선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 모형선의 공칭 반류를 실선으로 확장하기 위한 방법은 흔히 점성 경계층의 두께를 기준으로 포텐셜 반류를 제외한 점성 반류를 스케일링하는 것이 보통인데, 3차원 경계층에서 발생하는 유동박리 중의 하나인 빌지 보오텍스의 위치와 크기 등을 실선 스케일로 확장하는 방법이 제시되기 전까지는 정확한 확장법을 구하기가 어려운 것이 사실이다. 본 연구에서는 모형선과 실선의 반류를 수치계산을 통하여 비교함으로써 그 차이를 알아보고, 향후 모형 시험에서 얻어진 반류를 실선으로 확장하는 방법을 찾기 위한 기초 자료를 제공하고자 하였다.
- 실선에 대해서는 계측자료를 구할 수가 없으므로 모형선 스케일의 수치계산과 모형시험 결과를 비교하여 CFD 유동해석 결과의 신뢰성을 확인하고자 하였다. 세 척의 대상 선형에 대해 각각 수치 계산과 모형시험의 결과로 얻은 추진기면에서의 반류 분포를 비교 하였다.
제안 방법
- 17은 # =80(모형선), # =1000(실선)의 격자계와 RSM 난류모형을 사용하여 얻은 계산 결과를 바탕으로 계산된 반류 분포로부터 추진기 설계에 흔히 활용되는 공칭반류의 회전방향 평균을 도시한 그림이다. 그리고 비교를 위해 수조 모형시 험에서 추력일치법을 사용하여 얻어진 모형선의 유효반류와 ITTC 방법에 의해 실선으로 확장한 유효 반류의 비를 구하고, 이를 모형선 스케일에서의 유동해석을 통해 계산된 공칭반류에 곱한 값을 함께 표시하였다. 유효반류의 비로 변환된 곡선은 모형선 반류의 반경방향 분포는 같고 단지 값을 줄인 결과로서 실제 실선계산으로부터 얻어진 반류분포와 많은 차이를 보이고 있다.
- 마찰저항의 경우, 모형선 크기에서 평면의 마찰저항 곡선을 변형하여 얻어진 ITTC1957 공식보다는 Schoenherr 에 의해서 얻어진 ATTC 곡선이 평판의 마찰저항 계수를 정확히 대변하고 있다고 판단되어 기준값으로 삼았다. 그리고 이를 바탕으로 점성압력저항계 수와의 비로서 형상계수(form factor)를 산정하였다. 모형선과 실선 모두에 대하여 RSM을 사용한 계산이 RKE를 사용한 경우보다는 ATTC 곡선과 가까운 결과를 보이고 있으며, RKE는 마찰저항계수와 점성압력저항계수를 모두 작게 추정하고 있다.
- 모형선과 실선 스케일의 저항 추정과 반류분포 등에 대한 차이를 확인하기 위해 난류 유동장에 대한 수치계산을 수행하였다. 모형시험 결과가 공개 되어 있는 KRISO 138K LNG Carrier (KLNG), KRISO 3600TEU container ship (KCS), KRISO 300K VLCC (KVLCC2) 등 세 척을 선정하여 각각 모형선과 실선 스케일에 대해 Fluent package를 사용하여 저항계수와 반류 분포를 비교하였다.
- 모형선과 실선 스케일의 저항 추정과 반류분포 등에 대한 차이를 확인하기 위해 난류 유동장에 대한 수치계산을 수행하였다. 모형시험 결과가 공개 되어 있는 KRISO 138K LNG Carrier (KLNG), KRISO 3600TEU container ship (KCS), KRISO 300K VLCC (KVLCC2) 등 세 척을 선정하여 각각 모형선과 실선 스케일에 대해 Fluent package를 사용하여 저항계수와 반류 분포를 비교하였다.
- 실선 스케일에 서의 난류유동 계산은 경험이 충분하지 못 하여 선체 표면에서의 벽함수를 적용하기 위한 첫 번째 격자계 위치 선정에 대한 검증이 필요하다. 본 절에서는 우선 KLNG에 대해서는 실선에서의 # 위치에 따른 영향을 조사하였으며, 이 결과를 바탕으로 KCS와 KVLCC2는 실선 스케일에서 계산한 결과를 모형선에 대한 계산 결과와 비교하였다.
- 실선에 대해서는 계측자료를 구할 수가 없으므로 모형선 스케일의 수치계산과 모형시험 결과를 비교하여 CFD 유동해석 결과의 신뢰성을 확인하고자 하였다. 세 척의 대상 선형에 대해 각각 수치 계산과 모형시험의 결과로 얻은 추진기면에서의 반류 분포를 비교 하였다. 앞서 설명한대로 자유수면을 포함하지 않은 이중모형으로 계산을 수행하였으며, RKE와 RSM 난류모형을 각각 사용하였다.
- 수치계산을 위해 사용된 경계조건을 살펴보면, 선체 표면에서는 경계면의 속도가 0이므로 그 경계면을 통한 대류항의 기여는 없고 단지 벽 전단응력으로 인한 접선방향의 점성효과(즉, viscous flux)만 고려하였고, 유입면은 균일속도 조건(U=1, V=W=0)을, 유출면은 압력 경계조건을, 수직 중심면과 자유수면에는 대칭조건을 부여하였으며, 바깥 경계면은 균일류 조건을 사용하였다.
- 실선 계산의 경우, 모형선과는 달리 격자계 분포의 적정성이 검증되지 못했기 때문에 격자계 민감도를 확인하기 위해 KLNG선에 대하여 첫 번째 격자 중심에서의 y+(uτy/ν, 이하 #) 분포 5가지에 대하여 RSM을 사용한 수치계산을 수행하여 저항계수 및 프로펠러 면에서의 반류 분포에 대한 영향을 조사하였다.
- 앞 절에서 살펴본 바와 같이 CFD 프로그램을 통한 모형선 스케일에서의 계산 결과가 모형시험과 유사한 결과를 주고 있음을 근거로 계산 조건을 실선 레이놀즈 수로 확장하여 KLNG, KCS, KVLCC2에 대하여 수치계산을 수행하였다. 실선 스케일에 서의 난류유동 계산은 경험이 충분하지 못 하여 선체 표면에서의 벽함수를 적용하기 위한 첫 번째 격자계 위치 선정에 대한 검증이 필요하다.
- 우선 모형선 스케일에 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.
- 우선 실선에서 #변화에 의한 계산 결과를 비교하기 위하여 KLNG선의 격자수를 80만개정도로 고정한 상태에서 다섯 가지 #값 (1000, 2000, 4000, 6000, 8000)에 대하여 수치계산 결과로 얻어진 난류 유동장을 살펴보았다. 선체표면에 가장 가까운 격자 중심에서의 #값을 Table 5에 나타내었다.
- 위와 같은 높은 레이놀즈 수에 대한 수치계산검증을 바탕으로 KLNG선의 #값을 변화시켜 계산한 결과에서 반류비교에 대한 좋은 결과를 보여준 1000을 KCS와 KVLCC2에 적용하여 실선 계산용 격자계를 생성하였다. 한편 모형선 스케일에서 유동계산을 수행하기 위해서는 그동안의 경험을 바탕으로 #를 80으로 고정(Kim and Kim 2006, Kim et al.
- ) 분포 5가지에 대하여 RSM을 사용한 수치계산을 수행하여 저항계수 및 프로펠러 면에서의 반류 분포에 대한 영향을 조사하였다. 유동해석은 수치계산의 편의성을 위해 자유수면의 효과를 배제하고 이중모형(double body)에 대하여 수행하였다. 사용된 프로그램은 Fluent 6.
- 정도의 비교적 낮은 레이놀즈 수에서 정성적으로나 정량적으로 모형시험 결과와 비교적 유사한 결과를 주고 있는 것으로 알려져 있다. 이를 근거로 본 연구에서는 실선 스케일에 해당하는 높은 레이놀즈 수에서 수치계산을 수행하여 실선의 유동 현상을 모형선 스케일에서의 유동장 해석결과와 비교 분석해 보았다. 수치계산 대상선형으로는 모형시험 결과가 공개되어 있는 KRISO 138K LNG carrier(KLNG), KRISO 3600TEU container ship(KCS), KRISO 300K VLCC(KVLCC2)를 선정 하였다.
- 이번 절에서는 KCS에 대하여 # =80(모형선), # =1000(실선)을 기준으로 생성된 격자계에서 난류유동 해석을 수행하였다. 먼저 RKE와 RSM을 사용하여 얻은 저항계수를 Table 9에 비교하였다.
- 이번에는 KVLCC2에 대하여 # =80(모형선), # =1000(실선)에 대한 난류유동 해석을 RKE와 RSM을 사용하여 수행하였다. 저항계수를 비교한 Table 10의 결과를 보면 앞의 KLNG, KCS와 마찬 가지로 KVLCC2 또한 Table 10을 통해 RSM으로 계산한 경우 RKE으로 계산한 경우보다 큰 점성저항계수와 형상계수를 주고 있음을 알 수 있다.
대상 데이터
- 이를 근거로 본 연구에서는 실선 스케일에 해당하는 높은 레이놀즈 수에서 수치계산을 수행하여 실선의 유동 현상을 모형선 스케일에서의 유동장 해석결과와 비교 분석해 보았다. 수치계산 대상선형으로는 모형시험 결과가 공개되어 있는 KRISO 138K LNG carrier(KLNG), KRISO 3600TEU container ship(KCS), KRISO 300K VLCC(KVLCC2)를 선정 하였다. 각 선형에 대한 수치계산 조건은 LPP 를 기준으로 했을 때, 각 선형의 설계속도에 해당하는 Froude number(Fn)는 0.
- 실선과 모형선 스케일에서의 유동현상 차이를 파악하기 위하여 모형선에 대한 계측 결과가 공개 되어있으며, 방형 비척계수(CB)에서 뚜렷한 차이를 보이는 대표적인 선형으로서 138K LNG carrier(KLNG), 3600TEU container ship(KCS), 300K VLCC2(KVLCC2) 등 세 척을 대상 선형으로 선정하였다(Van et al. 2000, Kim et al. 2000, Van et al. 2003). 각 선박에 대한 정면도와 주요목을 Fig.
데이터처리
- RSM을 사용한 수치계산이 RKE에 비해 보다 정확한 수치 해를 제공하는 것으로 판단되었으며, 특히 점성경계층의 두께와 갈고리 모양의 축방향 등속선 분포에서 확연한 차이를 보였다. 다음으로 실선 스케일에서의 수치계산을 수행하여 모형선에 대한 수치계산 결과와 비교하였다. 실선에서는 빌지 보오텍스의 형성이 훨씬 약하며, 점성경계층의 두께도 얇아 반류의 영역이 확실히 작게 나타났다.
- 본 연구에서는 Fluent 6.3.26 package를 사용하여 수치계산을 수행하였다. 난류유동의 지배방정식은 Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) 방정식과 연속방정식이며, 난류모형에 따른 계산결과의 차이를 비교하기 위하여 그동안 선박의 반류 추정을 위해 흔히 사용되었던 Realizable k-ε model(RKE)과 고차의 Reynolds stress model(RSM)을 사용하였다.
- 우선 Table 5에 제시된 바와 같이 KLNG 실선에 대하여 5 가지의 #를 적용한 격자계에 대하여 수치계산을 수행한 후, 그 결과를 모형선에 대한 결과와 함께 비교하였다. Table 8은 수치계산 결과로 얻어진 마찰저항계수(CF), 점성압력저항계수(CVP), 그리고 마찰저항과 점성압력저항을 더한 점성저항계수(CV) 값들을 비교한 것이다.
이론/모형
- 그리고 난류 모형에 따른 저항계수와 반류분포의 차이를 파악하기 위해 비교적 사용빈도가 높은 Realizable k-ε model (이하 RKE)과 Reynolds-stress model(이하 RSM) 을 사용하였다.
- 난류유동의 지배방정식은 Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) 방정식과 연속방정식이며, 난류모형에 따른 계산결과의 차이를 비교하기 위하여 그동안 선박의 반류 추정을 위해 흔히 사용되었던 Realizable k-ε model(RKE)과 고차의 Reynolds stress model(RSM)을 사용하였다.
- 수치계산을 위한 격자계는 Gridgen package를 사용하여 O-H 형태로 생성하였다. 계산영역은 상류방향에 대해서는 F.
- 세 척의 대상 선형에 대해 각각 수치 계산과 모형시험의 결과로 얻은 추진기면에서의 반류 분포를 비교 하였다. 앞서 설명한대로 자유수면을 포함하지 않은 이중모형으로 계산을 수행하였으며, RKE와 RSM 난류모형을 각각 사용하였다.
성능/효과
- KLNG, KCS, 그리고 KVLCC2의 세 모형선에 대하여 RKE와 RSM 난류모형을 사용한 수치계산 결과를 종합해 본 결과, RSM를 사용한 경우에 빌지 보오텍스에 의한 축방향 속도의 갈고리 모양 등속선이 모형시험 결과를 훨씬 잘 재현하고 있으며, RKE를 사용한 경우에는 점성경계층의 두께가 얇게 추정되고 있음을 알 수 있었다. 모형선 스케일에서 수행한 수치계산 결과로부터 RSM 난류모형이 수치계산의 노력이 많이 필요하다는 약점이 있지만, 보다 정확한 반류분포를 제공함을 확인하였다.
- 실선에서는 빌지 보오텍스의 형성이 훨씬 약하며, 점성경계층의 두께도 얇아 반류의 영역이 확실히 작게 나타났다. RKE를 사용한 수치계산에서는 RSM을 사용한 경우에 비해 점성경계층의 두께가 지나 치게 얇아지는 경향을 보였으며, 빌지 보오텍스에 의한 갈고리 모양의 등속선은 거의 나타나지 않았다. 실선 스케일에서의 계측자료를 구하는 것이 거의 불가능한 현재의 상황에서 RSM을 사용한 결과가 RKE에 비해 우수하다고 단정 지을 수는 없다.
- 우선 모형선 스케일에 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. 다음으로 실선 스케일에서의 수치계산을 수행하여 모형선에 대한 수치계산 결과와 비교하였다.
- KLNG, KCS, 그리고 KVLCC2의 세 모형선에 대하여 RKE와 RSM 난류모형을 사용한 수치계산 결과를 종합해 본 결과, RSM를 사용한 경우에 빌지 보오텍스에 의한 축방향 속도의 갈고리 모양 등속선이 모형시험 결과를 훨씬 잘 재현하고 있으며, RKE를 사용한 경우에는 점성경계층의 두께가 얇게 추정되고 있음을 알 수 있었다. 모형선 스케일에서 수행한 수치계산 결과로부터 RSM 난류모형이 수치계산의 노력이 많이 필요하다는 약점이 있지만, 보다 정확한 반류분포를 제공함을 확인하였다.
- 그리고 이를 바탕으로 점성압력저항계 수와의 비로서 형상계수(form factor)를 산정하였다. 모형선과 실선 모두에 대하여 RSM을 사용한 계산이 RKE를 사용한 경우보다는 ATTC 곡선과 가까운 결과를 보이고 있으며, RKE는 마찰저항계수와 점성압력저항계수를 모두 작게 추정하고 있다. 또한 실선 스케일에서 RSM을 사용하여 다른 #에 대하여 수행한 결과를 비교해 보면 # 가 증가 할수록 마찰저항 계수가 크게 추정되고 있는데, 이는 실제 벽함수를 적용하는 지점에 따라서 마찰응력의 산정에 약간씩 차이가 나타나기 때문으로 보인다.
- 13은 KCS에 대한 모형선과 실선 스케일에서 추진기 면의 축방향 속도분포와 횡방향 속도벡터를 나타내고 있다. 모형선과 실선 스케일 모두 RSM으로 계산한 경우 RKE으로 계산한 것보다 속도분포가 좀 더 밖으로 퍼져있어 경계층이 보다 두껍게 계산되었으며, Fig. 8에서 확인한 바와 같이 RSM이 RKE보다 모형시험과 비슷한 결과를 주었던 것으로 미루어 볼 때, RKE에 의한 실선 스케일 계산 결과는 지나치게 경계층이 작게 추정되는 것으로 보인다. Fig.
- 모형선과 실선 스케일에서 수치계산으로 얻어진 공칭반류의 반경방향 분포를 비교해 보았는데, 세척 모두 모형선과 실선의 공칭반류 분포가 곡률에서 큰 차이를 보이고 있다. 수조 모형시험에서 추력일치법을 사용하여 얻어진 모형선과 실선의 유효 반류의 비로 스케일링을 하더라도 그 분포와 형상이 바뀌지 않기 때문에 실제로 모형선의 결과를 실선으로 확장하는 방법을 본 논문에서 직접 제시하기에는 어려움이 있었다.
- 다음으로 실선 스케일에서의 수치계산을 수행하여 모형선에 대한 수치계산 결과와 비교하였다. 실선에서는 빌지 보오텍스의 형성이 훨씬 약하며, 점성경계층의 두께도 얇아 반류의 영역이 확실히 작게 나타났다. RKE를 사용한 수치계산에서는 RSM을 사용한 경우에 비해 점성경계층의 두께가 지나 치게 얇아지는 경향을 보였으며, 빌지 보오텍스에 의한 갈고리 모양의 등속선은 거의 나타나지 않았다.
- 7를 보면 KLNG의 경우 Realizable k-ε 난류모형(RKE)을 사용한 수치계산 결과로 얻은 추진기면의 반류 분포는 빌지 보오텍스에 의한 축방향 속도성분의 분포로 나타나는 갈고리 모양(hook-like shape)이 약하게 계산된 반면, 좀 더 고차의 난류모형인 Reynolds-stress model(RSM)로 수치계산을 수행한 결과에서는 보다 뚜렷한 갈고리 모양을 볼 수 있으며, 모형시험 결과와 상당한 일치를 보이고 있다. 특히 RKE를 사용한 경우에는 전체적으로 경계층의 두께가 작게 추정되었음을 알 수 있으며, 전체적인 추진기면의 공칭반류 분포 또한 RSM을 사용하여 수행한 수치계산 결과가 모형 시험 결과와 좀 더 유사함을 알 수 있다.
- RKE와 RSM 모두 모형시험과 상당한 일치를 보이고 있으나, RSM의 결과가 모형시험에 보다 가까운 것으로 판단된다. 특히 축방향 속도가 0.3인 등속선의 모양을 보면 RKE의 경우 갈고리 모양의 깊이 모형시험에 비하여 약하게 나타났으나, RSM을 사용한 계산 결과에서는 훨씬 강한 빌지 보오텍스가 모형시험 결과에 비슷한 곳에 위치해 있음을 확인할 수 있다.
- 실선 스케일에서의 계측자료를 구하는 것이 거의 불가능한 현재의 상황에서 RSM을 사용한 결과가 RKE에 비해 우수하다고 단정 지을 수는 없다. 하지만 모형선 스케일에서의 RSM을 사용한 수치계산 결과가 보다 정확한 점을 상기해볼 때, RSM을 사용한 결과가 실선 스케일에서도 보다 정확할 것으로 생각된다.
후속연구
- 모형선과 실선 스케일에서 수치계산으로 얻어진 공칭반류의 반경방향 분포를 비교해 보았는데, 세척 모두 모형선과 실선의 공칭반류 분포가 곡률에서 큰 차이를 보이고 있다. 수조 모형시험에서 추력일치법을 사용하여 얻어진 모형선과 실선의 유효 반류의 비로 스케일링을 하더라도 그 분포와 형상이 바뀌지 않기 때문에 실제로 모형선의 결과를 실선으로 확장하는 방법을 본 논문에서 직접 제시하기에는 어려움이 있었다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.