CFD를 이용한 중형 경비정의 속도성능 평가

박동우 한국항해항만학회 2014 한국항해항만학회지 Vol.38 No.6

본 논문의 주 목적은 프루드 수가 0.5 이상인 중형 경비정의 속도성능을 모형시험 이전에 CFD 결과를 바탕으로 기존의 모형시험 자료를 활용하였다. 모형시험 이전에 CFD를 이용하여 선속 별로 추정된 제동마력이 주어진 엔진마력을 만족하는지를 평가 하였다. 대상선박 은 선미가 서로 다른 두 가지 선형을 선정하였다. 점성 유동장 계산은 상용 CFD 코드인 STAR-CCM+를 사용하였으며, 자유수면과 자세 변 화(동적 트림)를 모두 고려하였다. 알몸 선체의 저항 값은 CFD를 이용하여 추정되었다. 점성 유동 해석을 통해 두 가지 선형의 자유수면 파 형, 압력분포, 한계유선 그리고 프로펠러 면에서의 속도분포를 비교하였다. 점성 유동 해석 결과를 바탕으로 두 가지 선형에 대한 유효마력 즉, 저항성능을 평가하였다. 부가물 부착에 따른 저항 증가량과 준추진효율 계수(ETAD, ηD)는 모형시험 자료를 활용하였다. 중형 경비정과 같은 고속선박에 관한 속도성능 추정법이 CFD와 기존 시험자료를 이용하여 개발되었다. The primary objective of the current work is to predict speed performance of the medium patrol boat over FN=0.5 employing experimental materials based on the CFD before model tests. In other words, the predicted brake powers according to ship speeds are assessed satisfying the main engine capacity. The subject ships are selected the two different stern hull forms. The flow computation are conducted considering free surface and dynamic trim using a commercial CFD code(STAR-CCM+). The resistances of the bare-hull are obtained from CFD. Wave patterns, pressures and limiting streamlines on the hull and velocity distribution in the propeller plane for the two hull forms are compared using CFD. The effective powers of the object ships are assessed based on CFD. Resistance increase according to the attached appendages and quasi-propulsive efficiency are employed the experimental datas. Speed performance prediction method concerning high speed vessels like a medium patrol boat is developed employing CFD and experimental data.

CFD모델과 풍동실험을 이용한 복잡지형에서의 기류해석

문기영,김석철,신구용,조경학,윤정임,황규석,길용식 한국풍공학회 2009 한국풍공학회지 Vol.13 No.3

Winds over a complex terrain were analyzed using wind tunnel and several computational fluid dynamics (CFD) models. A mountain area adjacent to a shoreline was chosen in a Southern Korea Peninsula for study. Two different CFD models were used for simulating flows: one is an FVM code with Virtual Boundary Method(VBM) using LES for sub-grid turbulence, and the other is a commercial package implemented with 4 different RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes Equations) turbulence models. The CFD simulations were compared with wind tunnel data at several locations where wind speeds were greatly enhanced or reduced due to the surrounding topographic features. The agreement between the CFD simulations and the wind tunnel experiments were good, the correlation coefficients ranging 0.890 ~ 0.965. The FVM code was excellent of which correlation coefficient was 0.965. 자연지형에 의한 기류 변화를 CFD 모델과 풍동실험을 통하여 비교 연구하였다. 해안에 인접한 남부 산악지형을 대상으로 풍동실험과 몇 종류의 CFD 모델 시뮬레이션을 수행하였다. 사용한 CFD 모델은 2 가지로, 하나는 LES 난류모델을 사용하는 가상경계기법을 활용한 유한체적법(Finite Volume Method, FVM) 코드와 또 하나는 4 가지 RANS 난류모델이 선택사양으로 제공되는 상업용 CFD 모델이다. 지형에 의해 풍속이 증가되는 지점과 감소되는 지점에서 수직풍속분포를 직접 비교하고 상관도를 구하였다. CFD 모델과 풍동실험과의 상관도()는 0.890 ~ 0.965로 매우 높게 나타났으며, CFD 모델 중 VBM LES CFD 모델은 상관도 0.965로 나타나 풍동실험을 가장 잘 모사하는 것으로 분석되었다.

전산 유체 역학 모델을 이용한 도시지역 흐름 및 열 환경 수치모의 검증

김도형,김근회,변재영,김백조,김재진 한국지구과학회 2017 한국지구과학회지 Vol.38 No.7

The purpose of this study is to verify urban flow and thermal environment by using the simulated Computational Fluid Dynamics (CFD) model in the area of Gangnam Seonjeongneung, and then to compare the CFD model simulation results with that of Seonjeongneung-monitoring networks observation data. The CFD model is developed through the collaborative research project between National Institute of Meteorological Sciences and Seoul National University (CFD_NIMR_SNU). The CFD_NIMR_SNU model is simulated using Korea Meteorological Administration (KMA) Local Data Assimilation Prediction System (LDAPS) wind and potential temperature as initial and boundary conditions from August 4-6, 2015, and that is improved to consider vegetation effect and surface temperature. It is noticed that the Root Mean Square Error (RMSE) of wind speed decreases from 1.06 to 0.62 m s−1 by vegetation effect over the Seonjeongneung area. Although the wind speed is overestimated, RMSE of wind speed decreased in the CFD_NIMR_SNU than LDAPS. The temperature forecast tends to underestimate in the LDAPS, while it is improved by CFD_NIMR_SNU. This study shows that the CFD model can provide detailed and accurate thermal and urban area flow information over the complex urban region. It will contribute to analyze urban environment and planning. 이 연구의 목적은 강남 선정릉지역에서 전산유체역학모델(CFD)을 사용하여 도시지역의 흐름 및 열 환경 모의를검증하는 것이고, CFD 모델의 모의결과와 선정릉 지역의 관측 자료와 비교하는 것이다. CFD 모델은 국립기상과학원과서울대가 공동으로 연구 개발된 모델이다. CFD_NIMR_SNU 모델은 기상청 현업 모델인 국지예보모델(LDAPS)의 바람성분과 온도성분을 초기 및 경계조건으로 적용되었고 수목효과와 지표 온도를 고려하여 2015년 8월 4일에서 6일까지강남 선정릉 지역을 대상으로 수치실험을 진행하였다. 선정릉지역에서 수목효과 적용 전후의 풍속을 비교하였을 때 평균 제곱근 오차(RMSE)는 각각 1.06, 0.62 m s−1로 나타났고 수목효과 적용으로 풍속 모의정확도가 향상되었다. 기온은 LDAPS 과소 모의하는 경향을 나타내고 CFD_NIMR_SNU 모델에 의해 향상된 것을 확인하였다. CFD_NIMR_SNU 모델을 이용하여 복잡한 도시지역의 흐름과 열 환경을 자세하고 정밀한 분석이 가능하며, 도시 환경 및 계획에 대한 정보를 제공 할 수 있을 것이다.

공기유동해석을 통한 온실내 식물군 미기상 분석기술 개발

이인복(In-Bok Lee),윤남규(Nam-Kyu Yun),Thierry Boulard,Jean Claude Roy,이성현(Sung-Hyoun Lee),김경원(Gyoeng-Won Kim),홍세운(Se-Woon Hong),성시흥(Si-Heung Sung) (사)한국생물환경조절학회 2006 생물환경조절학회지 Vol.15 No.4

변화무쌍한 기상변화가 설험의 정확도에 미치는 영향을 최대한 줄일 수 있도록 강제환기식 온실에서 실험을 하였고, 또한 대체적으로 크지 않은 온실에서의 실험으로 인하여 CFD모델결과의 오차를 크게 줄일 수 있었다. CFD와 현장실험 결과를 비교하여 본 결과, 온실내 1m 높이에서의 평균풍속이 각각 0.42mㆍs?¹과 0.39mㆍs?¹으로써 CFD의 지점별 오차 평균값은 7.7% 로 나타났다. Y8.5m 지점에서 가장 큰 오자가 발생하였는데, 최대 오차는 -53.8%로 나타났다. 이의 가장 큰 이유로는 온실 길이방향에서 중간지점인 Y8.5m에서 풍속이 매우 작았기 때문에 소숫점 2번째 자리의 차이라고 해도 큰 오차로 나타났다. 작물형상의 기하학적 복잡성이 매우 큰 것을 고려한다면 오차범위는 매우 양호한 것으로 판단된다. 온실내 1m 높이에서 평균온도의 CFD 평균오차는 2.2%로 나타났고, 최대편차는 5.5%이었다. 온실내 바닥으로부터의 복사열 발생량의 차이로 인하여 온실내 동쪽 지역에 상대적으로 큰 오차가 발생하였다. 외기 상대습도가 44%일 때, CFD 상대습도의 오차는 2.1%이었으며, 최대 오차는 -3.8%이었다. 식물군의 공기유동저항, 식물군의 수분 및 열평형 모델을 추가하여 보다 사실적인 CFD 모델을 설계하였다. CFD 모델의 설계방법이 정립되었기 때문에, 추후에 온실내 다른 작물의 미기상 및 이의 온실내 기상에 미치는 영향 등을 정량적으로 분석할 수 있게 되었다. 또한 직물의 적정생육환경에 주요 대상이면서도 동시에 센서설치의 어려움 등으로 인하여 연구에 어려움이 많았던 작물군내 미기상을 연구할 수 있는 토대를 마련하였다. The heterogeneity of crop transpiration is important to clearly understand the microclimate mechanisms and to efficiently handle the water resource in greenhouses. A computational fluid dynamic program (Fluent CFD version 6.2) was developed to study the internal climate and crop transpiration distributions of greenhouses. Additionally, the global solar radiation model and a crop heat exchange model were programmed together. Those models programmed using C?? software were connected to the CFD main module using the user define function (UDF) technology. For the developed CFD validity, a field experiment was conducted at a 17 × 6 ㎡ plastic-covered mechanically ventilated single-span greenhouse located at Pusan in Korea. The CFD internal distributions of air temperature, relative humidity, and air velocity at 1m height were validated against the experimental results. The CFD computed results were in close agreement with the measured distributions of the air temperature, relative humidity, and air velocity along the green-house. The averaged errors of their CFD computed results were 2.2%, 2.1%, and 7.7%, respectively.

CFD를 이용한 보행자 풍환경 평가 기법의 적합성 분석

엄정아,이승수,함희정 한국풍공학회 2022 한국풍공학회지 Vol.26 No.2

Recently, due to increased urbanization with high-rise buildings, there are growing concerns about the wind environment that threatens the safety of pedestrians as well as facility damage caused by the building wind. In order to reduce building wind damage, it is important to improve the wind environment of the urban environment by applying preemptive measures through the evaluation of the wind environment around buildings. Besides conventional wind tunnel tests, CFD has recently been accepted an alternative or a supplementary tool for the assessment of wind environment on the pedestrian level. As one of the practice in the field, MOLIT recently proposed Wind Environment Evaluation Guidelines Using CFD Analysis Techniques. This paper presents a computational study to confirm the feasibility of the pedestrian wind environment evaluation method using CFD based on the guideline. To verify the results of CFD, models and wind tunnel experiment data by provided by Architectual Institute of Japan were employed. Various grid configurations and numerical methods as well as varied wind directions were applied. The comparison between experimental data and the present results show that the grid refinement improves the accuracy and the pedestrian wind can be assessed by using CFD in spite of some deficit and room for improvements. More importantly, the gusts caused by the upwind and downwind in upwind region of the building, and vortex around the building were well simulated. 최근 도시 과밀화와 건축물 고층화로 인해 빌딩풍에 의한 시설 피해는 물론 보행자의 안전을 위협하는 풍환경에 대한 우려 가 커지고 있다 . 빌딩풍 피해 저감을 위한 방안으로 건축물 주변 풍환경 평가를 통해 도시의 풍환경을 개선하는 것이 중요하다 . 이를 위해 풍동실험을 대체하거나 보완하는 수단으로 최근 전산 유체역학 기법 (CFD)의 적용이 받아들여지고 있으며 , 국토교통부가 보행 자 풍환경 평가를 위한 CFD 활용 가이드라인을 제시한 바 있다 . 본 논문에서는 이 가이드라인의 적정성을 평가하기 위한 전산해석을 수행하였다 . CFD 결과의 검증을 위해 일본 건축학회가 제시한 모형과 풍동실험 결과를 사용하였다 . 평가결과 일부 위치에서 풍동 실 험값과 CFD 결과의 풍속 차이는 있으나 격자의 상세도가 정확도에 미치는 영향과 CFD를 이용한 보행자 풍환경 평가 가능성을 확인 하였다 . 또한 , 건물 주위의 상승풍 , 하강풍 및 와류 등으로 인한 돌풍이 잘 모사되고 있음을 확인하였다 .

항공 LiDAR 데이터를 활용한 CFD 모델 입력자료 품질 향상에 대한 기초연구

박명하,안승만,최윤수,정인훈,전병국 대한공간정보학회 2012 Spatial Information Research Vol.20 No.1

The recent development of CFD techniques are being involved with Environmental Impact Assessment and Environmental DesignroThey are being applied to the Site Planning and Engineering Design works as a new trendroHowever, CFD laboratory works are not extended to the field works in Industrial Project due to inaccuracy of the data input process that is cause by absence of regional height informationsroHence, in this study, we promote to build a new initial input data processing steps and algorithms for CFD Model generation. ENVI-met model is very popular, efficient, and freely downloadable CFD model. Light Detection And Ranging (LiDAR) are well known state of art technology and dataset proving a reliable accuracy for CFD. We use LiDAR data as a input source for CFD input producing process and algorithm development and evaluation. CFD initial input data generation process and results derived from am development and set is very useful and efficient for rapid CFD input data producing and maklomore reliable CFD Model forec st for atmospheric and climatic analysis for planning and design engineering industry. 최근 CFD 기술 발전과 보편화를 통해 소규모 지역에서의 수치기상모의 영향평가와 설계반영 기법이 단지계획과 엔지니어링 설계에 반영되는 추세이지만 수치지도에서의 건물이나 지물 높이정보 부재와 그에 따른 입력방법의 부정확성 등으로 인해 수치기상모의 결과의 신뢰성이 저하되어, 산업 현장에서 실험적 연구로만 진행될 뿐 일반 업무로는 확대되고 있지 않는 실정이다. 따라서 본 연구는 현재 대도시를 중심으로 구축되고 있는 항공 LiDAR 기술을 통해 수집된 데이터들로부터 수치기상모의에 필요한 기본 입력 자료를 자동 추출 및 구축하여 수치기상모의에 활용하고자 기존의 수치지도 및 현장조사 자료를 기반으로 하는 수치모의와 비교한 결과, 모의 범위 및 해상도가 증가할수록 초기입력자료(.in)의 생상효율성이 증가하였으며, 자료의 품질 및 해상도 또한 향상된 결과를 얻을 수 있었다. 이를 통해 향후, 도시 재개발로 인해 발생하는 입체적인 도시의 물리적 구조 변화를 항공 LiDAR 데이터를 이용함으로써 환경변화예측을 위한 수치모의에 빠르게 이용할 수 있을 것이다.

3D City모델과 CFD 모델을 통합한 대기환경 시각화 연구

안승만(An, Seung Man),이호영(Lee, Ho Yeong),성효현(Sung, Hyo Hyun),최영진(Choi, Yeong Jin),우정헌(Woo, Jung Hun) 대한공간정보학회 2011 대한공간정보학회지 Vol.19 No.4

3D City 모델로부터 CFD 모델 입력자료를 생성하여 모델링 품질을 향상시키고 CFD 모델링 결과를 3D 모델과 통합하여 사실적이고 쉽게 인지할 수 있는 시각화 방법에 대하여 연구하였다. 국토지리정보원에서 구축한 3D City 모델을 이용해 세밀도와 정확도가 향상된 CFD 모델 입력자료를 생산하여 적용함으로써 상세한 도시공간구조를 반영하는 향상된 CFD 모델을 생산하였다. CFD_NIMR_SNU 모델로부터 바람의 흐름과 오염물질 확산을 시뮬레이션 하였으며 3D City Model과 CFD 모델을 통합하여 동적으로 시각화 하였다. 본 대기환경 시각화 도구는 도시기후 계획 및 관리에 있어 의사결정을 위한 시각적 소통능력을 향상시켜 비용과 시간을 최소화할 것이다. The purpose of this study is enhancing CFD model by applying detailed and accurate CFD input data produced from 3D City model and integrating CFD model with 3D city model with OpenGL, 3D city aerodynamic simulation, and visualization tool. CFD_NIMR_SNU model developed by NIMR and SNU and 3D City model produced by NGII were used as input data. Wind flow and pollution diffusion simulator and viewer were developed in this study. Atmospheric environment simulation and visualization tool will save time and cost for urban climate planning and management by enhancing visual communication.

CFD/DSMC 혼합해석기법을 이용한 축대칭 천이영역 유동 해석

최영재(Young-Jae Choi),권오준(Oh-Joon Kwon) 한국항공우주학회 2019 韓國航空宇宙學會誌 Vol.47 No.3

본 연구에서는 희박기체 환경의 유동 정보를 효과적으로 계산하기 위해 CFD 해석기법과 DSMC 해석기법 간 연계 해석을 수행하는 CFD/DSMC 혼합해석기법을 개발하였으며, 개발된 해석기법을 이용하여 천이영역에서의 고속 비행체 주위 유동에 대한 해석을 수행하였다. 해석 형상으로는 콘과 실린더 형태로 이루어진 FRESH-FX 형상으로 고려하였고, 혼합해석기법의 결과는 순수 CFD 및 DSMC 해석 결과와 비교하였다. 천이영역의 대기가 상대적으로 희박하여 초음속 유동에서 발생하는 충격파의 구배 및 세기가 약화된 것을 확인하였다. 순수 CFD 해석 결과와는 차이를 보였고, 순수 DSMC 해석 결과와 거의 일치하는 결과를 도출하는 것을 확인하였다. 또한, 순수 DSMC 계산시간보다 해석 시간이 감소하였다. 이를 통해 혼합해석기법의 결과에 대한 신뢰성 및 해석 시간에서의 효율을 확인하였다. In the present study, a CFD/DSMC hybrid method performed by a coupled analysis between the CFD method and the DSMC method was developed to obtain the flow information on the rarefied gas flows effectively. Flow simulations around the high speed vehicles on the transition flow regimes were conducted by using the developed method. The FRESH-FX vehicle made of cone and cylinder shapes was considered for the simulations. The results of the hybrid method were compared with the results of the pure CFD and the pure DSMC method to confirm the reliability and efficiency of the hybrid method. It was found that the gradient and the intensity of the shock waves were weakened due to the relatively low density on the transition flow regime. It was confirmed that the results of the hybrid analysis were different to those of the pure CFD analysis and almost identical to those of the pure DSMC analysis. In addition, the computational time of the hybrid method was reduced than that of the pure DSMC method. As a result, it was obtained that the validity and the efficiency of the CFD/DSMC hybrid method.

CFD 기반의 강제진동 기법을 활용한 무미익 비행체 동안정 미계수 예측

정형석,김선태,이명섭,권기범,양광진,김봉관 한국항공우주학회 2013 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2013 No.11

스텔스 성능을 높이기 위해 설계되는 무미익 비행체는 불안정한 동적 비행특성을 가질 가능성이 높으며, 이를 UAV의 자동비행 시스템으로 제어하기 위해서는 보다 정확한 동안정 미계수 예측이 요구된다. 전통적으로 비행체의 동적 미계수 예측은 풍동시험 기법이 주로 활용되어 왔으나, 최근 CFD 기반 강제 진동 기법을 통해 동적 미계수를 효율적으로 예측하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 논문에서는 무미익 UAV 형상에 대한 동안정 미계수를 3차원 CFD 해석 기반의 강제진동 기법을 활용하여 예측하였다. Standard Dynamic Model에 대한 해석을 선행하여 기존의 실험데이터와 비교함으로써 해석방법 및 절차를 검증하였다. 강제진동의 크기와 진동주기에 따른 동안정 미계수 변화특성을 파악하였고, CFD로 계산된 모멘트 결과를 동안정 미계수로 변환하는 여러 기법을 비교 검증하였다. CFD 계산 결과는 풍동 시험 결과와 잘 일치하는 것을 확인할 수 있었다. For stealth performance consideration, many uav designs are adopting tailless lambda-shaped configurations which are likely to have inherent unsteady characteristics. In order to control such UAVs through automatic flight control system, the more accurate estimation of dynamic stability derivatives becomes essential. In this paper, the dynamic stability derivatives of a tailless lambda-shaped UAV are estimated using CFD-based forced oscillation method. First, the methodology is validated by benchmarking the CFD results against previously published experimental results of the Standard Dynamics Model(SDM). The dependency of CFD results on oscillation frequency and magnitude is studied, and the various methods to convert the time history results of CFD calculation to damping derivatives are tested. The results show reasonable agreements with experimental reference data and prove the validity and efficiency of the concept of using CFD to estimate the dynamic derivatives.

A System Concept for EFD/CFD Integration

Shigeya Watanabe,Shigeru Kuchi-ishi,Hiroyuki Kato,Takeshi Aoyama,Keiichi Murakami,Atsushi Hashimoto,Naoyuki Fujita,Yuichi Matsuo 한국항공우주학회 2008 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.- No.-

A trail towards integration of EFD (Experimental Fluid Dynamics) and CFD (Computational Fluid Dynamics), that is. the development of a system called Digital/Analog Hybrid Wind Tunnel, is introduced. The aim of the system is to improve efficiency, accuracy, and reliability of aerodynamic characteristics evaluation in aerospace vehicle developments through mutual support between EFD and CFD. The function of the system consists of optimization of test planning utilizing pretest CFD calculations, an accurate correction of the wind tunnel wall and support interaction effects through CFD, CFD data refinement based on EFD data, the most probable aerodynamic characteristics estimation based on both EFD and CFD data, database including EFD and CFD data at an identical condition, and so forth. Key technical challenges in the system development, such as an automatic grid generation and high-speed solver development for CFD, a highly efficient data reduction technique for image measurement data. and techniques integrating EFD and CFD. are addressed.