[논문]CFD를 이용한 수중 예인체의 유체력 미계수 결정과 6자유도 운동해석

고광수; 이은택; 안형택; 김성일; 천승용; 김정석; 이병희

doi:10.3744/snak.2016.53.4.315

CFD를 이용한 수중 예인체의 유체력 미계수 결정과 6자유도 운동해석
6DOF Simulation and Determination of Hydrodynamic Derivatives of Underwater Tow-Fish Using CFD 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.53 no.4, 2016년, pp.315 - 328

고광수 (울산대학교 조선해양공학부) , 이은택 (울산대학교 조선해양공학부) , 안형택 (울산대학교 조선해양공학부) , 김성일 (국방과학연구소 소나체계개발단) , 천승용 (국방과학연구소 소나체계개발단) , 김정석 ((주)한화) , 이병희 ((주)한화)

Abstract ▼ AI-Helper

Techniques for determinating hydrodynamic derivatives of underwater tow-fish using CFD(Computational Fluid Dynamics) are described in this paper. Main components of hydrodynamic derivatives are added mass, linear damping and non-linear damping coefficients. In this study, linear and non-linear damping coefficients for translational velocities are settled by CFD analysis. In order to analyze the underwater tow-fish, UlsanFOAM based on open-source CFD code, namely OpenFOAM, is employed. By simulating pitch and yaw angle variation of underwater tow-fish, 6DOF(Degree-of-Freedom) forces and moments are estimated at each attitudes. In order to determinate the hydrodynamic derivatives, curves(forces and moments vs attitude) for CFD results are fitted by least square methods. To demonstrate the applicability of the current approach, two different problems(impulsive side towing and straight towing) are simulated and all results are validated.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

국내에서는 Park and Kim(2015)에 의해 수중 예인체에 대한 연구가 진행된 바 있다. 본 논문에서는 수중예인체의 운동예측을 위하여 필요한 유체력 미계수 결정에, CFD해석을 활용하는 기법에 대한 새로운 방법론을 제시 하고자 한다.
본 연구에서는, 일차적으로 직접 추력을 발생하지 않고 수상선에 의해 예인되는 수중 예인체에 작용하는 유체력 미계수를 CFD 해석을 통하여 결정하고, 최종적으로 이를 이용하여 수중 예인체의 6자유도 운동을 예측하고자 한다. Ahn and Jung(2012)에 의해 CFD 해석으로 수중 운동체의 유체력 미계수중 일부를 예측한 연구사례가 존재하지만, 해석대상이 매우 단순한 형상이며 유체력 미계수를 예측하는 과정이 체계적으로 명시되어 있지 않다.

가설 설정

수중 예인체가 +xi방향으로 등속 예인하는 현상은 –xi 방향으로 유속이 Ux의 크기로 흐르도록 하여 구현했다. 본 연구에서는 Ux의 크기를 5m/s로 정하여 해석을 수행하였다.

제안 방법

UlsanFOAM을 활용한 3차원 CFD 해석을 통해 수중 예인체에 작용하는 6자유도 방향에 대한 힘과 모멘트를 예측하였다. Fig.
본 연구에서는 CFD 해석기법을 이용하여 수중 예인체의 유체력 미계수를 결정하였다. 결정된 유체력 미계수의 신뢰성을 검증하기 위해 90도 긴급 예인 거동해석과 직진 예인 거동해석을 수행하였다. 이상의 연구를 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.
본 연구에서는 CFD 해석기법을 이용하여 수중 예인체의 유체력 미계수를 결정하였다. 결정된 유체력 미계수의 신뢰성을 검증하기 위해 90도 긴급 예인 거동해석과 직진 예인 거동해석을 수행하였다.
6과 같이 변화시키면서 해석을 수행했다. 해석은 선수동요 각을 –40~+40도 사이를 5도씩 변화 시키면서 각각의 경우(총 17가지 경우)에 대하여 정상상태(steady-state) CFD해석을 수행했다.

대상 데이터

실험에 사용된 회류수조는 최대 1m/s의 유속을 발생시킬 수 있으며, 관측영역의 크기는 2400mm(길이) × 900mm(폭) × 900mm(높이)이다. 실험에 사용된 모형 예인체의 크기는369mm(길이) × 85.3mm(폭) × 188mm(높이)이다. 모형 예인체는 내부에 추를 배치할 수 있도록 설계되었으며, 추의 계수 및 위치를 조절하여 무게특성을 변화시킬 수 있다.
직진 예인시 발생하는 자세변화 해석결과를 회류수조 실험과 비교해보았다. 실험에 사용된 회류수조는 최대 1m/s의 유속을 발생시킬 수 있으며, 관측영역의 크기는 2400mm(길이) × 900mm(폭) × 900mm(높이)이다. 실험에 사용된 모형 예인체의 크기는369mm(길이) × 85.

데이터처리

관성좌표계 기준 +yi 방향으로 긴급 예인하는 상황을 시뮬레이션하였다. 시간에 따른 예인체의 자세변화를 정성적으로 판단하여 결정된 유체력 미계수의 신뢰성을 검증하였다. 긴급 예인은 정지된 상태에서 순간속도로 가하여 예인하는 상황을 뜻한다.
직진 예인시 발생하는 자세변화 해석결과를 회류수조 실험과 비교해보았다. 실험에 사용된 회류수조는 최대 1m/s의 유속을 발생시킬 수 있으며, 관측영역의 크기는 2400mm(길이) × 900mm(폭) × 900mm(높이)이다.

이론/모형

(2006)을 활용하여 이론적으로 계산하였다
CFD 해석은 오픈소스 CFD 해석코드인 OpenFOAM (OpenCFD Ltd, 2004; Wikipedia, 2007)에 기반을 둔 UlsanFOAM (Kwon & Ahn, 2015; Kwon, 2016; Won & Ahn, 2015; Won, 2016)으로 수행 하였다
CFD 해석을 위한 도구로는 오픈소스 CFD 코드인 OpenFOAM(OpenCFD Ltd, 2004; Wikipedia, 2007)을 예인체 주위 유동해석에 적합하게 단순화시킨 UlsanFOAM (Kwon & Ahn, 2015; Kwon, 2016; Won & Ahn, 2015; Won, 2016)을 활용 하였다
3과 같이 해석조건을 정립했다. CFD해석에 필요한 격자는 삼각형의 조합으로 표현되는 표면형상을 기반으로, OpenFOAM의 기본 격자 생성자인 snappyHexMesh를 이용하여 Cut-cell 기반의 방식으로 생성한다. Fig.
몸체의 부가질량은 Strip 이론으로 구한다
따라서 UlsanFOAM은 OpenFOAM의 부분집합 코드라고 할 수 있으며, 이는 지속적으로 새로운 기능이 추가되고 있는 OpenFOAM 공식 배포판 중에서 필요한 부분만을 선택적으로 활용한다는 측면에서, 오픈소스 코드에 대한 효율적인 활용 방법이라고 판단된다. 문자열 기반의 OpenFOAM 운용 환경의 접근성을 높이기 위하여, GUI(Graphics User Interface) 기능의 필요성이 제기 되었으며, 이를 위하여 Oh and Kim (2015)의 사례를 참고하였다.
병진속도에 대한 감쇠계수는 CFD 해석결과를 최소자승(least square)법으로 커브핏팅(curve-fitting)하여 구하였다
모형 예인체는 내부에 추를 배치할 수 있도록 설계되었으며, 추의 계수 및 위치를 조절하여 무게특성을 변화시킬 수 있다. 본 실험에서는 CAD(Computer Aided Design) 프로그램을 활용하여 수중에서 초기자세로 4.74도의 종동요(pitch) 각을 가지도록 추의 계수와 위치를 결정했다.
본 연구에서는 식 (25)와 같은 2nd-order modulus 전개방법으로 다음과 같이 동유체력을 모델링 하였다.
비선형화 모델링 기법 중 가장 많이 쓰이는 방법은 식 (24)와 같이 Taylor-series 전개의 홀수 항(1, 3차)을 활용하는 것 (Abkowitch, 1964)과 식 (25)와 같이 2nd – order modulus 전개 (Fedyaevsky & Sobolev, 1963)를 사용하는 것이다.
수중 예인체에 작용하는 동유체력은 유체에 의한 비선형 감쇠효과를 포함하는 2nd-order modulus 전개 (Fedyaevsky & Sobolev, 1963)로 모델링 하였다
4와 같이 변화시키면서 해석을 수행했다. 해석은 종동요 각을 –40~+40도 사이를 5도씩 변화시키 면서 각각의 경우(총 17가지 경우)에 대하여 정상상태(steady-state) CFD해석을 수행했다.
회전속도에 대한 감쇠계수의 결정을 위해서는 일반적으로 회전 팔(rotating arm) 시험과 같은 수조실험이 필요하나, 관련시험에 필요한 시간과 비용을 고려하여 유사선형의 사례로 판단되는 Sun (2009)에 제시된 유체력 미계수 값을 차용했다

성능/효과

• PMM(Planar Motion Mechanism) 시험이나 회전 팔(rotating arm) 시험과 같은 고 비용의 수조 실험 없이 CFD 해석만으로 수중 예인체의 핵심적인 유체력 미계수를 결정할 수 있는 가능성을 확인했다. • 90도 긴급 예인 거동해석에서 초기에 발생하는 과도한 자세 변화와 시간이 지남에 따라 예인체의 선수가 예인방향으로 수렴해나가는 현상을 확인할 수 있었으며, 이를 통해 결정된 유체력 미계수의 신뢰성을 정성적으로 검증할 수 있었다. • 직진 예인 거동해석에서 나타난 수중 예인체의 자세변화에 대한 경향성이 회류수조 모형실험 결과와 매우 유사함을 확인하였으며, 이를 통해 결정된 유체력 미계수의 신뢰성을 정량적으로 검증할 수 있었다.
• PMM(Planar Motion Mechanism) 시험이나 회전 팔(rotating arm) 시험과 같은 고 비용의 수조 실험 없이 CFD 해석만으로 수중 예인체의 핵심적인 유체력 미계수를 결정할 수 있는 가능성을 확인했다. • 90도 긴급 예인 거동해석에서 초기에 발생하는 과도한 자세 변화와 시간이 지남에 따라 예인체의 선수가 예인방향으로 수렴해나가는 현상을 확인할 수 있었으며, 이를 통해 결정된 유체력 미계수의 신뢰성을 정성적으로 검증할 수 있었다.
• 90도 긴급 예인 거동해석에서 초기에 발생하는 과도한 자세 변화와 시간이 지남에 따라 예인체의 선수가 예인방향으로 수렴해나가는 현상을 확인할 수 있었으며, 이를 통해 결정된 유체력 미계수의 신뢰성을 정성적으로 검증할 수 있었다. • 직진 예인 거동해석에서 나타난 수중 예인체의 자세변화에 대한 경향성이 회류수조 모형실험 결과와 매우 유사함을 확인하였으며, 이를 통해 결정된 유체력 미계수의 신뢰성을 정량적으로 검증할 수 있었다.

후속연구

본 논문에서 수행한 검증으로는 모든 유체력 미계수의 신뢰성을 평가하기는 어렵다. 따라서 시뮬레이션 결과를 다양한 운동이 고려된 모형실험결과와 비교하여 결정된 유체력 미계수를 다각적인 관점에서 검증할 수 있는 후속 연구가 필요할 것으로 판단된다. 이와 더불어 본 연구를 통해 제시된 유체력 미계수 결정기법이 추후 다양한 형상의 수중 예인체에 적용되기 위해서는 본 연구에서 유사선형의 값을 차용했던 회전속도에 대한 감쇠계수 결정에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
본 논문에서 수행한 검증으로는 모든 유체력 미계수의 신뢰성을 평가하기는 어렵다. 따라서 시뮬레이션 결과를 다양한 운동이 고려된 모형실험결과와 비교하여 결정된 유체력 미계수를 다각적인 관점에서 검증할 수 있는 후속 연구가 필요할 것으로 판단된다.
따라서 시뮬레이션 결과를 다양한 운동이 고려된 모형실험결과와 비교하여 결정된 유체력 미계수를 다각적인 관점에서 검증할 수 있는 후속 연구가 필요할 것으로 판단된다. 이와 더불어 본 연구를 통해 제시된 유체력 미계수 결정기법이 추후 다양한 형상의 수중 예인체에 적용되기 위해서는 본 연구에서 유사선형의 값을 차용했던 회전속도에 대한 감쇠계수 결정에 대한 추가적인 연구가 필요하다.

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