전산유체역학해석을 통한 수면관통물체 주위 유동의 LES/RANS 해석

Abstract

자유수면을 포함한 난류 유동은 조선해양공학, 토목공학과 같은 여러 공학 분야에서 중요하게 다루어지고 있다. 자유수면의 영향을 받는 난류 유동장에서는 수면파의 발달, 자유수면의 물리적 경계조건과 난류 경계층의 상호작용으로 인한 특수한 유동 특성을 보이는데, 이에 대한 실험 및 수치해석적 연구가 다양하게 이루어져왔다. 그리고 최근 수치해석적 기법과 전산 해석자원의 발전에 따라 대용량의 계산을 요구하는 난류 유동 해석기법이 실현되면서 유체의 점성에 의한 영향을 고려한 전산유체역학 (Computational Fluid Dynamics, CFD)기법이 해당 연구 주제에 적극적으로 도입되고 있다. 이를 이용해 자유수면 난류 유동의 비선형적 거동과 국부 유동장 및 순간 난류 구조의 재현이 가능하게 되었다. 본 연구에서는 오픈소스 라이브러리 기반의 CFD 해석 toolkit인 OpenFOAM을 기반으로 한 조선해양공학특화 해석자 SNUFOAM을 이용해 수면관통물체 주위의 자유수면 난류 유동을 해석하였다. 난류 유동 해석기법으로는 SNUFOAM 기반의 URANS (Unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes equations)기법과 LES (Large Eddy Simulation)기법을 각각 적용하여 해석을 수행하였다. 자유수면 모델링 기법은 VOF (Volume of Fluids)기법을 사용하였다. 날카로운 자유수면 형상을 모사하고자 선행연구를 통해 개발된 SNUFOAM의 동적경계면 압축기법 (Lee and Rhee, 2015)을 적용하였다. 해석에 사용된 수면관통물체는 일정한 단면 형상을 상하로 늘린 기둥 형상이다. NACA0024와 Wigley 선형의 수선면의 두가지 형상을 사용하였다. 수면관통물체 주위에서 쇄파와 유동 박리가 발생하는 유동 조건(Fr=0.282~0.400) 을 선정하여 해석을 수행하였다. 수면관통물체 주위 유동장의CFD 해석을 통해 순간 난류 구조의 발달, 쇄파 등의 물리적 현상을 확인할 수 있었으며, 자유수면의 영향으로 인한 3차원의 유동 박리 현상인 파인성박리를 관찰하여 복잡한 수면 유동이 난류 경계층의 발달에 미치는 영향을 조사하였다. 해석 결과 중 평균 유속과 국부 난류 강도는 기존의 실험결과와 비교되어 SNUFOAM 해석의 신뢰성을 검증하는데 이용되었다.