Parametric study of separation control over hemisphere using local wall suction in a circulating water channel

구본국,강용덕 한국마린엔지니어링학회 2019 한국마린엔지니어링학회지 Vol.43 No.8

An experimental study on separation control in front of a hemisphere by local wall suction was performed in a circulating water channel. A vortical system engirdling a bluff body was targeted to mitigate its effect on the wake region where hairpin vortices shed. Local wall suction caused a change in the static pressure distribution over the hemisphere surface, moving the flow separation point upstream. As the flow detached early from the hemisphere surface, the size of the wake region increased indicating that it took longer to generate the vortices. Flow visualization using a dye system indicated that the frequency of hairpin vortices in the wake region was reduced by 21 ~ 33 % depending on the hemisphere size when suction ratio was 2.2. The reduction in the vortex shedding frequency was attributed to the weakening of the standing vortices by local wall suction, which resulted in a reduction in the inrush in the wake region.

기획특집-비디오 핵심기술의 개발 및 전망

구본국,Gu, Bon-Guk 한국전자정보통신산업진흥회 1991 電子振興 Vol.11 No.8

A Study on Wave Run-up Height and Depression Depth around Air-water Interface-piercing Circular Cylinder

구본국,박동우,백광준 해양환경안전학회 2014 해양환경안전학회지 Vol.20 No.3

In this paper, the wave run-up height and depression depth around air-water interface-piercing circular cylinder have been numerically studied. The Reynolds Averaged Navier-Stokes equations (RANS) and continuity equations are solved with Reynolds Stress model (RSM) and volume of fluid (VOF) method as turbulence model and free surface modeling, respectively. A commercial Computational Fluid Dynamics (CFD) software “Star-CCM+” has been used for the current simulations. Various Froude numbers ranged from 0.2 to 1.6 are used to investigate the change of air-water interface structures around the cylinder and experimental data and theoretical values by Bernoulli are compared. The present results showed a good agreement with other studies. Kelvin waves behind the cylinder were generated and its wave lengths are longer as Froude numbers increase and they have good agreement with theoretical values. And its angles are smaller with the increase of Froude numbers.

반구 전방에 생성된 말굽와류 흡입제어에 의한 후류영역 마찰저항 감소에 관한 연구

구본국,강용덕 해양환경안전학회 2019 해양환경안전학회지 Vol.25 No.6

The aim of this study was to investigate the possibility of the skin-friction reduction by vortex control. A vortical system such as a horseshoe vortex, a hairpin vortex, and a wake region was induced around a hemisphere attached on a Perspex flat plate in the circulating water channel. Hairpin vortices were developed from the wake region and horseshoe vortices were formed by an adverse pressure gradient in front of the hemisphere. The horseshoe vortices located on the flank of the hemisphere induced a high momentum flow in the wake region by the direction of their vorticity. This process increased the frequency of the hairpin vortices as well as the frictional drag on the surface of the wake region. To reduce the skin-friction drag, suction control in front of the hemisphere was applied through a hole. Flow visualization was performed to optimize the free-stream velocity, size of the hemisphere, and size of the suction hole. Once the wall suction control mitigated the strength of the horseshoe vortex, the energy supplied to the wake region was reduced, causing the frequency of the hairpin vortex generation to decrease by 36.4%. In addition, the change in the skin-friction drag, which was measured with a dynamometer connected to a plate in the wake region, also decreased by 2.3%. 층류 경계층 내 반구에 의해 유기되는 말굽와류를 흡입 제어했을 때 후류영역에서의 마찰저항 변화를 측정하였다. 이를 위해 회류수조에서 유동가시화를 실시하여 최적의 자유유속, 반구 크기 및 흡입제어 구멍 크기를 결정하였고, 반구 후류영역에 설치된 평판과 연결된 동력계로 표면 마찰저항 감소를 측정하는 실험을 수행하였다. 평판에 설치된 반구 전방에는 유입 유동에 의해 반구를 감싸는 말굽와류가 생성되며 그 주위 와도 방향에 의해 후류영역으로는 빠른 유속의 유동이 유입되어 머리핀 와류 생성을 촉진시킨다. 따라서 반구 전방에 생성되는 말굽와류 세기를 흡입 제어에 의해 약화시킴으로써 반구 좌우측으로 길게 형성된 유속방향 와류가 후류영역으로 공급하는 에너지는 감소하게 된다. 즉, 반구 전방의 말굽와류를 제어함으로써 후류영역으로부터 생성되는 헤어핀 와류 발생 주파수가 줄어들게 된다. 염료 주입을 이용한 유동 가시화 영상을 해석한 결과로 머리핀 와류의 발생 빈도가 흡입제어에 의해 36.4% 감소되었고, 후류영역에서 측정된 표면 마찰저항은 2.3% 감소되는 것으로 나타났다.

Reynolds and froude number effect on the flow past an interface-piercing circular cylinder

구본국,Jianming Yang,연성모,Frederick Stern 대한조선학회 2014 International Journal of Naval Architecture and Oc Vol.6 No.3

The two-phase turbulent flow past an interface-piercing circular cylinder is studied using a high-fidelity orthogonal curvilinear grid solver with a Lagrangian dynamic subgrid-scale model for large-eddy simulation and a coupled level set and volume of fluid method for air-water interface tracking. The simulations cover the sub-critical and critical and post critical regimes of the Reynolds and sub and super-critical Froude numbers in order to investigate the effect of both dimensionless parameters on the flow. Significant changes in flow features near the air-water interface were observed as the Reynolds number was increased from the sub-critical to the critical regime. The interface makes the separation point near the interface much delayed for all Reynolds numbers. The separation region at intermediate depths is remarkably reduced for the critical Reynolds number regime. The deep flow resembles the single-phase tur-bulent flow past a circular cylinder, but includes the effect of the free-surface and the limited span length for sub-criti-cal Reynolds numbers. At different Froude numbers, the air-water interface exhibits significantly changed structures, including breaking bow waves with splashes and bubbles at high Froude numbers. Instantaneous and mean flow fea-tures such as interface structures, vortex shedding, Reynolds stresses, and vorticity transport are also analyzed. The results are compared with reference experimental data available in the literature. The deep flow is also compared with the single-phase turbulent flow past a circular cylinder in the similar ranges of Reynolds numbers. Discussion is pro-vided concerning the limitations of the current simulations and available experimental data along with future research.

Numerical Analysis of Flow around Bow Rudder

구본국,박준모,Koo, Bon-Guk,Park, Jun-Mo The Korea Institute of Convergence Signal Processi 2020 융합신호처리학회 논문지 (JISPS) Vol.21 No.4

본 연구는 선박의 조종성능에 직접 영향을 미치는 방향타의 양력, 항력 및 모멘트를 전산유체역학을 이용하여 연구하였다. 힘과 모멘트에 영향을 미치는 전형적인 선박 방향타 중 하나는 바다에서 조종하는 동안 선수 타이다. 따라서 선박 선수타에 대한 힘과 모멘트를 연구하였다. IFS 선수 타 시리즈 중 균형 IFS 54 BR 15는 연구에 사용되었다. 난류 모델로는 표준 k-epsilon이 연구에 적용되었다. 선수 타의 유체 역학, 특히 양력, 항력 및 모멘트 계수는 서로 다른 공격 각도에 대해 계산되었다. 본 연구에 사용된 유동과 선수 타 사이의 받침각은 0도에서 5도 간격씩 35도까지 총 6개이다. 선박의 운동 성능에 미치는 영향에 대한 계산 결과는 이전 실험 연구 결과와 비교되었다. In this study, the lift, drag and moments of the rudder that influences on the maneuvering ships directly has been investigated using CFD(Computational Fluid Dynamics). One of typical ship rudders effecting on the forces and moments is the bow rudders during maneuvering on the sea. Thus, the forces and moments should be investigated for the bow of ship rudder. Among the IFS bow rudder series, the balance IFS 54 BR 15 is used for study. As a turbulent model, standard k-epsilon is applied to this study. The hydrodynamic of the bow rudder, especially lift, drag and moment coefficients are calculated for the different angles of attack. The angles of attack between water flow and rudder are presented in cases including 0°, 5°, 10°, 15°, 20°, 25°, 30° and 35°. The results of calculation for those influences on maneuvering performance of ships are compared with the relevant results of the previous experimental studies.

전산 유체 역학을 이용한 선박 방향타 주변의 항력 및 양력 계수에 대한 수치 시뮬레이션

구본국 한국융합신호처리학회 2023 융합신호처리학회 논문지 (JISPS) Vol.24 No.2

방향타는 조선 분야에서 중요한 역할을 하기 때문에 방향타의 유체역학적 특성을 조사하기 위해 수치 시뮬레이션이 수행되었다. 유체역학적 힘과 같은 일부 값은 예인 탱크에서 쉽게 측정할 수 있지만, 실험을 통해 압력 분포, 속도 분포, 와류 발생과 같은 유동장에 대한 자세한 정보를 얻기는 어렵다. 본 연구에서는 전산유체역학(CFD)을 이용하여 방향타에 작용하는 유체역학 계수와 레이놀즈수가 미치는 영향을 연구하였다. 상용 전산유체역학 프로그램 Ansys Fluent를 이용하여 방향타 주위의 유동특성을 연구하였고, 이때 k-epsilon 난류 모델이 사용되었다. 먼저 CFD 상용코드를 이용하여 KCS 방향타의 받음각에 따른 항력계수와 양력계수를 구하였다. 둘째, 동일한 조건에서 2차원 양력계수와 항력계수를 3차원 계수와 비교되었다. 셋째, 레이놀즈수가유체역학적 힘에 미치는 영향이 연구되었다.

퓨리에 변환을 활용한 유동 가시화 비교 분석

구본국,박준모,강용덕 한국융합신호처리학회 2019 융합신호처리학회 논문지 (JISPS) Vol.20 No.4

In the boundary layer, vortical system has been analyzed by the statistical methods to identify the vortex interaction. However, there are the limitations in explaining vortices by the mean velocity or the standard deviation. This paper proposed a method to establish a frequency analysis by Fourier transform in order to simultaneously investigate various scale vortices. For this purpose, the flow visualization conducted to reveal a standing vortex, a hairpin vortex and a wake region around a hemisphere attached on a flat plate in a water channel. In addition, the velocity where the hairpin vortex was being generated in the wake region was measured by a hot-film anemometer. To observe changes in the vortex interaction, suction was applied through a hole in front of the hemisphere. For the evaluation of the proposed frequency analysis, the existing statistical results were compared to the frequency analysis that corresponds to the qualitative results of the flow visualization. 경계층 내 측정된 유속은 변동 성분을 활용한 표준편차 혹은 배경 유속을 포함한 평균 속도로 해석되어 왔다. 하지만, 각각의 결과로 유동 상호작용을 설명하는데 한계가 있어 본 논문에서는 시간 영역의 유속을 퓨리에 변환하여 주파수 분석으로 유동 현상을 규명하는 방법을 제안한다. 이를 위해 경계층 내 평판 위에 부착된 반구 내부로 염료를 주입시켜 후류 영역에서 생성되는 머리핀 와류를 가시화하여 발생 빈도를 계측하였다. 또한 반구 전방의 평판을 뚫어 흡입함으로써 후류 영역 내 유속 변화를 열선 유속계로 측정하였다. 제안된 주파수 분석의 평가를 위해 기존의 통계 해석법과 비교하였으며, 유동의 정성적인 결과에 부합하는 주파수 분석과정을 제시한다.

선수 주위의 플런징 쇄파 연구

구본국 한국융합신호처리학회 2021 융합신호처리학회 논문지 (JISPS) Vol.22 No.3

Flow features near the ship bow such as wave breaking, small scale phenomena have been studied using numerical methods. In this study, the bow shaped wedge was adopted which is from previous paper [1, 2] and the conditions of simulation were Re = 1.64 × 105) and Fr = 2.93. Star CCM+, one of the commercial CFD programs has been used for the simulations. Simulation results such as wave profiles near the ship bow, shape of plunging jet, air entrainment, and wave breaking process have been compared with previous experimental and numerical studies. Overall results showed good agreements with previous studies. Profiles of bow waves showed that overturning jet has been created and broken along the wedge. Plunging wave breaking has been observed along the wedge and four components of plunging wave breaking process were shown. It is confirmed that velocity near the overturing jet significantly increased during plunging wave breaking. 선수 주변의 쇄파 과정 및 작은 스케일의 특징과 같은 유동 특성을 조사하기 위해 수치적 연구가 수행되었다. 본 연구에 사용된 쐐기형 선수의 형상은 이전 연구 [1, 2]에서 가져온 것이며 계산 조건은 Re = 1.64 × 105 및 Fr = 2.93이다. 상업용 전산유체역학(CFD) 소프트웨어 중 하나인 Star CCM +을 사용하여 수치 시뮬레이션을 수행하였다. 전반적인 선수 주변의 파 프로파일, 플런징 제트 모양, 공기 혼입 및 쇄파 과정과 같은 결과는 다른 실험 및 수치 연구와 비교되었고 일치하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 선수파 프로파일은 쐐기 앞에서부터 뒤로 가면서 뒤집힘 제트가 형성되고 마지막으로 제트가 쇄파 되는 것을 볼 수 있다. 플런징 쇄파 현상도 쐐기 모양을 따라가면서 일어나는 것을 알 수 있고 이전 플런징 쇄파에서 나타나는 플런징 쇄파의 4가지 과정을 보여 주고 있다. 플런징 쇄파 시 제트 주위의 속도가 급격하게 커지는 것을 확인할 수 있다.

기초 앙카 볼트 개발 및 개선

구본국,이상진,김종혁 해양환경안전학회 2018 해양환경안전학회 학술발표대회 논문집 Vol.2018 No.06