[논문]소스공개 라이브러리를 활용한 조선 및 해양 산업용 CFD 코드 개발

박선호; 이신형

doi:10.3744/snak.2012.49.2.151

소스공개 라이브러리를 활용한 조선 및 해양 산업용 CFD 코드 개발
CFD Code Development Using Open Source Libraries for Shipbuilding and Marine Engineering Industries 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.49 no.2, 2012년, pp.151 - 157

박선호 (서울대학교 대학원 조선해양공학과) , 이신형 (서울대학교 조선해양공학과 해양시스템공학연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

The present study explored the possibilities of the applications of open source libraries to shipbuilding and marine engineering industries. A computational fluid dynamics (CFD) code, termed SNUFOAM, was developed and tested for turbulent flow around a ship, free surface flow around a hull, cavitating flow, and vortex shedding dynamics around a cylinder. The results using the developed CFD codes were compared against existing experimental data and solution of commercial CFD codes. SNUFOAM showed the nearly same results as commercial CFD codes and proved to be an alternative to commercial CFD codes for shipbuilding and marine engineering industries.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 소스가 공개된 전산유체역학을 위한 라이브러리를 이용하여 CFD 코드인 SNUFOAM을 개발하였고, 이를 선박의 저항, 선체주위 자유수면 변화, 공동현상, 실린더 주위에서 발생하는 와류 흘림 문제에 대해 해석하였다. 저항 계산에서는 선수에서의 난류값 계산을 위하여 목적에 맞는 특성화된 라이브러리를 개발하였으며, 이를 이용하여 SNUFOAM을 개발하였고 정도가 높은 결과를 얻을 수 있었다.
이에 본 연구에서는 소스공개 라이브러리를 이용하여 조선 및 해양산업에서 관심 있는 문제를 해석하여 소스공개 라이브러리를 이용한 결과가 상용 소프트웨어와 비교해 어느 정도의 결과를 내는지 검토하였다. 또한, 조선 및 해양 산업에 활용하기 위하여 목적에 맞는 특성화된 라이브러리를 개발하였고, 이를 이용하여 CFD 코드(SNUFOAM)를 개발하였다.
FLUENT의 결과가 맞는다고 단정하기는 어려우나 선박계산에서 이미 정도를 입증하였고 FLUENT를 대체하는 코드를 개발하는 목적도 있기 때문에 FLUENT의 결과가 맞는다는 가정 하에 연구를 진행하였다. 특히 선수에서 난류의 생성과 소멸이 늦게 발생하는 것을 알 수 있는데 난류 에너지 생성항(Production of turbulent kinetic energy)에서 잘못된 계산을 하는 것을 확인하였고 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 조선산업에 특성화된 라이브러리의 필요성이 제시되었으며 본 논문에서는 이를 개발하였다. 소스공개 라이브러리에서 기본적으로 사용하는 난류에너지 생성항은 다음과 같다(Pope, 2000).

가설 설정

소스공개 라이브러리를 이용한 결과에서 압력은 FLUENT와 동일한 분포를 나타내었으나 선수 표면의 난류에너지와 난류소산율은 결과가 다른 것을 알 수 있다. FLUENT의 결과가 맞는다고 단정하기는 어려우나 선박계산에서 이미 정도를 입증하였고 FLUENT를 대체하는 코드를 개발하는 목적도 있기 때문에 FLUENT의 결과가 맞는다는 가정 하에 연구를 진행하였다. 특히 선수에서 난류의 생성과 소멸이 늦게 발생하는 것을 알 수 있는데 난류 에너지 생성항(Production of turbulent kinetic energy)에서 잘못된 계산을 하는 것을 확인하였고 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 조선산업에 특성화된 라이브러리의 필요성이 제시되었으며 본 논문에서는 이를 개발하였다.

제안 방법

, 2004)을 포함하는 라이브러리를 개발하였다. 개발된 라이브러리와 소스공개 라이브러리를 이용하여 SNUFOAM을 개발하였다.
공동현상을 계산하기 위해 상변화를 압력과 밀도의 함수로 나타내는 barotropic관계 모델과 액체상과 기체상을 모두 계산하는 이상 균질 모델(Merkle, et al.,1998; Kunz, et al., 1999; Schnerr & Sauer, 2001; Singhal, et al., 2002; Shin, et al., 2004)을 포함하는 라이브러리를 개발하였다.
난류에너지 생성항을 계산하는 식을 (2)와 같이 변경하여 특성화된 라이브러리를 개발하였고, 이를 이용하여 SNUFOAM을 개발하였다. 계산한 결과는 Fig.
Wigely와 같이 간단한 선형에 대해서는 소스공개 라이브러리를 수정없이 이용하여도 계산이 가능한 것을 알 수 있다. 다음으로는 Wigley와 비교해 선형에 곡률이 있어 격자가 공간상에서 휘어지는 KCS에 대해 계산하였다. Froude 수 0.
이에 본 연구에서는 소스공개 라이브러리를 이용하여 조선 및 해양산업에서 관심 있는 문제를 해석하여 소스공개 라이브러리를 이용한 결과가 상용 소프트웨어와 비교해 어느 정도의 결과를 내는지 검토하였다. 또한, 조선 및 해양 산업에 활용하기 위하여 목적에 맞는 특성화된 라이브러리를 개발하였고, 이를 이용하여 CFD 코드(SNUFOAM)를 개발하였다.
발생된 공동의 모양이 변화하지 않고 일정한 모양으로 유지되는 공동에 대해서는 타 전산유체역학 프로그램에서도 계산이 상대적으로 용이하기 때문에 공동이 시간에 따라 변화하는 3차원 비틀어진 날개 주위에서 발생하는 공동에 대해 계산을 하였다(Park & Rhee, 2011c).
, 2011a). 선형이 공개된 KCS에 대해 자유수면을 고려하지 않은 이중모형(double body)을 고려하였다.
소스공개 라이브러리를 이용하여 조선 산업에서 가장 기본적인 문제인 선박의 저항 문제에 대해 검토하였다(Park, et al., 2011a). 선형이 공개된 KCS에 대해 자유수면을 고려하지 않은 이중모형(double body)을 고려하였다.
공동현상 계산에서는 다양한 공동 모델을 포함하는 라이브러리를 개발하여 초공동과 구름형 공동에 대해 계산하였고 실험과 잘 일치하는 결과를 얻었다. 실린더 주위의 와류 흘림 문제에 대해서는 유동장의 와도와 결과물의 힘과 모멘트 계산을 위한 라이브러리를 개발하였고, 이를 이용하여 SNUFOAM을 개발하였다.
실험결과가 공개되어 있는 Wigely와 KCS 선형에 대해 소스공개 라이브러리를 이용하여 선체주위의 자유수면 분포를 계산하였다. Volume of fluid (VOF) 방법을 채택하여 자유수면을 고려하였다.
해양의 파이프라인에서 자주 발생하는 와류 흘림(vortex induced vibration)에 대해 계산하였다. 유동장에서의 와도(vorticity)와 실린더에 작용하는 힘과 모멘트를 출력하기 위해 특성화된 라이브러리를 개발하였고, 개발된 라이브러리와 소스공개 라이브러리를 이용하여 SNUFOAM을 개발하였다. 층류, 천이, 난류 영역이 포함되도록 Reynolds 수 0.
응용분야가 다양한 날개에 대해 공동현상을 계산하였다. 발생된 공동의 모양이 변화하지 않고 일정한 모양으로 유지되는 공동에 대해서는 타 전산유체역학 프로그램에서도 계산이 상대적으로 용이하기 때문에 공동이 시간에 따라 변화하는 3차원 비틀어진 날개 주위에서 발생하는 공동에 대해 계산을 하였다(Park & Rhee, 2011c).
Wigley와 같이 간단한 선형의 계산은 소스공개 라이브러리를 수정없이 이용하여도 가능하나 실제 곡률변화가 심한 선박에 대해서는 소스공개 라이브러리에서 제공하는 라이브러리는 한계가 있는 것을 확인하였다. 이를 해결하기 위해 volume fraction 이송 방정식을 변경하여 목적에 맞는 특성화된 라이브러리를 개발하였다. SNUFOAM을 이용하면 선체 주위에 발생하는 자유수면 변화를 추정할 수 있다.
7과 같이 선수와 선미 주위에서 파형이 찌그러지는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 특성화된 새로운 volume fraction 이송 방정식 라이브러리를 생성하였고, 이를 이용하여 SNUFOAM을 개발하였다. SNUFOAM을 이용한 계산결과를 보면 선수미에서 자유수면이 찌그러지는 것이 없어진 것을 확인할 수 있다.
해양의 파이프라인에서 자주 발생하는 와류 흘림(vortex induced vibration)에 대해 계산하였다. 유동장에서의 와도(vorticity)와 실린더에 작용하는 힘과 모멘트를 출력하기 위해 특성화된 라이브러리를 개발하였고, 개발된 라이브러리와 소스공개 라이브러리를 이용하여 SNUFOAM을 개발하였다.

대상 데이터

, 2011; ITTC Ocean Engineering Committee, 2011). Reynolds 수의 범위는 천이 영역에 대한 CFD 계산 결과를 검토하기 위해 ITTC에서 선정하였다. Fig.

데이터처리

9는 캐비테이터의 형상과 캐비테이션 수에 따른 공동의 길이를 Newman이 유도한 해석해(Newman, 1977)와 Ahn, et al.(2010)의 포텐셜 유동 계산 결과와 비교하였다. 캐비테이션 수가 큰 영역에서는 점성 계산 결과가 약간 작게 계산되었고, 캐비테이션 수가 작은 영역에서는 해석해와 잘 일치하는 것을 알 수 있다.
다음으로는 Wigley와 비교해 선형에 곡률이 있어 격자가 공간상에서 휘어지는 KCS에 대해 계산하였다. Froude 수 0.26에서 계산하였고 실험결과와 비교하였다. 소스공개 라이브러리를 수정없이 이용하여 계산하면 Fig.
소스공개 라이브러리를 이용한 Rusche (2002)의 코드를 이용하여 자유수면 문제에 적용해 보았다. Wigley 선형은 Froude 수 0.289에서 계산하였으며 Journee (1992)의 실험결과와 비교하였다. Fig.
개발된 SNUFOAM을 이용하여 삼각형 형상의 캐비테이터 (cavitator)에서 발생하는 초공동현상(super-cavitation)에 대해 계산을 하였다(Park & Rhee, 2011a; Park & Rhee, 2011b; Park, et al., 2011b).
, 1995)과 벽함수(Pope, 2000)를 적용하였다. 계산한 결과는 이미 선박 계산에서 정도를 입증한 상용소프트웨어인 FLUENT의 결과와 비교하였다(Choi, et al., 2009; Seo, et al., 2010). Fig.

이론/모형

실험결과가 공개되어 있는 Wigely와 KCS 선형에 대해 소스공개 라이브러리를 이용하여 선체주위의 자유수면 분포를 계산하였다. Volume of fluid (VOF) 방법을 채택하여 자유수면을 고려하였다.
Weller, et al. (1998)의 코드에서는 난류를 해석하기 위하여 realizable k-ε 모델(Shih, et al., 1995)과 벽함수(Pope, 2000)를 적용하였다.
소스공개 라이브러리를 이용한 Rusche (2002)의 코드를 이용하여 자유수면 문제에 적용해 보았다. Wigley 선형은 Froude 수 0.
우선 소스공개 라이브러리를 이용한 Weller, et al. (1998)의 코드를 이용하여 선박의 저항문제에 적용해 보았다. Weller, et al.
09를 사용하였다. 이번 연구에서는 FLUENT와 동일한 결과를 얻기 위하여 Craft, et al. (2002)에서 사용한 난류 에너지 생성항을 사용하였으며, 다음과 같이 표현된다.

성능/효과

10은 공동이 발생할 때 스팬중앙에서의 시간 평균한 압력 분포를 나타낸다. Medium 격자 이상에서 실험과 잘 일치하는 것을 확인하였다. Fig.
이와 같은 문제를 해결하기 위해 특성화된 새로운 volume fraction 이송 방정식 라이브러리를 생성하였고, 이를 이용하여 SNUFOAM을 개발하였다. SNUFOAM을 이용한 계산결과를 보면 선수미에서 자유수면이 찌그러지는 것이 없어진 것을 확인할 수 있다.
Wigley와 같이 간단한 선형의 계산은 소스공개 라이브러리를 수정없이 이용하여도 가능하나 실제 곡률변화가 심한 선박에 대해서는 소스공개 라이브러리에서 제공하는 라이브러리는 한계가 있는 것을 확인하였다. 이를 해결하기 위해 volume fraction 이송 방정식을 변경하여 목적에 맞는 특성화된 라이브러리를 개발하였다.
소스공개 라이브러리를 수정없이 이용하여도 계산이 가능한 경우가 많이 있으나 실제 조선 및 해양 산업용 문제에 활용하기 위해서는 목적에 맞는 특성화된 라이브러리의 개발이 필요함을 확인할 수 있었다. 개발된 SNUFOAM을 이용한 결과는 실험 결과 및 상용 소프트웨어와 비교해 우수한 결과를 나타내었다. 현재는 소스공개 라이브러리를 이용한 결과가 상용 소프트웨어의 일부를 대체할 수 있으나 사용자가 필요에 맞게 공개소스를 변경 또는 개발하면 향후 상용 상용소프트웨어를 대체할 수 있을 것으로 기대된다.
캐비테이션 수가 큰 영역에서는 점성 계산 결과가 약간 작게 계산되었고, 캐비테이션 수가 작은 영역에서는 해석해와 잘 일치하는 것을 알 수 있다. 개발된 SNUFOAM이 공동의 길이를 잘 예측하는 것을 확인할 수 있다.
결론적으로 소스공개 라이브러리에서 기본적으로 제공하는 라이브러리를 이용하면 선수에서 난류의 발달이 늦게 진행되기 때문에 이를 해결하기 위해 특성화된 새로운 라이브러리를 추가하여 SNUFOAM을 개발하였고, 개발된 SNUFOAM을 이용하면 선박 저항 계산에의 활용이 가능하다.
자유수면 계산에서는 KCS와 같이 선수미 벌브 및 곡률이 있는 선체에 대해서는 volume fraction 이송 방정식을 변경하여 특성화된 라이브러리를 개발하였고, 이를 이용한 계산결과 선미에서 해의 구겨짐 없이 실험과 비교해 좋은 결과를 얻을 수 있었다. 공동현상 계산에서는 다양한 공동 모델을 포함하는 라이브러리를 개발하여 초공동과 구름형 공동에 대해 계산하였고 실험과 잘 일치하는 결과를 얻었다. 실린더 주위의 와류 흘림 문제에 대해서는 유동장의 와도와 결과물의 힘과 모멘트 계산을 위한 라이브러리를 개발하였고, 이를 이용하여 SNUFOAM을 개발하였다.
추진기 허브위치에서는 저속구간의 값이 다소 차이를 보이나 전체적으로 거의 동일한 결과를 얻었다. 또한, 저항 측면에서도 SNUFOAM과 FLUENT에서 각각 35.21N과 35.49N로 거의 동일한 결과를 얻었다.
(1998)의 코드와 FLUENT를 이용하여 KCS 이중모형에 대해 계산한 결과를 나타낸다. 소스공개 라이브러리를 이용한 결과에서 압력은 FLUENT와 동일한 분포를 나타내었으나 선수 표면의 난류에너지와 난류소산율은 결과가 다른 것을 알 수 있다. FLUENT의 결과가 맞는다고 단정하기는 어려우나 선박계산에서 이미 정도를 입증하였고 FLUENT를 대체하는 코드를 개발하는 목적도 있기 때문에 FLUENT의 결과가 맞는다는 가정 하에 연구를 진행하였다.
저항 계산에서는 선수에서의 난류값 계산을 위하여 목적에 맞는 특성화된 라이브러리를 개발하였으며, 이를 이용하여 SNUFOAM을 개발하였고 정도가 높은 결과를 얻을 수 있었다. 자유수면 계산에서는 KCS와 같이 선수미 벌브 및 곡률이 있는 선체에 대해서는 volume fraction 이송 방정식을 변경하여 특성화된 라이브러리를 개발하였고, 이를 이용한 계산결과 선미에서 해의 구겨짐 없이 실험과 비교해 좋은 결과를 얻을 수 있었다. 공동현상 계산에서는 다양한 공동 모델을 포함하는 라이브러리를 개발하여 초공동과 구름형 공동에 대해 계산하였고 실험과 잘 일치하는 결과를 얻었다.
본 논문에서는 소스가 공개된 전산유체역학을 위한 라이브러리를 이용하여 CFD 코드인 SNUFOAM을 개발하였고, 이를 선박의 저항, 선체주위 자유수면 변화, 공동현상, 실린더 주위에서 발생하는 와류 흘림 문제에 대해 해석하였다. 저항 계산에서는 선수에서의 난류값 계산을 위하여 목적에 맞는 특성화된 라이브러리를 개발하였으며, 이를 이용하여 SNUFOAM을 개발하였고 정도가 높은 결과를 얻을 수 있었다. 자유수면 계산에서는 KCS와 같이 선수미 벌브 및 곡률이 있는 선체에 대해서는 volume fraction 이송 방정식을 변경하여 특성화된 라이브러리를 개발하였고, 이를 이용한 계산결과 선미에서 해의 구겨짐 없이 실험과 비교해 좋은 결과를 얻을 수 있었다.
(2010)의 포텐셜 유동 계산 결과와 비교하였다. 캐비테이션 수가 큰 영역에서는 점성 계산 결과가 약간 작게 계산되었고, 캐비테이션 수가 작은 영역에서는 해석해와 잘 일치하는 것을 알 수 있다. 개발된 SNUFOAM이 공동의 길이를 잘 예측하는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

개발된 SNUFOAM을 이용한 결과는 실험 결과 및 상용 소프트웨어와 비교해 우수한 결과를 나타내었다. 현재는 소스공개 라이브러리를 이용한 결과가 상용 소프트웨어의 일부를 대체할 수 있으나 사용자가 필요에 맞게 공개소스를 변경 또는 개발하면 향후 상용 상용소프트웨어를 대체할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	조선산업에서 상용 소프트웨어를 사용한 연구의 문제점은?	해양산업에서는 와류 흘림(vortex shedding) 및 선체와 선체간의 상호간섭 등 다양한 연구가 진행되고 있다. 그러나 이러한 연구는 상용 소프트웨어를 이용하고 있어서 구입비용뿐만 아니라 매년 유지보수 비용, 그리고 최근에는 병렬컴퓨터 이용을 위한 병렬라이센스 임대비용까지 많은 비용이 들어가고 있다. 이로 인해 비용이 소요되지 않는 무료의 소스공개 라이브러리인 OpenFOAM에 대한 관심이 증대되고 있다.
	OpenFOAM은 어떤 소스를 제공하는가?	OpenFOAM에서는 연속체 역학과 관련된 다양한 라이브러리의 소스를 제공하고 있다. 일반 공중 사용 허가서(GNU general public license, GNU GPL)를 사용하기 때문에 누구나 무료로 다운로드 받아 사용할 수 있다.
	SNUFOAM에서 자유수면 계산에 대해서는 무엇을 개발하였는가?	저항 계산에서는 선수에서의 난류값 계산을 위하여 목적에 맞는 특성화된 라이브러리를 개발하였으며, 이를 이용하여 SNUFOAM을 개발하였고 정도가 높은 결과를 얻을 수 있었다. 자유수면 계산에서는 KCS와 같이 선수미 벌브 및 곡률이 있는 선체에 대해서는 volume fraction 이송 방정식을 변경하여 특성화된 라이브러리를 개발하였고, 이를 이용한 계산결과 선미에서 해의 구겨짐 없이 실험과 비교해 좋은 결과를 얻을 수 있었다. 공동현상 계산에서는 다양한 공동 모델을 포함하는 라이브러리를 개발하여 초공동과 구름형 공동에 대해 계산하였고 실험과 잘 일치하는 결과를 얻었다.

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Zdravkovich, M.M., 1997. Flow around circular cylinders. Fundamentals - vol. 1. Oxford University Press (Chap. 6).

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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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