수중구조물 주위의 난류흐름에 의한 유동소음 수치해석기법 개발

Abstract

선박 및 함정의 고속, 대형화 및 요구조건 강화와 탑재 장비의 소음저감 기술적용에 따라 유동에 의한 진동 및 소음의 중요성이 강조되고 있다. 그러나 항공, 철도 등의 분야에서는 공력소음 해석기술을 이용하여 유동소음을 설계에 반영하는 것에 반해 조선해양분야에서는 날개주파수소음에 대해서만 일부 고려하여 수중추진기의 성능분석에 활용되고 있다. 함정에서 발생하는 유동소음은 크게 공동, 비공동소음으로 구분되며 비공동소음 영역에서는 난류유동에 의해 유기되는 메커니즘을 가지는 진동 및 소음이 전 주파수적 특성에 지배적으로 작용한다. 관심영역이 근거리장인 자체소음 관점에서 무시할 수 없는 크기의 난류유동 유기 진동소음이 발생하며, 선체 하부의 소나돔의 경우 정확한 유동소음의 해석 없이는 자체적인 소음신호와 수신신호를 구분하지 못해 소나성능에 영향을 미치게 된다. 또한, 미래잠수함의 경우 작전심도 및 운항속도 증가, 공동억제 미래추진기 적용에 따라 비공동소음의 운용범위 및 난류유동에 의한 진동소음이 더욱 증가하게 된다. 본 논문에서는 전산유체역학과 결합하여 선저부가물, 추진기, 선체에서 발생하는 각각의 난류유동 유기 진동소음의 발생 메커니즘을 고려한 수치해석기법을 개발하였고 해석시스템을 구성하여 난류유동의 영향 및 특성을 분석하였다. 선저부가물의 난류유동 유기 소음해석을 위해 투과성 경계면을 이용하여 기존의 계산비용이 높은 난류소음항을 낮은 계산비용으로 고려 가능한 Permeable FW-H 음향상사식을 개발하여 적용하였다. 추진기의 난류유동 유기 광대역소음 해석에는 날개면 표면의 난류경계층 내 난류섭동을 벽면변동압력 (Wall Pressure Spectrum) 모델을 이용하여 날개면 형상의 주요 소음발생 메커니즘인 뒷날소음(Trailing-edge Noise)을 고려 가능한 FW-H Formulation 1B를 통해 수중 환경에 대해 일반성 및 정확도를 가지는 해석기법 및 시스템을 개발, 검증하였고 설계변화에 따른 소음특성 변화를 분석하였다. 선체의 난류유동 유기 선체진동소음에서는 난류경계층 내부에서 발생하는 벽면변동압력으로부터 입력파워를 추정해 에너지흐름해석법으로 유체-구조 연성을 고려한 진동소음 해석절차 및 시스템을 개발하였으며 선체 설계안에 대한 진동소음 특성의 확인과 최적설계안 도출에 대한 유용성을 확인할 수 있었다.

As future ships get faster and bigger with increasing demands and requirements along with applications of low noise technology to its machinery, ever-high demands considering the importance of flow-induced vibration and noise are being observed. Unlike the aviation field where various flow-induced vibration and noise are considered at the design stage, however, only the blade passing frequency noise of the propeller is being considered in naval fields. At non-cavitating conditions, turbulent flow-induced vibration and noise become dominant for overall characteristics of its acoustic performances. In the near-field point of view, turbulent flow-induced vibration and noise can not be neglected. Especially, for appendages like a sonar dome, to maintain the performance so that it is not affected by its self-noise. Moreover, as future submarines operate deeper and faster with advanced propulsion systems to suppress cavitations, the operating range of non-cavitating conditions will increase along with the vibration and noise level induced by turbulent flow. In this study, using the computation fluid dynamics, turbulent flow-induced vibration and noise analysis methods for ship appendages, propellers, and ship hulls considering its source generation mechanisms are developed. For ship appendages, turbulent noise term which was often neglected due to its high computational cost is considered by Permeable FW-H methods developed by using the permeable integral surfaces with modest calculation costs. For broadband noise of propellers induced by turbulent flow is analyzed using Wall Pressure Spectrum models for turbulent fluctuations beneath the turbulent boundary layer developed on the surface of the lifting surfaces to consider its dominant noise generation mechanism (Trailing-edge noise). Method to adopt the wall pressure spectrum models for broadband noise prediction method using the FW-H Formulation 1B and Amiets thin airfoil theory has shown its generality and accuracy compared with the experiments. For turbulent flow-induced vibration and noise of ship hulls, the external force is formulated using the wall pressure spectrum models as input power for Energy Flow Analysis to consider fluid-structure interactions and vibro-acoustic responses. The developed procedure methods are applied for the evaluation of ship hull designs to find its usability for analysis of acoustic performance characteristics and the design optimizations.