수중익 날개 끝 볼텍스 캐비테이션 거동 및 소음의 수치적 해석 = Numerical analysis of tip vortex cavitation behavior and noise

국문 초록 (Abstract)

수중에서는 물체의 탐지를 위해서 산란이 큰 전파를 이용하는 대신 음파를 사용한다. 소나의 개발과 함께 군용 선박의 저소음화가 생존과 직결된 문제가 되었으며 쾌적함을 요구하는 여객선 등에서도 중요한 문제가 되었다. 선박에서 발생하는 소음 가운데 캐비테이션 소음은 가장 큰 소음원이 된다. 특히 여러 캐비테이션 형태 가운데 날개 끝 볼텍스 캐비테이션은 가장 먼저 발생하여 고주파 소음을 내므로 날개 끝 볼텍스 캐비테이션 거동과 소음을 예측하는 기법 개발은 저소음 설계에 매우 기본적이고 중요한 문제가 된다.
이러한 필요성을 인식하고 본 논문에서는 날개 끝 볼텍스 캐비테이션 거동 및 소음을 수치적으로 해석하였다. 수치적 해석을 위해 Eulerian-Lagrangian 접근법을 사용하였으며, 이는 유동장은 Eulerian 접근법으로 해석하고 캐비테이션 거동은 Lagrangian 접근법으로 해석하는 방식이다. 날개 끝 볼텍스 유동장을 해석하기 위해 Sculley 볼텍스 모델에 Moore와 Saffman의 볼텍스 코어 반경 변화 예측식을 접목한 식을 사용하였다. 또한 캐비테이션 버블의 지배방정식인 Rayleigh-Plesset 방정식과 Newton의 제2법칙에 근거한 궤적 방정식을 연계하여 날개 끝 볼텍스 캐비테이션 거동을 해석하였다. 또한 초기에 캐비테이션 핵 분포를 위해 해수에서의 핵 분포 자료를 이용하였다. 이렇게 해석한 시간에 따른 캐비테이션 버블들의 부피 변화를 이용하여 각각의 캐비테이션 핵들을 단극(monopole) 소음원으로 보고 소음해석을 수행하였다. 이러한 본 연구는 수중 운동체에서 발생하는 날개 끝 볼텍스 캐비테이션의 특성을 파악하여 소음 대비책을 마련하는데 기초 연구로서 활용할 수 있을 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Low noise design is directly connected to survival in naval battles and is important subject for passenger ships, due to delightfulness. Cavitation noise is a dominant noise source among the ship noises. Specially, because tip vortex cavitation noise among various types of the cavitation appears in the first and generate high frequency noise, development of tip vortex cavitation behavior and noise prediction method is fundamental and crucial problem for low noise design.
In this study, I analyze numerically tip vortex cavitation behavior and noise. For the numerical analysis, Eulerian-Lagrangian approach is used. This method is that flow field analysis and cavitation behavior are performed by using Eulerian approach and Lagrangian approach, respectively. To analyze tip vortex flow field, it is used that an equation grafted Moore and Saffman’s vortex core radius prediction into Sculley vortex model. Also, the tip vortex cavitation behavior is analyzed by coupling Rayleigh-Plesset equation and trajectory equation that is based on Newton’s second law. And For initial cavitation nuclei distribution, nuclei distribution data of seawater is used. Noise analysis is performed by using the volume variation of cavitation bubbles analyzed with respect to time. Here, each cavitation bubble is considered as a monopole. Through this study, we can understand characteristics of the tip vortex cavitation noise and apply fundamental research in order to solve noise problem due to the tip vortex cavitation.