[논문]CFD를 이용한 Tanker의 침로안정성 평가

홍춘범; 양희준

doi:10.3744/snak.2008.45.5.523

CFD를 이용한 Tanker의 침로안정성 평가
Evaluation of Course Stability Performance for Tanker using CFD 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.45 no.5, 2008년, pp.523 - 529

홍춘범 (삼성중공업 (주), 조선해양 연구소) , 양희준 (삼성중공업 (주), 조선해양 연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

The course stability performance for tankers is evaluated by computational fluid dynamics. In the present work, a Reynolds averaged Navier-Stokes (RANS) code is applied to a maneuvering problem covering the pure drift and yaw motions. The purposes of this study are to evaluate the hydrodynamic force in the bare hull (AFRAMAX) in pure drift and yaw motion and to provide information about the trends in the forces and moments when the rudder angles are varied. The flow simulation is performed by FLUENT. The CFD code is examined to find the optimistic computational condition such as size of grid, turbulence model and initial condition. The hydrodynamic derivatives in drift and pure yaw motion are estimated by the numerical simulation, and then the stability levers are calculated. It is confirmed that the computations show the superiority and inferiority of course stability performance according to the hull forms. Finally, the CFD code is applied to the estimation of the rudder forces when the rudder angles are varied. The propeller effect expressed by the body force distribution is also included.

주제어

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타각이 starboard 10도로 돌려져 있는 경우이다. 분리형 타로 계산 격자를 구성하였으나, movable 부분과 horn 부분의 간극은 없는 것으로 가정하였다.
본 연구에서는 추진기에 의한 추력과 토크를 체적력(body force)으로 모사하여 운동량 방정식을 정리하면 확산항(source term)에 체적력을 포함한 지배식을 얻을 수 있다. 추진기를 체적력이 분포된 원판으로 대치하였고, 체적력은 추진기가 한 회전 동안 발생하는 추력 및 토크의 평균값으로 가정하였다(Boo et al. 2004).

제안 방법

CFD를 이용하여 tanker의 침로 안정성을 평가하였다. 나선의 조종 유체력을 추정하기 위한 적절한 계산조건을 도출하고, 그 계산조건을 이용하여 유체력 도함수를 추정하였다.
난류모형, 격자계 구성 및 그 외의 계산조건은 계산 결과에 영향을 미치는 요인이다. 그 중 계산 결과에 영향을 상대적으로 크게 미치는 난류모형과 격자의 크기의 변화에 따른 계산 결과의 차이를 관찰하였다. 사항 또는 선회할 경우 선체에 작용하는 조종 유체력의 정확한 평가가 가능한지를 검증하기 위해서는 사항 및 선회할 때의 유동 계측 결과와 계산 결과를 비교하는 것이 최선이나, 본 연구에서는 위와 같은 계측 자료가 미비하여 직진하는 경우의 유동계측 결과와 계산 결과를 비교하여 난류 모형 및 격자크기를 선택하였다.
CFD를 이용하여 tanker의 침로 안정성을 평가하였다. 나선의 조종 유체력을 추정하기 위한 적절한 계산조건을 도출하고, 그 계산조건을 이용하여 유체력 도함수를 추정하였다. 모형시험에서 얻은 유체력 도함수 및 안정레버의 비교를 통하여 CFD를 이용한 결과가 정성적으로 일치하는 것을 확인하였고, 초기 선형 설계 단계에서 개략적인 직진 안정성 평가에 적용 가능할 것으로 판단된다.
본 연구에서는 나선의 조종유체력 추정뿐만 아니라 타력에 의한 조종성능의 변화를 CFD 를 이용하여 추정한다. 또한 추진기의 작용도 고려하여 수치해석 하였다.
그러나 타의 역할에 대하여 CFD를 이용한 해석은 해외에서는 시도되고 있으나(Tanaka and Kimura 2003), 국내에서는 그러한 연구가 활발히 진행되고 있지 않다. 본 연구에서는 나선의 조종유체력 추정뿐만 아니라 타력에 의한 조종성능의 변화를 CFD 를 이용하여 추정한다. 또한 추진기의 작용도 고려하여 수치해석 하였다.
조종성능에 주요인자인 타의 유체력을 추정하기 위하여 추진기의 영향을 고려하여야 한다. 본 연구에서는 추진기에 의한 추력과 토크를 체적력(body force)으로 모사하여 운동량 방정식을 정리하면 확산항(source term)에 체적력을 포함한 지배식을 얻을 수 있다. 추진기를 체적력이 분포된 원판으로 대치하였고, 체적력은 추진기가 한 회전 동안 발생하는 추력 및 토크의 평균값으로 가정하였다(Boo et al.
그 중 계산 결과에 영향을 상대적으로 크게 미치는 난류모형과 격자의 크기의 변화에 따른 계산 결과의 차이를 관찰하였다. 사항 또는 선회할 경우 선체에 작용하는 조종 유체력의 정확한 평가가 가능한지를 검증하기 위해서는 사항 및 선회할 때의 유동 계측 결과와 계산 결과를 비교하는 것이 최선이나, 본 연구에서는 위와 같은 계측 자료가 미비하여 직진하는 경우의 유동계측 결과와 계산 결과를 비교하여 난류 모형 및 격자크기를 선택하였다.
앞 장에서 선택된 계산조건을 이용하여 두 가지 AFRAMAX 선형에 대한 사항 및 선회 시의 유동을 수치적으로 모사하였다. 각 선형의 주요제원은 Table 1에 나타내었다.
주어진 전진비(J)에 대해 실험적으로 얻어지는 추진기 특성곡선으로부터 K_T와 K_Q를 얻어 사용하였고, Fig. 10은 임의의 K_T, K_Q값을 주고 얻어진 체적력 분포의 한 예이다. 두 함수는 추진기의 양끝 단에서 0 의 값을 가지고 있고 추력이 0.
타 및 추진기를 포함한 유동의 수치 해석을 수행하였다. 계산 결과의 정량적인 검증은 수행하지 못하였으나, 타 각에 따른 타의 유체력 특성을 볼 수 있었다.

대상 데이터

2~3은 각각의 난류 모형으로 계산된 추진기면에서의 유속 분포를 보여주고 있다. 계산 대상 선형은 KVLCC1이다. 모형시험(KIMM 1998)에서 계측된 유속분포와의 비교(Fig.

이론/모형

지배방정식은 Reynolds averaged NavierStokes equation이다. 격자계의 생성도 상용 s/w인 GRIDGEN을 이용하였으며, 나선에 대한 격자계의 구성은 Fig. 1에 보여주고 있다. 계산 격자의 특이점을 최소화하기 위하여 O-O typology를 선택하였다.
1에 보여주고 있다. 계산 격자의 특이점을 최소화하기 위하여 O-O typology를 선택하였다. Fig.
난류 모형은 realizable k-ε model 과 Reynolds Stress Model(RSM)을 사용하였다.
선체에서 발생하는 종방향 와류의 모사가 비교적 정확한 realizable k-ε model과 Reynolds Stress Model을 본 연구에서 사용하였다.
수치해석에는 상용 s/w인 FLUENT를 사용하였다. 지배방정식은 Reynolds averaged NavierStokes equation이다. 격자계의 생성도 상용 s/w인 GRIDGEN을 이용하였으며, 나선에 대한 격자계의 구성은 Fig.

성능/효과

각 선형의 주요제원은 Table 1에 나타내었다. 각각의 제원을 비교하면, 배의 길이 측면에서는 Hull B가 전폭 면에서는 Hull A가 직진 안전성이 우수할 것으로 예상된다. 사항 및 선회 상태에서 계산된 유체력, 모우멘트 및 각속도는 식(1) ~(3)에 의하여 무차원 되었다
나선의 조종 유체력을 추정하기 위한 적절한 계산조건을 도출하고, 그 계산조건을 이용하여 유체력 도함수를 추정하였다. 모형시험에서 얻은 유체력 도함수 및 안정레버의 비교를 통하여 CFD를 이용한 결과가 정성적으로 일치하는 것을 확인하였고, 초기 선형 설계 단계에서 개략적인 직진 안정성 평가에 적용 가능할 것으로 판단된다.
두 선형의 유체력 도함수와 안정레버는 Table 2 에 나타내었다. 안정레버는 식(4)으로 구해졌으며, 계산 결과를 검토한 결과 Hull A 가 Hull B 보다 안정하다는 것을 알 수 있고, 이러한 조종성능의 차이는 모형시험(KIMM 2000)에서도 볼 수 있고, CFD를 이용하여 tanker의 조종 유체력의 우열 평가가 가능하다는 것을 확인 할 수 있다

후속연구

상용 s/w를 이용한 수치 해석적 연구를 수행할 경우, 사용되는 s/w의 특성과 연구 목적에 부합되는 결과를 제공할 수 있는지 확인할 필요가 있다. 난류모형, 격자계 구성 및 그 외의 계산조건은 계산 결과에 영향을 미치는 요인이다.
계산 결과의 정량적인 검증은 수행하지 못하였으나, 타 각에 따른 타의 유체력 특성을 볼 수 있었다. 향후 타 및 추진기를 포함한 조종 유체력 도함수를 추정하여 Abkobitz 수학 모델을 이용한 조종 모사를 수행할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 논문에서 CFD를 이용하여 무엇을 평가하였는가?	CFD를 이용하여 tanker의 침로 안정성을 평가하였다. 나선의 조종 유체력을 추정하기 위한 적절한 계산조건을 도출하고, 그 계산조건을 이용하여 유체력 도함수를 추정하였다.
	선형 설계 단계에서 속도성능이 우수하면서 조종성능도 나쁘지 않은 선형을 개발하기 위해서는 무엇이 중요한가?	선형이 확정된 후 조종성능의 저하로 인하여 선형 설계의 개정은 매우 어렵기 때문에, 대부분 타의 면적을 증가시키거나 특수타를 설치하여 조종성능을 개선하고 있다. 따라서, 선형 설계 단계에서 속도성능이 우수하면서 조종성능도 나쁘지 않은 선형을 개발하기 위해서는 초기에 조종성능을 예측하는 것은 매우 중요하다.
	조종성능을 초기에 추정하는 방법은 어떤 방법이 있는가?	조종성능을 초기에 추정하는 방법은 크게 두 가지로 대표할 수 있다. 두 가지 방법 중 하나는 모형시험 및 시운전 결과를 근거로 경험식을 이용하는 방법이고, 이러한 방법은 현재 초기 조종성능 추정에 빈번히 사용되고 있다. 이러한 경험식은 선박의 주요 파라메터를 입력으로 사용하고 있으나, 주요 파라메터는 선체의 형상에 대한 의 다양성에 한계가 있는 것은 사실이다. 또 다른 추정방법으로 전산유체역학(CFD)를 이용하는 것이다. 계산기의 성능 향상과 계산방법의 발달로 선박의 침로안정성을 CFD를 이용하여 평가하는 연구는 점점 활발해지고 있다(Lee et al. 2004a, Lee et al. 2004b). 특히 모형시험을 수행하는 것 보다 설비, 시간 및 경비를 절감할 수 있다는 장점도 갖추고 있다. 그러나 타의 역할에 대하여 CFD를 이용한 해석은 해외에서는 시도되고 있으나(Tanaka and Kimura 2003), 국내에서는 그러한 연구가 활발히 진행되고 있지 않다.

참고문헌 (6)

Boo, K.T., Hong, C.B. and Lee, K.J., 2004, "Simulation of Viscous Flow around Appended with the Propeller and the Rudder," Proceedings of the Annual Autumn Meeting The Society of Naval Architects of Korea, pp. 527-531
Lee, H.S, Lee, S.H., Lee, T.I., Kim, S.Y., 2004a, "A Study on the Application of CFD in the Analysis of Ship Maneuverability," Proceedings of the Annual Spring Meeting The Society of Naval Architects of Korea, pp. 738-743
Lee, S.W., Jin, E.S., Lee, H., Kim, Y.S., 2004b, "Prediction of Yaw Stability of a Towed FPSO using CFD," Proceedings of the Annual Spring Meeting The Society of Naval Architects of Korea, pp. 721-725
Tanaka, S and Kimura, K., 2003, "A Numerical Studyon Hydrodynamic Interaction among Obligue Ship Hull, Propeller and Rudder," Proc. Od MARSIM RC-21
Korea Institute of Machinery and Materials, Korea Association of Naval Technology Research, 2000, Study on Improvement of Estimation of Ship Manoeuvring Performance I,II,III
Korea Institute of Machinery and Materials, 1998, Technical Report of Improvement of Ship Resistance Performance

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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