I. 서 론
조선해양산업의 발전과 해양 운송량의 증가에 의해 선박의 고속화·대형화가 진행되고 있으며 이로 인하여 선박의 수중방사소음이 해양소음오염에 큰 영향을 미치고 있다. 해양소음으로 인하여 해양생물의 행동 패턴에 영향을 미치는 것으로 밝혀졌으며, 소음으로 인한 생태계 변화에 대한 문제가 보고되었다.[1,2,3] 해양 생태계 보존을 위하여 환경 보호단체 뿐만 아니라 국제해사기구에서도 해양소음을 줄이기 위한 기술적인 노력과 규제 방안에 대해서 논의 중이다. 이러한 소음 저감 규제에 대한 대응 및 해양환경 보호를 위해 선박의 수중방사소음 저감이 필수적이라 할 수 있다. 선박 수중방사소음에 대한 규제 해역은 대게 해양 포유류가 서식하는 항만 주변으로서 소음 및 안전상의 이유로 저속 운항을 권고하고 있다. 선박 수중방사소음의 주요 소음원으로는 추진기 소음, 유체소음과 기계류 소음이 있으며, 추진기에서 캐비테이션이 발생하였을 때 그 소음이 선박 수중방사소음에서 지배적이라 할 수 있다.[4] 실선 추진기에서 일반적으로 가장 먼저 발생하는 캐비테이션은 날개 끝 보텍스 캐비테이션(Tip Vortex Cavitation, TVC)이 라 할 수 있으며, 저속 운항 조건에서의 TVC에 의한 소음이 주요 원인이라 할 수 있다.[5] 따라서 TVC를 저감하는 것이 선박 수중방사소음을 저감하고 선박 추진기 캐비테이션 발생을 지연 시킬 수 있는 핵심 기술이라 할 수 있다. 추진기 캐비테이션 초생 지연은 상선뿐만 아니라 함정에서 함정의 생존성과 관련된 주요한 요소이라 할 수 있다.[6] TVC 억제를 위하여 날개 끝단의 구조적 변화를 통한 제어 기술 연구가 수행된바 있으나 이는 구조적 변화에 따른 추진기 효율 감소나 구조 불안정성 등의 문제를 초래하는 단점이 있어 추진기 효율 감소 등의 단점을 없앤 TVC제어 기술이 필요하다. 또한, TVC가 문제가 되는 조건에서만 이를 억제 할 수 있는 날개 끝 질량 분사를 통한 TVC 억제 기술에 대한 선행 연구들이 수행되었다.[7,8] 이러한 날개 끝 질량 분사는 와류의 비정성적인 변동을 줄이고 와류 코어 크기를 증가시켜 TVC의 발생을 억제함으로써 저속 운항 조건에서 소음을 크게 저감 할 수 있는 결과를 보였으나 TVC 발생 위치에 맞춘 분사구를 이용하여 질량 분사 기술을 실제 선박 추진기에 활용하기 위해서 추가적인 연구가 필요하다.
본 논문에서는 추진기 TVC 억제를 위한 질량 분사 시스템 연구에 앞서 3차원 수중익 모형을 대상으로 한 질량 분사 시스템에 대한 연구를 선행적으로 수행하였으며, TVC 강도에 따른 질량 분사 위치, 분사량의 영향에 대한 연구를 수행하였다.
II. 질량 분사 시스템
3차원 수중익에서 발생하는 TVC와 질량 분사 간의 상관관계에 대한 모형시험은 선박해양플랜트연구소의 중형캐비테이션터널에서 수행하였다. 터널 내부의 유속과 압력 조절을 통하여 3차원 날개에서 발생하는 날개 끝 보텍스의 강도를 조절하고 다양한 질량 분사 조건에 대한 시험을 수행하였다.
2.1 질량 분사 시스템
수중익 날개 끝 보텍스와 질량분사의 상관관계에 대한 모형 시험을 위하여 Fig. 1과 같은 타원형 수중익을 사용하였고, 단면 형상은 NACA16-020, 코드 길이는 350 mm이다. 질량 분사를 위하여 Fig. 2와 같이 수중익 끝단에 11개의 질량 분사구를 제작하였으며, 수중익 중심을 기준으로 앞전 방향 5개, 뒷전 방향으로 5개를 위치시켰다. Fig. 2와 같은 순서로 분사구 번호를 정의하였으며, 분사구 간의 간격은 7 mm, 분사구 직경은 1 mm이다. 수중익에서 TVC를 모사하기 위하여 받음각을 15°로 회전하여 설치하였다.
질량 분사는 분사구 개별 혹은 동시에 분사가 가능하도록 되어있으며 분사량을 조절 할 수 있도록 시스템을 구성하였다. 이때 수중익 끝단에서 분사되는 물질은 물로 최대 분사 가능한 유량은 26 cc/s이며 분사구의 법선 방향으로 분사된다. Fig. 3과 같이 차원 수중익을 캐비테이션터널 관측부 하단에 설치하고 날개 안쪽에 질량 분사 주입구를 각각의 튜브로 연결하여 압축 펌프와 물 주입을 통하여 분사구 위치 별로 분사와 분사량을 제어 할 수 있도록 설치하였다.
질량 분사에 따른 캐비테이션 소음 변화 분석을 위하여 Fig. 4와 같이 고속카메라와 소음 계측 장비를 설치하였다. 소음 계측 시스템은 유동에 의한 자체 잡음을 최소화하기 위하여 물과 음향 임피던스가 유사한 물질로 제작된 관측 창에 매립된 음향 센서를 사용하였으며 관측창 중앙에 설치하였다.
2.2 질량 분사량 정의
질량 분사 실험을 위해서 날개 끝에서 발생하는 질량 분사량에 대해 다음과 같이 정의하였다.
질량 분사량()은 Eq. (1)과 같이 질량 분사 시스템 펌프의 분사량, (cc/s)와 보텍스 코어 체적 유량(cc/s)으로 무차원화 된 값이다.[7,8,9,10]는 질량 분사구 직경(m), 은 질량 분사 유속(m/s), 는 유동속도(m/s), 는 보텍스 코어 단면적(m²)이다. 는 보텍스 코어의 지름(m) 으로 Eq. (5)이고 는 경계층 두께(m)로 schlichting’s relationship에 의해 정의되며, 이는 다음과 같다.
이때 는 루트에서의 코드길이이다.
III. 질량 분사 모형시험 수행 및 결과 분석
수중익에서 발생하는 TVC와 날개 끝 질량 분사에 대한 상관관계 확인을 위하여 질량 분사구 단일 위치 및 분사량에 따른 모형시험 및 질량 분사구 복수 위치 및 분사량에 대한 시험 조건을 수립하였다. 이때 날개 끝에서 발생하는 캐비테이션 강도를 Fig. 5와 Table 1과 같이 두 가지로 나누었으며, TVC가 초생되어 얇게 형성 되어있는 약한 캐비테이션 조건과 TVC가 완전히 발달된 강한 캐비테이션 조건으로 결정하였다.
Table 1.
Test condition according to injection hole.
먼저, 각 분사구 및 분사량에 따른 영향을 확인하기 위해 약한 TVC 조건에서 각 분사구에서 분사량을 0.01부터 0.05 까지 0.01 간격으로 변화하며 시험을 수행하였다. 고속 카메라를 통한 영상 계측과 소음 센서를 통하여 샘플링 주파수 262,144 Hz로 60 s간 계측하였다.
Figs. 6, 7, 8, 9, 10은 약한 TVC 조건일 때 각 분사량 및 분사구 위치에 따른 영향을 1/3 옥타브 밴드에서 도시한 결과이다. Cq가 0.01일 때, 1,250 Hz 이후에서 질량 분사로 인한 광대역 소음이 감소함을 알 수 있으며, 이때 분사구 2, 3, 4, 5의 질량 분사 결과에서 소음이 3 dB ~ 7 dB 저감 된 것을 확인 할 수 있다. Cq가 0.02일 때, 분사구 5에서 질량 분사를 하였을 때 800 Hz에서 2,000 Hz의 주파수 대역에서 소음이 8 dB 저감 된 것을 확인 할 수 있고 2,000 Hz 이후에서는 분사구 3, 4, 5의 질량 분사 결과에서 소음이 2 dB ~ 4 dB 저감된 것을 확인 할 수 있다. Cq가 0.03, 0.04, 0.05일 때 분사량이 증가함에 따라 소음 저감 효과가 더 큰 것을 확인 할 수 있으며 분사구 5 위치에서 소음 저감 효과가 우수한 것을 확인 할 수 있다.
Fig. 11은 약한 TVC 및 Cq 0.03일 때, 각 분사구별 캐비테이션 강도 변화를 대표적으로 정리한 결과이다. 날개 끝에서 발생한 캐비테이션의 강도가 작기 때문에 사진 상으로 확인하기 다소 어려움이 있지만, 소음 결과에서와 마찬가지로 분사구 5에서 질량 분사가 이루어졌을 때 캐비테이션의 강도가 많이 약해진 것을 확인 할 수 있다.
시각적·음향학학적으로 분사구 5의 효과가 우수한 것을 확인하였으며, TVC 강도와 분사량에 따른 영향을 확인하기 위하여 Table 2와 같이 시험을 수행하였다.
Table 2.
Test condition according to injected mass.
Figs. 12와 13은 약한 TVC 조건에서 분사구 5 위치에서 분사량을 달리하며 관찰한 결과이다. Cq가 0.01일 때 소음 저감 효과는 없지만 Cq 0.02부터 800 Hz 이후부터 8 dB 이상의 소음 저감 효과가 있는 것을 확인 할 수 있으며 분사량이 일정 수준을 넘어가면 광대역에서 소음 저감 효과를 보이며 그 크기가 일정 레벨에서 수렴하는 결과를 확인 할 수 있다. Fig. 13에서 캐비테이션 강도변화를 비교하면 질량 분사 전보다 질량 분사 후의 캐비테이션 크기가 작아진 것을 확인 할 수 있다.
Figs. 14와 15는 강한 TVC일 때 분사구 5에서 질량 분사량을 달리한 결과이다. Fig. 15에서 질량 분사로 인한 TVC가 줄어드는 것을 확인 할 수 있는데 Fig. 14의 소음 결과에서는 800 Hz 이상의 주파수 대역에서 오히려 소음이 증가한 결과를 확인 할 수 있다. 사진으로 확인하기 어렵지만, 질량 분사가 이루어지면서 TVC의 거동이 불안정해졌고, 일시적으로 날개 끝 캐비테이션의 일부가 억제 되었다가 날개 끝에 다시 부착되는 현상이 반복되었는데 이러한 이유로 질량 분사로 인한 소음이 증가한 결과를 초래한 것으로 보인다.
다음은 복수의 분사구에서 동시에 질량 분사가 이루어 졌을 때의 영향을 확인하기 위한 시험을 수행하였다. 앞서 질량 분사 효과가 좋았던 분사구 5를 기준으로 Table 3과 같이 3가지 분사구 조합 조건에 대한 시험을 수행하였다.
Table 3.
Test condition according to mass injection hole combination.
Fig. 16은 분사구 1과 5에서 질량 분사를 하였을 때, Fig. 17은 분사구 4와 5일 때, Fig. 18은 분사구 5와 6일 때 질량 분사량에 따른 결과이며 Figs. 19와 20은 Cq 0.08일 때 각 분사량에 따른 결과를 종합 한 결과이다. 질량 분사량이 증가함에 따라 소음 저감 효과가 있는 것을 확인 할 수 있으며 분사구 4와 5에서 질량을 분사하였을 때 그 효과가 가장 미비하며 분사구 5와 6에서 질량 분사를 하였을 때 소음 저감 효과가 큰 것을 확인 할 수 있다.
Figs. 21과 22는 강한 TVC 조건에서 Cq 0.08일 때 분사구 조합에 대한 시험 결과이다. 1,250 Hz 이후 주파수 대역에서 질량 분사에 따른 소음이 크게 증가하는 것을 확인 할 수 있으며, 이것은 앞서 설명했던 것과 같이 캐비테이션 불안정 현상에 의한 소음 증가로 볼 수 있다. 분사구 5와 6에서 질량 분사를 한 결과에서 500 Hz ~ 1,000 Hz 대역에서 소음 수준이 다소 감소한 것으로 보여지는데, 강한 TVC 조건에서 질량 분사가 반드시 부정적인 결과를 초래하지 않고 분사구 위치 및 조합에 따라 소음 저감 성능 있는 것으로 보인다.
IV. 결 론
본 논문에서는 TVC 제어를 위하여 3차원 수중익을 이용하여 날개 끝에서 질량을 분사 시킬 수 있는 시스템을 구축하였고, 분사구 위치와 분사량에 따른 TVC 거동 변화 및 소음 저감 효과에 대한 모형시험을 수행하였다.
분사구 11개의 위치에 따라 TVC 억제와 소음 저감 성능을 보임을 확인하였고 이중 수중익 끝단의 중심 부근에 있는 분사구 5에서 질량 분사 시 그 성능이 우수함을 확인하였다. 약한 TVC 조건에서 질량 분사량에 증가함에 따라 TVC 억제 및 소음 저감 성능이 향상 되는 것을 확인하였으며 강한 TVC 조건에서 질량 분사로 인해 TVC가 불안정해지면서 오히려 광대역 소음이 증가하는 경향을 확인하였다. 복수의 분사구에서 질량을 분사했을 때의 성능을 확인하기 위하여 총 3가지 조건에 대한 시험을 수행하였고, 그 결과 약한 TVC 조건에서 분사구 5와 6의 조합에서 TVC 억제와 소음 저감 효과가 상당히 큰 것을 확인 할 수 있었으며 강한 TVC 조건에서는 앞서 보았던 결과와 마찬가지로 질량 분사에 따른 TVC 불안정 현상으로 인하여 광대역 소음이 증가한 것을 확인하였다.
질량 분사를 통한 TVC 제어 및 소음 저감 성능을 확보하기 위하여 발생한 캐비테이션 강도에 따라 질량 분사 여부 및 분사량을 제어 할 필요가 있으며 효과적인 제어를 위해서는 최적의 질량 분사 위치 선정이 필요함을 확인하였다.
날개 끝 질량 분사를 통하여 TVC 억제와 소음 저감 성능이 가능함을 확인하였으며 이 기술을 추진기에 적용하기 위해서 TVC 강도의 크기에 따른 질량 분사량 및 분사 위치의 최적화가 필요 할 것으로 생각된다. 향후 본 연구를 기반으로 모형 추진기에서 발생하는 TVC 제어 및 소음 저감을 위한 질량 분사 시스템을 개발하는데 활용할 수 있을 것으로 생각되며 궁극적으로 선박 수중방사소음을 저감 할 수 있는 효과적인 제어기법을 도출 할 수 있을 것으로 기대된다.
