[논문]CFD를 이용한 중형 경비정의 속도성능 평가

박동우

doi:10.5394/kinpr.2014.38.6.585

CFD를 이용한 중형 경비정의 속도성능 평가
A Study on the Speed Performance of a Medium Patrol Boat using CFD 원문보기

한국항해항만학회지 = Journal of navigation and port research, v.38 no.6, 2014년, pp.585 - 591

초록
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본 논문의 주 목적은 프루드 수가 0.5 이상인 중형 경비정의 속도성능을 모형시험 이전에 CFD 결과를 바탕으로 기존의 모형시험자료를 활용하였다. 모형시험 이전에 CFD를 이용하여 선속 별로 추정된 제동마력이 주어진 엔진마력을 만족하는지를 평가 하였다. 대상선박은 선미가 서로 다른 두 가지 선형을 선정하였다. 점성 유동장 계산은 상용 CFD 코드인 STAR-CCM+를 사용하였으며, 자유수면과 자세 변화(동적 트림)를 모두 고려하였다. 알몸 선체의 저항 값은 CFD를 이용하여 추정되었다. 점성 유동 해석을 통해 두 가지 선형의 자유수면 파형, 압력분포, 한계유선 그리고 프로펠러 면에서의 속도분포를 비교하였다. 점성 유동 해석 결과를 바탕으로 두 가지 선형에 대한 유효마력 즉, 저항성능을 평가하였다. 부가물 부착에 따른 저항 증가량과 준추진효율 계수(ETAD, ${\eta}_D$)는 모형시험 자료를 활용하였다. 중형 경비정과 같은 고속선박에 관한 속도성능 추정법이 CFD와 기존 시험자료를 이용하여 개발되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The primary objective of the current work is to predict speed performance of the medium patrol boat over $F_N=0.5$ employing experimental materials based on the CFD before model tests. In other words, the predicted brake powers according to ship speeds are assessed satisfying the main engine capacity. The subject ships are selected the two different stern hull forms. The flow computation are conducted considering free surface and dynamic trim using a commercial CFD code(STAR-CCM+). The resistances of the bare-hull are obtained from CFD. Wave patterns, pressures and limiting streamlines on the hull and velocity distribution in the propeller plane for the two hull forms are compared using CFD. The effective powers of the object ships are assessed based on CFD. Resistance increase according to the attached appendages and quasi-propulsive efficiency are employed the experimental datas. Speed performance prediction method concerning high speed vessels like a medium patrol boat is developed employing CFD and experimental data.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문의 목적은 모형시험 이전에 수치해석과 모형시험 자료를 활용하여 초기선형에 대한 유효마력과 제동마력을 추정하는 것이다. 선속 별로 추정된 제동마력이 주어진 엔진마력을 만족하는지를 모형시험 이전에 i평가하고자 하였다.
따라서 이미 조선소 등 선형평가 및 개발 현장에서는 수치계산 시스템이 활발히 사용되고 있다. 본 논문의 주 목적은 프루드 수가 0.5 이상인 상대적으로 고속 선박인 중형 경비정의 속도성능을 모형시험 이전에 CFD 결과를 바탕으로 모형시험 자료를 활용하였다. 즉, 선속 별로 추정된 제동마력이 주어진 엔진마력을 만족하는지를 모형시험 이전에 평가하고자 하였다.
추정된 유효마력으로부터 제동마력 추정을 위해서는 준 추진효율 계수(ETAD, ηD)를 알아야 한다. 본 연구에서는 쌍축 프로펠러에 대하여 유사선의 시험 결과를 이용하는 가능성 있는 세 가지 준 추진효율 계수를 추정하였다. 마력보정과 축 손실 계수(ETAT, ηt)는 부산대 모형시험 해석에 사용하는 값을 사용하였다.
본 연구에서는 주어진 선형의 유효마력을 추정하기 위해서 점성 유동해석을 수행하였다. 점성 유동장 계산은 상용 CFD 코드인 STAR-CCM+를 사용하였으며, 자유수면과 자세 변화(동적 트림)를 모두 고려하였다.
본 논문의 목적은 모형시험 이전에 수치해석과 모형시험 자료를 활용하여 초기선형에 대한 유효마력과 제동마력을 추정하는 것이다. 선속 별로 추정된 제동마력이 주어진 엔진마력을 만족하는지를 모형시험 이전에 i평가하고자 하였다.
5 이상인 상대적으로 고속 선박인 중형 경비정의 속도성능을 모형시험 이전에 CFD 결과를 바탕으로 모형시험 자료를 활용하였다. 즉, 선속 별로 추정된 제동마력이 주어진 엔진마력을 만족하는지를 모형시험 이전에 평가하고자 하였다.

제안 방법

1) 점성 유동해석 코드를 이용하여 선미가 다른 두 가지 선형에 대한 저항성능을 분석하였다. 선미선형 2는 선미어깨의 파형 및 압력분포가 개선되어 보였으나, 저항 값에서는 큰 차이를 보이지 않았다.
4) 중형 경비정과 같은 고속선박에 관한 속도성능 추정법이 CFD와 기존 시험자료를 이용하여 개발되었다.
(2013)은 시간적, 경제적인 이점과 모형 시험에 비해 상세한 정보를 얻을 수 있는 장점으로 가지고 있는 수치계산 프로그램을 사용하여 항주 자세를 찾아내었다. WAVIS 1.4 포텐셜 유동계산 프로그램을 이용하여 선체에 발생하는 부양력을 계산해 내고 이를 부가적인 부력으로 간주하여 선체 중량과의 평형을 이용하여 항주자세를 추정 할 수 있는 방법으로 고안해 내었다.
계산 시간 간격(time interval)은 Δt=0.02를 적용하여총 90초까지 계산을 수행하였다.
유동장 해석은 상용코드인 STAR-CCM+를 사용하였다. 계산은 모형선 크기에서 알몸선체에 대하여 자유수면과 동적트림을 고려하여 수행하였다. 즉, 실제 수조 모형시험과 동일한 조건에서 해석되었다.
) 및 자유수면 높이 고정 조건(z=0)을 사용하였다. 동적 자세 변화가 발생할 경우 계산 영역의 위쪽 및 아래쪽 면에서 속도가 유입되도록 입구 경계 조건과 마찬가지로 고정 속도 조건을 적용하였다. 계산 영역의 측면에 대해서는 대칭 (symmetry) 경계 조건을 부과하였다.
트리머에 따라 만들어진 다면체 격자에서는 물리량의 공간 구배(spatial gradient)를 계산함에 있어 2차 정확도를 위해 최소자승법(least square method)을 사용해야 하며, 격자 수준이 변하는 영역에서 격자의 면을 통과하는 플럭스(flux)를 내삽할 때 공간 차분 정도가 감소하는 단점이 있다. 따라서 전단력이 중요하게 작용하는 벽면 근처에서 트리머를 적용할 경우 저항 값에서 오차가 크게 발생할 수 있으므로 이를 방지하기 위해 선체 주변에 경계층 격자를 적용하였다. 총 6개의 경계층 격자를 생성하였으며, 첫번째 경계층 격자는 선체 전체의 y+ 평균값이 30~40이 되도록 하였으며, 벽함수(wall function)를 사용하였다.
본 계산을 위하여 적용된 좌표계 및 계산영역은 Fig. 3에서 보는 바와 같이 유동방향이 양(+)의 x축이고 선박의 우현이 양의 y축이며 중력의 반대방향이 양의 z축으로 하는 직교 좌표계를 사용하였다. 좌표계의 원점은 선체 중심면과 중앙면 그리고 자유 수면(free surface)이 만나는 점에 위치한다.
5L_PP 이다. 선체에서 발생한 자유 수면이 계산 영역의 입구, 출구 및 대칭 경계 조건에 의해 왜곡되지 않도록 계산 영역을 설정하였다. 또한 천수 효과)가 발생하지 않도록 깊이 방향으로는 자유수면으로 부터 1.
해상상태(Sea Margin)는 10%를 사용하였다. 이러한 값들을 바탕으로 초기선형에 대하여 T1과 T2 흘수에서 22.0 kts와 23.0 kts에서 제동마력을 추정하였다. 그 결과는 Table 5에 정리하였다.
입구 경계 조건은 고정 속도 조건 (Vin=V_M) 및 자유수면 높이 고정 조건(z=0)을 사용하였다. 동적 자세 변화가 발생할 경우 계산 영역의 위쪽 및 아래쪽 면에서 속도가 유입되도록 입구 경계 조건과 마찬가지로 고정 속도 조건을 적용하였다.
자유 수면을 고려하기 위해 VOF(volume of fluid)를 사용하여 다상 유동을 모델링 하였다. 유동장 계산은 동적 트림을 고려하기 위해 STAR-CCM+에서 제공하는 DFBI (dynamic fluid body interaction) 기법을 적용하였다.
제동마력(Brake Power, BP) 추정과정에서는 마력 보정은 없는 것(CP=1.0)으로 하였다. 해상상태(Sea Margin)는 10%를 사용하였다.
매 시간 간격에서 5회의 내부 계산을 반복하였다. 초기 조건에 따른 자세 오차를 배제하기 위해 계산 1초 후부터 선체에 작용하는 힘과 모멘트를 통해 선체의 동적 자세 변화를 고려하도록 설정하였다. 선체의 동적 자세를 고려함에 따라 90초까지 계산을 수행하였음에도 불구하고 저항값이 완전히 수렴하지 않은 경우가 있는데, 이경우 마지막 10초 동안의 평균값을 사용하였다.
따라서 전단력이 중요하게 작용하는 벽면 근처에서 트리머를 적용할 경우 저항 값에서 오차가 크게 발생할 수 있으므로 이를 방지하기 위해 선체 주변에 경계층 격자를 적용하였다. 총 6개의 경계층 격자를 생성하였으며, 첫번째 경계층 격자는 선체 전체의 y+ 평균값이 30~40이 되도록 하였으며, 벽함수(wall function)를 사용하였다. 양질의 경계층 격자를 생성하기 위해 선체 갑판부에는 경계층 격자를 적용하지 않았으나, 갑판에 작용하는 힘은 공기에 의한 전단력으로 전체 저항에서 무시할 수 있는 수준이다.
부가물 부착에 따른 저항 증가량과 준추진효율 계수(ETAD, η_D)는 기존의 모형시험 자료를 활용하였다. 최종적으로 관심 있는 배수량과 속도에서 제동마력 추정을 통해 속도성능을 평가하였다. 3장은 CFD 해석방법 및 저항 값 계산 결과를 기술하였다.
수치해석으로부터 계산된 모형선 크기의 알몸선체에 해당하는 전저항 값(RTM)을 이용하여 ITTC-1978에서 제시된 2차원 해석법에 의해 실선 크기에서의 유효마력을 추정하였다. 투영면적(Projected Area)에 의한 공기저항과 빌지킬(Bilge Keel), 스트럿(Strut), 샤프트(Shaft) 그리고 러더(Rudder)에 의한 부가저항은 모형시험 자료를 활용하여 산정하였다.
해석은 두 가지 선미선형에 대하여 T1 흘수의 22.0 kts와 T2 흘수의 23.0 kts에서 수행하였다. 계산조건 및 저항 값은 Table 1에 정리하였다.

대상 데이터

모형시험 이전에 중형 경비정의 속도성능을 CFD 결과와 유사선종들의 모형시험 자료를 활용하여 평가하였다.
해석 결과는 Table 2에 나타내었으며 계수들에 대한 정의는 ITTC-1978을 참조 바란다. 본 경비정의 부가물 별 알몸선체 대비 저항증가는 유사선종들의 모형시험 자료를 활용 하였다. 추정된 값은 Table 3에 나타내었다.
본 연구에 사용된 모든 물리량은 배 길이(LPP), 선속(VS) 그리고 밀도(ρ)로 무차원 하였다.
부가물 부착에 따른 저항 증가량과 준추진효율 계수(ETAD, ηD)는 기존의 모형시험 자료를 활용하였다.
0)으로 하였다. 해상상태(Sea Margin)는 10%를 사용하였다. 이러한 값들을 바탕으로 초기선형에 대하여 T1과 T2 흘수에서 22.

데이터처리

초기 조건에 따른 자세 오차를 배제하기 위해 계산 1초 후부터 선체에 작용하는 힘과 모멘트를 통해 선체의 동적 자세 변화를 고려하도록 설정하였다. 선체의 동적 자세를 고려함에 따라 90초까지 계산을 수행하였음에도 불구하고 저항값이 완전히 수렴하지 않은 경우가 있는데, 이경우 마지막 10초 동안의 평균값을 사용하였다.
유동장 해석은 상용코드인 STAR-CCM+를 사용하였다. 계산은 모형선 크기에서 알몸선체에 대하여 자유수면과 동적트림을 고려하여 수행하였다.

이론/모형

2) 수치해석으로부터 얻은 모형 크기의 전저항을 바탕으로 ITTC-1978 해석법을 이용하여 유효마력을 추정하였다.
CFD로부터 계산된 선미선형1(Stern Hull Form 1)의 알몸 선체 전저항(RTM)을 이용하여 ITTC-1978 2차원 해석법에 따라 저항 해석을 수행 하였다(ITTC-1978). 해석 결과는 Table 2에 나타내었으며 계수들에 대한 정의는 ITTC-1978을 참조 바란다.
해석조건은 실제 수조시험의 환경과 동일한 것으로 향후 모형시험 결과와 비교할 수 있다는 점에서 의미가 있다. CFD에 의한 알몸선체(Bare-hull)의 저항 값으로부터 ITTC-1978 2차원 해석법을 이용하여 유효 마력을 추정하였다. 부가물 부착에 따른 저항 증가량과 준추진효율 계수(ETAD, η_D)는 기존의 모형시험 자료를 활용하였다.
은 Reynolds 응력이다. Reynolds stress에 대한 난류 종결(turbulent closure)을 위해 Reynolds stress model을 사용하였다.
추정된 값은 Table 3에 나타내었다. 공기저항은 투영면적을 이용하여 ITTC-1978 해석법에서 제안한 식을 이용하여 추정하였다. 부가물에 의한 저항증가는 알몸선체의 저항 값을 기준으로 약 18.
선체표면 및 공간격자 생성은 STAR-CCM+에 제공하는 트리머(trimmed mesh)와 경계층 격자(prism layer)를 사용하였다. 생성된 전체 격자수는 약 120만개로써 격자의 구성은 Fig.
수치해석으로부터 계산된 모형선 크기의 알몸선체에 해당하는 전저항 값(RTM)을 이용하여 ITTC-1978에서 제시된 2차원 해석법에 의해 실선 크기에서의 유효마력을 추정하였다. 투영면적(Projected Area)에 의한 공기저항과 빌지킬(Bilge Keel), 스트럿(Strut), 샤프트(Shaft) 그리고 러더(Rudder)에 의한 부가저항은 모형시험 자료를 활용하여 산정하였다.
자유 수면을 고려하기 위해 VOF(volume of fluid)를 사용하여 다상 유동을 모델링 하였다. 유동장 계산은 동적 트림을 고려하기 위해 STAR-CCM+에서 제공하는 DFBI (dynamic fluid body interaction) 기법을 적용하였다. DFBI 기법은 선체의 자세 변화에 따라 계산 영역 전체가 이동 및 회전하는 방법으로, 선체의 sinkage는 계산 영역 전체의 z 방향 수직 이동으로 나타나며 트림은 계산 영역 전체의 y 방향 회전으로 나타난다.
본 연구에서는 주어진 선형의 유효마력을 추정하기 위해서 점성 유동해석을 수행하였다. 점성 유동장 계산은 상용 CFD 코드인 STAR-CCM+를 사용하였으며, 자유수면과 자세 변화(동적 트림)를 모두 고려하였다. 해석조건은 실제 수조시험의 환경과 동일한 것으로 향후 모형시험 결과와 비교할 수 있다는 점에서 의미가 있다.

성능/효과

3) CFD 결과와 기존 모형시험 자료를 활용하여 제동마력 추정이 가능하였다.
공기저항은 투영면적을 이용하여 ITTC-1978 해석법에서 제안한 식을 이용하여 추정하였다. 부가물에 의한 저항증가는 알몸선체의 저항 값을 기준으로 약 18.4 % 증가됨을 예상하였다. Table 4의 유효마력(PE)은 공기저항 및 모든 부가물이 포함된 값이며, Table 2에서 추정한 알몸선체의 PE 대비 약 18% 증가되는 것으로 추정되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DFBI 기법은 무엇인가?	유동장 계산은 동적 트림을 고려하기 위해 STAR-CCM+에서 제공하는 DFBI (dynamic fluid body interaction) 기법을 적용하였다. DFBI 기법은 선체의 자세 변화에 따라 계산 영역 전체가 이동 및 회전하는 방법으로, 선체의 sinkage는 계산 영역 전체의 z 방향 수직 이동으로 나타나며 트림은 계산 영역 전체의 y 방향 회전으로 나타난다. 계산 시간 간격(time interval)은 Δt=0.
	선형의 속도성능 평가 및 선형개발을 위한 CFD 기술 활용의 장점은?	선형의 속도성능 평가 및 선형개발을 위해 전통적인 수조 시험에 앞서 CFD 기술을 활용한 수치계산 시스템을 활용하면 짧은 시간 내에 적은 비용으로 여러 가지 선형을 미리 검토해 볼 수 있는 기회를 제공한다. 따라서 이미 조선소 등 선형평가 및 개발 현장에서는 수치계산 시스템이 활발히 사용되고 있다.
	고속으로 운항하는 선박들은 일정한 선속 이상에서 어떤 형태가 나타나는가?	고속으로 운항하는 선박들은 일정한 선속 이상에서는 큰 자세 변화로 인해 유체동역학적 특성이 바뀌게 된다. 즉, 선체 중량과 부력 그리고 선속에 의해 결정되는 동적 유체력 들이 평형을 이루는 과정에서 트림(Trim)과 흘수 침하(Sinkage)의 형태가 나타난다.

참고문헌 (8)

Choi, J.E., Kim, J.H., Lee, H.G., & Park, D.W., 2010. Hydrodynamic Characteristics and Speed Performance of a Full Spade and a Twisted Rudder. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, Vol. 47, No. 2, pp. 163-177.

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ITTC, 1978, "Report of Performance Committee," 15th ITTC, Hague.
Kim, J., Park, I.R., Kim, K.S. & Van, S.H., 2005. RANS Computation of Turbulent free Surface Flow around a Self Propelled KLNG Carrier. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, Vol. 42, No. 6, pp. 583-592.

원문보기 상세보기
Kim, K.S,. Kim, J., Park, I.R., Kim, G.D., & Van, S.H., 2007. RANS Analysis for Hull-Propeller-Rudder Interaction of a Commercial Ship by Using the Overset Grid Scheme. 9th International Conference on Numerical Ship Hydrodynamics, Ann Arbor, Michigan, August 5-8.
Kim, B.N., Kim, W.J., Kim, K.S. & Park, I.R., 2009a. The Comparison of Flow Simulation Results around a KLNG Model Ship. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, Vol. 46, No. 3, pp. 219-231.

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Kim, D.J., Rhee, K.P., & Park, H.S., 2009b. A Study on the Effects of Weight and Center of Gravity of a Planing Craft on Running Attitude. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, Vol. 46, No. 3, pp. 335-342.

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Kim, J., Park, I.R. Kim, K.S., Van, S.H. & Kim, Y.C., 2011. Development of a Numerical Method for the Evaluation of Ship Resistance and Self-Propulsion Performances. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, Vol. 48, No. 2, pp. 147-157.

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Oh, G.H. & Yoo, J.H., 2013. Numerical Prediction of Running Attitude and Resistance of Planing Craft. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, Vol. 50, No. 2, pp. 95-10.

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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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