CFD 기법을 적용한 파랑 중 선박의 운동-조종 성능 연구

Abstract

An accident of large ships in the ocean causes casualties and great environmental losses. To prevent maritime accidents, it is essential to analyze the ships maneuvering performance. Early evaluation of the ship's maneuvering performance was conducted in calm sea conditions, but recently, more realistic in-wave maneuvering performance has become a major concern. In addition, the evaluation of maneuvering performance in waves is closely related to the policy being carried out by the International Maritime Organization (IMO). The IMO is implementing a policy to introduce eco-friendly ships with the goal of reducing greenhouse gas emissions by more than 50% by 2050. In this policy, the Energy Efficiency Design Index (EEDI) is used as an indicator of greenhouse gas emissions. However, the proposed emission limit can be satisfied simply by operating a ship at a low speed. The problem is that there is a high possibility of losing maneuvering performance when operating in rough seas at low speeds. To overcome this problem, the discussion on the minimum propulsion power of a ship is ongoing. For these reasons, evaluating maneuverability in waves is one of the biggest concerns in recent ship hydrodynamics. Ship maneuvering performance can be analyzed through experiments or numerical methods. In the past, the hybrid method combining the experiment and the potential-based solution was widely conducted. Recently, with the development of computational equipment, direct simulation of ship maneuvering became possible using Computational Fluid Dynamics (CFD). In this paper, the ship maneuverability is evaluated through free-running simulation by applying the CFD. To simulate the free-running ship, the overset grid technique is introduced and the overset grids are applied to the ship and the rudder. The propeller is implemented through body-force propeller modeling. Multiphase flow is solved by applying the Volume of Fluid (VOF) method. An additional buoyancy term and a limiter are used to stabilize the instability of k-ω SST turbulence modeling in multiphase flow. Wave generation and damping are done using the relaxation technique adopted by waves2Foam. The uncertainty of the numerical method used for this study is checked before performing the ship maneuvering in waves. Uncertainty analysis is applied for calm water resistance, motion response in waves, and calm water turning tests of the vessel. Three different uncertainty estimation methods are applied to the same calculation result, and the uncertainty results according to each method are compared. Among the various variables that can cause uncertainty, the analysis of the grid uncertainty is performed, especially. In the case of the motion response in waves that continuously changes with time, the uncertainty analysis of the time interval is also conducted. Next, the results of the current numerical method are validated with the experiments and other numerical methods. Validations are made on two topics: nonlinear motion responses during head seas and turning simulation in calm water. The analysis of nonlinear motion response is carried out for heave and pitch motions. An S175 container ship and a tumblehome, two completely different-shaped ships, are used. Comparing the motion response according to the different wavelengths is done and then the nonlinear motion change due to the increase of the wave height is confirmed. To simulate the virtual turning test in calm water, propeller PI control is preceded to calculate the propeller RPS value corresponding to the target speed. The calm water turning test is performed on the KCS container ship and the KVLCC2 tanker. The turning trajectory, velocity time series, and maneuvering parameters are validated by comparing them with experimental and MMG model-based numerical methods. Finally, the turning performances of two ships in the wave are analyzed. For the KCS container ship, the calculation is carried out only in the head wave condition. For the KVLCC2 tanker, the change in turning performances according to the wave direction, wave frequency, and wave height are observed. As with the calm water turning test, validation is made for different variables by comparing with the experiments. The drift distance and the drift angle by wave drift force are also validated for some conditions. In addition, the force and moment time series obtained through the numerical method for each ship part is studied to understand the effect of each ship part on the turning process. The free surface distribution and pressure fields at the ship surface are studied for varying wavelengths to investigate the reason for different turning abilities.

대형 선박의 해상 사고는 인명 피해 뿐만 아니라 환경적으로도 큰 손실을 초래한다. 해상 사고를 줄이기 위해서는 선박 조종성능에 대한 해석이 필수이다. 초기 선박의 조종성능에 대한 평가는 잔잔한 해상 상태에서 이루어졌으나 최근에는 실제 위험한 해상 조건을 더 잘 반영할 수 있는 파랑 중 조종성능이 큰 관심사가 되었다. 또한 파랑 중 조종성능 평가는 국제해사기구에서 시행 중인 정책과도 밀접한 관련이 있다. 국제해사기구에서는 2050년까지 온실가스 배출량을 50% 이상 줄이는 것을 목표로 친환경적인 선박을 도입하기 위한 정책을 실시하고 있다. 해당 정책에서는 에너지효율설계지수(EEDI)를 온실가스 배출량의 지표로 사용하고 있는데 선박을 저속으로 운항하는 방식으로 제안된 배출량을 크게 줄일 수 있다. 그러나 저속으로 거친 해상을 운항 시에는 조종성능을 잃을 가능성이 높기 때문에 선박의 최소추진출력에 대한 논의가 지속 중이다. 이러한 이유로 파랑 중에서의 조종성능에 대한 평가는 최근 선박 유체역학에서 가장 큰 관심사 가운데 하나이다. 파랑 중 조종성능은 실험 혹은 수치 기법을 통해서 해석이 가능하다. 과거에는 실험과 퍼텐셜 기법을 결합한 하이브리드 방식의 해석이 널리 진행되었으나 최근에는 계산 장비의 발달로 전산유체역학을 이용한 가상 자유항주 해석이 가능하게 되었다. 이에 따라 본 논문에서는 전산유체역학 기법을 적용하여 파랑 중에서의 가상 자유항주를 통해 조종성능을 평가하였다. 선박의 자유항주 시험을 모사하기 위하여 중첩격자 기법이 도입되었고 선박과 타에 대하여 중첩격자가 적용되었다. 프로펠러는 체적력 모델을 기반으로 한 모델링을 통해 구현되었다. 자유 수면 변화를 나타내기 위하여 Volume of Fluid(VOF) 방법을 적용하여 다상 유동에 대해 해석하였다. 추가로 다상 유동에서의 k-ω SST 난류 모델링의 불안정성을 개선하기 위하여 부력항과 제한자를 추가 도입한 안정화된 k-ω SST 난류 모델링이 사용되었다. 파랑의 생성 및 감쇄에는 waves2Foam에서 채택하고 있는 완화(relaxation) 기법을 이용하였다. 파랑 중 선박의 조종성능에 대한 해석을 진행하기 앞서, 사용한 수치 기법의 불확실성에 대한 확인을 하였다. 불확실성 해석은 선박의 정수 중 저항, 파랑 중 운동응답 및 정수 중 선회시험에 대해 적용되었다. 동일한 계산 결과에 대해 최대 세 가지 방식의 불확도 계산 기법이 적용되었고 각 방식에 따른 불확도 결과를 비교하였다. 본 연구에서는 불확실성을 야기할 수 있는 다양한 변수 중 격자에 대한 분석이 집중적으로 이루어졌고 시간에 따라 지속적으로 변하는 파랑 중 운동응답의 경우에는 시간 간격에 대한 불확실성 해석도 진행되었다. 본격적인 파랑 중 조종성능의 모사를 수행하기 앞서 본 수치 기법의 더욱 심도 깊은 검증을 위해 선수 파랑 중 비선형 운동응답과 정수 중 선회시험에 대한 해석을 수행하고 그 결과를 실험 결과들과 비교하였다. 선수파 중 비선형 운동응답 해석은 상하동요 운동과 종동요 운동에 대해 진행되었고 형상이 전혀 다른 S175 컨테이너선과 tumblehome 선형에 대해 진행되었다. 이 해석에서는 파장 비에 따른 운동응답을 먼저 비교한 후, 파고의 증가에 따른 각 선형의 운동응답 변화를 확인하였다. 정수 중 선회 해석에서는 본격적인 선회 모사 이전에 프로펠러 PI 제어를 선행하여 목표 속도에 대응하는 프로펠러 RPS 값을 산정하였다. 정수 중 선회시험은 KCS 모델과 KVLCC2 모델에 대해서 수행이 되었고 선회 궤적, 속도 시계열 및 조종변수들을 실험 및 MMG 모델 기반 수치 기법과 비교하여 검증하였다. 최종적으로 파랑 중에서 KCS와 KVLCC2 두 선형의 선회 성능에 대해 해석하였다. KCS 모델에 대해서는 선수파 조건에서만 계산이 진행되었고 KVLCC2 모델에 대해서는 파의 방향, 파의 주파수 및 파고에 따른 선회 성능의 변화를 관찰하였다. 정수 중 선회시험과 마찬가지로 선회 궤적, 속도 시계열 및 조종변수들에 대해 다방면에서 실험과의 비교 검증이 이루어졌고 일부 조건들에 대해서 파랑 표류력에 의한 표류거리 및 표류각에 대한 검증도 진행되었다. 수치 기법을 통해 얻은 힘과 모멘트 시계열을 선박 부분 별로 나누어 분석함으로써 각 선박 부분이 선회 과정에서 미치는 영향을 파악하고자 하였다. 또한 파장 조건에 따른 선박 주위의 파형 분포와 선박 표면에 작용하는 압력 분포를 비교하였다. 본 논문은 수치 기법을 이용한 파랑 중 가상 자유항주 시험의 단계적 해석 과정을 기술하고 있으며 연구과정에서 관찰된 물리적 현상과 수치 계산의 정확도 등에 대해 설명하였다. 그리고 본 연구의 기여와 향후 연구를 제시하고 있다.