공동(cavitation) 현상은 국부적인 압력 강하로 인한 기화 현상을 의미한다. 공동은 생성(inception)과 소멸(deception)을 반복하는 과정에서 기계 부품의 소음과 부식에 원인이 되는 경우가 대부분이다. 따라서, 일반적인 기계공학 분야에서는 공동 현상은 피하고 제거해야 하는 물리적 현상이다. 특히 조선·해양 분야에서 공동 현상은 프로펠러 등의 손상을 발생시킬 수 있는 주요 원인 중 하나이다. 이는 성능 저하는 물론이고, 사고의 위험 까지도 있어 반드시 제거하고 해결해야 하는 과제이다. 하지만 최근에는 공동이 가지는 이점을 활용한 연구가 진행되고 있는데, 그 중 수중에서 공동이 가지는 밀도 차이에 의한 항력저감(drag reduction) 기법이 대표적이다. 수중 매질과 공동의 밀도 차이는 이론적으로 약 1,000배의 차이가 발생하기 때문에 수중에서의 운동체가 완전한 공동으로 둘러 진다면 운동체가 받는 저항은 급격하게 감소하게 된다. 이러한 현상을 초공동(supercavitation)이라 한다.초공동을 달성하기 위해서는 크게 두 가지 방법이 있다. 첫번째 방법은 물체 또는 주위 속도를 증가시키거나, 주위 압력을 낮추는 방법이다. 이를 자연 초공동(natural supercavitation) 방법이라고 한다. 두번째 방법은 인위적으로 공동 또는 가스(gas)를 분사하는 방법으로 분사 초공동(ventilated supercavitation) 방법이라고 한다. 본 연구에서는 이러한 두 가지 방법에 의한 부분공동(partial cavitation)과 초공동 해석을 수행하였다.
다상(multi-phase)유동 해석을 위해서 Navier-Stokes 방정식 기반의 균일혼상류(homogeneous mixture)모델을 사용하였다. 구성하는 혼상류는 3상으로 액상(liquid), 기상(vapor)과 비응축가스(non-condensable gas)이다. 균일혼상류 모델의 경우 액상과 기상 그리고 혼상(mixture)에서 음속 차이가 매우 크다. 이를 모두 고려한 완전한 공동 유동 해석을 위해서는 비압축성 뿐 아니라, 높은 마하수 해석이 가능한 압축성 효과를 고려한 전산해석이 필요하다. 이를 위해서 본 연구에서는 자코비안(Jacobian) 행렬을 이용하여 안정성(stability)를 확보 하였다. 하지만 이 경우 수렴성이 저하 될 수 있기 때문에, 이를 해결하기 위한 수렴가속화 기법으로 예조건화(pre-conditioning) 기법을 적용하게 된다. 수렴가속화는 시간에 대한 정확성이 떨어질 가능성이 있어 이를 다시 의사시간(pseudo time)항을 이용한 이중시간(dual time stepping)기법으로 보완 하였다. 난류모델의 경우 일반적인 k-ε모델의 과도 점성항을 개선한 filter based k-ε모델을 사용하였다.
해석프로그램이 공동을 포함하는 다상유동 해석에 적합한지에 대한 연구를 선행하였다. 격자 민감도 테스트에 의해 벽면 인근 격자(y+) 크기를 규정하고 적용하였으며, 부분 자연공동 해석에 있어서 실험 및 타 연구자의 연구결과와 비교 하였다. 부분공동 형상 및 표면압력분포를 통해서 해석프로그램이 공동 현상을 잘 예측하는 것을 확인 하였다. 공동 터널에서의 분사공동에대해 실험과 해석의 검증을 수행하였다. 실험 스케일의 분사공동 실험 특징인 부력현상에 의한 공동 후미부가 상승하는 공동 비대칭 현상을 잘 예측하였다. 또한, 분사에 따른 항력변화를 비교적 잘 예측하였다. 초고속 수중운동체의 경우 공동에 의한 항력저감 효과를 압력저항과 점성저항으로 나누어서 확인 하였다. 수중운동체가 고속 또는 분사공동에 의해서 초공동을 달성하게 된다면, 점성저항이 크게 줄어들어서 전체 항력이 감소한다. 하지만, 이처럼 급격한 저감은 속도 증가 관점에서는 큰 이점이 있지만, 반대로 초공동이 안정적으로 형성되지 않는다면 운동체의 불안정성을 증가시킬 수 있는 요인이 된다. 따라서 공동의 비대칭 혹은 안정성에 영향을 주는 요소에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 받음각과 분사공동의 조건에 따른 영향성을 전산해석을 통해서 분석 하였다. 본 연구에서는 받음각 변화에 따른 공동 비대칭 영향을 실험 형상에 대해서 저속에서의 영향성을 확인 하였으며, 각도가 증가 함에 따라서 부력영향에 의한 공동 비대칭이 상쇄되는 것을 확인 하였다. 실제 형상에 대한 받음각 해석에서는 공동의 회복이 형상적 특징에 기인한다는 것을 확인 하였다. 서로 다른 분사 속도 조건을 통해서 분사초공동에서 발생하는 공동 경계면과 내부의 불안정성에 대한 전산해석을 수행하였다. 불안정성 원인에 대한 분석과 불안정성의 발달, 회복, 그리고 재발달의 주기에 대한 분석을 수행하였다.