Effects and Mechanisms of Blade Perforation on the Cavitating Flow and Induced Noise of a Symmetric Propeller
본 연구는 수치 시뮬레이션을 활용하여 대칭형 프로펠러의 블레이드 천공이 공동(cavity) 발달을 방해하는 안정화된 제트 형성을 통해 공동 부피를 효과적으로 억제하고 원격장 복사 소음을 17 dB 감소시킨다는 것을 입증하였으며, 이는 추진 효율의 11.8% 감소를 대가로 한다.
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심해에서 침묵은 일종의 갑옷이다. 잠수함과 수중 이동 수단에게 있어, 소리 없이 움직이는 능력은 움직일 수 있는 능력만큼이나 중요하다. 이러한 선박에서 발생하는 원치 않는 소리의 주요 원인은 선박을 앞으로 밀어주는 회전 장치인 프로펠러다. 프로펠러 날개가 물을 가르고 지나갈 때, 극도로 낮은 압력 구역이 생성된다. 압력이 너무 낮아지면 물 자체가 끓기 시작하여, 온도가 차가운 상태임에도 불구하고 미세한 증기 기포로 변하게 된다. 이 현상을 공동 현상(cavitation)이라고 부른다. 이 기포들은 불안정하다. 이들은 급격히 커졌다가 격렬하게 붕괴하며, 소음으로서 물을 통해 전달되는 충격파를 만들어내고 결국 프로펠러의 금속을 진동시키고 마모시킨다. 엔지니어들에게 있어 오랫동안 과제였던 것은, 선박을 움직이는 데 필요한 동력을 희생하지 않으면서 어떻게 이 끓는 현상과 그로 인한 소음을 막을 것인가 하는 점이었다.
화중과기대학교와 중국 해군공학대학교의 연구진은 이 복잡한 문제에 대해 놀라울 정도로 단순한 해결책을 탐구했다. 바로 프로펠러 날개에 구멍을 뚫는 것이다. 날개 전체의 모양을 바꾸거나 복잡한 가동 부품을 추가하는 대신, 그들은 금속에 작은 영구적인 구멍을 뚫어 날개의 고압 측과 저압 측을 연결했을 때 어떤 일이 일어나는지 조사했다. 물과 증기의 혼란스러운 거동을 모사하는 강력한 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여, 그들은 구멍의 크기, 개수, 그리고 위치를 다양하게 테스트했다. 그들의 연구는 이 단순한 수정이 기포의 형성과 그로 인한 소음을 획기적으로 줄일 수 있음을 보여주었지만, 프로펠러의 효율성에는 약간의 비용이 따른다는 점도 밝혀냈다.
연구진은 수중 이동 수단의 흔한 설계인 표준 3엽 프로펠러에 집중했다. 그들은 고급 수학을 사용하여 물이 증기로 변하고 다시 물로 돌아가는 과정을 추적하며, 프로펠러와 그 주변을 흐르는 물에 대한 정밀한 디지털 모델을 구축했다. 컴퓨터 모델의 정확성을 보장하기 위해, 그들은 먼저 수조 실험 결과와 비교하여 시뮬레이션이 프로펠러가 생성하는 추력과 소음의 양을 정확히 예측할 수 있는지 확인했다. 모델 검증이 완료된 후, 그들은 각기 다른 구멍 패턴을 가진 9가지 버전의 프로펠러를 테스트했다. 그들은 구멍의 직경, 각 날개당 구멍의 개수, 그리고 날개의 어느 지점에 구멍을 배치할지를 변화시켰다.
테스트 결과는 놀라웠다. 연구진은 구멍의 크기와 전체 구멍의 개수가 증기 생성을 제어하는 데 가장 결정적인 요소라는 것을 발견했다. 그들이 최적의 설계라고 식별한 특정 구성은 표준적인 통짜 날개와 비교했을 때 증기 기포의 총 부피를 거의 88% 감소시켰다. 이 엄청난 기포 감소는 곧 프로펠러의 정숙성으로 직결되었다. 물로 방출되는 총 소음은 약 17데시벨 감소했는데, 이는 선박을 탐지하기 훨씬 어렵게 만드는 유의미한 수치였다. 그러나 이러한 개선에는 공짜가 없었다. 구멍이 뚫린 프로펠러는 회전하는 데 약간 더 많은 동력을 필요로 했으며, 그 동력을 전진 운동으로 전환하는 전체적인 효율성은 약 12% 감소했다. 연구는 구멍이 물의 흐름 방식을 변화시켜 약간의 항력을 유발함으로써 성공적으로 물을 끓게 하고 그에 따른 소음을 억제하지만, 이 과정에서 효율을 희생한다는 결론을 내렸다.
왜 구멍이 효과가 있었는지 이해하기 위해, 연구진은 컴퓨터 시뮬레이션 내부의 보이지 않는 흐름을 면밀히 살펴보았다. 일반적인 프로펠러에서는 날개의 뒷면(흡입 측)의 압력이 매우 낮아, 물이 끓어 큰 기포 시트를 형성한다. 구멍은 브리지 역할을 하여, 날개 앞면의 고압의 물이 뒷면으로 빠르게 흘러 들어가게 한다. 이는 구멍을 통해 저압 측으로 뿜어져 나오는 일정하고 집중된 물의 제트(jet)를 생성한다. 이 제트는 기포가 정상적으로 형성될 위치를 타격하여, 압력을 충분히 높임으로써 물이 끓는 것을 막는다. 또한, 이 물의 제트는 날개 위에 형성되는 크고 연속적인 기포 시트를 잘게 부수어, 소음이 큰 충격파를 만드는 대신 조용하게 붕괴되는 더 작은 파편들로 쪼개 놓는다.
연구는 또한 이러한 변화가 프로펠러를 진동시키는 압력 변동에 어떤 영향을 미치는지 조사했다. 구멍이 없는 프로펠러에서는 기포가 형성되고 붕괴함에 따라 날개 표면의 압력이 격렬하게 요동치며 리드미컬한 타격력을 만들어낸다. 구멍이 있으면 이러한 격렬한 요동이 완화된다. 날개의 압력이 더 안정적이 되므로, 이는 진동과 물을 통해 전달되는 소음의 감소를 의미한다. 연구진은 구멍이 날개의 중간 부분에서 가장 큰 효과를 보였지만, 물의 복잡한 소용돌이인 팁 와류(tip vortex)가 제트를 방해하는 끝부분 근처에서의 효과는 다소 달랐다고 언급했다. 그럼에도 불구하고, 소음과 진동의 전반적인 감소는 매우 뚜렷했다.
이 연구 결과는 엔지니어가 관리해야 할 명확한 트레이드오프(trade-off)를 제시한다. 구멍이 뚫린 프로펠러는 모든 문제를 대가 없이 해결하는 완벽한 해결책은 아니다. 그것은 정숙성과 진동 감소라는 거대한 이점을 얻기 위해 추진력의 일부를 희생한다. 연구진은 단순히 아무 곳에나 구멍을 뚫는 것이 아니라, 정숙한 운항의 필요성과 효율적인 이동의 필요성 사이의 균형을 맞추기 위해 구멍의 크기와 개수를 신중하게 선택하는 것이 최선의 접근법이라고 제안한다. 이들은 작은 개구부를 통해 물이 정확히 어떻게 흐르는지 이해함으로써, 설계자들이 기존의 추진 시스템을 완전히 재설계하지 않고도 훨씬 더 정숙한 프로펠러를 만들 수 있다고 말한다. 이 작업은 때때로 강력한 유체를 제어하는 가장 효과적인 방법이 그것을 막는 것이 아니라, 통과하게 두는 것임을 보여준다.
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