[논문]CFD를 이용한 컨테이너선의 Post Swirl Stator 설계기법

김기현; 송인행; 최순호

doi:10.3744/snak.2007.44.2.093

문제 정의

본 연구에서는 이러한 post swirl stator의 설계시 CFD 를 이용한 유동계산으로 스테이터 날개의 피치각을 최적화하여 스테이터의 성능을 향상시키고, 모형시험 비용과 시간을 줄일 수 있는 설계기법에 관해 알아보고자 한다. 프로펠러 후류의 유동을 구현하기 위해서 선박 초기 설계 단계에 응용을 목적으로 비교적 간단하며 적은 계산비용 이 요구되는 Body force 법 (Stem et al.

제안 방법

격자 계는 상용프로그램인 Gridgen V15를 이용하여 생성하였으며, 격자계는 34개의 block 과1, 400, 000 만개의 cell로 구성된 0-H 타입의 정렬격자 계이며 선수 부분의 유무가 프로펠러와 스테이터 주위의 유동에 영향을 미치지 않으므로 계산시간을 줄이기 위하여 편의상 선수 부분은 생략되었다. 대상 선박은 8.
본 연구에서 반복 계산은 7회 수행하였;다. 또한 프로펠러 코드와 반복 계산이 진행되는 동안 Fluent 계산은 충분히 수렴할 수 있도록 약 1000번의 수치계산을 수행하였다.
선체 표면에서의 경계조건은 No-slip 조건을 적용하였으며, 자유수면의 위치에 계산의 편의상 대칭면의 경계조건을 적용하여 유동이 대칭이 되도록 하였고, 입구 면에는 균일 유입 조건을 그리고 출구면에서는 내부의 유동으로부터 외삽(extrapolate)6F01 정해지는 Neumann 조건이 사용되었다.
스테이터 날개의 부착각을 최적화하기 위해 스테이터 주위의 유선을 살펴보았다. Fig 8.
스테이터의 성능 향상을 목적으로 스테이터 날개의 피치각을 최적화하기 위해 각 날개의 0.3, 0.5, 0.7r/R을 지나는 평면의 유동을 살펴보았다. Fig.
최적화된 스테이터의 성능을 검증하기 위한 모형시험이 SSMB(Samsung Ship Model Basin)에서수행되었다.
500TEU 컨테이너선이며 그 주요 목과 수치 해석을 위한 계산 조건은 Table 1에 잘 나타나 있다. 프로펠러 면에 body force를 분포시켜 프로펠러의 회전을 모사하도록 하기 위해선체 방향으로 하나의 cell과 프로펠러 반경 방향까지로 이루어진 하나의 block을 구성하였다. 수치 해석과정에서 RANS 방정식의 생성항으로 Body force 가 주어지게 된다.

대상 데이터

격자 계는 상용프로그램인 Gridgen V15를 이용하여 생성하였으며, 격자계는 34개의 block 과1, 400, 000 만개의 cell로 구성된 0-H 타입의 정렬격자 계이며 선수 부분의 유무가 프로펠러와 스테이터 주위의 유동에 영향을 미치지 않으므로 계산시간을 줄이기 위하여 편의상 선수 부분은 생략되었다. 대상 선박은 8.500TEU 컨테이너선이며 그 주요 목과 수치 해석을 위한 계산 조건은 Table 1에 잘 나타나 있다. 프로펠러 면에 body force를 분포시켜 프로펠러의 회전을 모사하도록 하기 위해선체 방향으로 하나의 cell과 프로펠러 반경 방향까지로 이루어진 하나의 block을 구성하였다.

이론/모형

Body force 법은 선체-프로펠러-스테이터-타의 상호작용을 잘 고려하기 위해 비대칭 물 체력 (Non-axisymmetric body force)법을 이용하였다 (김기현 등 2005).
2을 사용하였고, 지배 방정식은 RANS 방정식이며, 속도와 압력의 연성에는 SIMPLEC 알고리즘, convection— diffusion 함은 2차정 도의 UPWIND scheme을 사용하였고, 점성항은 2차 정도의 이산화 방법을 사용하였다. 난류 모델로는 Wall function을 가지는 Realizable k-epsilon 2-equation난류 모델을 적용하여 난류닫힘 문제를 만족시켰다.
본 연구에서는 컨테이너선의 Post swirl stator의 성능 향상을 위한 기법으로 상용코드인 Fluent와 Body force 법을 이용하여 선체-프로펠러-스테이터-타를 고려한 선체 주위의 수치계산을 수행하였고, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
유동해석은 상용코드인 FLUENT 6.2을 사용하였고, 지배 방정식은 RANS 방정식이며, 속도와 압력의 연성에는 SIMPLEC 알고리즘, convection— diffusion 함은 2차정 도의 UPWIND scheme을 사용하였고, 점성항은 2차 정도의 이산화 방법을 사용하였다. 난류 모델로는 Wall function을 가지는 Realizable k-epsilon 2-equation난류 모델을 적용하여 난류닫힘 문제를 만족시켰다.
본 연구에서는 이러한 post swirl stator의 설계시 CFD 를 이용한 유동계산으로 스테이터 날개의 피치각을 최적화하여 스테이터의 성능을 향상시키고, 모형시험 비용과 시간을 줄일 수 있는 설계기법에 관해 알아보고자 한다. 프로펠러 후류의 유동을 구현하기 위해서 선박 초기 설계 단계에 응용을 목적으로 비교적 간단하며 적은 계산비용 이 요구되는 Body force 법 (Stem et al. 1994, 김진 등 2005)을 FLUENT와 결합하여 선체-프로펠러-타의 상호작용을 수치해석하였고 (부경태 등 2004, 부경태 등 2005), 그 결과를 스테이터의 설계에 이용하였다.
12 는 모형선에 장착된 최적화된 스테이터를 보여준다, 최종 모형시험 결과는 Table 4에 보였으며, 보통의 러더와 초기 벌브를 채택한 스테이터, 최종적으로 최적화된 shaft를 사묭한 스테이터의 예인수조 시험 결과를 보였다. 한편 해석법은 1978 ITTC 표준시험법을 따랐으며 해석시 스테이터는 부가물로 처리하였다. 최종적으로 최적화된 스테이터의 경우에 보통의 러더보다 2.

성능/효과

-러더와 스테이터의 사이의 복잡한 유동을 수치 계산을 통해 확인할 수 있었고, 스테이터의 부착 위치와 각도를 최적화할 수 있었다.
-스테이터의 설계시 CFD 를 이용하여 핵심 설계인자를 최적화할 수 있음을 알게 되었고, 따라서 모형시험의 비용과 시간을 절약할 수 있었다.
에서와 같이 좌현상부의 날개와 러더 사이에 유선이 집중되었고 그날개의 leading edge 부근에서의 유선은 자연스럽지 못한 데 이는 스테이터에 걸리는 저항을 높이는 한 요인이 된다. 따라서 기존의 타와 좌현상부의 날개의 간격을 증가시키고, 피치각을 시계방향으로 회전을 시켜서 유동을 보다 원활하게 만들어 저항 감소의 효과를 얻었다. 우현하부의 날개의 경우도 마찬가지로 러더로부터 멀어지게 하고 피치각도 시계 방향으로 증가시켰다.

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