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문제 정의
- 본 연구에서는 VOF법을 선박의 저항계산에 적용하는 방법을 검토하기 위하여, 자유수면 아래에서 정속으로 움직이는물체들 중 대표적인 경우, 즉 2차원 날개 및 자유수면을 수직으로 관통하는 3차원 날개에 대하여 FLUENT-VOF법으로계산한 결과를 실험데이터와 비교해 보았고, 끝으로 자유수면까지 고려한 컨테이너선(KCS)의 저항을 예측하는데 적용하여본 기법의 타당성과 효용성을 평가하였다.
가설 설정
- 9는 격자계의 일부를 보여주고 있다. 모형선의 실험조건과 마찬가기로 Re = 1.4 * 107 에서 모형이 완전 구속된 상태로 가정하여 계산을 수행하였다.
제안 방법
- Duncan (1983)은 몰수심도가 얕아짐에 따라 파의 깨짐현상이 발생하는 과정을 언급하고 있지만, 본 연구에서는 일단 쇄파현상은 배제하고 정상파에 대하여만 계산을 하였다. Fig.
- 사용되는 모델이다. KCS선에대한 계산결과는 한국해양연구원에서 개발한 선박 전용 CFD 프로그램인 WAVIS (김 등, 1999)의 Potential 솔버를 이용하여 자유수면 유동을 계산한 결과와 한국해양대학교의 선형 회류수조에서의 실험결과와 함께 비교하였다. KCS의 주요 형상과 제원은 Fig.
- VOF법을 수면 하에서 일정속도로 진행하는 2차원 몰수 날개, 자유수면을 수직으로 관통하는 3차원 날개와 자유수면을고려한 컨테이너선 (KCS) 주위의 유동해석문제에 적용해 보았다. 수치해석 결과는 각 케이스 별로 실험결과와 비교하여 검증하였다.
- 격자계는 격자생성 전용코드인 GRIDGEN ver.15.10을 사용하여 y+가 50~200이 되는 범위 안에 격자가 위치할 수 있도록 구성하였다. 수치해석에는 RANS를 기반으로 한 상용수치해석코드인 FLUENT 6.
- 끝으로 실제적인 문제로서 선박주위 자유수면 유동장에 대한 계산을 실시하였다. 계산 대상으로 삼은 선박은 KRISO 켠테이너선(KCS)으로서, 반 등(2000)의 실험결과가 공개되어 세계적으로 수치해석 검증용으로.
- 선박의 저항해석에 FLU正NT-VOF법의 적용가능성을 검증하기 위하여 자유표면 부근을 정속으로 움직 이는 물체주위 조파현상을 포함한 전체 유동장에 대해 해석을 수행하였다. 2차원 날개와 같은 단순한 형태의 경우 쇄파현상이 그리 심하지않은 범위에서 파도의 형성이 비교적 잘 예측되었으며, 3차원날개의 경우에도 Fr<0.
- 수치해석을 위한 격자계는 웹사이트(http://www.moeri.re.kr) 에 공개된 KCS선의 CAD 파일을 바탕으로 격자 생성 프로그램인 GRIDGEN ver.15.10을 이용하여 구성하였다. 총 격자수는 130만개이며 O-H 타입의 공간격자계를 채택하였다.
대상 데이터
- (2006)의 실험결과와 비교하였다. Fig. 4는 자유수면 관통날개의 실험사진을 보여주고 있으며, Fig. 5 는 구성된 격자계의 예를 보여주고 있는데 총 100, 800개의 격자를 사용하였다.
- 간단한 형태이자 자유표면 유동해석시 벤치마크 적인 대상으로서 자유수면 아래에서 일정한 속도와 받음각을 가지고 진행하는 Duncan (1983)의 2차원 날개를 선정하였다. 그는 수면하 날개의 몰수깊이를 바꾸어가면서 날개에 의해 생성되는 파를 계측하고: 쇄파의 원리를 밝혀낸 바 있다.
- 2는 사용한 격자계를 보여주고있다. 사용한 격자계는 정렬형이고 격자수는 65, 372개이다.
- 10을 이용하여 구성하였다. 총 격자수는 130만개이며 O-H 타입의 공간격자계를 채택하였다. Fig.
- 한편 WAVIS에서 사용한 격자계는 자유수면 패널로 150 * 16개의 격자를, 선체표면 패널에 80 * 31개의 격자를 사용하였다. Fig.
데이터처리
- 다음으로는 선박과 유사하지만 형상이 단순하여 수치검증용으로 널리 사용되는 자유수면을 수직으로 관통한 채 전진하는 NACA0024 3차원 날개를 대상으로 계산한 결과를 Metcalf 등 (2006)의 실험결과와 비교하였다. Fig.
- 수치해석 결과는 각 케이스 별로 실험결과와 비교하여 검증하였다.
이론/모형
- 26 을 이용하였다. 난류모델은 Realizable k-epsilon방법을 사용하였고, 자유수면을 포함한전체 유동장 해석을 위하여 VOF방법을 채택하였다. 2차원 날개의 경우 정상해석으로 충분히 수렴된 결과를 얻을 수 있었으나, 3차원 날개와 컨테이너선의 경우는 수렴성 문제를 극복하기 위하여 비정상해석 옵션을 사용하여 계산을 수행하였기때문에 많은 계산시간이 .
- 10을 사용하여 y+가 50~200이 되는 범위 안에 격자가 위치할 수 있도록 구성하였다. 수치해석에는 RANS를 기반으로 한 상용수치해석코드인 FLUENT 6.2.26 을 이용하였다. 난류모델은 Realizable k-epsilon방법을 사용하였고, 자유수면을 포함한전체 유동장 해석을 위하여 VOF방법을 채택하였다.
성능/효과
- 2차원 날개와 같은 단순한 형태의 경우 쇄파현상이 그리 심하지않은 범위에서 파도의 형성이 비교적 잘 예측되었으며, 3차원날개의 경우에도 Fr<0.37인 일반적인 유속의 범위에서는 파형의 변화를 잘 읽어냄을 알 수 있었다. 하지만 2차원 몰수날개에서 몰수깊이가 매우 작아지는 경우와 3차원 자유수면 관통날개에서 Froude수가 높아지는 경우 (Fr>0.
- 26에서 얻어진 저항계수로서, 실험결과와 두 계산결과를 함께 비교하고 있다. 마찰저항계수는공히 실험치 (ITTC 1957 Friction Line)와 잘 일치하는 결과가 얻어졌으나, 압력저항계수인 CP는 FLUENT-VOFe 계산한 결과가 다소 크게 계산되었으며 이로부터 전체저항 값이실험치와 차이를 보이고 있다. 이는 압력저항의 대부분을 차지하는 조파저항이 크게 계산되었음을 의미하며 결국 선수미파의 예측 정도의 문제라고 판단되었다.
- 이는 압력저항의 대부분을 차지하는 조파저항이 크게 계산되었음을 의미하며 결국 선수미파의 예측 정도의 문제라고 판단되었다. 본 기법이 계산시간의 문제로 자유표면에서 다소 조악한 격자계를 채택하고 있음을 감안할 때 병렬컴퓨터를 사용하여 자유표면의 공간분해능을 높여 준다면 해결될 수 있는 문제로 여겨진다. 이상을 종합할 때 본 VOF법은 선박의 저항을 예측하는데 매우 유용하게사용될 수 있는 도구로 판단되었다.
- 본 기법이 계산시간의 문제로 자유표면에서 다소 조악한 격자계를 채택하고 있음을 감안할 때 병렬컴퓨터를 사용하여 자유표면의 공간분해능을 높여 준다면 해결될 수 있는 문제로 여겨진다. 이상을 종합할 때 본 VOF법은 선박의 저항을 예측하는데 매우 유용하게사용될 수 있는 도구로 판단되었다.
- 19) 의 경우 약간의 오차가 있지만 날개로 인해 형성되는 파도의형태를 잘 모사함을 알 수 있다. 하지만 Fr = 0.37 이상에서는날개 주위에서 발생하는 파도의 깨짐현상은 제대로 모사하지 못하는 점으로부터, 고속선의 선수부에서 발생되는 쇄파현상음 다소 제약적인 범위에서만 재현이 가능함을 M 수 있었다. 이에 대하여는 향후 보다 상세한 검토가 필요하다고 여겨진다.
- 컨테이너선의 경우에도 파형은 두 계산방법이 대체로잘 일치하고 있는데 이로부터 본 VOF법을 이용한 자유표면유동해석이 기존의 해석법을 잘 대체할 수 있음을 볼 수 있다. 한편 실험결과와는 두 방법 모두 선수미부의 파를 작게 예측하는 경향이 보이며 약간의 위상차가 발생되나 그 차이는 그리 크지 않음을 알 수 있다.
- 37)의 FLUENT -VOF법은 이 쇄파현상을 모사하는데 한계가 있음을 보여주었다. 한편, 컨테이너선을 대상으茎 한 계산 결과는 다른 유동해석 코드인 WAVIS 및 실험결과와 비교하여 비교적 잘 일치하고 있어, 점성저항해석이나 조파현상 등 선박 주위 유동해석에 유용하게 사용될 수 있음을 알 수 있다. 본 VOF법을 이용한 선박저항의 해석법이 성공적으로 정착된다면 선박의 개념설계와 기본설계 단계에 매우 유용한 도구로 자리잡을 수있으리라 기대한다.
후속연구
- 한편, 컨테이너선을 대상으茎 한 계산 결과는 다른 유동해석 코드인 WAVIS 및 실험결과와 비교하여 비교적 잘 일치하고 있어, 점성저항해석이나 조파현상 등 선박 주위 유동해석에 유용하게 사용될 수 있음을 알 수 있다. 본 VOF법을 이용한 선박저항의 해석법이 성공적으로 정착된다면 선박의 개념설계와 기본설계 단계에 매우 유용한 도구로 자리잡을 수있으리라 기대한다.
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