[논문]CFD를 이용한 180,000 DWT Bulk Carrier용 Pre-Swirl Duct의 파라메트릭 설계

조한나; 최정은; 전호환

doi:10.3744/snak.2016.53.5.343

CFD를 이용한 180,000 DWT Bulk Carrier용 Pre-Swirl Duct의 파라메트릭 설계
Parametric Designs of a Pre-swirl Duct for the 180,000DWT Bulk Carrier Using CFD 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.53 no.5, 2016년, pp.343 - 352

조한나 (부산대학교 조선해양공학과) , 최정은 (부산대학교 조선해양플랜트글로벌핵심연구센터) , 전호환 (부산대학교 조선해양공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a pre-swirl duct for the 180,000 DWT bulk carrier has been designed from a propulsion standpoint using CFD. The stern duct - designed by NMRI - was selected as the initial duct. The objective function is to minimize the value of delivered power in model scale. Design variables of the duct include duct angle, diameter, chord length, and vertical and horizontal displacements from the center. Design variables of the stators are blade number, arrangement angle, chord length, and pitch angle. A parametric design was carried out with the objective function obtained using CFD. Reynolds averaged Navier-Stokes equations have been solved; and the Reynolds stress model applied for the turbulent closure. A double body model is used for the treatment of free-surface. MRF and sliding mesh models have been applied to simulate the actuating propeller. A self-propulsion point has been obtained from the results of towing and self-propelled computations, i.e., form factor obtained from towing computation and towing forces obtained from self-propelled computations of two propeller rotating speeds. The reduction rate of the delivered power of the improved stern duct is 2.9%, whereas that of the initial stern duct is 1.3%. The pre-swirl duct with one inner stator in upper starboard and three outer stators in portside has been designed. The delivered power due to the designed pre-swirl duct is reduced by 5.8%.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 180,000 DWT bulk carrier에 적합한 선미 덕트와 PSD를 모형선 스케일의 설계속도에서 파라메트릭 스터디를 통히여 설계히였다. 목적 함수는 최소 전달동력이며 CFD를 이용하여 구하였다.
최근 컴퓨터 파워가 급격히 증가하고 수치해석 기법이 발달하고 있지만 조선소에서 실선 스케일에서 절감장치를 개발하기에는 설계기간을 고려할 때 아직 부족한 실정이다. 본 연구에서는 모형선 스케일에서 이중모형을 사용한 예인 및 자항 조건의 이 중 모형유동에 대한 계산을 수행하여 전달동력을 최소화하는 180,000 DWT 살물선용 PSD를 설계하였다. 설계변수들을 단계적으로 최적화시켜 최적 형상을 구하는 파라메트릭 설계기법을 사용히였다.

가설 설정

덕트 설계를 위하여 자항계산도 수행하여야 하므로 예인조건에서도 전 영역에서 계산을 수행하였다. 수치 소산(numerical dissipation) 및 수치 확산(numerical dispersion) 등의 오차로 인하여 완전한 좌우 대칭은 아니나 덕트 설계에는 영향을 미치지 않는다고 가정할 수 있다. 덕트 내부의 축방향 유속은 0.

제안 방법

격자의존성 해석결과를 바탕으로 GS2를 격자 시스템을 이용하여 계산을 수행하였다. 프로펠러 면과 선미 덕트 주변에서는 7장 듬성한 GS3보다는 좀 더 많은 격자가 필요하였고, 7장 조밀한 GS1보다는 계산시간을 줄이기 위해서이다.
9는 덕트 유무에 따른 예인조건에서 프로펠러 면에 유입되는 축방향속도 contour와 횡방향 속도벡터를 비교한 그림이다, 실선원은 프로펠러 회전 영역, 점선원은 덕트를 나타낸다. 덕트 설계를 위하여 자항계산도 수행하여야 하므로 예인조건에서도 전 영역에서 계산을 수행하였다. 수치 소산(numerical dissipation) 및 수치 확산(numerical dispersion) 등의 오차로 인하여 완전한 좌우 대칭은 아니나 덕트 설계에는 영향을 미치지 않는다고 가정할 수 있다.
본 연구에서는 180,000 DWT bulk carrier에 적합한 선미 덕트와 PSD를 모형선 스케일의 설계속도에서 파라메트릭 스터디를 통히여 설계히였다. 목적 함수는 최소 전달동력이며 CFD를 이용하여 구하였다.
스테이터 날개로 유입되는 유동각이 원주방향으로도 변하므로 날개의 원주방향 피치각도 각기 다른 최적의 스테이터가 존재할 것이다. 본 연구에서는 스테이터 개수와 배치각도, 그리고 각 날개의 피치각도를 파라메트릭 고정을 통하여 구하였다. 피치 각도는 각 스테이터 날개의 대표지점을 선정하여 원주방향으로 일정한 받음각을 갖는 스테이터를 설계하였다.
초기 덕트 각도&)는 20이다. 설계 변수인 덕트 각도, 지름(Dd), 코드길이(L), 덕트와 프로펠러 중심간의 수직 거리(d) 및 수평거리(b)를 변경하면서 파라메트릭 설계를 수 행하였다
설계변수는 스테이터 날개 수와 배치각도, 그리고 피치각도이 다 날개 단면은 NACA6612를 적용하였다. 스테이터 날개로 유입되는 유동각(a)은 다음 식을 이용하여 구한다.
설계 변수는 덕트 각도 (Sd), 덕트 지름 (Dd),덕트 하부의 코드 길이 (L), 덕트 상하 위치 (d)와 좌우 위치 (b)이다. 설계변수들을 차례로 버꾸어 최적의 설계변수들을 구하는 파라메트릭 설계를 통해 덕트를 설계하였다. 즉 한 개의 설계변수가 변경될 때 나머지 변수들은 고정한다.
피치 각도는 각 스테이터 날개의 대표지점을 선정하여 원주방향으로 일정한 받음각을 갖는 스테이터를 설계하였다. 스테이터 피치각은 초기값은 스테이터 날개로 유입되는 유동의 대표 받음각(angle of attack)이 7°가 되도록 정하였다. Fig.
2를 사용하였다. 연속방정식, U, V, W, k, e, Reynolds stress 항들의 residuale 1.00X10-5으로 하였다.
예인 및 자항 조건에서 계산을 수행하였다. 모형선에 태는 부착하지 않았다.
따라서 PSD 설계에서는 계산 시간을 고려하여 MRF방법을 사용히였다 PSD 설계를 완료한 후 PSD가 장착된 프로펠러 후류의 유동을 좀 더 정확하게 분석하기 위하여 sliding mesh 기법을 적용하였다. 이때 MRF 결고를 초기 값으로 하였으며, suUteration 수는 45이고 1°씩 프로펠러를 회전하였다
, 2010). 이중모형유동 근거를 사용하여 자유표면은 대칭면으로 처리하였다, 그리고 계산의 효율성을 고려하여 물체 표면에는 표준 벽함수를 적용하였다. 유동해석은 Fluent v15.
저항 및 자항 계산 결과의 일관성을 유지하기 위해서 자항계 산을 위한 격자를 먼저 생성하고 난 뒤에 저항 계산을 위한 격자를 생성하였다. 차이는 프로펠러 직경과 축방향 길이보다 보다 약간 큰 실린더 형태인 블록이다.
본 연구에서는 스테이터 개수와 배치각도, 그리고 각 날개의 피치각도를 파라메트릭 고정을 통하여 구하였다. 피치 각도는 각 스테이터 날개의 대표지점을 선정하여 원주방향으로 일정한 받음각을 갖는 스테이터를 설계하였다. 스테이터 피치각은 초기값은 스테이터 날개로 유입되는 유동의 대표 받음각(angle of attack)이 7°가 되도록 정하였다.

대상 데이터

대상선형은 케이프 사이즈급 180,000 DWT Japan Bulk Carrier(JBC)이다. JBC는 덕트가 부착된 선박으로 NMRI (National Maritime Research Institute), Yokohama Nation게 University, SRC(Ship Building Research Centre of Japan)가 공동으로 설계하였다.
2는 덕트 형상과 설계 변수들을 나타낸 그림이다. 덕트 단면 모양은 NACA4420이다. 초기 덕트 중심은 프로펠러 중심에 위치에 있다.
본 연구는 저속비대선에서 많이 적용하고 있는 프로펠러 앞에 위치한 Pre-Swirl Duct(PSD)를 설계하는 것이다, PSD는 선미 덕트 (stern duct, 이후 덕트라 칭함)와 전류 고정 날개 (pre-swirl stator, 이후 스테이터라 칭함)가 결합된 절감장치이다. 덕트는 프로펠러 면으로 들어오는 유입류를 균일하게 하고, 추적인 추력을 발생시키는 절감장치이다 (Schneekluth, 1986).
1은 대상선형의 정면선도(body plans)와 측면에서 본 그림이다. 선수부는 middle bulb plank type이고 선미부는 선미 벌브가 부착된 전형적인 저속 비대선형이다.
JBC는 덕트가 부착된 선박으로 NMRI (National Maritime Research Institute), Yokohama Nation게 University, SRC(Ship Building Research Centre of Japan)가 공동으로 설계하였다. 저항 및 자항 모형 시험은 NMRI 예인수조에서 수행하였으며 2015 CFD Tokyo CFD Workshop에서 모형시험 결고를 제공하였다 (http://www.t2015.nmri.go.jp/index.html). 대상선형의 실적선은 존재하지 않는다 대상선형, 프로펠러, 덕트의 주요 요목은 Table 1과 같다

이론/모형

격자생성은 상용 코드인 Gridgen code를 사용하였다. Fig.
계산 영역은 유한F개의 작은 격자로 나누어지며 지배방정식은 이산화 고정을 거쳐 대수방정식으로 변환된다. 공간이산화 처리는 cell-centered 유한체적법을 사용하였다. 대류항은 QUICK scheme을, 확산항은 중앙차분법을 사용하였으며, 속도-압력 연성은 SIMPLEC algorithm을 적용하였다.
난류 모형은 Reynolds stress turbulence mod이를 사용하였다 (Choi, et al., 2010). 이중모형유동 근거를 사용하여 자유표면은 대칭면으로 처리하였다, 그리고 계산의 효율성을 고려하여 물체 표면에는 표준 벽함수를 적용하였다.
공간이산화 처리는 cell-centered 유한체적법을 사용하였다. 대류항은 QUICK scheme을, 확산항은 중앙차분법을 사용하였으며, 속도-압력 연성은 SIMPLEC algorithm을 적용하였다.
는 MRF(Moving Reference Frame) 방법을 사용하였다, MRF는 회전하는 물체를 표현하기 위해 프레임 정보를 프로펠러 회전수에 맞게 회전시키는 방법이며, 추력과 토오크 값을 허용 오차 내에서 구할 수 있지만, 프로펠러 후류를 정확하게 표현하지 못한다. 따라서 PSD 설계에서는 계산 시간을 고려하여 MRF방법을 사용히였다 PSD 설계를 완료한 후 PSD가 장착된 프로펠러 후류의 유동을 좀 더 정확하게 분석하기 위하여 sliding mesh 기법을 적용하였다. 이때 MRF 결고를 초기 값으로 하였으며, suUteration 수는 45이고 1°씩 프로펠러를 회전하였다
사용된 격자계의 수치해석 결과에 대한 격자 의존성을 조사하기 위하여, 23차 ITTC에서 추천하는 방법 (Stern, et al., 2006)에 따라 GS1, GS2, GS3의 3가지 격자계를 사용하여 점성저항 계수(Cvm)를 조사히였다. 3가지 격자계는 Table 2에서 보는 바와 같이 GS1이 가장 조밀하다.
본 연구에서는 모형선 스케일에서 이중모형을 사용한 예인 및 자항 조건의 이 중 모형유동에 대한 계산을 수행하여 전달동력을 최소화하는 180,000 DWT 살물선용 PSD를 설계하였다. 설계변수들을 단계적으로 최적화시켜 최적 형상을 구하는 파라메트릭 설계기법을 사용히였다. 2장에서는 대상선형, 3장에서는 수치해석 방법에 대해 서술하였다.
예인 및 자항 계산에서 안정적인 해를 구하기 위하여 U, V, W, k, e, p, Reynolds stress 항들은 완화계수 (under-relaxation factor) 0.2를 사용하였다. 연속방정식, U, V, W, k, e, Reynolds stress 항들의 residuale 1.
이중모형유동 근거를 사용하여 자유표면은 대칭면으로 처리하였다, 그리고 계산의 효율성을 고려하여 물체 표면에는 표준 벽함수를 적용하였다. 유동해석은 Fluent v15.0을 사용하였다.
, 2015). 자항점은 2개의 프로펠러 회전속도 (nM)에 대한 자항계산 결과로부터 내삽법을 이용하여 구한다. 즉, 자항점에서는 식(4)로 표현되는 SFC와 식⑸로 표현되는 예인력 (TF, Towing Force)과 같다
정수면에는 대칭 조건을 적용하였다. 출구 경계면에는 연속방정식을 이용하여 속도와 압력을 구하는 출구유량 조건을 적용하였다

성능/효과

초기 선미 덕트 각도를 4°줄이고 중심위치를 프로펠러 직경의 0.025만큼 우현으로 이동시킴으로써 전달 동력이 4.2% 감소하였다

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저자의 다른 논문 :

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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