CFD를 이용한 활주형선의 항주자세 및 저항특성 연구

Abstract

전산유체역학(CFD)을 이용한 선형 설계는 컴퓨터의 데이터 처리 속도의 기하학적 발전에 비례하여 급속도로 이뤄지고 있는 실정이다. CFD는 비교적 짧은 시간에 저렴한 비용으로 선형 평가가 가능하면서도 모형시험에 비해 선형 설계에 직접 반영할 수 있는 상세한 정보를 줄 수 있다는 장점이 있어 대형 화물선 분야 뿐만 아니라 활주형선(Planing hull)과 같은 소형 선박의 설계에도 많은 활용이 기대되고 있다.[2] 대형선박에 대한 CFD 해석은 이미 그 체계가 정립되어 실제 선형 설계에 활발하게 활용되고 있으나 전체 배수량의 50~90%를 유체 동역학적인 힘에 의해 선체가 부상하는 활주형선의 경우 선속에 따라 달라지는 항주자세의 예측이 어려워 CFD를 이용한 저항추정이 쉽지 않다. 한편 활주형선은 일정한 선속 이상에서 유체 동역학적인 힘에 의해 활주상태가 되어 선체에 작용하는 조파저항과 점성저항이 줄어들게 된다. 따라서 활주형선의 저항추정에는 정확한 항주자세의 예측이 요구되어진다. 활주형선이 활주상태가 되면 힘과 모멘트의 평형이 이루어지게 되고 그때의 흘수와 트림으로 인한 항주자세는 수직방향의 양력과 힘의 중심 위치에 큰 영향을 받는다. 본 연구에서는 저항 성능과 밀접한 관련이 있는 항주자세를 예측하기 위해 Ansys V.14.5 CFX의 VOF기법을 이용하여 선미 트림각도 및 흘수를 설계변수로, 선체 표면에 작용하는 수직방향 힘과 힘의 중심을 목적함수로 사용하여 최적화 과정을 이용하였다. 그리고 최적화를 통해 얻은 CFD 계산 결과를 Clement 등의 모형실험 결과와 비교함으로써 활주형선의 선형 설계를 위한 CFX 점성 유동해석 계산 프로그램의 활용 방법에 대한 유용성을 파악하고자 하였다.