[논문]수치시뮬레이션기법을 이용한 거위목 벌브의 저항성능에 관한 연구

유진원; 이영길; 정광열

doi:10.3744/snak.2010.47.5.689

수치시뮬레이션기법을 이용한 거위목 벌브의 저항성능에 관한 연구
A Study on the Resistance Performance of the Goose Neck Bulbous Bow by Numerical Simulation Method 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.47 no.5, 2010년, pp.689 - 696

유진원 (인하대학교 대학원 조선해양공학과) , 이영길 (인하대학교 기계공학부 선박해양공학) , 정광열 (인하대학교 대학원 조선해양공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Bulbous bow is one of the important design factors on the design of fore-body hull form. Using the interference technique of ship waves, the bulbous bow can decrease the wave resistance of ship. Recently, the goose neck bulb is applied mainly for high speed vessels like passenger ships and ferries etc.. Also, the goose neck bulb is applied for relatively high speed merchant vessels like container ships and LNG carriers. However, existing research papers about the goose neck bulb are not enough as reference data for the design of bow hull form. In this study, numerical calculations are carried out to investigate the bow wave characteristics of a high speed ferry with a normal high nose bulb or a goose neck bulb. By comparing the pressure distributions on the hull surface and the wave systems near the bow, the features of wave resistance reduction are discussed. Also, Numerical calculations were carried out for a series of goose neck bulbs to figure out the optimum bulb size. The maximum reduction rate of pressure resistance for the fore-body is achievable up to 8% by adopting the goose neck bulb in the present calculation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 자료가 공개된 선형을 대상으로 하여, 거위목 벌브가 적용된 선형의 선수파 특성을 파악하고자 한다. 밀도함수법(Marker-density method)을 이용하여 작성된 전산프로그램으로 선체 주위 3차원 쇄파현상의 수치시뮬레이션(Lee, 2008; Lee, et al.
저항성분에 영향을 미치는 거위목 벌브의 선형요소를 파악하고자 하는 연구의 일환으로, 본 연구에서 GB01선형의 벌브 최대폭을 변화시켜 GB02선형(Goose neck Bulb hull 02)들을 설계하였다. 설계된 선형들을 GB01선형과 Fig.

가설 설정

물체주위의 속도분포는 2차 방정식의 형태를 따른다고 가정하였으며, 2차방정식 형태의 속도분포 계산 시 점착조건을 만족시키기 위하여 물체표면에서의 속도를 ‘0’으로 정의 하였다(Fig. 4).

제안 방법

Fig. 2에서 나타내고 있는 격자계 모습과 같이, 선체주위 격자의 크기를 작게 하고, 벌브 근처의 X 방향 격자수와 자유수면 근처와 선체의 곡률이 큰 위치에 Z 방향 격자의 수를 집중시켜 계산의 정도를 높였다. 정수면 상태에서, 초기선형과 비교하여 GB01선형의 벌브가 자유수 면을 관통하고 있는 모습을 Fig.
하지만, 주선체와 거위목 벌브에 의하여 만들어지는 파도의 간섭효과로, 기존선형에 비해 선측 파형이 크게 달라짐을 알 수 있다. 거위목 벌브를 지나는 유선들이 선저 방향으로 급격히 향하면서, 선수파의 파고가 낮아지는 것을 계산으로도 확인하였다.
계산결과를 비교하기 위하여 초기선형과 GB01선형의 파형분포(wave height contour), 선체표면 압력분포(pressure contour), 압력저항 등을 비교하였다. Fig.
, 2008)을 수행하고, 선수파 특성을 분석하여, 거위목 벌브에 의한 저항 감소 원인을 파악한다. 또한 거위목 벌브의 선형요소를 변화시켜, 각 선형요소들에 의한 저항성능 변화를 고찰한다. 또한, 본 연구의 결과들에 대한 비교 및 분석을 통하여, 추후 거위목 벌브를 포함한 최적 선수선형설계에 참고 될 수 있는 기초적 연구 자료가 되었으면 한다.
#는 물체경계격자의 발산을 의미하며 ‘0’이 될 때까지 반복 계산하여 ‘0’발산 조건을 만족시켰다. 잘려진 면의 유량은 속도를 추정한 2차방정식을 공간으로 적분하여 계산하였다.

대상 데이터

거위목 벌브에 의한 선수파 특성과 저항감소 원인을 파악하고자 거위목 벌브가 적용된 선박을 대상으로 수치시뮬레이션을 수행하였으며, 그 결과를 요약하면 아래와 같다.
계산결과의 비교를 위해 초기 선형과 GB01선형 모두 같은 조건에서 약 1,600,000개의 격자를 사용하여 계산하였으며, 그 외 계산조건은 Table 2와 같다. Park, et al.
연구대상선형은 기존의 연구논문을 통하여 선형에 대한 자료가 공개되어 있는 고속 페리를 선정하였다.

이론/모형

대류항을 제외한 지배방정식은 시간에 대하여는 전진차분법을, 공간에 대하여는 중심차분법을 이용하여 이산화 하였다. 대류항에는 삼차 상류차분법을 이용하였으며, 물체와 자유수면을 포함하는 격자에서는 일차 상류차분법을 이용하여 이산화 하였다. 또한 대류항의 차분근사에 있어서는 Adams -Bashforth 차분근사법을 함께 이용하였다.
대류항에는 삼차 상류차분법을 이용하였으며, 물체와 자유수면을 포함하는 격자에서는 일차 상류차분법을 이용하여 이산화 하였다. 또한 대류항의 차분근사에 있어서는 Adams -Bashforth 차분근사법을 함께 이용하였다. 압력의 Poisson방정식은 SOR(Successive Over Relaxation)법을 이용하여 계산하였다.
따라서 저항 감소 원인에 대한 체계적인 분석 및 원인 규명은 구체적으로 언급되어 있지 않다. 또한 이들 연구들에서, 수치시뮬레이션으로는 SHIPFLOW 등과 같은 상용프로그램들을 사용하였다. 사용된 프로그램들의 특성상, 벌브의 효과 중 하나인 쇄파현상에 대한 고려는 포함되어 있지 않다.
물체경계조건으로는 점착(No-slip)조건과 ‘0’발산조건을 만족시켰다. 물체경계격자는 격자가 잘려있어 유체격자와 같은 방법으로 속도와 압력을 계산할 수 없으므로 속도-압력 동시반복기법을 이용하여 속도와 압력을 계산하였다. 물체주위의 속도분포는 2차 방정식의 형태를 따른다고 가정하였으며, 2차방정식 형태의 속도분포 계산 시 점착조건을 만족시키기 위하여 물체표면에서의 속도를 ‘0’으로 정의 하였다(Fig.
물체경계조건과 자유수면의 경계조건은 Jeong, et al. (2010)과 같은 방법을 적용하였다. 직사각형 격자계에서는 물체면과 격자선이 일치하지 않으므로 물체경계격자의 특별한 처리가 필요하다.
본 연구에서는 자료가 공개된 선형을 대상으로 하여, 거위목 벌브가 적용된 선형의 선수파 특성을 파악하고자 한다. 밀도함수법(Marker-density method)을 이용하여 작성된 전산프로그램으로 선체 주위 3차원 쇄파현상의 수치시뮬레이션(Lee, 2008; Lee, et al., 2008)을 수행하고, 선수파 특성을 분석하여, 거위목 벌브에 의한 저항 감소 원인을 파악한다. 또한 거위목 벌브의 선형요소를 변화시켜, 각 선형요소들에 의한 저항성능 변화를 고찰한다.
또한 대류항의 차분근사에 있어서는 Adams -Bashforth 차분근사법을 함께 이용하였다. 압력의 Poisson방정식은 SOR(Successive Over Relaxation)법을 이용하여 계산하였다.
유체는 3차원의 비압축성 점성 유체로 가정하여 Navier-Stokes 방정식(식 (1))과 연속방정식(식 (2))을 지배방정식으로 사용하였고, 격자계는 직사각형 교차격자계를 사용하였다.

성능/효과

1) 거위목 벌브가 적용된 선형은 주선체 앞에 정수선면 위로 튀어나온 형태로 주선체 앞에 존재하는 구형의 구조물에 의하여 다른 형태의 벌브 보다 선체 앞에서 파도가 높게 발생한다. 하지만, 주선체와 거위목 벌브에 의하여 만들어지는 파도의 간섭효과로, 기존선형에 비해 선측 파형이 크게 달라짐을 알 수 있다.
2) 저항성분에 영향을 미치는 거위목 벌브의 선형요소를 파악하고자 하는 연구의 일환으로, 거위목 벌브의 최대 폭을 변화 시켜 선형설계를 수행한 결과, 벌브의 폭이 증가할수록 발산파는 감소하지만 비선형파는 증가하였고, 벌브의 폭이 감소하면 그 반대의 경향을 보임을 확인하였다. 선형파와 선체주위의 비선형파을 모두 고려한 기존의 거위목 벌브보다 좀 더 적은 크기로도 보다 나은 저항성능을 기대할 수 있을 것이다.
벌브의 최대 폭이 점차 감소함에 따라 압력저항이 감소하지만, 어느 일정 폭 이하에서는 압력저항이 다시 증가하는 것으로 나타났다. 각 선형 별로 변화되는 저항 성분을 분석해 보면, 벌브 폭의 증가에 따라 형상저항은 증가할 것으로 예상되지만, 발산파 감소에 의하여 선형적 조파저항 성분은 감소하고, 쇄파 현상에 의한 비선형적 조파저항 성분은 증가하는 것으로 판단되어 진다. GB02(B02) 선형의 경우 벌브가 가장 작아 형상저항과 쇄파현상은 감소하지만, 발산파가 벌브 폭이 넓은 선형보다 많이 증가하여 벌브 폭이 큰 GB02(B01) 선형보다 압력저항이 조금 증가하였다.
9에서 선체에 작용하는 압력저항의 크기를 비교하였다. 거위목 벌브가 적용된 선형은 주선체와 벌브에 의하여 생성된 파도의 상호작용으로 초기선형보다 압력저항이 약 8%나 감소하였다. Heimann(2005)의 연구와 비교하여 보면, 동일 선형에 대한 수치시뮬레이션을 수행하였지만, 본 연구에서의 압력저항이 수치적 파형해석에 의한 조파저항(Wave resistance)에 비하여 약간 높게 산출되었다.
이러한 차이들의 결과로 거위목 벌브가 적용된 선형의 경우 본 연구에서는 압력저항이 기존선형에 비해 약 8% 정도 감소하였다.
거위목 벌브가 적용된 선형인 GB01선형(Goose neck Bulb hull 01)은 Heimann(2005)가 초기선형을 대상으로 FRIENDSHIP 프로그램을 이용하여 벌브만을 거위목 형상으로 설계한 것이다. 주 선체의 선형 변화가 많지 않고 벌브의 형상만 변화하였기 때문에, 초기선형과 GB01을 비교함으로써 거위목 벌브만의 특성을 파악하는 데는 적합한 선형이라 판단하였다.
Heimann (2005)의 연구에서는 포텐셜 계산에 의한 파형해석을 수행하여, 발산파에 의한 선형적 조파저항 성분의 감소를 목적으로 GB01선형을 설계하였다. 포텐셜 계산에서 나타나지 않는 점성에 의한 압력 변화 및 쇄파현상에 의한 비선형파를 고려한 결과, GB02(B01) 선형은 GB01 선형에 비하여 발산파는 조금 증가하였지만, 형상저항과 쇄파 현상의 감소로 좀 더 우수한 저항성능을 나타나내고 있다.

후속연구

또한 거위목 벌브의 선형요소를 변화시켜, 각 선형요소들에 의한 저항성능 변화를 고찰한다. 또한, 본 연구의 결과들에 대한 비교 및 분석을 통하여, 추후 거위목 벌브를 포함한 최적 선수선형설계에 참고 될 수 있는 기초적 연구 자료가 되었으면 한다.
2) 저항성분에 영향을 미치는 거위목 벌브의 선형요소를 파악하고자 하는 연구의 일환으로, 거위목 벌브의 최대 폭을 변화 시켜 선형설계를 수행한 결과, 벌브의 폭이 증가할수록 발산파는 감소하지만 비선형파는 증가하였고, 벌브의 폭이 감소하면 그 반대의 경향을 보임을 확인하였다. 선형파와 선체주위의 비선형파을 모두 고려한 기존의 거위목 벌브보다 좀 더 적은 크기로도 보다 나은 저항성능을 기대할 수 있을 것이다.
추후 벌브의 길이, 단면적 등의 여러 선형요소들을 변화시켜, 저항성분에 영향을 미치는 거위목 벌브의 선형요소들이 체계적으로 연구되면, 보다 더 저항성능이 우수한 거위목 벌브를 포함하는 선수선형의 설계가 가능할 것이다.
추후 벌브의 길이, 단면적 등의 파라메타 변화에 대한 연구를 수행하면, 좀 더 저항성능이 우수한 거위목 벌브가 포함된 선수선형설계가 가능할 것으로 판단되어진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	선수 벌브의 부착으로 무엇을 얻을 수 있는가?	선수형상의 중요한 설계개념 중 하나인 선수 벌브를 살펴보면, 선수 벌브의 부착으로 파도상쇄에 의한 조파저항의 감소를 얻을 수 있음이 오래전부터 잘 알려져 있다. 최근 여객선, 여객 페리 등과 같은 고속선박에서는 주로 거위목 벌브(goose neck bulb)가 적용되고 있으며, 비교적 고속 화물선인 컨테이너 운반선과 액화가스 운반선에서도 거위목 벌브가 일부 적용되어 건조되고 있다.
	거위목 벌브는 어떤 벌브 형상인가?	거위목 벌브는 높은 벌브(High nose bulb)의 개념을 바탕으로, 계획흘수에서 그 효과가 최대화 될 수 있도록 수선면 부위로 최대한 올리고, 바로 후방에서는 벌브의 폭이나 높이가 조금 작아지게 함으로써 유동 형태가 좋으면서도 조파저항을 보다 더 크게 줄일 수 있도록 설계된 벌브 형상이다. 실제 운항 중 벌브는 물 속에 잠기게 되므로 대부분 벌브의 앞부분이 계획흘수보다 높이 치켜든 모습으로 설계되며, 파도상쇄를 극대화함으로써 저항을 크게 줄여보고자 하는 의도가 강하다(Research group of The ship fluid dynamics 2009).

참고문헌 (14)

Cusanelli, D.S., 2007. Joint High Speed Sealift (JHSS) Baseline Shaft & Strut (Model 5653) Series 1: Bare Hull Resistance, Appended Resistance, and Alternative Bow Evaluations. Report NSWCCD-50-TR- 20071066, Naval Surface Warfare Center Carderock Division, USA.
Harries, S. Abt, C. Heimann, J. & Hochkirch. K., 2006. Advanced hydrodynamic design of container carriers for improved transport efficiency. RINA Conf. Design & Operation of Container Ships, London, UK.
Heimann, J. & Harries, S., 2003. Optimization of the Wave-Making Characteristics of Fast Ferries. 7th Int. Conference on Fast Sea Transportation FAST’03, Ischia (Gulf of Naples), Italy.
Heimann, J., 2005. CFD Based Optimization of the Wave-Making Characteristics of Ship Hulls. Doktor der Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation der Technischen Universitat Berlin, Germany.
Hir, C.W. & Nichols, B.D., 1981. Volume of Fluid (VOF) Method for the Dynamics of Free Boundaries. Journal of Computational Physics, 39, pp.201-225.

상세보기
James R., 2006. The Modern Superyacht ; Enlarged Yacht or Smaller Ship?. 19th Int. HUSWA Symposium on Yacht Design and Yacht Construction, Netherlands, 13-14 November.
Jeong, K.L. Lee, Y.G. & Kim, N.C., 2010. A Fundamental Study for Numerical Simulation Method of Green Water Occurrence on Bow Deck. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 47(2), pp.188-195.

원문보기 상세보기
Lee, Y.G., 2008. Development of a Numerical Computation Method Simulating the Wave Breaking Phenomenon around a Ship. Report No. R01-2005-000-10878-0, Ministry of Science and Technology, Korea.
Lee, Y.G. Kim, N.C. Yu, J.W. & Choi, S.Y., 2008. Numerical Simulation of Wave Breaking Near Ship Bow. Journal of Ship and Ocean Technology, 12(1), pp.16-27.

원문보기 상세보기
Maisonneuve, J.J. et al., 2003. Towards Optimal Design of Ship Hull Shapes. IMDC’03, Athens, Greece, 3-5 June.
Park, J.C. Shin, M.S. Van, S.H. & Kim, W.J., 1995. Computations of Free-Surface Flows by Use of Marker and Cell Method. Proceeding of th Annual Autumn Meeting, Korea Society of Computational Fluids Engineering, pp.138-147.
Park, J.S. Lee, J.K. & Kim, S.P., 2005. A Comparison Study of the Bulbous Bow Shape for LPG Carrier. Special Issue of the Society of Naval Architects of Korea, pp.31-37.
Research group of The ship fluid dynamics, 2009. Resistance and propulsion of ship. Jisungsa: Seoul.
Valdenazzi, F. et al., 2003. The FANTASTIC RoRo: CFD Optimisation of the Forebody and its Experimental Verification. Int. Conf. on Ship and Shipping Research NAV’03, Palermo, Italy.

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