[논문]CFD를 이용한 KRISO 추진효율 향상 장치(K-duct)의 성능 해석

서성부

doi:10.5574/ksoe.2017.31.3.183

문제 정의

수치해석 및 모형시험 결과와의 비교로부터, Supramax선형의 최적 효율 K-duct 형상은 조건 Case1의 경우로 판단되어진다. 본 논문에서는 KDUCT2(Case1 조건) 장치의 부착 유무에 따른 선미부에서의 포괄적인 유체역학적 특성변화를 파악하기 위하여 국부유동 변화를 비교하여 보았다.
본 논문은 K-duct를 Supramax급 선형에 적용하여, 유체역학적으로 최적의 추진효율 향상을 얻을 수 있는 형상을 찾기 위하여 수행한 CFD(Computational fluid dynamics) 수치해석 결과를 소개하고 있다. 수치해석은 모형 크기인 K-duct의 설계변수 변화에 따른 저항 및 자항성능을 해석하고 전달마력의 절감을 추정하였다.
본 논문은 KRISO에서 개발한 덕트-핀 복합형 추진효율 향상 장치인 K-duct의 Supramax급 선형에 대한 최적 형상을 찾기 위한 CFD 수치해석을 수행하고 모형시험 결과와 비교하였다.

가설 설정

168이다. 수치해석은 타(Rudder)가 없는 조건에서 수행하고, 선체의 자세변화 및 자유수면의 영향을 배제한 이중모형(Double-body) 유동으로 가정하였다. 이러한 가정은 대상 선의 설계 선속이 비교적 낮아 자유수면의 영향 및 선체의 자세변화가 K-duct 장치의 유체역학적 성능에 미치는 영향은 크지 않을 것이라는 판단에서 결정하였다.
수치해석은 타(Rudder)가 없는 조건에서 수행하고, 선체의 자세변화 및 자유수면의 영향을 배제한 이중모형(Double-body) 유동으로 가정하였다. 이러한 가정은 대상 선의 설계 선속이 비교적 낮아 자유수면의 영향 및 선체의 자세변화가 K-duct 장치의 유체역학적 성능에 미치는 영향은 크지 않을 것이라는 판단에서 결정하였다. 또한, 나선 상태에 대비된 K-duct 장치가 부착된 상태의 상대적(정성적) 추진효율 차이(전달 마력 감소 효과)를 확인하는 것만으로도 이 장치의 성능을 검증하는데 충분할 것으로 판단하였다.

제안 방법

3개 핀들의 위치별 받음각 크기 변화는 KDUCT1의 경우 α=10o, β=12o, γ=-10o 조건(Case0)으로 고정하고, KDUCT2의 경우 KDUCT1의 핀별 받음각 크기를 5가지 조합(Case1~Case5)으로 변화시키면서 검토하였다.
수치해석은 대상선에 대한 저항 및 자항성능을 해석하고 K-duct에 의한 전달마력 절감 비율을 추정하였으며, KRISO 모형시험 결과와 비교 하였다. K-duct 형상 변화는 우선 덕트의 길이에 따라KDUCT1과 KDUCT2로 구분하였다. 3개 핀들의 위치별 받음각 크기 변화는 KDUCT1의 경우 α=10^o, β=12^o, γ=-10^o 조건(Case0)으로 고정하고, KDUCT2의 경우 KDUCT1의 핀별 받음각 크기를 5가지 조합(Case1~Case5)으로 변화시키면서 검토하였다.
KDUCT1의 경우 핀들의 위치별 받음각 크기를 α=10o , β=12o , γ=-10o 조건(Case0)으로 고정하고, KDUCT2의 경우 KDUCT1의 핀 위치별 받음각 크기를 5가지 조합(Case1~ Case5)으로 변화시켜 검토하였다.
또한 본 논문은 Case1 조건의 K-duct 부착유무에 따른 선미부에서의 유속, 유선 및 압력 분포와 회전유동 구조를 비교하여, K-duct에 의한 마력절감 원인을 포괄적인 유체역학적 특성 변화를 통하여 확인하였다. 결론적으로 Supramax급 선형에 부착할 K-duct의 형상변화에 따른 마력절감의 우열 특성을 판단하기 위한, 본 논문의 수치해석 결과가 정량적 및 정성적인 측면에서 모형실험 결과와 만족스러운 일치를 보여주었다.
먼저, 본 연구의 대상 모형선에 장착되는 KP893 프로펠러의 단독성능을 검토하였다. 격자계 구성은 회전하는 프로펠러 영역은 Polyhedral 격자로, 그 밖의 유동장은 Trimmer 격자로 하였다.
벽면에 대한경계조건 처리법으로 STAT-CCM+에서 제공하는 방법 중에서 벽면에서 첫 번째 격자점까지의 무차원 거리, y+→ 0인 경우 low y+ 경계조건식으로 처리하고 격자에 의한 y+ > 30인 경우 High y+ 경계조건식으로 스위치 처리하는 방법을 도입하였다.
본 연구의 대상선인 Supramax 선형에 대한 최적 효율의 K-duct형상을 찾기 위하여, Table 3에 설명한 조건들의 변화에 따른 해석을 각각 수행하였다. 먼저, 덕트의 코드(Chord) 길이가 짧은 형상을 KDUCT1, 긴 코드 길이를 가지는 경우 KDUCT2라고 명명하였다.
수치해석 결과 KDUCT2 중에서 α=10o, β=12o, γ=-10o의 값을 가지는 Case1의 경우가 마력 절감이 가장 크게 나왔으며, 모형시험은 Case1 조건과 Case1 대비 α 및 γ 값을 변화시킨 조건 Case2 및 Case3조건들 그리고 K-duct를 부착하지 않은 경우(w/o K-duct)에 대하여 수행되었다.
본 논문은 K-duct를 Supramax급 선형에 적용하여, 유체역학적으로 최적의 추진효율 향상을 얻을 수 있는 형상을 찾기 위하여 수행한 CFD(Computational fluid dynamics) 수치해석 결과를 소개하고 있다. 수치해석은 모형 크기인 K-duct의 설계변수 변화에 따른 저항 및 자항성능을 해석하고 전달마력의 절감을 추정하였다. 수치해석 결과는 KRISO에서 수행된 모형시험 결과와 비교하고 검증하였다.
회전하는 프로펠러 영역은 계산의 정도 향상을 위하여 Polyhedral 격자로 구성되고, 그 밖의 유동장은 Trimmer 격자로 구성되었다. 여기서, 벽면 근방은 경계층 해석을 위해 Prism layer격자를 두었다.
자항성능 수치해석은 자항점을 얻기 위해 세 가지 프로펠러 회전수를 적용하여 수행하고, 자항점을 사이에 두는 두 회전수에서의 추력 및 토크 값들을 이용한 선형 내삽(Linear interpolation)으로 최종 자항점을 결정하였다.

대상 데이터

대상 프로펠러의 주요 제원은 Table 2에 나타내었다. NACA66 단면을 기반으로 4개의 날개를 가지고 있으며 직경은 6m이다. Reynolds수(Rn)는 모형선에 장착될 직경 0.
먼저, 본 연구의 대상 모형선에 장착되는 KP893 프로펠러의 단독성능을 검토하였다. 격자계 구성은 회전하는 프로펠러 영역은 Polyhedral 격자로, 그 밖의 유동장은 Trimmer 격자로 하였다. 수치격자의 수는 총 3.
대상 선형은 실선 길이 196m Supramax 선박으로 예인수조 모형시험을 위해 제작한 모형과 주요 제원에 대한 정보는 Fig. 1과 Table 1에 각각 나타내고 있다. 축척비는 24이고 모형선의 길이는 8.
격자계 구성은 회전하는 프로펠러 영역은 Polyhedral 격자로, 그 밖의 유동장은 Trimmer 격자로 하였다. 수치격자의 수는 총 3.6백만 및 6.1백만 개를 가지도록 작성하여 해석하였다.
수치해석조건은 모형 설계 선속 1.523m/s(실선 14.5kts)이며, Reynolds수는 1.0445×106이고 Froude수는 0.168이다.

데이터처리

수치해석은 모형 크기인 K-duct의 설계변수 변화에 따른 저항 및 자항성능을 해석하고 전달마력의 절감을 추정하였다. 수치해석 결과는 KRISO에서 수행된 모형시험 결과와 비교하고 검증하였다.
수치해석은 대상선에 대한 저항 및 자항성능을 해석하고 K-duct에 의한 전달마력 절감 비율을 추정하였으며, KRISO 모형시험 결과와 비교 하였다. K-duct 형상 변화는 우선 덕트의 길이에 따라KDUCT1과 KDUCT2로 구분하였다.

이론/모형

KRISO 추진효율 향상 장치 K-duct의 유체역학적 성능해석에 범용소프트웨어 STAR-CCM+를 활용한 Park(2015)의 수치 해석 기법을 사용하였다. 유동의 지배방정식은 비압축성 연속방정식(Continuity equation)과 RANS방정식(Reynolds averaged navierstokes equations)의 적분방정식 형태로 다음과 같이 각각 표시할 수 있다.
지배방정식의 해는 시간적분 및 공간에 대해 2차 정확도의 이산화기법을 사용하는 유한체적법(Finite volume method, FVM)으로 구한다(CD-adapco, 2015). 비압축성 유동 해석 시 요구되는 속도-압력을 연성하는 방법으로 SIMPLE(Semi-implicit method for pressure-linked equation)방법을 이용하였다. 수치해석에서 프로펠러의 비정상 회전운동은 STAR-CCM+의 RBM(Rigid body motion)기법의 일명 Sliding mesh라 불리는 방법으로 구현하였다.
비압축성 유동 해석 시 요구되는 속도-압력을 연성하는 방법으로 SIMPLE(Semi-implicit method for pressure-linked equation)방법을 이용하였다. 수치해석에서 프로펠러의 비정상 회전운동은 STAR-CCM+의 RBM(Rigid body motion)기법의 일명 Sliding mesh라 불리는 방법으로 구현하였다.
유동은 완전히 발달된 난류로 가정하고 있으며, 해석을 위해 역 압력 구배가 존재하는 경우 및 회전하는 프로펠러 주위 유동해석에서 정도가 높은, 점성저층(Viscous sub-layer) 영역에서 k-ω모형을 적용하고 그 외 영역은 k-ε모형을 결합하는 SST (Shear stress transport) k-ω 난류모델(Menter, 1994)을 사용하였다.
지배방정식의 해는 시간적분 및 공간에 대해 2차 정확도의 이산화기법을 사용하는 유한체적법(Finite volume method, FVM)으로 구한다(CD-adapco, 2015). 비압축성 유동 해석 시 요구되는 속도-압력을 연성하는 방법으로 SIMPLE(Semi-implicit method for pressure-linked equation)방법을 이용하였다.

성능/효과

프로펠러의 작동으로 프로펠러 면으로 유입되는 축방향의 유속분포가 다소 가속되고 분포가 달라진 것을 볼 수 있다. (b) w / KDUCT2(Case1)의(a) w/o K-duct(b) w/ KDUCT2(Case1) 경우가 (a) w/o K-duct의 경우보다 각 사분면에서 국부적으로 유속이 다소 증가하였다. 다만, 3개의 핀들과 선미블록이 만나는 영역에서 발생하는 Horse-shoe 보오텍스의 영향으로 선미 아래쪽은 다소 유속이 낮아진 것을 볼 수 있다.
523m/s에서 K-duct를 부착하지 않은 경우(w/o K-duct)를 KDUCT1 부착 경우(Case0)와 KDUCT2 부착 경우(Case1~Case5) 들의 최종 자항점에서 저항, 추력 및 토크 계수와 프로펠러 회전수(rps) 및 전달마력(Delivered horse power, DHP)을 비교하고 있다. DHP는 토크일치법으로 추정한 값이고, K-duct 장치 부착에 의한 마력 감소(DHP reduction) 비율은 약 7.0%~8.4%의 범위를 보여주고 있다. K-duct 장치의 형상변화에 대한 해석 조건별로 마력절감을 비교했을 때, 우선 KDUCT1 대비 덕트의 코드길이가 긴 KDUCT2의 모든 경우(Case1~Case5)에서 유리한 것을 볼 수 있다.
또한 본 논문은 Case1 조건의 K-duct 부착유무에 따른 선미부에서의 유속, 유선 및 압력 분포와 회전유동 구조를 비교하여, K-duct에 의한 마력절감 원인을 포괄적인 유체역학적 특성 변화를 통하여 확인하였다. 결론적으로 Supramax급 선형에 부착할 K-duct의 형상변화에 따른 마력절감의 우열 특성을 판단하기 위한, 본 논문의 수치해석 결과가 정량적 및 정성적인 측면에서 모형실험 결과와 만족스러운 일치를 보여주었다. 이러한 결과는 에너지절감 장치의 설계 단계에서 CFD에 대한 신뢰도 및 그 활용성을 높일 수 있는 근거가 될 수 있을 것으로 판단된다.
이러한 형태의 추진효율 향상 장치는 프로펠러 유입유동의 유속 분포 및 프로펠러에 대한 유동의 입사각을 개선시킬 수 있다. 그 결과, 프로펠러의 추진효율은 물론 프로펠러에 의한 진동과 소음 그리고 캐비테이션 성능향상을 함께 기대할 수 있다. 최근 선박해양플랜트 연구소(Korea research institute of ships & ocean engineering, KRISO)도 덕트 장치와 핀(Pre-swirl stator) 장치를 함께 접목한 형태의 복합형 추진효율 향상 장치인 K-duct를 개발하고, KVLCC2 선형에 부착한 연구를 수행하였다.
또한, 나선 상태에 대비된 K-duct 장치가 부착된 상태의 상대적(정성적) 추진효율 차이(전달 마력 감소 효과)를 확인하는 것만으로도 이 장치의 성능을 검증하는데 충분할 것으로 판단하였다. 나선 상태 대비 K-duct 장치의 영향으로 인한 저항의 증가는 모두 약 1% 미만으로 나타났다. 덕트의 코드길이가 작은 KDUCT1 부착의 경우(Case0) 저항 증가분이 0.
그림에서 수치격자 수의 변화에 의한 해석 결과 차이는 크지 않음을 볼 수 있다. 또한 수치해석을 수행한 전진비(Advance ratio) J 구간에서 추력과 토크 값은 모형시험을 통해 계측한 값들과 비교적 좋은 일치를 보여주고 있다. 그러나 추력과 토크 값으로부터 구한 단독효율의 경우 높은 J 구간에서 약간의 차이를 보여주고 있는데, 이는 프로펠러 하중조건이 상대적으로 낮은, 높은 J에서의 추력 계산 값이 모형시험과 보이는 차이로 인한 결과로 추정된다.
이러한 가정은 대상 선의 설계 선속이 비교적 낮아 자유수면의 영향 및 선체의 자세변화가 K-duct 장치의 유체역학적 성능에 미치는 영향은 크지 않을 것이라는 판단에서 결정하였다. 또한, 나선 상태에 대비된 K-duct 장치가 부착된 상태의 상대적(정성적) 추진효율 차이(전달 마력 감소 효과)를 확인하는 것만으로도 이 장치의 성능을 검증하는데 충분할 것으로 판단하였다. 나선 상태 대비 K-duct 장치의 영향으로 인한 저항의 증가는 모두 약 1% 미만으로 나타났다.
수치해석 결과 KDUCT2 중에서 α=10^o, β=12^o, γ=-10^o의 값을 가지는 Case1의 경우가 마력 절감이 가장 크게 나왔으며, 모형시험은 Case1 조건과 Case1 대비 α 및 γ 값을 변화시킨 조건 Case2 및 Case3조건들 그리고 K-duct를 부착하지 않은 경우(w/o K-duct)에 대하여 수행되었다. 모형시험에서 w/o K-duct 대비 Case1장치가 6.44%, Case2는 6.17%, Case3은 5.61% 마력절감이 계측되었고, 수치해석에서는 Case1이 8.38%, Case2는 8.14%, Case3은 8.10%로 계산되었다. 본 수치해석 결과가 모형시험보다 약간 높게 예측되었지만 이는 해석조건의 차이로 판단된다.
61% 작게 계측되었다. 수치해석은 Case1은 8.38%, Case2는 8.14%, Case3은 8.10%로 모형시험 결과와 정성적으로 타당하게 잘 예측하였다.
11%로 역시, 매우 작은 차이의 우열이지만, Case2와 Case3이 바뀐 것 외 모형시험과 매우 근사하게 잘 예측하였다. 최종적으로 마력 절감 비율의 경우 w/o K-duct 대비, 모형시험은 Case1은 6.44%, Case2는 6.17%, Case3은 5.61% 작게 계측되었다. 수치해석은 Case1은 8.

후속연구

향후, 모형시험과의 정량적인 차이를 줄이기 위한 노력과, CFD를 이용한 축척효과 관련 추가 연구를 통한 실선에서의 추진효율 추정 정도 향상이 필요하다. 또한 본 장치의 실선 적용을 위해서는 덕트핀 부가물에 대한 구조적 안전성 검토도 필요할 것으로 사료된다.
결론적으로 Supramax급 선형에 부착할 K-duct의 형상변화에 따른 마력절감의 우열 특성을 판단하기 위한, 본 논문의 수치해석 결과가 정량적 및 정성적인 측면에서 모형실험 결과와 만족스러운 일치를 보여주었다. 이러한 결과는 에너지절감 장치의 설계 단계에서 CFD에 대한 신뢰도 및 그 활용성을 높일 수 있는 근거가 될 수 있을 것으로 판단된다.
향후, 모형시험과의 정량적인 차이를 줄이기 위한 노력과, CFD를 이용한 축척효과 관련 추가 연구를 통한 실선에서의 추진효율 추정 정도 향상이 필요하다. 또한 본 장치의 실선 적용을 위해서는 덕트핀 부가물에 대한 구조적 안전성 검토도 필요할 것으로 사료된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	저항 및 추진 성능이 향상되게 하기 위해 어떤 방안이 실제 선박에 많이 적용되고 있는가?	최근 국제해사기구(IMO, 2011)의 에너지효율 설계지수(Energy efficiency design index, EEDI)가 적용되면서 신조 및 기존 운항 선박의 추진효율 향상에 대한 핵심기술 개발이 활발하게 진행되고 있다. 일반적으로 저항 및 추진 성능이 향상되도록 선형과 프로펠러의 형상 최적화가 문제 해결의 주된 일환이지만 에너지절감장치(Energy saving device, ESD)를 부착하여 효율을 향상시키는 많은 방안들이 연구되고 실제 선박에 적용되고 있다. 다양한 장치들이 개발되고 있지만, 일반적으로 덕트 형태 및 전류 고정날개(Pre-swirl stator)가 성공적으로 실선에 적용되고 있다.
	덕트 형태 및 전류 고정날개와 같은 추진효율 향상 장치는 어떤 것을 개선시킬 수 있는가?	(2016)의 문헌에서 찾아볼 수 있다. 이러한 형태의 추진효율 향상 장치는 프로펠러 유입유동의 유속 분포 및 프로펠러에 대한 유동의 입사각을 개선시킬 수 있다. 그 결과, 프로펠러의 추진효율은 물론 프로펠러에 의한 진동과 소음 그리고 캐비테이션 성능향상을 함께 기대할 수 있다.
	추진효율 향상을 얻을 수 있는 형상을 찾기 위하여 본 논문에서는 어떤 결과를 소개하고 있는가?	최근 선박해양플랜트 연구소(Korea research institute of ships & ocean engineering, KRISO)도 덕트 장치와 핀(Pre-swirl stator) 장치를 함께 접목한 형태의 복합형 추진효율 향상 장치인 K-duct를 개발하고, KVLCC2 선형에 부착한 연구를 수행하였다. 본 논문은 K-duct를 Supramax급 선형에 적용하여, 유체역학적으로 최적의 추진효율 향상을 얻을 수 있는 형상을 찾기 위하여 수행한 CFD(Computational fluid dynamics) 수치해석 결과를 소개하고 있다. 수치해석은 모형 크기인 K-duct의 설계변수 변화에 따른 저항 및 자항성능을 해석하고 전달마력의 절감을 추정하였다.

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