[논문]선수파 중 AFRAMAX급 유조선의 부가저항에 대한 실험과 수치계산

오승훈; 양진호; 박상훈

doi:10.3744/snak.2015.52.6.471

선수파 중 AFRAMAX급 유조선의 부가저항에 대한 실험과 수치계산
Computational and Experimental Studies on Added Resistance of AFRAMAX-Class Tankers in Head Seas 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.52 no.6, 2015년, pp.471 - 477

오승훈 (현대중공업(주)) , 양진호 (현대중공업(주)) , 박상훈 (현대중공업(주))

Abstract ▼ AI-Helper

When a ship sails in a seaway, the resistance on a ship increases due to incident waves and winds. The magnitude of added resistance amounts to about 15–30% of a calm-water resistance. An accurate prediction of added resistance in waves, therefore, is essential to evaluate the performance of a ship in a real sea state and to design an optimum hull form from the viewpoint of the International Maritime Organization (IMO) regulations such as Energy Efficiency Design Index (EEDI) and Energy Efficiency Operational Indicator (EEOI). The present study considers added resistance problem of AFRAMAX-class tankers with the conventional bow and Ax-bow shapes. Added resistance due to waves is successfully calculated using 1) a three-dimensional time-domain seakeeping computations based on a Rankine panel method (three-dimensional panel) and 2) a commercial CFD program (STAR-CCM+). In the hydrodynamic computations of a three-dimensional panel method, geometric nonlinearity is accounted for in Froude-Krylov and restoring forces using simple wave corrections over exact wet hull surface of the tankers. Furthermore, a CFD program is applied by performing fully nonlinear computation without using an analytical formula for added resistance or empirical values for the viscous effect. Numerical computations are validated through four degree-of-freedom model-scale seakeeping experiments in regular head waves at the deep towing tank of Hyundai Heavy Industries.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

그리고 수치계산 결과를 당사에서 수행된 모형시험 결과와 비교해서 부가저항 저감을 위한 부가물 및 선형설계에 수치계산의 활용 가능성을 검토하였다.
본 연구에서는 현대 중공업에서 설계한 AFRAMAX급 유조선의 두가지 선형 (원본 형상 및 Ax-bow 형상)에 대하여 파랑 중 부가저항의 수치계산을 수행하였다

제안 방법

최근 국제해사기구(International Maritime Organization, IMO)의 해양환경보호위원회(Marine Environment Protection Committee, MEPC)는 선박의 이산화탄소 배출량을 규제하기 위해 신조선박의 에너지효율설계지수(Energy Efficiency Design Index, EEDI)를 도입하였다. 그리고 현재 운항중인 선박의 에너지효율운항지수(Energy Efficiency Operational Indicator, EEOI)를 정의하여 이산화탄소를 측정하기 위한 방법론을 확정하였다. 이와 같은 배경에서 조선 및 해운업계에서는 선박의 설계 및 운항효율을 향상시키기 위하여 파랑 중 부가저항과 관련된 연구를 활발히 진행하는 중 이다.
Ax-bow 형상은 이러한 현상을 개선하기 위하여 흘수선 위쪽 선수부의 형상을 뾰족하게 만들어 반사파가 선수부 옆쪽으로 부드럽게 빠져나가게 함으로써 반사파에 의한 부가저항을 감소시킨다 (Matsumoto, 2002). 따라서 본 연구에서는 AFRAMAX급 유조선에 대하여 앞서 언급한 두 가지 선수 형상 (원본 형상 및 Ax-bow 형상)을 적용하여 파랑 중 부가 저항의 시험과 해석을 수행하고 형상에 따른 부가저항 차이를 확인하고자 한다.
모형선은 예인 전차에 의하여 일정한 속도로 전진하며, 이때 모형선의 전후동요는 구속되지 않은 상태이다. 모형시험으로부터 상하동요, 종동요 및 파랑 중 저항값을 계측하였다. 파랑 중 부가저항은 International Towing Tank Conference(ITTC, 2011)에서 제안하는 식 (1)으로 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 랜킨패널법 (WISH)과 상용 CFD (STAR CCM+)를 이용하여 AFRAMAX급 유조선의 파랑 중 부가저항을 계산하였고 모형시험과 비교를 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.
수치계산을 위하여 B-spline 기반의 랜킨패널법을 적용한 3차원 시간영역 운동해석 프로그램(WISH)과 상용 CFD 프로그램(STAR CCM+)을 사용하였다
Ax-bow 형상 선형의 경우 흘수선 아래의 선형이 원본 형상과 동일하다. 주어진 두 선형의 운동과 부가저항을 비교하기 위하여 동일한 조건에서 수치계산과 모형시험을 수행하였다. 목표 속도는 Fn=0.

대상 데이터

모형시험 및 수치계산에서 사용된 선박의 형상은 Fig. 4에서 확인할 수 있다.
모형시험은 현대중공업 선박연구소의 선형수조에서 수행되었다. 선형 수조는 길이 210 m, 폭 14 m, 깊이 6 m이며, 수조에 설치된 조파기를 이용하여 규칙파를 구현하였다.
따라서 장파장 영역에서 단파장 영역으로 갈수록 계산 격자의 수는 증가하게 된다. 본 계산에서는 110만~190만개의 격자를 사용하였다. 파랑 중 총 저항을 계산하기 위해 총 12 주기의 저항의 평균을 이용하였다.
모형시험은 현대중공업 선박연구소의 선형수조에서 수행되었다. 선형 수조는 길이 210 m, 폭 14 m, 깊이 6 m이며, 수조에 설치된 조파기를 이용하여 규칙파를 구현하였다. 모형선은 예인 전차에 의하여 일정한 속도로 전진하며, 이때 모형선의 전후동요는 구속되지 않은 상태이다.

데이터처리

3차원 랜킨패널법과 상용 CFD로 수행된 수치계산결과를 모형시험과 비교하였다. 3차원 랜킨패널법의 경우, 선박 형상의 비선형성을 고려하기 위하여 Froude-Krylov 힘과 복원력을 선박의 실제 입수면에서 계산하는 weakly-nonlinear 해석을 선형(linear) 해석과 함께 수행하였다.
본 연구에서는 선박의 운동 및 파랑 중 부가저항을 해석하기 위해 3차원 랜킨패널법과 상용 CFD를 이용하여 수치계산을 수행하였다. 계산된 결과는 동일한 조건의 모형시험 결과와 비교하였다.
범용 유체 해석프로그램인 STAR CCM+를 이용하여 파랑 중 부가저항 해석을 수행하였다. Fig.
본 계산에서는 110만~190만개의 격자를 사용하였다. 파랑 중 총 저항을 계산하기 위해 총 12 주기의 저항의 평균을 이용하였다. 부가저항 계 산을 위해 식(1)과 같이 정수 중 저항이 필요하며 이를 위해 정수 중 저항을 추가로 계산하였다.

이론/모형

3차원 랜킨패널법과 상용 CFD로 수행된 수치계산결과를 모형시험과 비교하였다. 3차원 랜킨패널법의 경우, 선박 형상의 비선형성을 고려하기 위하여 Froude-Krylov 힘과 복원력을 선박의 실제 입수면에서 계산하는 weakly-nonlinear 해석을 선형(linear) 해석과 함께 수행하였다. 두 선형의 경우, 접수면 아래 형상이 동일하므로 선체 비선형패널만 변경하여 계산을 수행하였다.
본 방법에서는 속도포텐셜을 3가지 성분인 기본 포텐셜 (여기서는 이중물체(double-body) 선형화 방법을 적용), 입사 포텐셜 및 교란 포텐셜로 나눈다. 이러한 속도포텐셜은 유체장과 경계면에서 라플라스 방정식과 선박의 표면 및 자유표면 경계조건을 만족하여야 한다.
본 연구에서는 3차원 랜킨패널법을 기초로 하여 서울대학교에서 개발한 WISH 프로그램을 사용하여 선박의 운동 및 부가저항을 계산하였다 (Kim, et al., 2012; Seo, et al., 2013).
자유표면의 재현성과 계산 효율성을 높이기 위하여 입사파의 파장과 파고를 기준으로 격자를 매번 생성하였다. 본 연구에서는 선박으로 입사되는 파의 정확한 구현을 위해 EOM(Euler overlay method)을 적용하였다. EOM은 CFD solution과 undisturbed wave solution을 blending하는 기법으로 물체에서 산란된 파들이 계산경계에 반사되어 CFD 영역으로 들어오는 것을 방지하기 위하여 사용된다 (Bøckmann et al.
본 연구에서는 선박의 운동 및 파랑 중 부가저항을 해석하기 위해 3차원 랜킨패널법과 상용 CFD를 이용하여 수치계산을 수행하였다. 계산된 결과는 동일한 조건의 모형시험 결과와 비교하였다.
2와 같이 이산화 하였다. 부가저항을 해석하기 위해서 압력직접적분법을 사용하였다.
모형시험으로부터 상하동요, 종동요 및 파랑 중 저항값을 계측하였다. 파랑 중 부가저항은 International Towing Tank Conference(ITTC, 2011)에서 제안하는 식 (1)으로 해석을 수행하였다.

성능/효과

- 상용 CFD 해석의 경우, 3차원 랜킨패널법과 비교하여 계산효율은 낮지만 모형시험과 동일하게 수선면 상부의 선형변화에 따른 부가저항을 반영할 수 있다. 따라서 수선면 상부의 형상 또는 부가물의 부가저항 성능최적화에도 활용될 수 있다.
마지막으로 모형시험의 결과와 수치계산 결과를 비교하면 부가저항이 대체로 유사하지만 최대값 부근에서 수치계산에 의한 부가저항이 모형시험 결과보다 작게 계산되었다. 따라서 파랑 중 부가저항의 정도를 향상시키기 위해 격자 및 수치기법에 대한 체계적인 연구가 필요하다.
이 경향은 모형시험에서도 확인할 수 있다. 모형시험과 CFD 결과를 통해, 원본 선형과 비교하여 Ax-bow 형상의 선형이 파랑 중 부가저항 성능이 우수함을 알 수 있다.

후속연구

- 상용 CFD 해석의 경우, 3차원 랜킨패널법과 비교하여 계산효율은 낮지만 모형시험과 동일하게 수선면 상부의 선형변화에 따른 부가저항을 반영할 수 있다. 따라서 수선면 상부의 형상 또는 부가물의 부가저항 성능최적화에도 활용될 수 있다.
마지막으로 모형시험의 결과와 수치계산 결과를 비교하면 부가저항이 대체로 유사하지만 최대값 부근에서 수치계산에 의한 부가저항이 모형시험 결과보다 작게 계산되었다. 따라서 파랑 중 부가저항의 정도를 향상시키기 위해 격자 및 수치기법에 대한 체계적인 연구가 필요하다.
본 연구에서 수행한 수치기법들은 선박의 파랑 중 부가저항 저감을 위한 부가물 혹은 선형개발에 활용 가능할 것으로 사료된다.

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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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