5L로 설정하였으며, 이 때 L은 수선간장(L_BP) 으로 무차원화된 길이이다. 각 영역의 경계조건은 Figure 3 (b)와 같이 상용 소프트웨어에서 이용 가능한 조건들로, 유동이 유입되는 입구경계에는 속도유입조건인 Velocity inlet 조건을, 반대편출구경계에는 유동이 빠져 나갈 수 있도록 유출조건인 Pressure outlet 조건을, 좌우면은 대칭조건인 Symmetry 조건을, 선박은 벽 경계조건인 Wall(No-slip) 조건 그리고 나머지 부분은 벽 경계 조건인 Wall(Free-slip)을 이용하였다.

4.1절에서 DTMB 모델을 이용한 수치 시뮬레이션으로 결정된 조건들을 이용하여 해양작업지원선의 자유 횡동요 수치 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과 Figure 9 (a)와 같이 빌지킬이 있는 경우와 빌지킬이 없는 경우 극치 값이나타나는 주기는 큰 차이가 없지만 횡동요량은 첫 번째 음의 극치부터 차이가 발생하여 각 주기마다 차이가 나타나고 있다.

다만, 각각의 양과 음의 극치가 나타나는 횡동요 주기는 반복 계산횟수에 대한 영향이 없이 일정하게 나타나고 있다. 따라서 시간증분량 당 계산 횟수는 수치 시뮬레이션 계산 시간을 고려할 때 15번이 가장 적합하다고 판단되며, 추후 수행되는 수치 시뮬레이션에 15번의 반복 계산횟수를 적용하였다. 시간 증분량 테스트의 경우, Figure 7 (b)에 보이는 바와 같이, 반복 계산횟수 테스트와 동일하게 시간 증분량이 작아짐에 따라 횡동요 주기는 크게 변화가 없이 일정한 경향을 보이지만, 극치값의 경우 주기가 반복될수록 차이가 증가하고 있다.

본 연구에서는 일정한 속도로 항주하는 해양작업지원선의 빌지킬 유무에 따른 횡동요 운동성능에 대한 연구로 통상적으로 실험적 방법으로 산출되는 무차원 횡동요 감쇠 계수를 대체하기 위한 방법으로 상용 점성유동 해석 프로그램인 Star-CCM+를 이용하여 자유 횡동요 수치 시뮬레이션을 수행하였으며, 이를 통해 횡동요 무차원 감쇠 계수를 추정하였다. 또한 산출된 감쇠 계수를 이용하여 2차원 스트립 이론을 이용한 운동 해석을 통해 빌지킬 유무에 따른 선박의 횡동요 운동 성능 차이를 검토하였다. 단, 운동 해석의 경우 일반적으로 횡동요가 가장 크게 나타나는 파향이 90도인 경우에 대한 시뮬레이션을 수행하였다.

본 연구에서는 먼저, 해양작업지원선의 수치 시뮬레이션에 앞서 설정된 시뮬레이션 조건을 확인하기 위해 Figure 4에 나타낸 DTMB-5512 모델을 이용하여 실험과 비교를 통한 검증을 수행하였다. 이 때 이용된 DTMB-5512 모델은DTMB-5415 모델과 동일한 선형에 축척비가 상이한 선형으로 상세 제원은 Table 1과 같으며, 시간증분량(1.

본 연구에서는 일정한 속도로 항주하는 해양작업지원선의 빌지킬 유무에 따른 횡동요 운동성능에 대한 연구로 통상적으로 실험적 방법으로 산출되는 무차원 횡동요 감쇠 계수를 대체하기 위한 방법으로 상용 점성유동 해석 프로그램인 Star-CCM+를 이용하여 자유 횡동요 수치 시뮬레이션을 수행하였으며, 이를 통해 횡동요 무차원 감쇠 계수를 추정하였다. 또한 산출된 감쇠 계수를 이용하여 2차원 스트립 이론을 이용한 운동 해석을 통해 빌지킬 유무에 따른 선박의 횡동요 운동 성능 차이를 검토하였다.

실험을 통한 감쇠계수 산출은 선박을 초기 횡경사 각도까지 강제로 기울인 뒤 외력을 가하지 않고 자유롭게 운동하도록 하는 자유 횡동요 감쇠실험을 통해 산출된다. 이 때 측정되는 결과는 Figure 2 (a)과 같이 시간에 따른 횡동요량이며 각 주기의 양의 극값(#)과 음의 극값(#)의 양쪽 극값을 이용하는 방법 등을 통해 감쇠 계수를 산출 할 수 있다[4].

본 연구에서는 먼저, 해양작업지원선의 수치 시뮬레이션에 앞서 설정된 시뮬레이션 조건을 확인하기 위해 Figure 4에 나타낸 DTMB-5512 모델을 이용하여 실험과 비교를 통한 검증을 수행하였다. 이 때 이용된 DTMB-5512 모델은DTMB-5415 모델과 동일한 선형에 축척비가 상이한 선형으로 상세 제원은 Table 1과 같으며, 시간증분량(1.0E-2s,5.0E-3s, 1.0E-3s, 5.0E-4s)과 시간증분량 당 반복 횟수(5, 10,15, 20)의 각각 4가지 조건에 대하여 수치 시뮬레이션을 수행하여 최적의 조건을 결정하였다.

이후, 산출된 각각의 무차원 감쇠 계수를 이용하여 MMA를 이용한 선박의 운동 해석을 수행하였다. 단 이 때 MMA에서는 2D 스트립 방법을 이용하였으며 일반적으로 횡동요가 가장 크게 나타나는 파향이 선체와 수직인 방향에 대한 해석을 수행하였다.

이 방법은 수치 시뮬레이션의 제어 체적(Control volume) 전체를 움직이는 것이 아닌 지정된 영역(Overset area)만을 움직여 계산하는 방법으로 고정되어 있는 외부격자 혹은 배경격자(Background grid)와 움직이는 영역인 내부의 중첩 격자로 구성되어 서로 다른 2가지 격자계가 제어 체적 내에 존재하게 된다. 중첩 격자의 영역은 선박의 각 방향으로 0.2L으로 설정하였으며, 선체 주위의 점성 유동장의 경우 표면의 법선방향으로 4개의 layer를 별도로 생성하여 고려하였으며, 자유표면의 경우 자유표면 부근에 추가적으로 격자를 조밀하게 배치하여 VOF 함수의 수치적 확산에 의한 정확도를 확보할 수 있도록 조정하였다. DTMB-5512 선형의 경우 수치 시뮬레이션에 이용된 격자계는 Figure 6과같이 중첩 격자가 약 60만개, 배경 격자가 약 10만개로 총약 70만개의 격자가 사용되었으며, 해양작업지원선은 중첩 격자가 약 80만개, 배경 격자가 약 10만개로 총 약 90만개의 격자가 사용되었다.

2L으로 설정하였으며, 선체 주위의 점성 유동장의 경우 표면의 법선방향으로 4개의 layer를 별도로 생성하여 고려하였으며, 자유표면의 경우 자유표면 부근에 추가적으로 격자를 조밀하게 배치하여 VOF 함수의 수치적 확산에 의한 정확도를 확보할 수 있도록 조정하였다. DTMB-5512 선형의 경우 수치 시뮬레이션에 이용된 격자계는 Figure 6과같이 중첩 격자가 약 60만개, 배경 격자가 약 10만개로 총약 70만개의 격자가 사용되었으며, 해양작업지원선은 중첩 격자가 약 80만개, 배경 격자가 약 10만개로 총 약 90만개의 격자가 사용되었다.

3.2절에서 전술한 바와 같이 해양작업지원선의 수치 시뮬레이션에 앞서 수치 시뮬레이션 조건을 검증하기 위해 DTMB 5512 선형을 이용하여 시간증분량 당 계산 횟수와 시간 증분량에 대한 검증을 수행하였으며, 그 결과는 Figure 7과 같다. 이 때 시간증분량 당 계산횟수 테스트의 시간 증분량은 0.

[8]은 Jung et al. [6]의 실험결과와 2차원 수치 시뮬레이션 결과를 비교하여 해석 기법의 검증을 수행하였다. Heo et al.

전술한 테스트를 통한 얻어진 시간증분량 당 반복 계산 횟수와 시간 증분량 조건들을 적용하여 수치 시뮬레이션을 수행하였으며 그 결과를 실험 및 Araki et al. [12]의 수치 시뮬레이션과 상호 비교를 통해 본 연구에서 수행한 수치 시뮬레이션의 정확도를 확인하였다. 그 결과 Figure 8과 같이 각각의 극치 값은 실험과 수치 시뮬레이션이 정량적으로 유사한 결과를 보이고 있으며, Araki et al.

수치 시뮬레이션은 비정상상태로 시간에 대해 2차 정확도의 음해법을 적용하였으며, 일정한 속도로 항주하는 선박의 횡동요로 인해 발생할 것으로 예상되는 수면파를 고려하기 위해 2차 정확도의 HRIC(high resoilution interface capturing) 알고리즘을 적용한 VOF(Volume-of-fluid) 방법을 이용하였다. 또한 중첩 격자계(Overset grid)를 사용함에 따라 외부격자와 내부격자간의 물리량 보간은 보다 정확도가 높다고 알려진 최소자승법(Least square method)를 이용하였다.

본 연구에서는 점성의 영향이상대적으로 큰 선박의 횡동요를 고려하기 위해 경계층 내부유동은 k-ω 난류모델을, 경계층 외부유동은 k-ε 난류 모델을 이용하는 SST k-ε  난류모델을 이용하였다.

상술한 지배방정식은 유한체적법(Finite-volume method, FVM)에 의해 이산화되며 확산항 및 대류항은 2차 상류차분법(Upwind)이 각각 적용되었으며, 압력과 속도의 연성(Pressure-velocity coupled)에는 SIMPLE-type 알고리즘이 적용되었다.

수치 시뮬레이션은 비정상상태로 시간에 대해 2차 정확도의 음해법을 적용하였으며, 일정한 속도로 항주하는 선박의 횡동요로 인해 발생할 것으로 예상되는 수면파를 고려하기 위해 2차 정확도의 HRIC(high resoilution interface capturing) 알고리즘을 적용한 VOF(Volume-of-fluid) 방법을 이용하였다. 또한 중첩 격자계(Overset grid)를 사용함에 따라 외부격자와 내부격자간의 물리량 보간은 보다 정확도가 높다고 알려진 최소자승법(Least square method)를 이용하였다.

수치 시뮬레이션을 위한 격자계는 자동격자생성 방법(Surface Remesher, Prism Layer, Trimmer)을 이용하여 격자를 생성하였으며, 선박의 횡경사에 따른 운동을 표현하기 위해 중첩 격자 방법을 적용하였다. 이 방법은 수치 시뮬레이션의 제어 체적(Control volume) 전체를 움직이는 것이 아닌 지정된 영역(Overset area)만을 움직여 계산하는 방법으로 고정되어 있는 외부격자 혹은 배경격자(Background grid)와 움직이는 영역인 내부의 중첩 격자로 구성되어 서로 다른 2가지 격자계가 제어 체적 내에 존재하게 된다.

해양작업지원선의 빌지킬 유무에 따른 수치 시뮬레이션의 경우 빌지킬 유무에 따라 횡동요 응답진폭함수의 극치값이 약 15% 차이를 보이며, 이를 통해 빌지킬이 횡동요 성능에 미치는 정량적 효과를 확인할 수 있었다. 또한 선체에 부착되는 빌지킬의 크기에 따른 횡동요 성능을 파악하기 위해 빌지킬 크기를 변경하여 추가적인 수치 시뮬레이션을 수행하여 그 차이를 파악하였으며, 그 결과 빌지킬의 크기를 약 40% 감소시켰을 때 극치값의 차이는 1.7% 내외로 차이가 크지 않아 줄어든 크기에 비해 상대적으로 운동성능의 효과가 적지 않은 것으로 확인되었다. 또한 이 때 수치 시뮬레이션과 ITTC 계산방법에 따른 저항 감소율은 서로 유사한 결과를 나타내며, 빌지킬이 짧은 경우 약 0.

7% 내외로 차이가 크지 않아 줄어든 크기에 비해 상대적으로 운동성능의 효과가 적지 않은 것으로 확인되었다. 또한 이 때 수치 시뮬레이션과 ITTC 계산방법에 따른 저항 감소율은 서로 유사한 결과를 나타내며, 빌지킬이 짧은 경우 약 0.3% 저항성능이 우수하다.

해양작업지원선의 빌지킬 유무에 따른 수치 시뮬레이션의 경우 빌지킬 유무에 따라 횡동요 응답진폭함수의 극치값이 약 15% 차이를 보이며, 이를 통해 빌지킬이 횡동요 성능에 미치는 정량적 효과를 확인할 수 있었다. 또한 선체에 부착되는 빌지킬의 크기에 따른 횡동요 성능을 파악하기 위해 빌지킬 크기를 변경하여 추가적인 수치 시뮬레이션을 수행하여 그 차이를 파악하였으며, 그 결과 빌지킬의 크기를 약 40% 감소시켰을 때 극치값의 차이는 1.

본 연구를 통해 서론에 전술한 바와 같이 빌지킬 유무에 따른 선박의 횡동요 운동성능을 파악하기 위기 위하여 일반적으로 실험적 방법을 통해 산출되는 횡동요 감쇠계수를CFD를 이용한 수치적 방법으로 대체하였으며, 이에 따른 적용가능성을 확인 할 수 있었다. 하지만 본 연구에서 실험과 차이를 보였던 횡동요 주기의 경우는 추가적인 연구를 통한 검증이 필요할 것이며, 이를 바탕으로 추후 다양한 선박의 운동 해석에 적용될 수 있을 것으로 사료된다.