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문제 정의
- 본 논문의 관심사항은 큰 침하량과 동적트림을 가지는 선박에 대하여 전산유체역학(CFD)을 기반으로 하여 효율적인 저항성능 추정 방법을 제시하는 것이었다. 방법I는 점성 유동해석 이전에 비 점성 유동해석의 침하량과 동적트림 결과를 이용하여 선박의 큰 자세를 설정하고 DFBI 방법에 의한 점성 유동해석을 수행하였다.
- 본 방법은 점성 유동해석 이전에 비 점성 유동해석의 침하량과 동적트림 결과를 이용하여 선박의 큰 자세를 설정하고 DFBI 방법에 의한 점성 유동해석을 수행한 것이다. 본 방법을 앞에서 언급한대로 방법I로 명하였다.
- 본 연구에서는 큰 침하량과 동적트림을 가지는 선박에 대하여 전산유체역학(CFD)을 기반으로 하여 효율적인 저항성능 추정 방법을 제시하였다. 본 방법에서 효율적이라 함은 점성 유동해석 이전에 비 점성 유동해석의 침하량과 동적트림 결과를 이용하여 선박의 큰 자세를 설정하고 DFBI(Dynamic Fluid Body Interaction) 방법에 의한 점성 유동해석을 수행한 것이다.
제안 방법
- 1) 방법I에 의한 저항성능 평가를 수행하였다. 11노트와 15노트에서 세 번의 계산결과 수렴조건을 만족하였으며 11노트에서는 1 %, 15노트에서는 0.
- 2) 방법I에 대한 정성적 평가를 위하여 수조모형시험의 선측 파형과 비교를 하였다. CFD의 결과는 모형시험과 비교하였을 때 선수파형, 파고의 높이 및 파정의 위치 등 유사함을 보여주었다.
- 방법I의 비 점성 유동해석 코드는 비선형 자유표면 경계조건을 반복계산에 의해 수치적으로 만족하게 하였고 그 해는 트림(Trim)과 침하(Sinkage)를 고려한 자유상태(Free Condition)에서의 결과이다. 고속선박의 안정적인 해석을 위해서 자유표면의 계산영역, 자유표면 패널의 가로-세로 비, 전체 패널 수 등을 수조모형시험과의 비교를 통해 최적화하였다.
- 따라서 본 연구에서는 비 점성 유동 해석에 의한 결과를 활용한 방법I과 단순 격자시스템을 이용하여 STAR-CCM+에 제공하는 DFBI 기법을 바탕으로 계산단계 별로 변화된 자세에 대하여 매번 격자를 변경하는 방법II의 결과를 비교하였다. 난류모델은 Reynolds stress model을 적용하였다.
- 02s를 적용하여 총 30초까지 계산을 수행하였다. 매 시간 간격에서 10회의 내부 반복 계산을 수행하였으며, 안정적인 자세 변화를 위해 release time을 1초, ramp time을 2초로 설정하여 3초 후부터 선체에 작용하는 힘과 모멘트를 통해 선체의 동적 자세 변화를 고려하였다. 선체의 동적 자세를 고려함에 따라 저항 값이 주기적인 변화를 보여주어 20초 이후부터 30초의 평균값을 계산하여 저항 값으로 사용하였다.
- 방법I는 점성 유동해석 이전에 비 점성 유동해석의 침하량과 동적트림 결과를 이용하여 선박의 큰 자세를 설정하고 DFBI 방법에 의한 점성 유동해석을 수행하였다. 방법II는 단순 격자시스템을 이용하여 DFBI 기법을 바탕으로 계산단계 별로 변화된 자세에 대하여 매번 격자를 변경하여 수렴된 결과를 도출하였다. 본 논문에서 제시한 방법I은 격자 구성 및 해석시간을 단축하고 계산의 정도를 높일 수 있다는 점에서 장점이 있다.
- 본 논문의 관심사항은 큰 침하량과 동적트림을 가지는 선박에 대하여 전산유체역학(CFD)을 기반으로 하여 효율적인 저항성능 추정 방법을 제시하는 것이었다. 방법I는 점성 유동해석 이전에 비 점성 유동해석의 침하량과 동적트림 결과를 이용하여 선박의 큰 자세를 설정하고 DFBI 방법에 의한 점성 유동해석을 수행하였다. 방법II는 단순 격자시스템을 이용하여 DFBI 기법을 바탕으로 계산단계 별로 변화된 자세에 대하여 매번 격자를 변경하여 수렴된 결과를 도출하였다.
- 방법I에 의해 상대적으로 중속인 11노트(FN ≒ 0.55)와 고속인 15노트(FN ≒ 0.8)에서 해석을 수행하였다. 해석은 모형선 크기이다(Table 1 참조).
- Inlet, Top, Bottom은 Velocity Inlet Type을 사용하였고, Outlet은 Pressure Outlet, Side와 Symmetry는 Symmetry Plane Type으로 설정하였습니다. 선체에서 발생한 자유 수면이 계산영역의 입구, 출구 및 대칭 경계 조건에 의해 왜곡되지 않도록 계산영역을 설정하였다. 표면 재배열 및 벽면 유동묘사를 잡기 위해서 트리머(trimmed mesh)와 경계층 격자(prism layer)를 이용하였다.
- 매 시간 간격에서 10회의 내부 반복 계산을 수행하였으며, 안정적인 자세 변화를 위해 release time을 1초, ramp time을 2초로 설정하여 3초 후부터 선체에 작용하는 힘과 모멘트를 통해 선체의 동적 자세 변화를 고려하였다. 선체의 동적 자세를 고려함에 따라 저항 값이 주기적인 변화를 보여주어 20초 이후부터 30초의 평균값을 계산하여 저항 값으로 사용하였다. 평균값을 계산하는 시간에 따른 오차는 약 0.
- 트리머를 적용할 경우 저항 값에서 오차가 크게 발생할 수 있으므로 이를 방지하기 위해 선체 주변에 경계층 격자를 적용하였다. 선체주변, 즉 수면에 직면하는 선체(hull)/트랜섬(transom)에서 총 6개의 경계층 격자를 생성하였으며 첫 번째 경계층 격자는 선체 전체의 y+이 40 ~ 50이 되도록 하고 벽함수(wall function)를 사용하였다. 격자의 수가 계산시간에 영향을 미치기에 선체 갑판부에는 경계층 격자를 적용하지 않았다.
- 1 % 미만이다. 자유수면 유동 해석을 위하여 VOF(Volume of Fluid)를 사용하여 다상 유동을 모델링 하였다. 동적 트림을 고려하기 위해 비 점성 유동 해석에 의한 주 자세 셋팅 후 DFBI 기법을 사용하였다.
- 점성 유동해석 이전에 비 점성 유동해석에 의한 침하량과 동적트림을 계산하였다. Table 2는 계산단계 별로 모형크기의 전 저항, 상하방향의 침하량 그리고 트림을 나타낸 것이다.
- 방법I의 첫 번째 점성 유동해석 결과는 최종 수렴된 결과와 비교하였을 때 저항 값에서 최대 1 % 내에서 차이를 보임을 확인 하였다. 중첩격자가 아닌 단순 격자시스템에 의한 STAR-CCM+에서 제공하는 DFBI 기법을 활용하여 계산단계 별로 변화된 자세에 대하여 매번 격자를 변경하여 수렴된 결과를 도출하였다. 본 방법을 방법II로 명하였다.
- 또한 계면에서 수직한 격자를 생성함으로써 자유 수면을 보다 정확하게 모사할 수 있는 장점이 있다. 트리머를 적용할 경우 저항 값에서 오차가 크게 발생할 수 있으므로 이를 방지하기 위해 선체 주변에 경계층 격자를 적용하였다. 선체주변, 즉 수면에 직면하는 선체(hull)/트랜섬(transom)에서 총 6개의 경계층 격자를 생성하였으며 첫 번째 경계층 격자는 선체 전체의 y+이 40 ~ 50이 되도록 하고 벽함수(wall function)를 사용하였다.
- 선체에서 발생한 자유 수면이 계산영역의 입구, 출구 및 대칭 경계 조건에 의해 왜곡되지 않도록 계산영역을 설정하였다. 표면 재배열 및 벽면 유동묘사를 잡기 위해서 트리머(trimmed mesh)와 경계층 격자(prism layer)를 이용하였다. 생성된 전체 격자수는 약 20만개로 계산에 사용된 격자시스템은 앞에서 언급한 Fig.
대상 데이터
- 대상선박은 2척이며, 2척 모두 예인수조 모형시험을 수행하였다. 2척의 모습, 실선에서의 기본 제원과 수치해석을 위한 축척비는 Fig.
- 8)에서 해석을 수행하였다. 해석은 모형선 크기이다(Table 1 참조).
데이터처리
- 이로 인해 방법I는 계산시간 단축 및 계산의 정도를 높일 수 있는 장점이 있다. 점성 유동해석은 상용 CFD 코드인 STAR-CCM+를 사용하였다. 방법I의 첫 번째 점성 유동해석 결과는 최종 수렴된 결과와 비교하였을 때 저항 값에서 최대 1 % 내에서 차이를 보임을 확인 하였다.
이론/모형
- 따라서 본 연구에서는 비 점성 유동 해석에 의한 결과를 활용한 방법I과 단순 격자시스템을 이용하여 STAR-CCM+에 제공하는 DFBI 기법을 바탕으로 계산단계 별로 변화된 자세에 대하여 매번 격자를 변경하는 방법II의 결과를 비교하였다. 난류모델은 Reynolds stress model을 적용하였다. 계산 시간 간격은 △t = 0.
- 자유수면 유동 해석을 위하여 VOF(Volume of Fluid)를 사용하여 다상 유동을 모델링 하였다. 동적 트림을 고려하기 위해 비 점성 유동 해석에 의한 주 자세 셋팅 후 DFBI 기법을 사용하였다. DFBI 기법은 선체의 자세 변화에 따라 계산 영역 전체가 이동 및 회전하는 방법으로 선체의 침하량은 계산 영역 전체의 z 방향 수직 이동으로 나타나며, 트림은 계산 영역 전체의 y 방향 회전으로 나타난다.
- 4의 2척의 대상선박에 대하여 방법I에 의한 결과와 모형시험 결과를 비교하였다. 방법I에 의한 결과로부터 계산된 전 저항(RTM)을 이용하여 ITTC-1978 2차원 해석법에 따라 유효마력을 추정하였다(ITTC-1978). Table 5와 Fig.
성능/효과
- 1) 방법I에 의한 저항성능 평가를 수행하였다. 11노트와 15노트에서 세 번의 계산결과 수렴조건을 만족하였으며 11노트에서는 1 %, 15노트에서는 0.25 % 이내의 저항 값 차이를 보여주었다. 이는 비 점성 유동해석 결과를 바탕으로 한 첫 번째 점성 유동해석 결과를 사용해도 큰 차이가 없는 것을 확인 할 수 있었다.
- 3) 선형 별 방법I과 모형시험의 유효마력을 비교한 결과 1차와 2차 선형의 모형시험 결과는 약 10 % 차이를 보여주었고 방법I에 의한 결과 역시 약 10 %의 차이를 보여주었다. 즉, 상대적으로 정량적 비교는 충분히 가능하다고 판단된다.
- 2) 방법I에 대한 정성적 평가를 위하여 수조모형시험의 선측 파형과 비교를 하였다. CFD의 결과는 모형시험과 비교하였을 때 선수파형, 파고의 높이 및 파정의 위치 등 유사함을 보여주었다.
- Zone I의 CFD 결과는 모형시험 결과와 비교하였을 때 비선형성이 강한 선수파형, 파고의 높이, 수평으로 나가는 형상 및 선수파가 차지하는 영역이 유사함을 확인 할 수 있었다. Zone II의 CFD 결과는 모형시험 결과와 비교하였을 때 파의 기울기, 파의 시작 위치 및 끝나는 위치가 유사함을 확인할 수 있다.
- 9는 15노트에서 수조모형시험의 선측파형과 방법I에 의한 결과를 비교한 것이다. Zone I의 CFD 결과를 모형시험 결과와 비교하였을 때 11노트 보다 강한 비선형 선수파형, 파고의 높이, 수평으로 나가는 형상 및 선수파가 차지하는 영역이 유사함을 확인 할 수 있었다. Zone II의 CFD 결과는 모형시험 결과와 비교하였을 때 파의 기울기, 파의 시작 위치 및 끝나는 위치가 유사함을 확인할 수 있다.
- 02도(degree)이다. 고속선임에 따라 주 운항선속인 11(FN ≒ 0.55)노트에서도 큰 자세변화를 가지는 것을 확인할 수 있다. 즉, Fig.
- 본 논문에서 제시한 방법I은 격자 구성 및 해석시간을 단축하고 계산의 정도를 높일 수 있다는 점에서 장점이 있다. 또한 수조모형시험과의 비교를 통해서 정성적 그리고 정량적으로 타당함을 확인하였다.
- Zone III의 CFD 결과는 모형시험 결과와 비교하였을 때 3번 스테이션(Station) 근처에서 파정의 위치와 형상이 서로 유사함을 확인 할 수 있다. 방법I에 의한 CFD 결과와 수조모혐시험은 정성적으로 타당함을 확인하였다.
- 6 %의 차이를 보였다. 방법I의 결과는 수조모형시험과의 비교를 통해서 정성적 그리고 정량적으로 타당함을 확인하였다.
- 6 %의 차이를 보였다. 방법I의 결과인 ① RTM과 모형시험 결과와 비교해 볼 때 선속에 따라 2.5 % ~ 5.5 %의 차이를 보였다.
- 점성 유동해석은 상용 CFD 코드인 STAR-CCM+를 사용하였다. 방법I의 첫 번째 점성 유동해석 결과는 최종 수렴된 결과와 비교하였을 때 저항 값에서 최대 1 % 내에서 차이를 보임을 확인 하였다. 중첩격자가 아닌 단순 격자시스템에 의한 STAR-CCM+에서 제공하는 DFBI 기법을 활용하여 계산단계 별로 변화된 자세에 대하여 매번 격자를 변경하여 수렴된 결과를 도출하였다.
- 6 % 차이를 보였다. 세 번째 계산에서 수렴조건을 만족하였으며 Table 2를 보면 첫 번째 해석 결과와 최종 수렴된 해석 결과와의 저항 값 차이는 1 % 내임을 확인하였다.
- 2 % 차이를 보였다. 세 번째 계산에서 수렴조건을 만족하였으며 Table 3을 보면 첫 번째 해석 결과와 최종 수렴된 해석 결과와의 차이는 0.25 % 이내임을 확인하였다.
- 25 % 이내의 저항 값 차이를 보여주었다. 이는 비 점성 유동해석 결과를 바탕으로 한 첫 번째 점성 유동해석 결과를 사용해도 큰 차이가 없는 것을 확인 할 수 있었다.
- 6(c)는 점성 유동해석의 DFBI 방법에 의한 두 번째 계산 결과이다. 파랑색 선형과 녹색 선형을 비교해 보면 자세변화가 거의 없음을 확인하였다. Table 2를 보면 파랑색 선형과 비교해 볼 때 침하량은 초기흘수 대비 약 0.
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