<국문초록> 현재 대부분의 조선소에서는 새로운 선박을 설계할 경우 대상선형의 저항성능 추정과정에 모형시험과 잘 일치하는 결과를 주는 전산유체역학을 활발히 활용하고 있다. 그러나 현재 조선소에서 활용되어지고 있는 전산유체역학 S/W는 다양하며, 선체 주위의 유동특성과 저항성능 추정이 모형 스케일에 국한되어 있는 실정이다. 또한, 대형 상선에 대한 전산유체역학의 활용한 활발하나 고속 활주선과 같은 소형 선박에 대해서는 미미한 실정이다. 이에 본 논문에서는 선형설계에 유용한 활용을 위해 전산유체역학 S/W에 대한 특성 파악, ...
<국문초록> 현재 대부분의 조선소에서는 새로운 선박을 설계할 경우 대상선형의 저항성능 추정과정에 모형시험과 잘 일치하는 결과를 주는 전산유체역학을 활발히 활용하고 있다. 그러나 현재 조선소에서 활용되어지고 있는 전산유체역학 S/W는 다양하며, 선체 주위의 유동특성과 저항성능 추정이 모형 스케일에 국한되어 있는 실정이다. 또한, 대형 상선에 대한 전산유체역학의 활용한 활발하나 고속 활주선과 같은 소형 선박에 대해서는 미미한 실정이다. 이에 본 논문에서는 선형설계에 유용한 활용을 위해 전산유체역학 S/W에 대한 특성 파악, Reynolds 수에 따른 선체 주위의 유동현상 분석, 자유수면을 포함한 모형선과 실선 스케일의 유동장 해석 및 고속활주선에 대해 전산유체역학의 활용방법에 대한 타당성을 검토하였다. 첫 번째로, 전산유체역학 S/W에 대한 특성파악을 위해 다양한 y^(+)와 격자수에 대한 WAVIS2.0과 Fluent6.3.26을 사용하여 자유수면을 포함한 138K LNG Carrier(KLNG)에 대하여 수치계산을 수행하였다. 전체적인 비교결과 WAVIS는 Fluent보다 수렴속도가 빨랐으며, 속도장과 선측파형에 대한 결과가 Fluent보다 좋았다. 그러나 Fluent는 파형분포에 대한 시뮬레이션 결과가 더 좋았다. 두 번째로, 모형시험 결과가 공개되어 있는 KLNG, KCS, KVLCC2를 선정하여 Reynolds 수에 따른 유동현상 변화와 형상계수(κ)를 비교하기 위하여 각각 축척비(λ)가 다른 10개의 상사모형선에 대하여 난류 유동장에 대한 수치계산을 수행하였다. 우선 KLNG선의 모형선 스케일(9.33 × 106)에 대하여 수치계산을 수행하여 모형시험 결과와 직접 비교함으로써 그 정도를 확인하였다. RSM을 사용한 수치계산이 RKE에 비해 보다 정확한 수치 해를 제공하는 것으로 판단되었으며, 특히 점성경계층의 두께와 갈고리 모양의 축방향 등속선 분포에서 확연한 차이를 보였다. CB가 클수록 Hook shape이 뚜렷하게 발생하였고 종방향 속도 분포가 넓게 형성 되었다. 선체 표면 압력 분포는 선수의 경우 차이가 미미하나 선미에선 선미 빌지 부근을 중심으로 차이를 보였다. 한계유선도 선비 벌브부분에서 유동흐름의 차이를 보였다. 세 번째로, 자유수면을 포함한 유동계산과 포함하지 않은 유동계산을 KLNG선에 대하여 모형스케일과 실선스케일에서 수치계산을 수행하였다. 자유수면을 포함한 유동계산결과 전체파형분포는 유사한 결과를 보여주었으나 선미 트랜섬 뒤의 파형분포에서 실선이 큰 파계를 생성하였다. 마지막으로, 전산유체역학 S/W에 대한 고속 활주형 선형에 대한 활용 가능성을 파악하기 위해 MOERI의 예인수조에서 시험한 바 있는 고속 활주형 선형에 대하여 WAVIS 1.4를 이용한 포텐셜 유동해석과 Fluent의 VOF법을 이용한 점성유동 해석을 수행하였다. WAVIS 1.4의 포텐셜 비구속조건 유동해석 결과인 트림과 저항계수가 선형, 비선형 계산 모두 MOERI 예인수조 시험결과와 정성적으로 유사한 경향을 보여주었으나 정량적으로 차이를 보였으며, 비선형 자유수면 조건을 만족 시킨 계산이 모형시험 결과에 더 가까운 결과를 보였다. 점성효과를 고려한 Fluent계산이 모형선의 전 저항 추정, 선수부의 쇄파(wave breaking) 및 트랜섬 뒤의 선미파에 대하여 비선형 포텐셜 계산 보다 더 타당한 결과를 주었다. CFD를 이용하여 격자 간격 및 격자수, Reynolds 수 변화 그리고 자유수면 영향을 통해 선체 주위의 유동특성을 조사하였다. CFD 프로그램은 사용자가 계산조건, 축척비, 저유수면의 영향에 대하여 잘 알아야 매우 유용하고 정확한 결과를 얻을 수 있다.
<국문초록> 현재 대부분의 조선소에서는 새로운 선박을 설계할 경우 대상선형의 저항성능 추정과정에 모형시험과 잘 일치하는 결과를 주는 전산유체역학을 활발히 활용하고 있다. 그러나 현재 조선소에서 활용되어지고 있는 전산유체역학 S/W는 다양하며, 선체 주위의 유동특성과 저항성능 추정이 모형 스케일에 국한되어 있는 실정이다. 또한, 대형 상선에 대한 전산유체역학의 활용한 활발하나 고속 활주선과 같은 소형 선박에 대해서는 미미한 실정이다. 이에 본 논문에서는 선형설계에 유용한 활용을 위해 전산유체역학 S/W에 대한 특성 파악, Reynolds 수에 따른 선체 주위의 유동현상 분석, 자유수면을 포함한 모형선과 실선 스케일의 유동장 해석 및 고속활주선에 대해 전산유체역학의 활용방법에 대한 타당성을 검토하였다. 첫 번째로, 전산유체역학 S/W에 대한 특성파악을 위해 다양한 y^(+)와 격자수에 대한 WAVIS2.0과 Fluent6.3.26을 사용하여 자유수면을 포함한 138K LNG Carrier(KLNG)에 대하여 수치계산을 수행하였다. 전체적인 비교결과 WAVIS는 Fluent보다 수렴속도가 빨랐으며, 속도장과 선측파형에 대한 결과가 Fluent보다 좋았다. 그러나 Fluent는 파형분포에 대한 시뮬레이션 결과가 더 좋았다. 두 번째로, 모형시험 결과가 공개되어 있는 KLNG, KCS, KVLCC2를 선정하여 Reynolds 수에 따른 유동현상 변화와 형상계수(κ)를 비교하기 위하여 각각 축척비(λ)가 다른 10개의 상사모형선에 대하여 난류 유동장에 대한 수치계산을 수행하였다. 우선 KLNG선의 모형선 스케일(9.33 × 106)에 대하여 수치계산을 수행하여 모형시험 결과와 직접 비교함으로써 그 정도를 확인하였다. RSM을 사용한 수치계산이 RKE에 비해 보다 정확한 수치 해를 제공하는 것으로 판단되었으며, 특히 점성경계층의 두께와 갈고리 모양의 축방향 등속선 분포에서 확연한 차이를 보였다. CB가 클수록 Hook shape이 뚜렷하게 발생하였고 종방향 속도 분포가 넓게 형성 되었다. 선체 표면 압력 분포는 선수의 경우 차이가 미미하나 선미에선 선미 빌지 부근을 중심으로 차이를 보였다. 한계유선도 선비 벌브부분에서 유동흐름의 차이를 보였다. 세 번째로, 자유수면을 포함한 유동계산과 포함하지 않은 유동계산을 KLNG선에 대하여 모형스케일과 실선스케일에서 수치계산을 수행하였다. 자유수면을 포함한 유동계산결과 전체파형분포는 유사한 결과를 보여주었으나 선미 트랜섬 뒤의 파형분포에서 실선이 큰 파계를 생성하였다. 마지막으로, 전산유체역학 S/W에 대한 고속 활주형 선형에 대한 활용 가능성을 파악하기 위해 MOERI의 예인수조에서 시험한 바 있는 고속 활주형 선형에 대하여 WAVIS 1.4를 이용한 포텐셜 유동해석과 Fluent의 VOF법을 이용한 점성유동 해석을 수행하였다. WAVIS 1.4의 포텐셜 비구속조건 유동해석 결과인 트림과 저항계수가 선형, 비선형 계산 모두 MOERI 예인수조 시험결과와 정성적으로 유사한 경향을 보여주었으나 정량적으로 차이를 보였으며, 비선형 자유수면 조건을 만족 시킨 계산이 모형시험 결과에 더 가까운 결과를 보였다. 점성효과를 고려한 Fluent계산이 모형선의 전 저항 추정, 선수부의 쇄파(wave breaking) 및 트랜섬 뒤의 선미파에 대하여 비선형 포텐셜 계산 보다 더 타당한 결과를 주었다. CFD를 이용하여 격자 간격 및 격자수, Reynolds 수 변화 그리고 자유수면 영향을 통해 선체 주위의 유동특성을 조사하였다. CFD 프로그램은 사용자가 계산조건, 축척비, 저유수면의 영향에 대하여 잘 알아야 매우 유용하고 정확한 결과를 얻을 수 있다.
Most of shipyards have actively used CFD for a hull form design because computed results are in good agreement with a model test when CFD systems are utilized for evaluating a 3-D flow field and resistance characteristics. CFD calculation has been mostly limited to model scale because of required e...
Most of shipyards have actively used CFD for a hull form design because computed results are in good agreement with a model test when CFD systems are utilized for evaluating a 3-D flow field and resistance characteristics. CFD calculation has been mostly limited to model scale because of required excessive run time for a full scale calculation. Furthermore, its application to a planning boat, which has small size hull form and high Froude number has been limited yet. In this dissertation, it mainly described primary characteristics of well used CFD codes generally for better hull form design and flow comparison, according to including the differences between a model and full scale calculations with free surface. It also described a calculated flow field alteration due to Reynolds number change. CFD application to planning boat is also examined. In the first, Numerical simulations have been carried out for a 138K LNG Carrier (KLNG) model ship with free surface, using WAVIS 2.0 and Fluent 6.3.26 with various values and different grid densities. It was found that WAVIS predicted the velocity field and the wave profile along the hull surface better than Fluent. While, Fluent gave better wave patterns. In the second, CFD calculation with KLNG, KCS and KVLCC2 models has been carried out with 10 different scale ratios form factor variation and viscous flow phenomenon changes. The axial velocity contour on the propeller plane at high Reynolds numbers showed thinner profiles than low Reynolds number cases. In the third, CFD calculation with free surface and without free surface has been conducted for KLNG in both cases of model and full scale respectively. The results of viscous calculation with free surface showed quite similar wave pattern on the whole in both cases only except bigger wave height behind the transom in full scale calculation. In the last, Two sets of numerical simulations have been carried out for a planning hull model ship, using WAVIS 1.4 linear and nonlinear potential solver and Fluent 6.3.26. Both linear and nonlinear potential calculation results showed qualitative agreement in trim and resistance coefficient with the MOERI towing tank test. However, the result from nonlinear potential calculation gave better results than linear method. Fluent with the VOF method gave quite better agreements with model test results than the results from WAVIS nonlinear potential calculation in total resistance coefficient, and bow and stern wave patterns when the running posture of the model ship was give from the model test. Through the extensive examination of CFD applications the differences of flow characteristics around hull surfaces were investigate with Reynolds number change, grid interval and number variation and free surface effect. It is quite certain that CFD systems are very efficient and accurate tools for hull form evaluation, when users are aware of calculation conditions, scale effect and free surface waves.
Most of shipyards have actively used CFD for a hull form design because computed results are in good agreement with a model test when CFD systems are utilized for evaluating a 3-D flow field and resistance characteristics. CFD calculation has been mostly limited to model scale because of required excessive run time for a full scale calculation. Furthermore, its application to a planning boat, which has small size hull form and high Froude number has been limited yet. In this dissertation, it mainly described primary characteristics of well used CFD codes generally for better hull form design and flow comparison, according to including the differences between a model and full scale calculations with free surface. It also described a calculated flow field alteration due to Reynolds number change. CFD application to planning boat is also examined. In the first, Numerical simulations have been carried out for a 138K LNG Carrier (KLNG) model ship with free surface, using WAVIS 2.0 and Fluent 6.3.26 with various values and different grid densities. It was found that WAVIS predicted the velocity field and the wave profile along the hull surface better than Fluent. While, Fluent gave better wave patterns. In the second, CFD calculation with KLNG, KCS and KVLCC2 models has been carried out with 10 different scale ratios form factor variation and viscous flow phenomenon changes. The axial velocity contour on the propeller plane at high Reynolds numbers showed thinner profiles than low Reynolds number cases. In the third, CFD calculation with free surface and without free surface has been conducted for KLNG in both cases of model and full scale respectively. The results of viscous calculation with free surface showed quite similar wave pattern on the whole in both cases only except bigger wave height behind the transom in full scale calculation. In the last, Two sets of numerical simulations have been carried out for a planning hull model ship, using WAVIS 1.4 linear and nonlinear potential solver and Fluent 6.3.26. Both linear and nonlinear potential calculation results showed qualitative agreement in trim and resistance coefficient with the MOERI towing tank test. However, the result from nonlinear potential calculation gave better results than linear method. Fluent with the VOF method gave quite better agreements with model test results than the results from WAVIS nonlinear potential calculation in total resistance coefficient, and bow and stern wave patterns when the running posture of the model ship was give from the model test. Through the extensive examination of CFD applications the differences of flow characteristics around hull surfaces were investigate with Reynolds number change, grid interval and number variation and free surface effect. It is quite certain that CFD systems are very efficient and accurate tools for hull form evaluation, when users are aware of calculation conditions, scale effect and free surface waves.
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