선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구에서는 단순화한 선박 모델에서 다중 스러스터가 작동될 때, 스러스터 방위각 및 축 기울기의 변화에 따른 스러스터-선체 상호작용(thruster-hull interaction)과 스러스터-스러스터 상호작용(thruster-thruster interaction)이 추진 성능에 미치는 영향을 파악하기 위하여 수치해석을 수행하였다.
제안 방법
- 004s), 바깥쪽 경계면에는 free slip 경계 조건을 적용하였다. 동적위치제어 시스템의 대표적 예인조건인 스러스터 전진비(advanced ratio)를 J= 0.2로 고정하였다.
- 본 연구에서는 STAR-CCM+를 이용하여 계산 영역의 수치격자 시스템을 생성하였다.
- 본 연구에서는 두 개의 스러스터를 일렬로 배치하여 앞쪽에 위치한 스러스터의 축 기울기 및 방위각(azimuth angle) 변화가 후류에 위치한 스러스터의 성능에 어떠한 영향을 미치는지 대하여 수치해석을 통한 분석을 수행하였다. 스러스터는프로펠러-덕트-Pod로 구성되어 있으며, 방위각 및 축 기울기는 기존의 연구(3)에서 적용한 조건을 참고하였다.
- 6은 비등각(non-conformal) 격자를 이용하여 구성한 3차원 유동장 영역의 격자 시스템을 보여주고 있다. 스러스터 영역의 격자 개수에 따른 해의 수렴도를 결정하기 위하여 해의 격자 독립성 시험(grid independence test)를 수행하였고, 최종 계산을 위해서는 150만개로 구성된 스러스터 영역 격자시스템을 적용하였다. Fig.
- 전체 계산영역은 L×B×H = 28m×20m×16m로 설정하였고, 두 개의 스러스터 영역과 바깥 유동장 영역 등 세 영역으로 나눠 격자를 구성하였다.
- 지배 방정식은 연속방정식과 레이놀즈 평균 나비어-스톡스(Reynolds average Navier-Stokes; RANS)방정식을 적용하였다. 해석은 비압축성, 비정상상태로 수행되었으며, 입구 영역에는 균일한 속도를, 출구 영역에서는 정압 조건을 사용하였다. 수치 이산화에 있어서는 대류항은 2차 풍상차분법(2nd order upwind scheme), 압력-속도 연성방법으로 SIMPLE 알고리즘을 적용하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 적용된 프로펠러 및 덕트로 구성된 스러스터 형상을 Fig. 1에서 나타내었다. Fig.
- 5이다. 선체와 연결부인 Pod 단면은 NACA66 날개 단면형상을 이용하여 설계하였으며, Pod의 익현길이(chord)cpod=1.1m이다. 선저에서 스러스터 축 중심까지의 거리 dc=1.
이론/모형
- 난류모델로는 Menter의 k - ω SST(Shear Stress Transport) 모델을 사용하였다.
- 수치 이산화에 있어서는 대류항은 2차 풍상차분법(2nd order upwind scheme), 압력-속도 연성방법으로 SIMPLE 알고리즘을 적용하였다. 또한, 프로펠러의 회전에 의한 동적인 움직임의 해석을 위해 슬라이딩 격자(sliding mesh) 기법을 사용하였으며(dt = 0.004s), 바깥쪽 경계면에는 free slip 경계 조건을 적용하였다. 동적위치제어 시스템의 대표적 예인조건인 스러스터 전진비(advanced ratio)를 J= 0.
- SST 난류모델은 k - ∊ 난류모델과 k - ω 난류모델의 장점을 살려 벽면 근처에서는 k - ∊ 모델로 전환되고, 벽면에서부터 먼 충분히 발달된 난류 지역에서는 표준 k - ∊ 모델이 적용된다. 본 계산에서 y+ = 11이며, 중간정도의 해상도를 가진 격자계에 대해 STAR-CCM+에서 제공하는 하이브리드 기법인 All y+ wall treatment 기능을 설정하였다.
- 해석은 비압축성, 비정상상태로 수행되었으며, 입구 영역에는 균일한 속도를, 출구 영역에서는 정압 조건을 사용하였다. 수치 이산화에 있어서는 대류항은 2차 풍상차분법(2nd order upwind scheme), 압력-속도 연성방법으로 SIMPLE 알고리즘을 적용하였다. 또한, 프로펠러의 회전에 의한 동적인 움직임의 해석을 위해 슬라이딩 격자(sliding mesh) 기법을 사용하였으며(dt = 0.
- 2에서는 축이 선저와 평행한 모델과 아래 방향으로 7° 기울어진 모델의 개략도를 보여주고 있다. 스러스터 형상 모델링은 CATIA V5를 이용하였다. 프로펠러 직경 D=1.
- 본 연구에서는 두 개의 스러스터를 일렬로 배치하여 앞쪽에 위치한 스러스터의 축 기울기 및 방위각(azimuth angle) 변화가 후류에 위치한 스러스터의 성능에 어떠한 영향을 미치는지 대하여 수치해석을 통한 분석을 수행하였다. 스러스터는프로펠러-덕트-Pod로 구성되어 있으며, 방위각 및 축 기울기는 기존의 연구(3)에서 적용한 조건을 참고하였다.
- 지배 방정식은 연속방정식과 레이놀즈 평균 나비어-스톡스(Reynolds average Navier-Stokes; RANS)방정식을 적용하였다. 해석은 비압축성, 비정상상태로 수행되었으며, 입구 영역에는 균일한 속도를, 출구 영역에서는 정압 조건을 사용하였다.
성능/효과
- Case1에서 Fore-THR에 의해 가속된 유동이 바로 Aft-THR에 유입되는 것을 볼 수 있다. 또한, Coanda 효과로 인해 후류유동이 선저에 상대적으로 더 큰 영향을 발생시킬 수 있음을 알 수 있다. Case2는 Fore-THR의 후류 유동의 영향으로 Aft-THR의 후류 유동 또한 Case1에서보다 아래 방향으로 향하는 것을 볼 수 있다.
- 상류에 위치한 스러스터의 방위각이 0°일 때, 7°의 축기울기를 가진 스러스터 모델의 추력 성능이 가장 우수하였으며, 스러스터-선체 상호작용도 줄어든 것을 확인할 수 있었다. 또한, 스러스터-스러스터 상호작용이 후류에 위치한 스러스터뿐만 아니라 상류에 위치한 스러스터의 추진 성능에도 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 이러한 결과를 바탕으로 두 스러스터 사이의 거리 및 방위각이 상호 고려된 최적의 설계를 통하여 전체 추력 성능 저하를 개선할 수 있어 이에 대한 더 많은 연구가 필요할 것으로 생각된다.
- 상류에 위치한 스러스터의 방위각이 0°일 때, 7°의 축기울기를 가진 스러스터 모델의 추력 성능이 가장 우수하였으며, 스러스터-선체 상호작용도 줄어든 것을 확인할 수 있었다.
- 이러한 스러스터-선체 상호작용으로 인해 큰 마찰손실이 발생하여 8° 기울어진 스러스터 모델에 비해 추력이 5 % 정도 감소하였다. 스러스터-스러스터 상호작용에 대한 해석 결과는 Azimuth 스러스터의 경우 후류가 진행하는 방향으로 다른 스러스터가 위치한 경우 추력이 약 50% 감소함을 보였다. 이를 통해 스러스터의 기울기와 배치를 개선하여 얻을 수 있는 최대 추력은 35%로 추정하였다.
- 이때 상호 방위각의 차이가 0°일 때보다 15°일 때 선박 속도가 10% 향상되는 것을 확인하였다.
후속연구
- 또한, 스러스터-스러스터 상호작용이 후류에 위치한 스러스터뿐만 아니라 상류에 위치한 스러스터의 추진 성능에도 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 이러한 결과를 바탕으로 두 스러스터 사이의 거리 및 방위각이 상호 고려된 최적의 설계를 통하여 전체 추력 성능 저하를 개선할 수 있어 이에 대한 더 많은 연구가 필요할 것으로 생각된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.