[논문]FSI 해석기법을 이용한 에어건 수중발파 응답해석 검증

이상갑; 이재석; 박지훈; 정태영; 이환수; 박경훈

doi:10.3744/snak.2017.54.6.522

FSI 해석기법을 이용한 에어건 수중발파 응답해석 검증
Verification of Underwater Blasting Response Analysis of Air Gun Using FSI Analysis Technique 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.54 no.6, 2017년, pp.522 - 529

이상갑 (한국해양대학교 조선해양시스템공학부) , 이재석 (한국해양대학교 조선해양시스템공학부) , 박지훈 (한국해양대학교 조선해양시스템공학부) , 정태영 (한국해양대학교 조선해양시스템공학부) , 이환수 (한국해양대학교 조선해양시스템공학부) , 박경훈 (국방과학연구소 6본부)

Abstract ▼ AI-Helper

Air gun shock system is used as an alternative energy source as part of the attempt to overcome the restrictions of economical expense and environmental damage, etc., due to the use of explosives for the UNDerwater EXplosion (UNDEX) shock test. The objectivity of this study is to develop the simulation technique of air gun shock test for the design of model-scale one for the near field non-explosive UNDEX test through its verification with full-scale SERCEL shock test result. Underwater blasting response analysis of full-scale air gun shock test was carried out using highly advanced M&S (Modeling & Simulation) system of FSI (Fluid-Structure Interaction) analysis technique of LS-DYNA code, and was verified by comparing its shock characteristics and behaviors with the results of air gun shock test.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 실물 크기의 SERCEL사의 에어건 G, GUN II 150 모델의 충격시험 결과와의 검증을 통하여 무폭약 근접 수중발파 충격시험의 모델 크기 실험 모델의 제작 설계를 위하여 FSI 해석기법을 이용한 에어건의 충격시험에 대한 시뮬레이션 기법을 개발하고자 하였다.
이 논문의 목적은 실물 크기의 SERCEL사 에어건의 수중발파(underwater blasting) 충격시험 결과의 검증을 통하여 근접 무폭약 수중발파 충격시험을 위한 모델 크기 에어건의 설계를 하여 에어건 수중발파 충격시험의 시뮬레이션 기법을 개발하고자 한다. Fig.
다양한 종류와 크기의 에어건 실험 모델과 수조 등의 조건을 만족시키는 수중 충격시험과 시뮬레이션을 수행하기 위하여 FSI 변수, 작은 크기의 에어건 실험 모델과 그에 따른 유체 모델의 적합성, 수조의 경계조건 등 보다 다양한 FSI 해석기법의 파라미터 연구를 수행하여 보다 정확한 수중발파 응답해석 기법을 개발하여야 할 것이다. 이에 덧붙여 방대한 상세격자 요소 수를 사용한 FSI 해석으로 인한 계산시간을 경감하고, 고속의 유체 유동이나 급격한 충격파 등과 관련된 연성해석의 고도화를 위하여 적응적 요소격자 생성(adaptive mesh) 기법을 적용하고자 한다.

제안 방법

FSI 시뮬레이션 모델링에서는 Fig. 9와 10에서와 같이 각각 바닥깊이 8.8 m와 측면경계 10.0 m 정도의 Case 1과 크기가 더 큰 바닥깊이 19.0 m와 측면경계 20.0 m 정도의 Case 2의 두 가지 모델링을 고려하였다. 에어건 주위에는 크기 0.
, 2006). 본 연구에서는 공기와 물의 MMALE 와 에어건 구조와의 연성을 FSI 해석기법을 이용하여 수중발파 응답해석을 수행하였다.
0075 m의 상세격자 모델링을 하였고, FSI 시뮬레이션을 위한 유한 요소 모델의 요소 수는 Table 1에 요약하였다. 셔틀은 빠른 속 력으로 에어건 바닥으로 내려가 배출구를 열고, 에어건 수중발 파 충격시험에서와 같이 약 2,000 psi(140 bar)의 고압공기는 4개의 배출구를 통하여 주위 해수로 폭발하듯이 방사되었으며 셔틀은 약 60.0 msec 후에 원위치로 돌아가게 하였다.
수심이 깊고 폭이 넓은 해상에서 수행된 수중발파 충격시험과는 달리 제한된 깊이와 폭의 유체 모델링의 사용으로 인하여 유체 경계면에 의한 반사파 영향으로 시뮬레이션 한계가 있었지만 어느 정도 깊이가 깊고 폭이 넓은 유체 경계의 모델링과 에어건 주위를 감쌀 정도의 상세 유체 모델링을 사용하고, 다양한 FSI 해석기법을 연구하여 충격시험 결과와 대체로 잘 일치하는 수중발파 응답해석 결과를 구하였다.
에어건의 수중발파 응답은 일반적으로 해수의 자유수면으로부터 의 깊이, 바닥과 측면 경계로 부터의 거리 등에 영향을 받는다. 실물 크기의 에어건의 수중발파 충격시험은 수심이 깊은 해상에서 수행하였으나 본 연구에서의 해수유체 모델에서의 바닥과 측면 경계는 유한하고 수압을 실제와 같이 구현하기 위하여 바닥과 측면에 수직한 경계면 방향만 구속(reflect)하였으며 공기와 해수의 상태방정식(eos)을 정확히 사용하였다. 무반사 (non reflect) 경계조건일 경우 공기와는 달리 유체는 경계면에 서 일부 빠져나가고 수압이 다소 감소한다.
해수 수면에서의 공기압을 INITIAL_ HYDROSTATIC_ALE의 PBASE 변수에 가함으로서 수심에 따른 수압을 정확히 구현할 수 있다. 에어건의 내부 고압도 EOS_LINEAR_POLYNOMIAL의 초기 내부에너지 변수 E0를 조 정하여 구현하였다. Fig.
GUN II 150의 수중발파 충격시험의 결과(SERCEL사 제 공)를 보여주고 있다. 충격시험은 해상(open sea)에서 수심 6.0 m에서 수행되었으며 에어건 아래 1.0 m에서 수중 청음기(hydrophone)로 측정하였다. 실물 크기 에어건 모델의 수중발파 충격시험에 대한 응답해석은 LS-DYNA 코드 (LSTC, 2013)의 유체-구조 연성(FSI, Fluid-Structure Interaction) 해석기법의 고도 정밀 Modeling & Simulation(M&S) 시스템을 이용하여 수행하였으며, 에어건의 수중발파 응답해석의 충격 특성과 응답을 에어건의 수중 충격시험의 결과와 비교하여 검증하였다.

대상 데이터

본 연구를 위하여 한국해양과학기술원(KIOST) 남해연구소의 에어건 운용 온누리호를 방문하여 자문을 받았고 본원을 방문하여 운용 중인 에어건의 구동 원리와 세부 정보 등의 전반적인 자문과 관련 자료들을 수집하였다. Fig.

데이터처리

실물 크기 에어건 모델의 수중발파 충격시험에 대한 응답해석은 LS-DYNA 코드 (LSTC, 2013)의 유체-구조 연성(FSI, Fluid-Structure Interaction) 해석기법의 고도 정밀 Modeling & Simulation(M&S) 시스템을 이용하여 수행하였으며, 에어건의 수중발파 응답해석의 충격 특성과 응답을 에어건의 수중 충격시험의 결과와 비교하여 검증하였다.

이론/모형

4의 오일러-라그랑지 연성 알고리즘이다. 유체와 구조의 연성 절점들에 작용하는 연계력(coupling force)을 구조물의 절점이 유체 속에 진입한 거리(penetration)와 스프링 상수(spring constant)에 비례하는 페널티 연성(penalty coupling) 알고리즘을 사용한다. 폭발이나 슬래밍 등에 의한 유체로부터의 충격력은 매우 큰 변동(fluctuation)이 발생하므로 Fig.

후속연구

다양한 종류와 크기의 에어건 실험 모델과 수조 등의 조건을 만족시키는 수중 충격시험과 시뮬레이션을 수행하기 위하여 FSI 변수, 작은 크기의 에어건 실험 모델과 그에 따른 유체 모델의 적합성, 수조의 경계조건 등 보다 다양한 FSI 해석기법의 파라미터 연구를 수행하여 보다 정확한 수중발파 응답해석 기법을 개발하여야 할 것이다. 이에 덧붙여 방대한 상세격자 요소 수를 사용한 FSI 해석으로 인한 계산시간을 경감하고, 고속의 유체 유동이나 급격한 충격파 등과 관련된 연성해석의 고도화를 위하여 적응적 요소격자 생성(adaptive mesh) 기법을 적용하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	일반적인 무폭약 수중 충격시험 기술에는 무엇이 있는가?	그러므로 저비용으로 안전한 실선 수중 충격 시험 기술의 개발이 필요하게 된다. 다양한 무폭약 수중 충격시험 기술 중에서 에어건(air gun), 전자기 시스템 및 전기 화학적 시스템 등이 가장 일반적인 것으로 알려져있으나 에어건을 사용하는 것이 수중 충격의 규모 면에서 가장 각광을 받고 있다. 에어건은 해저지층의 지질 및 자원조사를 위하여 인공 지진파를 발생시키기 위하여 압축된 고압 공기를 순식간에 방출하여 강력한 수중 충격파를 생성시키는 장비이다.
	Volume Of Fraction (VOF) 기법은 어떤 문제에 적합한가?	4와 같은 오일러-라그랑지(Euler– Lagrange) 연성 알고리즘(coupling algorithm)을 이용하여 유한요소 격자를 이동시키는 알고리즘(moving mesh algorithm) 과 유체 격자(fluid grid)와 구조물 격자(structure mesh)를 겹치게 하여 복잡한 구조물과의 유체를 연성하는 것을 편리하게시뮬레이션 할 수 있다. 또한 Volume Of Fraction (VOF) 기법은 넓은 범위의 비선형 자유수면 문제를 해석하는 데 적합하다 (Aquelet, et al., 2006).
	저비용의 안전한 실선 수중 충격 시험 기술 개발이 필요한 이유는 무엇인가?	시제함일 경우 실선(full-scale) 수중폭발(UNDEX, UNDerwater EXplosion) 충격시험이 반드시 필요하지만 막대한 비용과 인력 소요 및 긴 시험기간에 따른 경제적 부담뿐만 아니라, 다량의 실제 폭약 사용에 따른 환경 파괴 및 생태계 교란 등의 문제점을 수반하게 된다. 그러므로 저비용으로 안전한 실선 수중 충격 시험 기술의 개발이 필요하게 된다.

참고문헌 (5)

ALION, 2016. Near field underwater explosion experimental technology. Summary Report prepared for KAIST, Tysons Corner: ALION Science & Technology Corp.
Aquelet, N. Souli, M. & Olovsson, L., 2006. Euler-Lagrange coupling with damping effects: Application to slamming problems. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 195, pp.110-132.

상세보기
de Graaf, K. L., 2013. The bubble dynamics and pressure field generated by a seismic airgun. Ph.D. Thesis, Tasmania: University of Tasmania.
LSTC, 2013. LS-DYNA user's manual, version 971 R7.
Livermore: Livermore Soft Technology Corp. SERCEL, 2008. G. GUN II operation and maintenance manual. Saint-Gaudens Cedex: SERCEL Inc.

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