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문제 정의
- 본 논문에서는 선저바닥이 오프닝이 된 경우에 대하여 수치해석과 모형시험을 통해서 속도성능을 평가하였다. 수치 해석에서는 오프닝 주위의 유동특성과 저항 값을 비교분석 하였다.
- 둘째, 저항증가를 최소화 하기 위하여 선종, 개구부 위치에 따른 그리드 각도 및 개수 등에 대한 조사가 필요하다는 결론를 언급하였다. 본 연구는 운항 시 STL이 분리(오프닝 상태)됨으로 인해 나선상태 대비 속도성능을 CFD와 모형시험을 통하여 분석하였다.
- 6m이다. 본 연구의 주 목적은 오프닝 상태로 운항 시 발생되는 속도손실을 수치해석을 통한 유동분석과 예인수 조에서의 모형시험을 통해서 파악하고자 한다.
제안 방법
- 그 다음 단계에서는 모형시험을 통하여 나선 상태와 오프닝 상태에서 저항 및 자항성능을 평가하였다. 그 결과 선수부 바닥에 오프닝이 있음으로 인해 선속 별로 저항성능에 차이를 보여 주었으며, 최종적으로는 속도성능에 영향을 주었다.
- 나선 상태와 오프닝 상태에 대한 저항성능의 간접적 평가를 위해서 유동가시화를 수행하였다. 붉은색 터프트는 유입유동의 움직임을 보기 위해서 부착하였고, 푸른색 터프트는 회전흐름을 분석하기 위해서 부착하였다.
- 나선 상태와 오프닝 상태에서 저항과 자항시험을 수행하였다. 시험은 오프닝 상태를 재현하기 전인 나선상태에 대하여 먼저 수행을 한 후에, Fig.
- 수치 해석에서는 오프닝 주위의 유동특성과 저항 값을 비교분석 하였다. 모형시험에서는 나선상태와 오프닝 상태에 대하여 각각 저항과 자항시험을 수행하여, 저항과 자항요소 변화에 대한 분석을 하였다. 본 연구를 통해서 내린 결론은 다음과 같다.
- 실험에서는 터프트(Tuft) 법에 의한 유선조사시험(이하, 터프트 법)을 이용하여 오프닝 내부유동의 변화를 정량적 또는 정성적으로 보다 더 상세한 조사를 하였다. 모형시험은 예인수조에서 수행하였다.
- 본 연구에 사용된 모든 물리량은 배 길이(LPP),선속(VS) 그리고 밀도(ρ)로 무차원화 하였다.
- 속도영역 구간 별로 저항성능의 변화를 정성적으로 예측 하기 위해서 오프닝 부분은 투명한 아크릴로 제작하였다. 아크릴 내부에는 터프트를 부착하여 유동현상을 가시화 하 였다.
- 본 논문에서는 선저바닥이 오프닝이 된 경우에 대하여 수치해석과 모형시험을 통해서 속도성능을 평가하였다. 수치 해석에서는 오프닝 주위의 유동특성과 저항 값을 비교분석 하였다. 모형시험에서는 나선상태와 오프닝 상태에 대하여 각각 저항과 자항시험을 수행하여, 저항과 자항요소 변화에 대한 분석을 하였다.
- 나선 상태와 오프닝 상태에서 저항과 자항시험을 수행하였다. 시험은 오프닝 상태를 재현하기 전인 나선상태에 대하여 먼저 수행을 한 후에, Fig. 10과 같이 오프닝 상태를 재현하여 동일 항목에 대한 모형시험을 수행하였다. 저항과 자항 해석은 ITTC-1978 해석법을 사용하였다.
- 그 결과 선수부 바닥에 오프닝이 있음으로 인해 선속 별로 저항성능에 차이를 보여 주었으며, 최종적으로는 속도성능에 영향을 주었다. 실험에서는 터프트(Tuft) 법에 의한 유선조사시험(이하, 터프트 법)을 이용하여 오프닝 내부유동의 변화를 정량적 또는 정성적으로 보다 더 상세한 조사를 하였다. 모형시험은 예인수조에서 수행하였다.
- 유동해석에서는 STL이 없음으로 인하여 발생되는 내부유동, 오프닝 주위의 압력 및 유선분포, 저항성능 그리고 반류 분포 변화에 관하여 분석하였다.
- 저항시험 중에는 오프닝에 의한 자세변화를 조사하기 위해서 선수미에서의 침하(Sinkage) 량을 계측하였다. Fig.
- 초기단계에서는 나선(Bare-Hull) 상태와 오프닝 상태에 대한 점성유동해석을 수행하였다. 점성유동계산에서는 STL이 분리된 경우, 내부유동의 변화와 이로 인한 저항성능 변화 그리고 유동변화에 따른 프로펠러 면에서의 반류분포를 비교 분석 하였다.
대상 데이터
- 2에서 보여주듯이 선수부 바닥이 열려 있는 개구부(이하 “오프닝 상태”라고 함)가 발생된다. STL장비의 제원은 윗면과 아랫면 지름이 각각 4m와 8m이며, 높이는약 5.6m이다. 본 연구의 주 목적은 오프닝 상태로 운항 시 발생되는 속도손실을 수치해석을 통한 유동분석과 예인수 조에서의 모형시험을 통해서 파악하고자 한다.
- 대상선은 대형 액화 천연 가스 운반선으로 주요요목은 Table 1에 나타내었다. 선체표면 및 공간격자 생성을 위해서는 상용코드인 Gridgen V15를 사용하였다.
- 10은 시험에 사용된 모형선이며, STL이 없는 오프닝 상태를 재현한 것이다. 모형선은 1/40의 축척비로 제작되었다. 개구부의 형상은 Fig.
- 대상선은 대형 액화 천연 가스 운반선으로 주요요목은 Table 1에 나타내었다. 선체표면 및 공간격자 생성을 위해서는 상용코드인 Gridgen V15를 사용하였다. 격자는 약 110만 개를 사용하였으며, y+는 50 이하를 유지하였다(Kim et al.
데이터처리
- 4는 STL 장비가 분리된 상태, 즉 오프닝 상태에서의 격자 모습을 보여주고 있다. 유동장 계산은 상용코드인 FLUENT를 사용하였으며, 자유표면을 고려 하지 않은 이중모형 유동에 대하여 계산을 수행하였다. FLUENT에서 사용된 유동장 계산조건은 Table 2에 나타내었다(Park et al.
이론/모형
- 난류모델은 선체주위의 유동을 정확하게 예측하는데 중요하다. 본 연구에서는 선체주위 유동의 정확한 추정에 적합하다고 알려진 Reynolds Stress Model(RSM)을 사용하였다(Hino, 2005). Reynolds Stress는 RAN로 부터 유도될 수 있으며 다음의 편미분 형태로 표현된다(Hino, 2005).
- 10과 같이 오프닝 상태를 재현하여 동일 항목에 대한 모형시험을 수행하였다. 저항과 자항 해석은 ITTC-1978 해석법을 사용하였다.
- 지배방정식을 풀기 위해서 유동영역은 유한개의 격자로 나누었으며, 이산화 과정을 통해서 대수방정식의 형태로 바뀌었다. 지배방정식의 대류항은 3차정도의 QUICK 방법으로 확산항은 2차 정도의 중심차분법으로 보간 하고, 2차 정도의 수치적분을 사용하여 이산화 하였다(Kim et al., 2006b).
성능/효과
- 1) 수치해석과 모형시험 결과 오프닝으로 인한 속도 손실량은 예상했던 것보다 적었다.
- 2) 본 선박과 같이 선저 바닥에 오프닝이 있는 경우 나선상태 대비 속도 영역 별로 마력 증가량 추정이 가능하였다.
- 3) 크기가 다른 선박의 경우에도 선저 바닥에 오프닝이 있는 경우 마력증가량을 고려한 속도성능 추정이 가능 하였다.
- 4) 나선 상태와 오프닝 상태의 자항시험 결과 자항요소들은 거의 유사하여 최종 값인 준 추진효율 계수는 거의 동일하였다.
- 그러나 이 정도의 차이는 시험오차 범위라고 본다. 결론적으로 두 가지 조건에서의 선수미 침하량은 차이가 없는 것으로 판단된다.
- 그 다음 단계에서는 모형시험을 통하여 나선 상태와 오프닝 상태에서 저항 및 자항성능을 평가하였다. 그 결과 선수부 바닥에 오프닝이 있음으로 인해 선속 별로 저항성능에 차이를 보여 주었으며, 최종적으로는 속도성능에 영향을 주었다. 실험에서는 터프트(Tuft) 법에 의한 유선조사시험(이하, 터프트 법)을 이용하여 오프닝 내부유동의 변화를 정량적 또는 정성적으로 보다 더 상세한 조사를 하였다.
- . 둘째, 저항증가를 최소화 하기 위하여 선종, 개구부 위치에 따른 그리드 각도 및 개수 등에 대한 조사가 필요하다는 결론를 언급하였다. 본 연구는 운항 시 STL이 분리(오프닝 상태)됨으로 인해 나선상태 대비 속도성능을 CFD와 모형시험을 통하여 분석하였다.
- 자항성능이 ±1 % design speed Low Speed Region Middle Speed Region High Speed Region내에서 거의 동일함으로 인해 Fig. 16에서 보여준 대로 오프닝으로 인한 저항증가량 만큼 제동마력도 증가함을 알 수 있다.
- 그리고 속도영역 별로 저항의 증가량이 차이를 보이는 것이 특징이다. 즉, 오프닝으로 인한 저항의 증가량은 저속, 중속 그리고 고속영역에서 상대적으로 다른 차이를 보였으며, 그 양은 0.5%에서 3%사이로 추정되었다.
- 그리고 저항 감소를 위해 개구부에 그리드 설치 시 그리드 유무 및 형상에 대하여 다음과 같은 몇 가지 결론을 내렸다. 첫째, 형상과 무관하게 터널 개구부에 그리드를 설치함으로써 선체 저항을 일부 억제할 수 있다. 그리고 개구부에 의한 선체에 작용하는 부가저항 감소 측면을 살펴보면 그리드를 선체 외벽 가까이에 설치하더라도 선체 곡면을 충분히 반영 하지 못하면 빠른 유속에 의한 저항증가를 억제하는데 한계가 있다고 하였다.
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