공력소음이란?
공력소음은 물체가 공기 중에서 움직이면 반드시 공기를 진동시켜서 소리를 발생시킨다는 음의 기본원리에 의해 발생하는 소음으로써 항공기의 엔진을 정지시킨 상태에서 비행을 하더라도 소리가 나는 것을 피할 수 없으며 이것을 공기역학적 소음이라고 부른다.
따라서 항공기가 공중을 비행할 때 날개의 끝부분이나 Flap 주변 혹은 바퀴 등의 돌출부가 바람을 갈라 기류에 혼란을 일으키면서 난기류를 발생시키는 데 이 때 공기의 저항으로 인해 소음이 발생한다. 이 소음은 엔진으로부터 나오는 제트 소음에 비하면 아주 낮지만 비행속도가 빨라지게 되면 상당한 공기역학적 소음을 발생시키게 된다.
공력소음의 연구 분야
1) 자동차 냉각 팬 소음
팬 설계의 목적은 공기 역학적 성능을 극대화하면서 소음 수준은 낮추는 것이다. 따라서 최적화의 목적 함수는 팬 효율과 소음 수준, 두 변수로 이루어지며 이들 사이의 가중치를 통하여 적절한 설계점을 정한다. 이때 공기역학 및 공력소음해석에 관련된 모듈들은 서로 유기적이며 구조적으로 연결되어야 한다. 소음에 대한 예측은 후류 패널법으로 유동장을 계산한 다음 Lighthill의 음향 상사법을 이용하여 구한다.
2) 헬리콥터 소음
헬리콥터 로터에 의해 발생하는 소음에는 크게 단극자(monopole) 타입의 두께 소음과 쌍극자(dipole) 타입의 하중 소음이 있다. 두께소음은 회전 유체의 질량 변동에 의해 발생하며, 하중소음은 와류와 블레이드의 간섭과 같이 로터의 표면형상에 관계한다. 아래 그림은 이러한 헬리콥터 소음의 HSI소음을 계산한 결과이다.
3) HRSG소음
HRSG(Heat Recovery System Generator)는 발전소 설비에 사용되며, 그 소음예측에는 매우 구조적인 접근법이 요구된다. 일반적인 HRSG는 다섯 개의 단으로 구성된다. 가스터빈에 의해 발생된 소음은 벽면, 튜브 단, 90도 회전부, 소음기 등 많은 성분들에 의해 산란된다. 따라서 이러한 모든 구조가 모두 고려되어야 한다.
4) 고속철도 소음
고속철도가 터널부를 통과하면서 발생하는 소음은 크게 두 부분으로 나눌 수 있다. 이들은 입구에서의 강한 압축파와 출구에서의 미세 압력 파는 일반적인 CFD코드로 계산할 수 있다. 그러나 크기가 작은 음향파들은 수치적인 소산으로 인하여 계산하기 힘드므로 CFD-Kirchhoff연합법을 사용한다. 즉, 근장에서 적정한 Kirchhoff표면을 설정하여 그 위에서 압력값을 면적 적분하여 원장에서의 압력 변동을 예측한다.
5) 유체기계소음
유체기계유동은 여러 가지 물리 현상들이 혼재되어 있기 때문에 매우 복잡한 문제에 속한다. 주요한 소음 파라미터로는 난류 소음, 임펠러와 디퓨저 베인 사이의 간섭 소음, 임펠러 입구에서의 와동 소음, 그리고 컷 오프에서의 소음 등을 들 수 있다. 난류 효과까지 고려하기 위해서는 Navier-Stokes방정식에 적정한 난류 모델을 사용하여 유동장을 계산해야 한다. 계산된 유동을 통하여 소음 성분들을 예측한다.
6) 수중 추진기 소음
잠수함의 겉 덮개가 있는 팬의 해석은 고전 공력음향학의 많은 도구들을 사용하여 이루어졌다. 유동 데이터를 얻는 데에는 패널법이, 덮개 안에 음향원(Sound
Source)을 배치하는 데는 음향 상사법이, 그리고 원장에서의 음향파 전파 예측에는 경계요소법을 사용한다.
