프로펠러 날개 끝 보텍스 공동에 의한 광대역 소음 상사법칙 도출

Abstract

프로펠러는 수중에 존재하는 주요한 소음 원들 중 하나이다. 넓은 주파수에 걸쳐 상당히 큰 음압을 방사하는 소음 원으로, 기존에는 군함의 생존성과 직결되는 피탐 성능에 있어 매우 주요한 요인으로 인식되어왔다. 최근에는 프로펠러 광대역 소음이 해양 생물들에 미치는 부정적 영향에 관심이 높아지고 있으며, 이에 따라 유럽 국가들을 중심으로 자국 해역을 통과하는 선박들에 대한 소음 규제가 강화되고 있는 실정이다. 이에 대응하기 위해서는 설계 단계에서 프로펠러에 의한 광대역 소음을 예측하고 동력 성능과 소음 성능 사이에 최적 설계를 찾아내어 선박을 건조하는 것이 경제적인 관점에서 가장 바람직하다고 할 수 있다. 설계 단계에서 프로펠러 광대역 소음은 크게 두 가지 방법으로 예측될 수 있다. 첫 번째는 수치 계산 기법을 이용하여 프로펠러 주변 유체와 공기 방울 거동에 대한 식을 풀고 이러한 거동을 소음 원으로 하는 음향상사식을 풀어 소음을 추정하는 방법이다. 하지만 광대역 소음을 발생시키는 날개 끝 보텍스 공동의 경우 프로펠러 주변 유체장과 소음장이 매우 복잡하여 실선에 대해서는 상당히 큰 계산 량이 요구될 뿐만 아니라 계산 결과도 실험 결과와 잘 일치하지 않는 경향을 보인다. 두 번째는 공동 터널에서 수행된 모형선 실험을 통해 소음 데이터를 획득하고 모형선 - 실선 소음 상사법칙을 통해 실선 소음을 추정하는 방법이다. 기존에는 주로 날개 통과 주파수의 조화 성분들에서 큰 소음 준위를 보이는 프로펠러 날개 면에 부착된 형태의 공동을 대상으로 하는 프로펠러 소음 상사법칙들이 제시되어왔다. 하지만 프로펠러로부터 어느 정도 거리를 두고 발생하며 광대역 소음 특성을 보이는 날개 끝 보텍스 공동에 대한 소음 상사법칙의 경우 날개 면에 부착된 형태의 공동에 대한 소음 상사법칙에 경계층의 효과만을 반영하여 적용되어 왔다. 이는 날개 끝 보텍스 공동의 물리적인 상황을 충분히 반영하지 못한 상사법칙이라고 할 수 있으며, 실제로 모형선 소음 데이터에 도출된 상사법칙을 적용하여 실선 소음을 추정 하였을 때 잘 일치하지 않는 경향을 보였다. 본 연구에서는 보다 정확한 프로펠러 광대역 소음 상사법칙의 도출을 위해 렌킨 보텍스 모델, 기포 거동 방정식, 양력면 이론, 경계층 효과 그리고 단위 시간당 발생하는 공기방울 수와 같은 날개 끝 보텍스 공동의 물리적인 상황을 반영하여 상사법칙을 도출하고자 한다. 여기서 단위 시간당 발생하는 공기 방울 수를 제외한 최종 도출된 상사 법칙의 모든 항들은 3차원 날개에 관 한 변수들이다. 프로펠러 주변의 유동은 매우 복잡해서 단위 시간당 발생하는 공기방울 개수에 대한 관측이 매우 힘들고, 또한 프로펠러 날개 끝 보텍스 공동의 물리적인 상황은 3차원 날개와 동일하기 때문에 본 연구에서는 3차원 수중 날개에 대한 실험이 설계되었다. 여기서 유입류 속도와 날개 크기 변화에 따른 단위 시간 당 발생하는 공기 방울 수의 관계를 도출하였고, 단위 시간 당 발생하는 공기방울 수의 날개 끝 보텍스 공동 소음에 대한 영향을 실험적으로 확인하였다. 본 연구에서 1) 이론적/실험적 기반으로 새롭게 도출된 광대역 소음 상사법칙과 2) 날개 면에 부착된 형태의 공동에 대한 소음 상사법칙에 경계층의 효과만을 반영하여 도출된 기존의 소음 상사법칙을 실제 대형 공동 터널에서 수행된 모형선 실험을 통해 얻어진 광대역 소음 데이터에 적용하여 실선 소음을 추정하였고, 계측된 실선 소음 준위와 비교하였다. 그 결과, 본 연구에서 도출된 광대역 소음 상사법칙은 기존에 경계층 효과만을 반영하여 도출된 소음 상사법칙 보다 실제 실선 소음 준위와 더 유사한 결과를 보여주었다. 따라서 모형실험이 정확하게 수행된다면 실선 건조 전에 실선 광대역 소음 준위를 비교적 정확하게 추정할 수 있을 것이며, 이에 따른 상당한 경제적 효과도 있을 것으로 판단된다.