파랑 중 선박의 6자유도 운동 해석을 위한 전산유체역학 기법 연구 - 자유수면유동 및 부유체 운동을 중심으로 -

Abstract

파랑 중 선박의 6자유도 운동 해석은 선박의 저항성능 및 내항성능의 평가에 있어 매우 중요하기 때문에 과거로부터 많은 연구들이 수행되어 왔다. 이러한 연구들은 주로 포텐셜 이론에 바탕을 두어 접근해 왔으며 상하동요나 종동요 운동과 같은 경우에 대해서는 실용적으로 사용할 수 있을 정도로 발전해 왔다. 그러나 선박의 안정성 측면과 관련하여 횡동요 운동과 같이 점성의 영향을 무시할 수 없는 경우에는 그 한계가 있기 때문에 점성을 고려한 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)을 이용한 연구도 활발히 이루어지고 있다. 본 연구에서는 CFD를 이용하여 파랑 중 선박의 6자유도 운동 해석을 위해 자유수면 처리기법 및 수치 수조 기법, 그리고 격자 변형 기법에 대해 각각 고찰하였으며 실제 파랑 중 선박의 운동 해석에 적용하였다. 자유수면의 경계면에서 발생하는 수치확산은 선박에 작용하는 압력 분포에 영향을 주게 되는데 특히 활주선과 같이 양력으로 지지되는 선형은 압력 분포로 인한 자세 변화에 매우 민감하다. 이를 위해 상경계면에서 발생하는 수치확산을 줄일 수 있도록 동적 경계면 압축 기법을 제안하였으며 체적분율 이송 문제와 댐 붕괴 문제, 그리고 슬로싱 문제 등 잘 알려진 벤치마크 테스트를 통하여 동적 경계면 압축 기법을 검증하였다. 파랑을 모사하기 위하여 파 생성항을 이용하여 수치수조에서 파의 생성을 구현하였으며 반사파 및 산란파가 적절하게 제거되고 있음을 확인하기 위한 검증을 수행하였다. 선박의 6자유도 운동 해석을 위해 격자 변형 기법을 적용하였으며 적용된 기법은 대변위 운동해석이 가능하도록 비정합 경계면 기법과 격자 스트레칭 기법을 함께 적용하였다. 개발 및 적용된 기법을 바탕으로 정수 중 고속 활주선의 자세를 추정하여 실험과 비교하였으며, 선수파 중 크루즈 선형의 6자유도 운동 해석 또한 수행하여 실험과 비교 검증하여 그 타당성을 입증하였다.