[논문]Simcenter STAR-CCM+를 이용한 선수 규칙파 중 부가저항 수치해석

김철호; 최민수; 이인수; 진봉용

Simcenter STAR-CCM+를 이용한 선수 규칙파 중 부가저항 수치해석 원문보기

大韓造船學會誌 = Bulletin of the society of naval architects of korea, v.55 no.1, 2018년, pp.35 - 44

김철호 (지멘스 인더스트리 소프트웨어) , 최민수 (지멘스 인더스트리 소프트웨어) , 이인수 (지멘스 인더스트리 소프트웨어) , 진봉용 (지멘스 인더스트리 소프트웨어)

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AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 상용 CFD 프로그램인 STAR-CCM+ V11.06을 이용하여 파형 생성 및 감쇄 구역을 설정하지 않고, 또한 격자계의 재작성 또는 이동이 필요 없는 방법을 적용하여 타(rudder)를 포함한 KCS 선형에 대해 선수 규칙파 중 선박의 부가저항 해석을 수행하였다. 수치시뮬레이션 결과는 FORCE Technology 기관에서 수행하였으며 실험 결과를 공개한 2015 Tokyo workshop(Case 2.

제안 방법

본 연구에서는 상용 CFD프로그램인 STAR-CCM+의 wave forcing을 이용하여 파형 생성 및 감쇄 구역을 설정하지 않았으며, DFBI를 이용함으로써 격자계의 재작성 또는 이동이 필요 없이 선수 규칙파 중 타를 포함한 KCS 선형의 부가저항 및 운동응답 수치해석을 수행하였다.
06을 이용하여 파형 생성 및 감쇄 구역을 설정하지 않고, 또한 격자계의 재작성 또는 이동이 필요 없는 방법을 적용하여 타(rudder)를 포함한 KCS 선형에 대해 선수 규칙파 중 선박의 부가저항 해석을 수행하였다. 수치시뮬레이션 결과는 FORCE Technology 기관에서 수행하였으며 실험 결과를 공개한 2015 Tokyo workshop(Case 2.10)과 비교하였다.

대상 데이터

실험은 FORCE Technology 기관에서 수행 하였으며, 수치 계산 및 실험에 사용한 선박은 선박해양플랜트연구소에서 설계한 3,600TEU 컨테이너선인 KCS(KRISO Container Ship)로 타(rudder)를 포함하고 있다. 계산에 사용된 모형의 축척은 1/37.
파랑은 Stoke’s 5th order wave theory와 비교하였다. 본 연구에서는 입사파고 내에 높이 방향으로 10~20개 정도의 격자를 생성하였고, 길이 방향과 높이 방향의 격자 종횡비 Δx/ Δz 값은 8로 유지하였다.

데이터처리

파랑 중 부가저항 해석을 위하여 Table 3과 같이 규칙파를 유입시켰다. 파랑의 재현성을 고려하여, 20주기 이후부터 10 주기 동안의 수치해석 결과를 평균하여 1주기로 나타내었으며 실험결과와 비교하였다. Fig.
생성된 파랑의 정확도는 FP(Forward Perpendicular)와 파랑의 파정(crest)이 만나는 지점을 기준으로 시간에 따른 파고의 변화를 측정하였으며, 파랑의 재현성을 판단하기 위하여 20주기 이후부터 10주기 동안 진행하는 파랑의 이론값과 수치해석 결과를 비교하여 판단하였다 (Fig. 8). Table 7은 파정과 파저(trough)의 이론값과 수치해석 결과의 차이를 보여주며, 그 차이는 1% 이내에서 만족하고 있다.

이론/모형

파랑을 표현하기 위해 fifth order stokes wave를 선택 하였으며, STAR-CCM+에 내장되어 있는 wave forcing 기법을 사용하여 비 반사(경계쪽으로 전파되는 외란이 감쇠되는 현상) 되어야 하는 경계에서의 반사를 최소화 하였다. 파랑으로 인한 선체의 움직임은 DFBI(Dynamic Fluid Body Interaction)모델을 사용하여 구현하였으며, 해석에 사용된 설정은 Table 1에 정리하였다.

성능/효과

본 연구에서는 입사파고 내에 높이 방향으로 10~20개 정도의 격자를 생성하였고, 길이 방향과 높이 방향의 격자 종횡비 Δx/ Δz 값은 8로 유지하였다. 파랑 생성의 경우, 이론값과 1% 이내의 차이를 보이며, 일관되게 생성되는 것을 확인하였다. 부가저항 및 운동응답 수치해석 결과는 실험결과와 비교하였다.
부가저항 및 운동응답 수치해석 결과는 실험결과와 비교하였다. 각 파장 별 전 저항의 차이는 실험 대비 4% 이내로 발생하였고, 또한 상하운동 및 종동요의 경우 실험결과와 유사한 것을 확인할 수 있었다.
본 연구에서 수행한 수치기법은 선박의 부가저항이나 운동 응답 등에서 활용 가능성이 클 것으로 보인다. 향후, 타를 포함한 KCS 선형에 대해 다른 입사각에서 파랑 중 부가저항 및운 동응답의 실험 결과를 공개한 2015 Tokyo workshop(Case 2.

후속연구

본 연구에서 수행한 수치기법은 선박의 부가저항이나 운동 응답 등에서 활용 가능성이 클 것으로 보인다. 향후, 타를 포함한 KCS 선형에 대해 다른 입사각에서 파랑 중 부가저항 및운 동응답의 실험 결과를 공개한 2015 Tokyo workshop(Case 2.11)과 비교하여, 선수파가 아닌 방향에서의 수치해석을 수행 및 검증할 예정이다. ;

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	모멘텀 보존법의 장점은 무엇인가?	초기 대부분의 연구는 퍼텐셜 이론에 기반 하여 해석 방법에 따라 모멘텀 보존방법과 압력직접적분법으로 나눌 수 있다. 모멘텀 보존법은 Mauro (1960)에 의하여 제안되었으며, 선박 표면에서의 압력을 계산할 필요가 없기 때문에 비교적 간단하게 계산할 수 있는 장점 때문에 현재까지도 널리 사용되고 있다. 압력적분법의 경우 수식이 복잡하나 물리적 해석이 용이하다 (Faltinsen et al.
	퍼텐셜이론이 가지는 문제를 해결하기 위해 어떤 연구가 진행되고 있는가?	퍼텐셜이론을 기반으로 하는 방법들은 실제적인 설계단계에서 유용하게 사용되어 왔지만, 유입파의 파고가 높거나 선체운동이 과도해지는 경우에는 실용상 만족할 만한 결과를 주지 못하게 되는 문제가 있다 (Jeong & Lee, 2014). 이러한 문제를 해결하기 위하여 최근 하드웨어의 발전에 힘입어 점성을 고려할 수 있는 CFD(Computational Fluid Dynamics) 방법을 이용한 부가저항 해석 연구가 활발히 진행되고 있다. Orihara & Miyata (2003)는 선수 규칙파 중 SR-108 컨테이너선에 대한 운동과 부가저항 해석에 자체 개발한 WISDAM-X라는 프로그램과 중첩격자계(overlapping grid)를 이용하여 수치시뮬레이션을 수행하였다.
	국제해사기구에서는 선박과 관련하여 어떤 노력을 하였는가?	국제해사기구(IMO)는 2015년에 채택된 파리 협정의 최종안에 선박이 포함되지 않았지만, 선박에서 발생하는 대기 오염 물질과 온실 가스 배출량을 규제함으로써 기후 변화에 대응하기 위해 꾸준히 노력을 하고 있으며, 기존의 운항 중인 선박에 대해서는 선박운항연비지표(Energy Efficiency Operational Indicator, EEOI)와 신조선에 대해서는 선박제조연비지수(Energy Efficiency Design Index, EEDI)를 도입하였다. 이를 만족시키기 위해서는 최소 연료소비율을 예측하기 위한 파랑중 운항하는 선박의 저항추진성능을 실험 또는 수치해석을 통해 추정하는 것이 필수적이다.

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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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