기포동역학을 이용한 잠수함 Propeller 날개 끝 와류 공동과 공동 소음에 대한 수치적 고찰

Abstract

최근 선박에 의한 해양운송, 해양레저스포츠, 해상풍력발전과 같이 해양에서의 활동이 증가하면서 인위적인 수중 소음으로 인한 해양생태계 문제가 대두되고 있다. 수중소음은 해양생태계에 존재하는 자연적인 음향신호들을 교란시켜 어류의 이상행동, 의사소통 교란, 집단 폐사와 같은 심각한 문제를 발생시키고 있으며, 이러한 문제를 해결하기 위해 브라질, 남아프리카 공화국에서는 지질탐사로 인한 수중소음을 규제하고 있으며, 미국, 유럽연합, 아일랜드와 같은 선진국에서도 수중소음 규제를 위한 지침을 강화하고 있다[1]. 선박 및 잠수함의 추진기 프로펠러는 대표적인 수중소음원이며, 최근 추진기 프로펠러에서 발생하는 소음을 줄이기 위한 연구가 국내외적으로 활발하게 이루어지고 있다. 추진기 프로펠러 소음은 크게 비공동 소음과 공동 소음으로 구분할 수있으며, 수심이 깊은 영역에서는 높은 정수압으로 인해 비공동 소음이 주요 소음원이며, 얕은 수심의 고속 운용시에는 프로펠러의 고속 회전에 의한 공동 소음이 주요 소음원이다. 특히 공동이 발생할 경우 전체적인 소음준위가 비공동 소음에 비하여 급격하게 증가하므로, 공동 발생 여부를 설계 단계에서부터 반영하여 공동 발생을 억제함으로써 고성능, 저소음 프로펠러를 개발하기 위한 연구가 진행되고 있다. 공동 발생여부는 공동 초생속도(Cavitation Inception Speed, CIS)를 정량적으로 예측함으로써 판단할 수 있으며, 정량적인 지표를 제시하기 위하여 국외에서는 기포동역학 기반의 Lagrangian 접근법을 많이 활용하고 있으나[2], 명확한 기준은 아직 모호한 수준에 머물러 있다. 따라서 본 연구에서는 수중 프로펠러를 대상으로 한 RANS 해석유동장을 기반으