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본 연구의 목적은 moonpool을 가지는 모델에 대하여 moonpool 폭과 그 내부에 부착되는 device의 형태와 위치의 변화에 따라서 어떠한 운동응답을 보이는지에 대한 실험과 계산을 비교해 보고 위와 같은 조건에서 moonpool 내부 유동의 특성을 파악하는데 있다. 그리고 이러한 내부 유동의 특성을 파악하는데 있어 PIV 기법과 영상 분석을 이용하여 실제 유동의 속도장을 구체적으로 나타낼 수가 있었다.
이와 같은 실험과 계산 그리고 영상 ...

본 연구의 목적은 moonpool을 가지는 모델에 대하여 moonpool 폭과 그 내부에 부착되는 device의 형태와 위치의 변화에 따라서 어떠한 운동응답을 보이는지에 대한 실험과 계산을 비교해 보고 위와 같은 조건에서 moonpool 내부 유동의 특성을 파악하는데 있다. 그리고 이러한 내부 유동의 특성을 파악하는데 있어 PIV 기법과 영상 분석을 이용하여 실제 유동의 속도장을 구체적으로 나타낼 수가 있었다.
이와 같은 실험과 계산 그리고 영상 분석 기법을 이용한 해석을 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
(1) 2차원 조파수조에서 수행한 각 모델에 대한 측정된 운동 값은 moonpool 폭의 변화에 큰 영향을 받지 않음을 알 수 있었다.
(2) 파주파수가 1.0Hz 미만의 파에 대해서는 각 종류별 device 부착 유무가 운동에 별다른 영향이 없었다. 그러나 그 이상의 주파수를 가진 파에 대해서는 device의 차이가 운동에 큰 영향을 끼침을 알 수가 있었다.
(3) Device의 길이가 15mm인 경우에는 device가 없는 경우에 비해서 오히려 roll 운동하였다. 그러나 device의 길이가 30mm인 경우에는 roll 운동을 감소시키는 효과가 있음을 확인하였다.
(4) Hydrostar를 사용한 각 모델들의 heave 운동은 moonpool의 폭에 큰 변화를 보이지 않았고 이것은 실험 결과와 일치하는 경향이다. 그러나 roll 운동은 moonpool 폭이 커짐에 따라 maximum roll amplitude가 크게 감소하는 경향을 보였고 이것은 수치해석 결과에서는 볼 수 없는 결과이다. 그리고 device가 길이가 3m 이고 moonpool 입구 바닥으로 평행하게 0, 4, 8m 위치에 부착되었을 때 가장 큰 운동감소 효과를 나타내었다. 이것은 device 길이에 따른 roll 운동의 실험 결과와 비슷하다. 하지만 실험 결과 값은 고주파수 영역에서만 계산결과와 같은 운동감소 효과를 보였다. 그중에서 8m 위치에 부착된 경우는 다른 운동 결과와는 특별히 작은 운동을 나타내는 특이한 계산 결과를 보여주었다.
(5) 실험결과와 수치계산의 결과가 서로 유사한 경향을 보이지 않음은 실험은 2차원 형상으로 수행하였고 sway motion이 고정되었으며 수치계산은 3차원 형상으로 연성된 6자유도 운동응답을 계산한 차이가 어느 정도 반영된 결과로 생각된다. 모델과 실선의 scale이 1/100로서 실선에 대해서 계산한 수치 계산의 경향을 모델과의 직접 비교하는 것도 불일치의 원인으로 생각된다. 그리고 수치계산에서는 roll damping 계수를 일정한 값으로 고정하여 계산을 수행하였는데 이것이 실험 결과와의 불일치를 초래하였다고 생각되며 수치계산에서 roll damping 값 선정의 중요성을 보여주는 좋은 사례라고 생각된다.
(6) PIV 기법을 통한 moonpool 내부 유동 변화를 관찰 한 결과 device를 부착했을 시 moonpool 입구에서 내부로 유동이 유입될 때 입구 쪽의 모서리 부근에서 와류가 생겼다. 이렇게 발생한 와류가 moonpool 내부 벽면을 따라 상승하는 유동특징을 보였다. Device의 부착에 따른 종류, 부착 높이, 길이에 따라 생성되는 와류의 궤적과 특성 그리고 내부 회전유동과 와류 발생에 차이를 보였다. Device의 길이가 길수록 생성되는 와류의 크기도 커지고 이렇게 생성된 와류가 moonpool 내부 벽면에 닿기 전에 두 와류가 만나 소멸되면서 벽면을 따라 상승하는 운동에너지를 감소시켰다. 하지만 device가 자유수면과 닿은 모델은 device와 상판의 공간이 좁아 생성된 와류가 device 상부의 벽과 모델의 상판을 강하게 충격한다.
(7) 초고속 카메라를 사용하여 PIV 실험과 같은 파의 조건으로 영상 획득을 하였고 이 결과로부터 내부 유동의 높이 변화를 측정한 결과 device 길이가 30mm일 때 내부유동이 가장 많이 억제되었고 moonpool 입구 바닥에서 45˚ 각도로 부착된 B_45, 입구 바닥에 평행하게 부착된 B_0, 입구 바닥에서 40mm 높이에 평행하게 부착된 B_4, 80mm 높이에 평행하게 부착된 B_8 의 경우가 내부유동을 억제하는데 효과가 있었고, 이중 입구 바닥에서 40mm 높이에 평행하게 부착된 모델이 가장 높은 감소 경향을 보였다.
(8) PIV 실험에서 내부유동의 특성을 관찰하여 운동해석 결과와 비교한 결과 device 부착에 따른 내부 유동의 억제와 운동 증감은 상호 관련이 있으나 PIV 실험 시 모델의 운동을 모두 구속하였고 moonpool 내부 영역만 측정영역으로 잡아 모델 양 끝단의 유동 특성을 고려하지 못했기 때문에 본 연구에서 device 부착에 따른 내부 유동 특성을 운동 해석에 전부 확장시켜 해석하지 못하였다. 하지만 device 길이 변화와 부착 위치에 대한 운동은 구속된 모델과 그렇지 않은 모델이 같이 감소되는 경향을 보여주었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The offshore structures need openings from bottom to the deck which are so called moonpools. The size of the moonpool reaches up to 30% to 40% of the breadth of the structures. Therefore its effect on the motion of the structures can be very influential. This study presents an experimental and numer...

The offshore structures need openings from bottom to the deck which are so called moonpools. The size of the moonpool reaches up to 30% to 40% of the breadth of the structures. Therefore its effect on the motion of the structures can be very influential. This study presents an experimental and numerical investigation on the effect of moonpool to the motion of the structures. Three different models whose breadths vary were tested with 6 different appendages. These appendages were attached to restrict the violent flow inside of the moonpool. The motion of the models were measured for 18 different incident waves. The frequency of the wave varied from 0.3Hz to 1.4Hz. Heave and roll motion of the model were considered. The PIV (particle image velocimetry) measurement were done. The flow field was also measured with high speed camera. The numerical calculation of the motion of the models were done using commercial software Hydrostar.
The difference in the breadths was a insignificant parameter on ship motion. The appendages also were not efficient devices as motion controller. However, the longer the appendages the smaller the motion of the model. Even if the experimental results indicated that the appendages are not efficient motion controller, the numerical results calculated from Hydrostar revealed that it can make differences in the motion of the models. The PIV results and video analysis are also presented in this study. It an be concluded that the small scale experiment may not give complete information abut the effect of moonpool investigation due to the scale effect.