수중익(Hydrofoil)에서의 공동 현상(Cavitation)

1. 서론

비행기는 시끄럽다. 아마 비행기가 이륙할 때 나는 소리를 들어본 모두는 이 사실을 공감할 것이다.

우리 주변에서도 친구가 코를 고는 소리를 비행기 엔진 소리에 비유(!)하기도 하기도 한다.

강력한 소음을 자랑하는 이 존재는 말도 안되게 빠르다는 이유로 우리의 고막을 자랑스럽게 자극하고 있다.

그러나 비행기와 소음을 가지고도 별 쓸모가 없어 보이는 대단한 녀석이 있다. 그 녀석의 이름은 바로..

수중익선이라는 이상한 놈이다.

Logicae 글쓰기 칸에서도 빨간 밑줄이 그어지는 무지막지한 인지도를 가진 이 녀석은 분수에 맞지 않게도 비행기 이륙과 맞먹는 소음을 자랑한다.

이 녀석이 더 재수 없는 건 비행기 최고 속력의 8 분의 1조차 낼 수 없으면서 무지막지한 목소리를 뽐낸다는 데에 있다.

이 자식이 이런 말도 안되는 능력 대비 소음을 보여줄 수 있는 이유가 뭘까?

용의자 1: 육중한 몸매: 수중익선을 딱 보면 굉장히 뚱뚱해 보인다. 이런 육중한 몸을 감당하기 위해 엄청난 소음을 발산하는 높은 출력의 엔진이 요구될 것 같아 보인다.

그러나 아무리 성능이 좋고 호화스러운 타이타닉급 수중익선도 비행기 발끝도 못 따라간다.

이 녀석은 아무래도 범인이 아닌 것 같다.

용의자 2: 물: 아무래도 이녀석이 범인인 것 같다.

수중익선 아래로 잘개 부서지는 하얀 거품들이 보이는가?

선체 아래에서 파도들이 실시간으로 날개에 탭댄스를 추고 있는데 소음이 안나는 것이 더 이상할 것 같다.

근데 공기나 물이나 같은 유체인데 왜 바람은 비행기 위에서 탭댄스를 추지 않고 조용히 지나가는 것일까?

2. 공동 현상 (Cavitation)

힌트는 바로 하얀 거품들에 있다.

공기와 다르게 물은 수증기로 기화할 수 있으므로 기포가 발생한다. 생성된 기포가 터지면서 소음이 발생하게 된다.

중학교 시절 배운 삼중점이 기억이 나는가? 압력이 커진다면 물은 기화하게 된다.

유체와 날개와 열심히 충돌하면서 작은 기포가 생성되게 되는데, 이를 핵생성(Nucleation)이라고 한다.

핵이라고 불리는 것을 보니 더 커질 거라는 걸 어렴풋이 알 수 있다.

생성된 기포는 압력이 낮은 구간에서 성장한다. (이상 기체 상태 방정식 알죠?)

이를 기포의 성장(Growth)이라 말한다.

유체에 흐름에 따라 흐르다 보면 기포가 붕괴(Collapse)하게 되는데 이때 소음이 발생한다.

3. Cavitation Number

Cavitation Number이란 공동 현상이 얼마나 심하게 일어나는지 알려주는 척도이다.(작아질수록 심각해진다)

보면 알 수 있듯이 유체의 정압과 증기 압력의 차이가 커지면 공동 현상이 잘 안 일어난다.

이는 두 압력의 차이가 클수록 증기압에 도달하기 힘들어 기포가 생성되고 성장하여 붕괴할 환경이 만들어지지 않기 때문이다.

Cavitation은 모양에 따라 다양한 이름으로 불린다.

사진에 나온 sheet, cloud cavitation처럼 모양으로, incipient cavitation처럼 진행 단계에 따라서, super cavtation처럼 심각성에 따라 이름 붙여진다.

그러나, 위 Cavitation Number이 각 cavitation이 일어나는 절대적인 척도는 아니다. 날개의 종류 등 다양한 요인에 따라 발생 지점이 바뀔 수 있다.

4. 결론

Cavitation은 수중 소음의 대부분을 차지하는 원인으로써 잠수함과 어뢰를 상대에게 들키면 안되는 방산 분야에서 관심이 많은 분야이다.

유체 역학을 좋아하거나 어뢰, 잠수함에 관심이 많은 분들은 Cavitation Noise를 연구해 방산 쪽에 취업하는 것도 나쁘지 않은 선택지일 것이다.

만약 글쓴이가 충격적이고 이상한 말을 하고 있는 것 같다면 25-040@ksa.hs.kr로 연락 해주면 신속히 수정하겠다.

다음 글은 Ansys Fluent를 이용한 Cavitation 시뮬레이션으로 돌아오겠다.

짧은 글이라 읽기 쉬웠겠지만, 그래도 지루한 글 읽어줘서 감사하다.

시작부터 반말로 써 상당히 예의 없는 말투가 되어버려 당황스러우나 너무 많이 작성을 해버렸다.

다음부터는 존댓말로 정중히 찾아오겠다.