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직교격자 기법을 적용한 선박의 파랑 중 부가저항 해석
Analysis of added resistance on ships in waves based on Cartesian-grid method

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Authors
양경규
Advisor
김용환
Major
공과대학 산업·조선공학부
Issue Date
2015-08
Publisher
서울대학교 대학원
Keywords
전산유체역학직교격자비선형 선박 운동파랑 중 부가저항
Description
학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 산업·조선공학부, 2015. 8. 김용환.
Abstract
선박의 운동 문제는 조선해양 유체역학 분야의 중요한 연구 주제 중 하나이다. 최근 선박의 대형화와 고속화로 인하여 기존의 이상 유동(ideal flow)에 근거한 포텐셜 기반 기법을 적용하는데 있어 여러 한계를 갖는 강한 비선형 대진폭 운동에 대한 해석이 요구되고 있다. 또한, 충격하중과 같은 국부유동에 대한 해석도 선박의 안전한 설계를 위해 요구되고 있다. 이런 상황 속에서 전산유체역학(computational fluid dynamics, CFD) 기법의 운동 성능에 대한 정확도 및 활용도를 검증할 필요가 높고, 실선 설계에 적용할 때의 장단점을 파악할 필요가 있다.
최근 국제해사기구(International Maritime Organization, IMO) 산하 환경보호위원회(Marine Environmental Protection Committee, MEPC) 에서 채택된 선박의 에너지효율에 관한 규칙에 따라 에너지 효율 설계 지수(energy efficiency design index, EEDI)의 계산이 의무화 되었고, 이로 인해 파랑에 의한 부가저항 문제는 다시금 중요한 문제로 부각되고 있다. 특히, 선박의 대형화로 파 에너지가 선박의 길이에 비해 상대적으로 짧은 파장 영역에 집중되어 있기 때문에 단파장에서 부가저항은 실제 선박의 소요 마력 추정에 중요한 요소이다. 단파장에서는 선박의 운동이 무시되며, 산란되는 파에 의한 부가저항이 지배적이다. 따라서, 선수파인 경우 선수 형상과 파고에 따른 부가저항 특성을 파악하는 것이 중요하다. 이 때, 정수면 위쪽 형상 변화에 대한 고려와 대파고 중 발생할 수 있는 쇄파 현상 등을 해석할 수 있는 방법이 요구된다. 이러한 해석을 위해 전산유체역학 기법의 적용 가능성과 해석의 정확도를 파악할 필요가 있다.
본 연구에서는 직교격자에 기반을 둔 유동해석 프로그램 개발을 개발하고, 이를 이용하여 선박의 파랑 중 부가저항 해석을 수행하였다. 유한 체적법에 근간하여 공간에 대한 이산화를 하였고, 다단계 방법(fractional step method)을 사용하여 유체 압력과 속도를 연성하였다. 또한, 자유표면과 물체를 구분하기 위하여 주어진 셀에서 특정 물질이 차지하는 부피 비를 나타내는 함수를 도입하였다. 물에 대한 부피 비 함수는 volume-of-fluid (VOF) 계열의 기법 중 하나인 tangent hyperbola for interface capturing (THINC) 기법과 다차원 효과를 고려할 수 있는 weighed line interface calculation (WLIC) 기법을 사용하여 계산하였다. 선박과 같은 복잡한 형상에 대해 각 셀에서의 부피 비를 계산하기 위하여 레벨-셋(level-set) 기반 수치기법을 적용하였다.
개발된 프로그램을 이용하여 선형복원력 계수와 배수량에 대한 격자 수렴도 테스트를 통해 물체 표현의 정확도를 평가하였다. 이와 함께 입사파 생성을 위한 격자 민감도 테스트를 수행하였고, 이를 통해 파장과 파고 대비 격자 수뿐만 아니라 격자의 종횡비 역시 정확한 입사파 생성을 위해 중요한 요소임을 발견하였다. 또한, 유체영역 해석에 대한 검증을 위해 복잡한 자유표면 거동을 보이는 물체가 놓인 댐 붕괴 및 슬로싱 문제에 대한 해석을 수행하였다. 그리고 선박의 운동해석 평가를 위한 검증 작업으로 전진하는 선박에 대한 파랑 기진력을 추정하여 실험과 비교하였으며, 상하동요 및 종동요에 대한 동유체력 계수 검증 작업을 진행하였다. 또한, 운동해석 모델로 Wigley III 선형과 S175 컨테이너선을 선정하였으며, 이들에 대한 선형 및 비선형 운동해석을 수행하여 본 연구를 통하여 개발된 프로그램의 운동성능 평가 정확도를 검증하였다.
개발된 프로그램을 이용하여 선박의 파랑 중 부가저항 해석을 수행하였으며, 물체 표면을 더욱 정확하게 표현하기 위해 격자 중심과 벽면에서 계산 된 부피 비를 거리에 따라 가중치를 부여하여 평균을 취하였다. 이러한 변화가 Wigley III 선형과 같이 매우 얇은 선수 형상을 갖는 경우 파랑 중 부가저항이 달라질 수 있음을 발견하였다. 또한, 다양한 격자 조건에 대한 수치해의 수렴도 및 민감도 테스트를 수행하여 정확한 부가저항 계산을 위해 필요한 격자 조건을 검토하였다.
최종적으로 KVLCC2 선형에 대해 선수 형상과 파고가 단파장 부가저항에 미치는 영향에 대해 연구하였고, 물체 표면의 부가 압력 분포에 대한 분석을 통해 선수 형상 및 파고에 따른 단파장 부가저항 특성을 파악하였다. 이를 바탕으로 기존의 단파장 영역 부가저항 이론식 및 경험식에 대한 고찰을 수행하여 전산유체역학의 활용도에 대해 검토하였다.
Language
Korean
URI
http://hdl.handle.net/10371/118273
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Appears in Collections:
College of Engineering/Engineering Practice School (공과대학/대학원)Dept. of Industrial Engineering (산업공학과)Theses (Ph.D. / Sc.D._산업공학과)
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