공동현상에 대해 알아보자.

오늘은 유체역학에서 공동현상에 관하여 알아보자.
공동현상 또는 캐비테이션(cavitation)은 유체의 속도에 의한 압력변화로, 유체 내에서 공동이 생기는 현상을 말한다.

공동현상은 빠른 속도로 액체가 운동하고 있을 때, 액체의 압력이 증기압 이하로 낮아져서 액체 내에 기포가 발생하는 현상을 뜻한다. 기포가 벽에 부딪히면 소음이나 부식 등이 나타나므로 공동현상을 최대한 피하도록 설계하는 것이 중요하다. 공동현상이란 문자 그대로 이해하면 물속에 빈공간(공동, cavity)이 생긴다는 뜻이다. 이렇게 부르는 것은 물과 수증기의 밀도의 비가 약 1000:1인 것을 감안할 때 공동의 내부는 역학적 관점에서 상대적으로 빈곳이라고 부를 수 있기 때문이다. 

프로펠러를 예를 들어 설명하면, 압력이 낮아지면서 공기 방울이 생기면서 프로펠러 표면에 충격을 준다. 
프로펠러의 날개는 2차원 날개 단면이 연속적으로 분포되어 형성된다. 불균일한 선미 반류 중에서 작동하는 각각의 날개단면은 날개가 프로펠러축 주위로 회전함에 따라 받음각의 크기가 연속적으로 변하는 유동을 맞게 된다. 따라서 날개단면의 위치에 따라 서로 다른 공동현상이 발생한다. 공동현상은 그 발생 부위에 따라 그 거동이 프로펠러의 성능에 미치는 영향이 상이하므로 각기 다른 이름이 붙여져 있다. 
더욱 자세히 살펴보면, 공동은 유체의 속도가 빨라지면 관내의 압력이 낮아지고 유체의 압력이 포화 수증기압 이하로 낮아져, 액체가 기체로 바뀌기 때문에 발생한다. 이 현상은 관내 유로의 직경이 바뀌는 노즐에서 실험적으로 쉽게 확인할 수 있다. 그런데 유체의 속도가 갑자기 빨라져서 발생한 기포가 다시 유체의 압력이 포화수증기압보다 높아질 경우에는 급격히 액체로 변하게 되는데, 그로 인해 높아진 압력에 의해 배의 프로펠러나 펌프의 임펠러 등에 충격을 주며 소음과 진동 및 마모 현상을 발생시킨다. 이러한 현상을 캐비테이션 부식(Cavitation Corrosion) 또는 캐비테이션 손상(Cavitation damage)이라고도 한다.

얇은 층 공동현상
그리 크지 않은 받음각으로 작동하는 날개의 뒷면에 생성되는 음의 압력 때문에 날개 앞날에서부터 시작하여 얇은 층 형상으로 발생하는 공동현상을 말한다. 이런 종류의 공동현상은 대체로 안정적이나 공동체적인 변화가 선체 진동의 주요 원인이 된다.

2차원 수중익의 공동현상
공동현상은 날개 단면의 형상과 밀접한 관계가 있으며, 또 날개 요소의 어느 부분에 공동이 발생하는가 하는 것은 받음각의 크기에 의해서 결정된다. 받음각이 양의 값을 갖고 비교적 큰 경우에는 날개 형상과 무관하게 뒷면의 앞날부에 공동이 발생하며, 받음각이 0º 근처인 경우는 뒷면의 날개두께가 최대인 위치에서부터 또는 뒷날 부근에서 공동이 발생하지만, 받음각이 음의 값을 갖는 경우에는 앞면의 앞날 부근에서부터 공동이 발생한다. 날개 요소의 단면 형상만 가지고 비교하면, 날개단면의 경우는 주로 앞날 부근에서 공동이 관찰되지만, 원효형 단면인 경우에는 날개 코드의 중앙 부근에서 공동이 쉽게 발생함을 볼 수 있다.

앞면 공동현상
받음각이 비교적 작거나 음의 값을 가질 때, 날개 앞면 앞날 근처에 공동현상이 발생할 수 있다. 이러한 종류의 공동현상은 프로펠러의 허브 가까운 날개단면에서 많이 관찰되며, 프로펠러 날개가 6시 방향 위치에 있을 때 날개 끝부분에서 발생할 수 있다. 이러한 종류의 공동현상은 매우 불안정하여 날개 침식의 주요 원인이 되기도 한다.

기포형 공동현상
고속 프로펠러의 경우 프로펠러 날개의 두께가 비교적 두껍고, 받음각이 작은 경우에 날개의 최대두께 위치 근처에서 기포 형태의 공동현상이 발생한다. 이러한 공동현상은 매우 불안정하기 때문에 프로펠러의 성능 저하와 날개 표면의 침식 등 손상의 원인이 된다. 이러한 공동현상이 공동시험 과정에서 관찰되면 반드시 회피하도록 프로펠러를 다시 설계해야 한다.