해석기법 개요 16
• 2.1.1. 혼합물 보존방정식 및 저마하수 압축성 유동 처리 13
• 2.1.2. 시공간 이산화, 경계조건, 수치 차분법 19
• 2.2 난류 모델링 21
• 2.2.1. RANS/Reynolds Stress Model 21
• 2.2.2. LES 24
• 2.3 공동현상 모델링 25
• 2.3.1. 공동현상 개요 25
• 2.3.2. Rayleigh-Plesset 모델 26
• 2.3.3. 혼합물 물성치 정의 상태방정식, 기포 핵 및 캐비테이션 수 정의 27
• 2.4 수치 시뮬레이션 설정 및 검증 28
• 2.4.1. 샘플링 레이트 및 수렴 기준 28
• 3. 수치 시뮬레이션 모델링 29
• 3.1 샘플링 레이트 및 수렴 기준 28
• 3.2 시뮬레이션 전략 개요 29
• 3.3 비공동 조건 하 수중익형 주위 유동장 모사 30
• 3.3.1. 비공동 조건 관련 Reference Experiment 선정 30
• 3.3.2. 비공동 조건 NACA66(2)-415 수중익 유동장 예측 시뮬레이션 검증 33
• 3.4 공동 조건 하 수중익형 유동장 모사 37
• 3.4.1. 공동 조건 관련 Reference Experiment 선정 37
• 3.4.2. 공동 조건 NACA66(2)-415 수중익 유동장 예측 시뮬레이션 검증 46
• 3.5 공동 조건 하 수중익형 유동소음 추정 53
• 3.5.1. 공동 소음 관련 Reference Experiment 선정 53
• 3.5.2. NACA16-020 수중익 주위 유동장 예측 시뮬레이션 60
• 3.5.3. LES 기반 NACA16-020 수중익 유동소음 계산 기법 72
• 3.5.4. LES 기반 NACA16-020 수중익 유동소음 예측 시뮬레이션 75
• 4. 결론 및 향후 연구 79
• References 80
• Abstract 82