중첩격자계를 이용한 소형 선박의 자세 추정 및 시간 간격 변화가 수치해에 미치는 영향 조사 = A Study of Trim and Sinkage Prediction and Time-Step Effects on Numerical Solutions for Small Vessels Using an Overset Grid

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study aims to develop a CFD-based free-surface analysis method employing an overset grid system to accurately predict the running attitude (trim and sinkage) and resistance performance of a 9.77-ton coastal fishing vessel operating at high Froude numbers. The size and location of the inner block in the overset grid and the time-step governed by the CFL condition significantly influence numerical stability and resistance prediction accuracy. Therefore, sensitivity analyses were conducted by systematically varying the inner block ratios in the transverse, longitudinal (+x and –x), and vertical (+z and –z) directions. In addition, the time-step was adjusted according to the CFL condition to evaluate the effects on numerical stability and computational efficiency.
The results show that when the inner block is excessively close to the hull surface or free surface, numerical oscillations occur in the pressure field and wave elevation, leading to increased fluctuations in the total resistance coefficient . Conversely, excessive expansion of the inner block improved accuracy only marginally while significantly increasing computational cost. Based on the sensitivity analysis, stable inner block configurations were identified, including a transverse ratio (=0.4~0.7), longitudinal (+x) ratio (=1.3~1.6), and vertical (+z) ratio (=0.5~0.6). For the time-step, the range of CFL = 0.5–0.75 yielded the most stable results in terms of free-surface behavior, pressure distribution, and convergence.
Applying the optimized numerical setup, the CFD results showed approximately 9.2% deviation in compared to EFD measurements; however, the wave pattern, pressure distribution, trim, and sinkage exhibited good qualitative agreement with experiments. In the full-scale simulations (V35 and V45), variations in , trim, and sinkage due to changes in CFL were minimal, confirming the robustness of the proposed method with respect to scale effects.
The optimized inner block criteria and CFL-based time-step guideline proposed in this study provide a reliable and practical CFD procedure for evaluating the resistance and running attitude of high-Froude-number small vessels and can serve as a useful reference in future design and performance analysis.

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 고 프루드수 영역에서 운항하는 소형선의 자세(Trim, Sinkage) 및 저항성능을 정확하게 예측하기 위해, 중첩격자계(Overset grid)를 적용한 전산유체해석 기법을 구축하고자 한다. 이를 위해 중첩격자계 내부영역(Inner block)과 비정상 해석에서의 시간 간격(Time-step)이 수치해석 해에 미치는 영향에 대해 조사하였다. 내부영역의 크기 변화는 선체 주위 유동에 영향을 주므로, 영역의 폭·길이·높이 방향 크기를 변화시키며 수치해석 결과에 미치는 영향을 분석하였다. 또한, CFL 조건을 바탕으로 시간 간격을 조정하여 해석 안정성과 계산 효율을 평가하였다. 내부영역의 경계가 선체 표면과 너무 근접하면 수치적 진동이 발생하고, 과도한 확장은 해석 결과에는 큰 영향이 없었으나 조밀하게 생성된 내부 격자수의 증가로 인해 효율적인 계산이 되지는 못 한 것으로 나타났다. 이를 바탕으로 폭 비(=0.4~0.7), 선수 방향 길이 비(=1.3~1.6), 상부 높이비 (=0.5~0.6) 범위가 안정적인 내부영역 구성 조건임을 제시하였다. 시간 간격은 CFL = 0.2~0.35 범위에서 가장 안정적임을 확인하였다. 최적 조건을 적용한 해석은 실험 결과 대비 약 9.2%의 오차를 보였으나, 파형·압력분포·자세 변화는 실험과 정성적으로 일치하였다. 실선 조건에서도 CFL 변화 시 전저항계수, 트림 및 침하 변동 폭이 작아, 본 기법이 스케일 변화에도 적용 가능함을 확인하였다. 본 연구에서 제시한 내부영역 및 시간 간격 최적화 기준은 고 프루드수 소형선박의 설계와 성능평가에서 안정적이고 신뢰도 높은 CFD 해석 절차로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• ABSTRACT
• 제1장 서 론 1
• 1. 연구 배경 1
• 2. 연구 내용 3
• 3. 고속 소형선 및 중첩격자계의 필요성 3
• 제2장 수치해석 기법의 타당성 조사 6
• 1. 지배방정식 6
• 2. 좌표계 및 경계조건 9
• 3. 격자계 구성 및 중첩격자계 내부영역 설정 10
• 제3장 중첩격자 영역 크기의 독립성 조사 12
• 제1절 내부영역 크기에 따른 결과 12
• 1. 대상선형의 주요 제원 12
• 2. 중첩격자계 내부영역 구성 및 Case 정의 13
• 3. 중첩격자계 내부영역 크기 변화에 따른 수치 안정성 비교 16
• 제2절 내부영역 최적화 38
• 1. 중첩격자 기반 내부영역 최적화 평가 40
• 제4장 CFL 기반 시간 간격 변화에 따른 수치해석 46
• 제1절 개요 46
• 제2절 시간 간격 변화에 따른 해석 방법 48
• 제3절 CFL 변화에 따른 자세 및 저항성능 평가 50
• 제4절 실선에 대한 자세 및 저항성능 평가 68
• 1. 대상선형의 제원 68
• 2. 수치해석결과 69
• 제5장 결 론 78
• 참 고 문 헌 81
• 영 문 초 록 83