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문제 정의
- 본 논문에서는 직렬배치 상황에서 FSRU과 LNGC에 작용하는 조류력 및 풍력 특성을 CFD를 이용한 수치계산을 통하여 고찰하였다. 먼저 FSRU단독 조건의 조류력에 대해 모형시험 결과와 비교함으로 수치 모델 및 격자에 대한 검증을 수행하였다.
- 본 연구에서는 부유식 해양구조물인 FSRU(Floating storage and regasification unit)와 LNGC가 직렬배치 되었을 때 조류력 및 풍력 특성을 CFD를 이용하여 수치적으로 살펴보고자 하였다. 먼저 FSRU단독에 대한 조류력 계산을 해양공학수조 모형시험 결과와 비교하여, 수치모델 및 격자계에 대한 검증을 수행하였다.
- 이 후 직렬배치 된 FSRU와 LNGC에 대해서 일정한 조류 및 바람 조건하에서 유동장 및 항력계수 계산을 수행하였다. 직렬배치 된 두 부유체의 이격거리를 변화시켜 가면서 조류력 및 풍력 특성 변화를 살펴보았으며, FSRU에 의한 그림자 효과의 영향으로 LNGC의 항력 특성이 어떻게 변화하는 지를 살펴보고자하였다.
제안 방법
- (1) 수치계산의 검증을 위하여 모형시험과 동일한 조건으로 계산을 하여 비교 검증을 수행한다.
- (2) 단독 부유체의 수치계산을 실선크기로 수행하고 비교 검토한다.
- (3) 조류가 있는 환경조건에서 두 부유체를 직렬배치(Tandem)하여 수치계산하고 유동특성을 파악한다.
- (4) 바람이 있는 환경조건에서 두 부유체를 직렬배치(Tandem)하여 수치계산하고 유동특성을 파악한다.
- FSRU와 LNGC가 직렬배치 된 상황에서의 조류력 특성을 수치계산을 통해 살펴보았다. 해상 운용시 FSRU는 터렛 계류된 상황으로 선수각은 조류의 방향에 지배적으로 결정이 되므로 입사각은 180°로 고정하였으며, FSRU와 LNGC의 X방향 이격 거리를 50m, 100m, 150m, 200m, 250m로 변화하며 수치계산을 수행하였다.
- 다음으로 Hawser의 길이를 100m로 정하고 직렬배치된 상황에서의 FSRU와 LNGC 각각의 풍하중계수를 수치계산하고, LNGC가 FSRU의 후류장에 가장 큰 영향을 받는 각도를 결정하여 두 부유체에 작용하는 풍하중계수를 수치계산하였다. Fig.
- 다음으로 두 부유체의 X방향 떨어진 거리는 100m로 유지하며, LNGC를 Y방향으로 FSRU 폭의 0.25B, 0.5B를 이동하여 수치계산 하였다. 이 때 이격거리는 직렬배치 시 통상적인 hawser에 의한 적하역거리를 고려하여 선정하였다.
- 먼저 FSRU단독 조건의 조류력에 대해 모형시험 결과와 비교함으로 수치 모델 및 격자에 대한 검증을 수행하였다. 동 수치기법을 활용하여 FSRU와 LNGC의 직렬 배치 조건에서 조류력 및 풍력 특성에 대한 수치 계산을 수행하였다. 이 때 조류력의 경우 FSRU와 LNGC의 이격거리를 달리하며 그 영향을 검토하였다.
- 본 논문에서는 직렬배치 상황에서 FSRU과 LNGC에 작용하는 조류력 및 풍력 특성을 CFD를 이용한 수치계산을 통하여 고찰하였다. 먼저 FSRU단독 조건의 조류력에 대해 모형시험 결과와 비교함으로 수치 모델 및 격자에 대한 검증을 수행하였다. 동 수치기법을 활용하여 FSRU와 LNGC의 직렬 배치 조건에서 조류력 및 풍력 특성에 대한 수치 계산을 수행하였다.
- 본 연구에서는 부유식 해양구조물인 FSRU(Floating storage and regasification unit)와 LNGC가 직렬배치 되었을 때 조류력 및 풍력 특성을 CFD를 이용하여 수치적으로 살펴보고자 하였다. 먼저 FSRU단독에 대한 조류력 계산을 해양공학수조 모형시험 결과와 비교하여, 수치모델 및 격자계에 대한 검증을 수행하였다. 이 후 직렬배치 된 FSRU와 LNGC에 대해서 일정한 조류 및 바람 조건하에서 유동장 및 항력계수 계산을 수행하였다.
- 형상주위의 유동해석을 위해 난류 유동의 지배방정식인 연속방정식과 운동량 방정식을 포함한 Reynolds-averaged navier-stokes(RANS) 방정식을 사용하고, 난류모델은 K-Epsilon을 사용하였으며, y+에 따라 Wall function을 변화시켜 적용하는 Two-layer all y+ wall treatment 법을 사용하였다. 수치격자는 Trimmer 격자를 사용하여 생성하였다.
- 029m/s(2knots)를 고려하였으며, 입사각은 0°~180°까지 15° 간격으로 계측하였다. 수치계산은 모형시험 조건으로 수행하였으며, FSRU의 수선면 아래 부분에 대해서 격자를 생성하여 Steady 계산을 수행하였다. 수치계산에 사용된 격자 수는 약 300만개이며, 유체장의 크기는 입사각 0° 일 때 길이 33m, 폭 10m, 깊이 7.
- 수치계산을 수행하는데 소요되는 시간을 최적화 하고, 격자계의 효율성을 높이고자 격자 의존성(Grid Dependency)에 대해 수치계산 하였다. Fig.
- 동 수치기법을 활용하여 FSRU와 LNGC의 직렬 배치 조건에서 조류력 및 풍력 특성에 대한 수치 계산을 수행하였다. 이 때 조류력의 경우 FSRU와 LNGC의 이격거리를 달리하며 그 영향을 검토하였다. 조류력의 경우 FSRU의 후류장에 의해 LNGC의 조류력이 최대 45%가량 증가하였으며, 반면 FSRU는 LNG가 후면에 가까이 위치했을 때 30% 가량의 조류력 감소가 발생하였다.
- 먼저 FSRU단독에 대한 조류력 계산을 해양공학수조 모형시험 결과와 비교하여, 수치모델 및 격자계에 대한 검증을 수행하였다. 이 후 직렬배치 된 FSRU와 LNGC에 대해서 일정한 조류 및 바람 조건하에서 유동장 및 항력계수 계산을 수행하였다. 직렬배치 된 두 부유체의 이격거리를 변화시켜 가면서 조류력 및 풍력 특성 변화를 살펴보았으며, FSRU에 의한 그림자 효과의 영향으로 LNGC의 항력 특성이 어떻게 변화하는 지를 살펴보고자하였다.
- 이격거리 100m의 직렬배치 상황에서 20m/s의 풍속장 속의 FSRU와 LNGC의 상부구조물 주위의 유동장을 수치해석하고, 풍력특성을 살펴보았다. 이 때 Reynolds number는 FSRU 4.
- 조류력의 경우 FSRU의 후류장에 의해 LNGC의 조류력이 최대 45%가량 증가하였으며, 반면 FSRU는 LNG가 후면에 가까이 위치했을 때 30% 가량의 조류력 감소가 발생하였다. 이러한 간섭 효과는 전후 방향 이격거리에 따라 크게 변화할 수 있음을 CFD 계산을 통해 제시 하였다. 풍하중의 경우 FSRU의 후류영역에 LNGC가 위치함에 따라 그림자 효과로 인하여 35% ~ 80%가량 항력이 감소할 수 있음을 수치계산으로부터 확인할 수 있었다.
- 직렬배치 상황에서의 보다 정확한 조류력 변화특성을 살펴보기 위하여, Fig. 14에서처럼 FSRU의 선수각을 180deg로 고정하고, Hawser의 거리를 50m, 75m, 100m, 125m로 변화시켜가면서, LNGC의 각도는 45deg ~ -45deg 각도 범위에 위치한 LNG를 고려하여 수치계산을 수행 하였다. 이 때의 각도와 거리는 LNGC의 DP 시뮬레이션 상의 Watch circle을 고려하여 선정하였다.
- 축척비 효과를 배제하고 실제 FSRU와 LNGC에 작용하는 조류력 특성을 살펴보기 위해 실선 크기로 수치계산을 수행하였다. 이 때 조류 속도는 1.
- 해상 운용시 FSRU는 터렛 계류된 상황으로 선수각은 조류의 방향에 지배적으로 결정이 되므로 입사각은 180°로 고정하였으며, FSRU와 LNGC의 X방향 이격 거리를 50m, 100m, 150m, 200m, 250m로 변화하며 수치계산을 수행하였다.
대상 데이터
- 수치계산에 사용된 격자 수는 약 300만개이며, 유체장의 크기는 입사각 0° 일 때 길이 33m, 폭 10m, 깊이 7.2m이며, 입사각에 따라서 유체장의 길이 및 폭의 변화를 주었다.
- 029m/s(2knots)를 고려하였으며, 입사각은 0° ~ 180°까지 30° 간격으로 수치계산 하였다. 유체장의 크기는 축척모형 수치계산과 동일한 비율로 설정하였으며, 수치계산에 사용된 격자수는 250~500만개이다. 수치계산으로 얻어진 실선 크기의 FSRU 조류력 계수와 모형 크기의 조류력 계수를 Fig.
- 14에서처럼 FSRU의 선수각을 180deg로 고정하고, Hawser의 거리를 50m, 75m, 100m, 125m로 변화시켜가면서, LNGC의 각도는 45deg ~ -45deg 각도 범위에 위치한 LNG를 고려하여 수치계산을 수행 하였다. 이 때의 각도와 거리는 LNGC의 DP 시뮬레이션 상의 Watch circle을 고려하여 선정하였다. Fig.
데이터처리
- Yuck et al.(2006)는 부유체에 작용하는 조류력을 상용코드인 Fluent를 사용하여 계산하였으며 모형실험, OCIMF(Oil companies international marine forum) 자료와 비교 분석하였다. Tabaczek et al.
- 본 연구에서는 상용프로그램인 STAR-CCM+를 사용하여 수치해석을 수행하였다. 형상주위의 유동해석을 위해 난류 유동의 지배방정식인 연속방정식과 운동량 방정식을 포함한 Reynolds-averaged navier-stokes(RANS) 방정식을 사용하고, 난류모델은 K-Epsilon을 사용하였으며, y+에 따라 Wall function을 변화시켜 적용하는 Two-layer all y+ wall treatment 법을 사용하였다.
이론/모형
- 모형시험은 FSRU에 대한 1:60의 축척모형을 이용하여 한국해양과학기술원 선박해양플랜트연구소 해양공학수조에서 수행되었다. 조류 속도는 1.
- 본 연구에서는 상용프로그램인 STAR-CCM+를 사용하여 수치해석을 수행하였다. 형상주위의 유동해석을 위해 난류 유동의 지배방정식인 연속방정식과 운동량 방정식을 포함한 Reynolds-averaged navier-stokes(RANS) 방정식을 사용하고, 난류모델은 K-Epsilon을 사용하였으며, y+에 따라 Wall function을 변화시켜 적용하는 Two-layer all y+ wall treatment 법을 사용하였다. 수치격자는 Trimmer 격자를 사용하여 생성하였다.
성능/효과
- LNGC가 FSRU 후미에 직선상으로 위치하여 있을 때는 LNGC의 X방향 풍하중은 단독 선체일 때의 결과보다 40%정도가 감소되었으며, Y방향의 풍하중은 변화가 많지 않음을 확인할 수 있다. FSRU와 LNGC의 선수각을 변화시켜 FSRU의 후류장에 LNGC가 위치해있을 때 X방향의 풍하중은 최대 80% 감소하는 것을 확인할 수 있으며, Y방향의 풍하중은 증가하는 것을 확인할 수 있다.
- 수치계산을 수행하는데 소요되는 시간을 최적화 하고, 격자계의 효율성을 높이고자 격자 의존성(Grid Dependency)에 대해 수치계산 하였다. Fig. 3에서와 같이 기본 격자의 숫자를 200만개부터 1000만개까지 분포하여 테스트해본결과 FSRU 및 LNGC 단독성능 계산의 경우 300만개에서 계산결과가 수렴됨을 확인할 수 있었다.
- 직렬배치로 고려된 두가지 상황에서 FSRU와 LNGC 두 부유체에 작용하는 풍하중 계수를 Table 4에 비교하였다. LNGC가 FSRU 후미에 직선상으로 위치하여 있을 때는 LNGC의 X방향 풍하중은 단독 선체일 때의 결과보다 40%정도가 감소되었으며, Y방향의 풍하중은 변화가 많지 않음을 확인할 수 있다. FSRU와 LNGC의 선수각을 변화시켜 FSRU의 후류장에 LNGC가 위치해있을 때 X방향의 풍하중은 최대 80% 감소하는 것을 확인할 수 있으며, Y방향의 풍하중은 증가하는 것을 확인할 수 있다.
- 15은 계산 조건 별 조류력 계수의 값을 Contour plot 으로 나타내었다. LNGC와 FSRU의 거리가 가까워질수록 FSRU 후류에 영향으로 인하여 LNGC의 조류력 계수가 다소 증가함을 확인할 수 있다. 반면 FSRU는 LNG가 후면에 가까이 다가왔을 때 X-방향 조류력이 다소 감소하는 경향을 보여주었다.
- 8은 X방향의 거리에 따른 조류력 변화를 도시하였다. 두 부유체 사이의 이격 거리가 증가 할수록 LNGC에 작용하는 조류력은 작아지는 반면, FSRU에 작용하는 조류력은 커지는 경향을 보여준다. 특히 두 부유체 사이의 거리가 50m일 때 LNGC에 작용하는 조류력은 간섭 효과에 의해 60% 정도 증가하였다.
- 풍하중의 경우 FSRU의 후류영역에 LNGC가 위치함에 따라 그림자 효과로 인하여 35% ~ 80%가량 항력이 감소할 수 있음을 수치계산으로부터 확인할 수 있었다. 또한 FSRU의 입사되는 유동의 방향에 따라 후미의 후류장의 크기가 바뀌고, 두 부유체의 상대적인 위치가 후류에 의한 유체력 간섭 효과가 크게 바뀜을 확인 할 수 있었다. 추후 모형 시험과의 비교를 통해 검증작업을 진행할 필요성이 있으며, FSRU와 LNGC의 다양한 위치관계를 고려하여 그림자 효과에 대한 정량적 특성을 체계적으로 제시할 필요성이 있다.
- Table 2는 입사각 180도 일 때의 자유수면 유무에 따른 조류력 계수를 비교하여 보여주고 있다. 자유수면을 고려함에 따른 조류력 계수는 45%가량 증가하였으며, 모형시험 시 계측된 결과와의 오차가 5%이하로 줄어듦을 확인할 수 있다.
- 이 때 조류력의 경우 FSRU와 LNGC의 이격거리를 달리하며 그 영향을 검토하였다. 조류력의 경우 FSRU의 후류장에 의해 LNGC의 조류력이 최대 45%가량 증가하였으며, 반면 FSRU는 LNG가 후면에 가까이 위치했을 때 30% 가량의 조류력 감소가 발생하였다. 이러한 간섭 효과는 전후 방향 이격거리에 따라 크게 변화할 수 있음을 CFD 계산을 통해 제시 하였다.
- 두 부유체 사이의 이격 거리가 증가 할수록 LNGC에 작용하는 조류력은 작아지는 반면, FSRU에 작용하는 조류력은 커지는 경향을 보여준다. 특히 두 부유체 사이의 거리가 50m일 때 LNGC에 작용하는 조류력은 간섭 효과에 의해 60% 정도 증가하였다. 이격 거리가 약 150m이상이 되면 두 부유체의 간섭효과는 거의 사라지고, 각각의 조류력 계수는 단독 선체의 값으로 점차 수렴해감을 알 수 있다.
- 이러한 간섭 효과는 전후 방향 이격거리에 따라 크게 변화할 수 있음을 CFD 계산을 통해 제시 하였다. 풍하중의 경우 FSRU의 후류영역에 LNGC가 위치함에 따라 그림자 효과로 인하여 35% ~ 80%가량 항력이 감소할 수 있음을 수치계산으로부터 확인할 수 있었다. 또한 FSRU의 입사되는 유동의 방향에 따라 후미의 후류장의 크기가 바뀌고, 두 부유체의 상대적인 위치가 후류에 의한 유체력 간섭 효과가 크게 바뀜을 확인 할 수 있었다.
- 4에 비교하여 도시하고 있다. 현 수치계산에 의한 조류력 계수는 X방향과 Y방향 모두 모형시험 결과와 유사한 경향을 보여주고 있으며, 특히 Y방향 조류력 계수는 모형시험 결과와 매우 잘 일치함을 알 수 있다. 다만, X방향의 조류력 계수 중 선수쪽으로 입사하는 경우에 현 수치계산이 모형시험 보다 더 작은 값을 보여주고 있다.
- 반면 FSRU는 LNG가 후면에 가까이 다가왔을 때 X-방향 조류력이 다소 감소하는 경향을 보여주었다. 현재 고려한 계산 조건내에서는 Tandem 작업조건시 FSRU는 최대 30%의 조류력 감소가 발생하였으며, LNGC는 최대 45%가량 조류력이 증가하였다.
후속연구
- 또한 FSRU의 입사되는 유동의 방향에 따라 후미의 후류장의 크기가 바뀌고, 두 부유체의 상대적인 위치가 후류에 의한 유체력 간섭 효과가 크게 바뀜을 확인 할 수 있었다. 추후 모형 시험과의 비교를 통해 검증작업을 진행할 필요성이 있으며, FSRU와 LNGC의 다양한 위치관계를 고려하여 그림자 효과에 대한 정량적 특성을 체계적으로 제시할 필요성이 있다.
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