OpenFOAM을 활용한 KCS 선형의 조종 계수 추정 = An Estimation of Hydrodynamic Maneuvering Coefficients of KCS Hull by using the OpenFOAM

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 KRISO 컨테이너선(KCS) 선형에 대한 조종 계수를 추정하기 위해 OpenFOAM을 기반으로 프랑스 선급 (BV), École Centrale de Nantes 그리고 부산대학교 공동 개발 코드인 foamStar를 활용하였다. 자유수면 비정상 유동 해석을 위해 Reynolds Averaged Navier-Stokes Equations (RANSE) 모델과 자유 수면 모사를 위한 Volume of Fluid 기법 (VOF)을 사용하였다.
KCS 조종 계수를 추정을 위해 가상 구속모형시험을 위한 이동 격자법을 활용하여 KCS 선형의 저항, 사항 그리고 선회 수치 해석을 수행하였다. 수치 해석에 사용한 격자는 Theo (2022)의 KCS 저항 및 내항 해석에 사용한 검증된 동일 격자계를 활용하였다.
저항 수치 해석은 Tokyo 2015 Workshop에서 수행된 모형 시험 데이터와 비교하였고 결과는 전반적으로 유사한 경향을 보였다. 사항 수치 해석은 실험 및 CFD와 비교, 분석하였고 이를 통해 사항 각에 따른 유체력을 얻어 계산 값과 증가에 따른 수렴도를 확인할 수 있었으며, 관련된 조종 계수를 추정하였다. 더 나아가 선회 수치 모사를 수행하고, KCS의 선회 속도와 사항각에 따른 작용하는 유체력을 얻고, Sway-Yaw 운동에 따른 KCS 조종 미계수를 추정하였다. 선회 시험에서는 계산 격자 해상도가 높을수록 얻어진 유체력 결과가 모형 시험 결과에 수렴하는 것을 확인할 수 있었고, 조종 해석에는 더 조밀한 계산 격자가 사용되어야 함을 확인하였다.
foamStar를 활용한 가상 구속모형시험 수치 해석이 KCS 선형의 조종 계수 추정이 가능함을 확인하였고, KCS 선형에 대해 얻어진 조종 미계수가 모형 시험 및 타 전산유체역학 수치 결과와 유사함을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구 배경 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
• 1.2 수학적 모델 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
• 1.3 해석 솔버 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
• 1.4 연구 방법 및 범위 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
• 제 2 장 이론적 배경 4
• 2.1 지배 방정식 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
• 2.1.1 단상 유동 (Mono-phase flow) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
• 2.1.2 다상 유동 (Multi-Phase flow) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
• 2.1.3 난류 모델 및 유체 점성( . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
• 2.1.4 경계조건 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
• 2.2 운동 방정식 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
• 제 3 장 수치적 방법 9
• 3.1 유한 체적의 공간적분 기법 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
• 3.1.1 격자계 구성법 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
• 3.1.2 Cell과 Face 중심 값 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
• 3.1.3 Cell - Face 보간법 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
• 3.1.4 Face 에서 Cell 중앙으로의 재구성(reconstruction) . . . . . . . . . . . . 14
• 3.1.5 발산 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
• 3.1.6 면의 법선 구배(Normal Gradient) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
• 3.2 시적분(Time Integration) 기법 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
• 3.2.1 Implicit Euler Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
• 3.2.2 Second-order Backward Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
• 3.2.3 Modified Second-order Backward Method . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
• 3.2.4 이동 격자계에서의 유한 체적 기법 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
• 3.3 솔버 알고리즘 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
• 3.3.1 Set ∆t & time update And Update weight field . . . . . . . . . . . . . . 20
• 3.3.2 PIMPLE Loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
• 제 4 장 해석 결과 22
• 4.1 저항 수치 해석 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
• 4.1.1 형상 및 해석 조건 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
• 4.1.2 사용 수치 기법 및 조건 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
• 4.1.3 저항 수치 해석 결과 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
• 4.2 사항 수치 해석 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
• 4.2.1 형상 및 해석 조건 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
• 4.2.2 사항 시험 수치 모사 방법 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
• 4.2.3 사항 수치 해석 결과 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
• 4.3 선회 수치 해석 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
• 4.3.1 형상 및 해석 조건 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
• 4.3.2 선회 시험 수치 모사 방법 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
• 4.3.3 선회 수치 해석 결과 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
• 제 5 장 결론 46
• 5.1 연구 수행 및 방법 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
• 5.2 정수 중 KCS 선형의 저항 수치 해석 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
• 5.3 정수 중 KCS 선형의 사항 수치 해석 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
• 5.4 정수 중 KCS 선형의 선회 수치 해석 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
• 5.5 연구의 한계점 및 향후 연구 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
• 5.5.1 주요 결론 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
• 5.5.2 향후 연구 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47