[논문]CFD를 이용한 Wake Equalizing Duct의 최적설계

이호성; 김동준

doi:10.5574/ksoe.2011.25.4.042

CFD를 이용한 Wake Equalizing Duct의 최적설계
Design Optimization of Wake Equalizing Duct Using CFD 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.25 no.4 = no.101, 2011년, pp.42 - 47

이호성 (부경대학교 조선해양시스템공학과) , 김동준 (부경대학교 조선해양시스템공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, wake equalizing duct (WED) form optimization was carried out using computational fluid dynamics (CFD) techniques. A WED is a ring-shaped flow vane with a foil-type cross-section fitted to a hull in front of the upper propeller area. The main advantage of a WED is the power savings resulting from the uniformity of the velocity distribution on the propeller plane, a reduction in the flow separation at the aft-body, and lift generation with a forward force component on the foil section. This paper intends to evaluate these functions and find an optimized WED form for minimizing the viscous resistance and equalizing the wake distribution. In the optimization process, the study uses four WED parameters: the angle of the section, longitudinal location, and angles of the axes for the half rings against the longitudinal and transverse planes of the ship. KRISO 300K VLCC2 (KVLCC2) is chosen as an example ship to demonstrate the WED optimization. The optimization procedure uses genetic algorithms (GAs), a gradient-based optimizer for the refinement of the solution, and Non-dominated Sorting GA-II(NSGA-II) for Multiobjective Optimization. The results show that the optimized WED can reduce the viscous resistance at the expense of the uniformity of the wake distribution.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서 선택한 WED의 설계 변수와 그 범위에서 점성저항과 반류분포 관점에서 각각 최적화한 결과를 통해 저항성능을 개선하기 위해서는 반류부분에서의 손해는 불가피하다고 판단된다. 따라서 이하에서는 다목적 최적화 기법(Multi-objective optimization algorithm)을 이용하여 반류부분에서의 손해를 최소화하면서 저항성능의 개선을 기대할 수 있는 WED의 형상을 찾고자 한다.
본 연구를 통하여 WED의 박리감소와 추력발생 등의 효과로 인한 선박저항성능의 개선 가능성을 살펴볼 수 있었다. 하지만 반류부분에서는 불균등의 정도가 증가하였다.
최적설계에 CFD를 이용할 경우 많은 시간이 소요된다는 단점이 있다. 본 연구에서는 Ansys - goal driven optimizati on의 실험계획법(Design of experiment)과 응답표면(Response surface)을 이용하여 최적화에 소요되는 시간을 줄이고자 했다.
본 연구에서는 선미 유동 제어 장치로서 추력을 발생시키고 반류(Wake)를 고르게 하는 것으로 알려진 Wake equalizing duct(‘WED’으로 칭함)를 부착하였을 경우에 WED로 인한 선체 저항 변화와 프로펠러 평면에서의 반류 분포 변화를 살펴보고자 한다.
본 연구에서는 이론적으로 제시된 WED의 성능(Schneekluth and Bertram, 1987)을 CFD (Computational fluid dynamic)를 이용하여 확인하고 각 성능의 관점에서 WED의 최적설계제원에 대한 정보를 얻고자 하였다.
하지만 이는 프로펠러 평면 전체의 반류를 평가하지 못하며 무엇보다 각 반경별 유속의 균등함을 평가하지 못하는 단점이 있다. 본 연구에서는 프로펠러 평면에서 반경별로 종방향 유속의 표준편차를 구한 후, 그 표준편차들의 평균값을 반류분포 최적화의 목적함수로 사용하였다. 0.
본 연구의 목적은 선미 유동 제어 장치로서 추력을 발생시키고 반류를 고르게 하는 것으로 알려진 WED(Wake equalizing duct) 의 최적설계이다. 대상 선박으로는 모형실험결과가 공개되어있는 KVLCC2를 사용하였다.

제안 방법

(1) Hybrid method(1st: global optimizer, 2nd: local optimizer)를 이용하여 WED를 ‘저항’과 ‘반류분포’의 관점에서 각각 최적화를 수행하였다.
(2) 점성저항과 반류분포를 동시에 고려하기 위해 다목적 최적화 알고리즘을 이용하여 WED의 최적화를 수행하였다. 총 24개의 유용한 해를 구할 수 있었다.
WED 최적설계의 목적함수로는 선체에 작용하는 점성저항과 반류 불균등도를 사용하였다. 반류분포 최적화를 위해 반류의 균등한 정도를 정량적으로 표현해야한다.
WED의 단면의 각도(Angle of section, Angle), 종방향에서의 위치(Longitudinal location, Location), WED의 축이 선체 횡단면과 이루는 각 (Angle of axis of half rings against the transverse planes, Axis T) 그리고 선체 종단면과 이루는 각(Angle of axis of half rings against the longitudinal planes, Axis L)을 설계변수로 사용하였으며 각 설계변수의 모양 및 변수영역은 Fig. 6과 같다.
국부해를 피하고 해의 정확성을 높이기 위해 최적화 과정을 2단계로 나누어 수행하였다. 첫 번째 단계로 확률론적 최적화 기법인 유전자 알고리즘(Genetic algorithm)을 이용하여 국부해를 피하고 두 번째 단계에서는 첫 번째 단계에서 도출된 해를 시작점으로 하여 기울기 기반 최적화 기법인 NLPQL(Non linear programming by quadratic lagrangian, Schittkowski 1985/86)을 적용하였다.
다음으로 KVLCC2에 WED를 부착하여 ‘선체저항’과 프로펠러 평면에서의 ‘반류 불균등도’를 최적설계의 목적함수로 하여 WED의 최적화를 수행하였다.
먼저 실험계획법을 이용해 설계변수 영역에서 가능한 20개의 WED형상을 도출하고 목적함수의 값을 계산하였다. 다음으로 회귀분석(Regression analysis)을 이용하여 각 목적함수를 종속변수로 하고, 4개의 설계변수를 독립변수로 하는 2차 다항식으로 표현되는 응답표면을 만든다. Fig.
대상 선박으로는 모형실험결과가 공개되어있는 KVLCC2를 사용하였다. 먼저 KVLCC2(Bare hull)의 유동해석을 수행하여 WED 최적화의 기초자료를 마련하였다. 다음으로 KVLCC2에 WED를 부착하여 ‘선체저항’과 프로펠러 평면에서의 ‘반류 불균등도’를 최적설계의 목적함수로 하여 WED의 최적화를 수행하였다.
먼저 실험계획법을 이용해 설계변수 영역에서 가능한 20개의 WED형상을 도출하고 목적함수의 값을 계산하였다. 다음으로 회귀분석(Regression analysis)을 이용하여 각 목적함수를 종속변수로 하고, 4개의 설계변수를 독립변수로 하는 2차 다항식으로 표현되는 응답표면을 만든다.
KVLCC2의 기본 제원은 Table 1과 같다. 본 연구에서는 1/58의 축척비를 가지는 모델의 모형시험과 동일한 조건에서 계산을 수행하였다. 이때의 Reynolds 수는 4.
이에 격자 불충분으로 인한 계산결과의 오류가 의심되어 WED와 프로펠러평면 사이의 약 20만개의 격자를 추가하여 다시 계산을 수행하였다. Fig.
0)으로 나눈 후, 각 반경의 36개의 위치에서 종방향 유속의 표준편차(Standard deviation, σ_x)를 구한다. 총 8개의 표준편차의 평균값(Average standard deviation, Ave.stdev)을 반류분포 0최적화의 목적함수로 사용하였다. 식(3)의 정의에 의해 Ave.

대상 데이터

본 연구의 목적은 선미 유동 제어 장치로서 추력을 발생시키고 반류를 고르게 하는 것으로 알려진 WED(Wake equalizing duct) 의 최적설계이다. 대상 선박으로는 모형실험결과가 공개되어있는 KVLCC2를 사용하였다. 먼저 KVLCC2(Bare hull)의 유동해석을 수행하여 WED 최적화의 기초자료를 마련하였다.
본 연구에서 WED를 부착한 선형은 MOERI(구 KRISO)에서 설계되었고 모형시험 결과가 공개되어 있는 KVLCC2(KRISO Very large crude oil carrier2)이다. KVLCC2는 U형의 선미 형상을 가지고 있으며 두툼한 선미 벌브와 상대적으로 날씬한 수선면의 형태를 가지고 있다(Fig.
본 연구에서는 WED의 단면형상으로 NACA 0012(Fig. 2)를 사용하였다. NACA 0012는 식(1)로 표현된다.
(2) 점성저항과 반류분포를 동시에 고려하기 위해 다목적 최적화 알고리즘을 이용하여 WED의 최적화를 수행하였다. 총 24개의 유용한 해를 구할 수 있었다. 해의 분포(Pareto front)를 볼 때 WED 를 이용하여 저항성능을 개선하기 위해서는 반류 부분에서의 손해는 불가피하다고 생각된다.

이론/모형

51cm 이다.WED의 기본적인 형상과 위치는 Fahri(2007)이 제시한 방법을 따랐다 (Fig. 3).
난류유동의 지배방정식은 Reynolds-averaged navier-stokes(RANS) 방정식과 연속방정식이며, 난류모형으로는 k -ε 모형을 사용하였다.
파레토 최적해의 의미는 다른 목적함수 값을 증가시키지 않고서는 나머지 목적함수의 값을 줄일 수 없는 해를 말한다. 본 연구에서는 점성저항의 크기와 반류불균등 정도를 목적함수로 하는 WED의 다목적 최적화를 수행하기 위해 NSGA-Ⅱ(Non-dominated sorting GA-Ⅱ)를 사용하였다.
난류유동의 지배방정식은 Reynolds-averaged navier-stokes(RANS) 방정식과 연속방정식이며, 난류모형으로는 k -ε 모형을 사용하였다. 수치계산을 위한 격자는 Ansys CFX - Mesh를 사용하여 Hybrid finite volume unstructured mesh(tetrahedral/prism)로 구성하였으며 경계층 구현을 위해 Prism요소를 사용하였다. 유동장 계산에 사용된 계산조건은 Table 2와 같다.
국부해를 피하고 해의 정확성을 높이기 위해 최적화 과정을 2단계로 나누어 수행하였다. 첫 번째 단계로 확률론적 최적화 기법인 유전자 알고리즘(Genetic algorithm)을 이용하여 국부해를 피하고 두 번째 단계에서는 첫 번째 단계에서 도출된 해를 시작점으로 하여 기울기 기반 최적화 기법인 NLPQL(Non linear programming by quadratic lagrangian, Schittkowski 1985/86)을 적용하였다.
최적화에 소요되는 시간을 줄이기 위해 응답표면을 생성하고 응답표면에서 최적화 알고리즘을 적용하였다.
)를 그간 발표된 수치해석 결과와 비교한 것이다. 형상저항계수(1+k)는 Hino(2005)가 추천한 식을 사용하였다.

성능/효과

1). KVLCC2는 저속비대선으로 다른 선종에 비해 박리 등으로 인한 점성압력저항이 크고 반류의 불균등 정도가 크기 때문에 WED의 성능을 확인하기에 적합하다고 판단하였다. KVLCC2의 기본 제원은 Table 1과 같다.
00009감소하였다. 계산결과가 거의 변함이 없는 것을 확인할 수 있었으며 격자에 의한 계산결과의 오류는 없다고 판단된다.
저항의 경우 WED로 인해 마찰저항은 증가하였으나 점성압력저항이 그 이상으로 감소하여 전체 점성 저항은 줄어들었다. 그리고 WED의 압력분포를 통해 WED에서의 추력을 확인할 수 있었고 저항 감소분에 기여함을 알 수 있었다. 반류분포의 경우, 본 연구에서 선택한 WED 단면의 형상과 설계영역에서는 오히려 WED에 의해 반류 불균등 정도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
1929N이상인 해는 최적해로서 의미가 없다. 따라서 저항성능의 개선을 얻고자 할 때 9.1929N보다 작은 24개의 해에서 WED 형상의 선택이 가능함을 알 수 있다.
그리고 WED의 압력분포를 통해 WED에서의 추력을 확인할 수 있었고 저항 감소분에 기여함을 알 수 있었다. 반류분포의 경우, 본 연구에서 선택한 WED 단면의 형상과 설계영역에서는 오히려 WED에 의해 반류 불균등 정도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
본 연구에서 선택한 WED의 설계 변수와 그 범위에서 점성저항과 반류분포 관점에서 각각 최적화한 결과를 통해 저항성능을 개선하기 위해서는 반류부분에서의 손해는 불가피하다고 판단된다. 따라서 이하에서는 다목적 최적화 기법(Multi-objective optimization algorithm)을 이용하여 반류부분에서의 손해를 최소화하면서 저항성능의 개선을 기대할 수 있는 WED의 형상을 찾고자 한다.
전체적인 모양에서 거의 변화가 없으며 격자의 추가 후 Ave.-stdev의 값이 0.13417에서 0.13408로 0.00009감소하였다. 계산결과가 거의 변함이 없는 것을 확인할 수 있었으며 격자에 의한 계산결과의 오류는 없다고 판단된다.

후속연구

하지만 반류부분에서는 불균등의 정도가 증가하였다. WED를 통한 반류분포의 개선을 위해서는 좀 더 다양한 단면의 형상과 설계 변수에 대한 연구가 필요하다고 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구에서 KVLCC2가 WED의 성능을 확인하기에 적합하다고 판단한 이유는 무엇인가?	1). KVLCC2는 저속비대선으로 다른 선종에 비해 박리 등으로 인한 점성압력저항이 크고 반류의 불균등 정도가 크기 때문에 WED의 성능을 확인하기에 적합하다고 판단하였다. KVLCC2의 기본 제원은 Table 1과 같다.
	국부해를 피하고 해의 정확성을 높이기 위해 최적화 과정 2단계는 어떠한가?	국부해를 피하고 해의 정확성을 높이기 위해 최적화 과정을 2단계로 나누어 수행하였다. 첫 번째 단계로 확률론적 최적화 기법인 유전자 알고리즘(Genetic algorithm)을 이용하여 국부해를 피하고 두 번째 단계에서는 첫 번째 단계에서 도출된 해를 시작점으로 하여 기울기 기반 최적화 기법인 NLPQL(Non linear programming by quadratic lagrangian, Schittkowski 1985/86)을 적용하였다.
	KVLCC2의 형태는 어떠한가?	본 연구에서 WED를 부착한 선형은 MOERI(구 KRISO)에서 설계되었고 모형시험 결과가 공개되어 있는 KVLCC2(KRISO Very large crude oil carrier2)이다. KVLCC2는 U형의 선미 형상을 가지고 있으며 두툼한 선미 벌브와 상대적으로 날씬한 수선면의 형태를 가지고 있다(Fig. 1).

참고문헌 (11)

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상세보기
Schneekluth, H. and Bertram, V. (1987). Ship Design for Efficiency and Economy, Btterqorth-Heinemann Ltd, Linacre House, Jordan Hill, Oxford.
Hino T. (2005). Proc. of CFD Workshop Tokyo 2005, Tokyo, Japan.
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Wendt, B.J. and Reichert, B.A. (1996). The Modelling of Symmetric Airfoil Vortex Generators, AIAA Paper 96-0807.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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