Ship Resistance Analysis using CFD Simulations in Flow-3D

Flow-3D CFD 시뮬레이션을 이용한 선박 저항 분석

연구 배경

• 선박 설계 시 추진 시스템의 효율성을 결정하는 핵심 요소 중 하나는 선박 저항(항해 중 발생하는 해양 저항)이다.
• 선박 저항은 선박의 연료 소비와 환경 영향을 좌우하며, 초기 설계 단계에서는 Holtrop-Mennen (HM)과 같은 통계적 방법을 주로 사용한다.
• 완성된 3D 선체 디자인이 마련되면 CFD 시뮬레이션이나 축척 모델 실험을 통해 보다 정밀한 저항 값을 산출할 수 있다.
• 본 연구는 RoPax 여객선을 대상으로 Flow-3D 소프트웨어를 활용하여 다양한 선박 속도에서의 저항을 계산하고, 이를 HM 방법과 비교·분석하는 데 목적이 있다.

연구 방법

1. CFD 시뮬레이션 수행
   • 소프트웨어: Flow-3D를 사용하여 3차원 Navier-Stokes 방정식을 풀어 선박 주변의 자유 표면 유동을 해석.
   • 메쉬 기법: FAVOR (Fractional Area-Volume Obstacle Representation) 기법을 이용한 ‘Free Gridding’으로 복잡한 선체 형상을 간단하게 모델링.
   • 경계조건: 입구에 유속 조건(선박 속도에 해당하는 값)과 해수의 깊이를 설정하여 실제 해양 조건을 반영.
   • 난류 모형: RANS k-ε 모델을 사용하여 난류 효과를 고려.
2. 메쉬 민감도 분석
   • 다양한 격자 크기를 적용하여 결과의 민감도를 평가하고, 최적의 해상도와 계산 시간을 확보함.
3. 비교 분석
   • CFD 시뮬레이션 결과로 도출된 선박 저항 값을 Holtrop-Mennen (HM) 방법의 예측값과 비교.
   • 낮은 선박 속도(10 knots)에서는 CFD 결과와 HM 방법 간의 차이가 미미하나, 속도가 증가할수록 CFD 결과가 HM 예측보다 크게 증가하는 경향을 분석.

주요 결과

• 저항 값 비교:
  • 10 knots에서 CFD 시뮬레이션 결과는 HM 방법과 유사하였으나, 15 knots 이상에서는 CFD 결과가 HM 방법보다 현저히 높은 저항 값을 나타냄.
  • 예를 들어, 20 knots에서는 HM 방법 대비 약 35% 높은 저항 값이 나타났으며, 24 knots에서는 약 32% 차이가 발생함.
• 메쉬 민감도:
  • 더 미세한 메쉬(최종적으로 Mesh 3 사용)에서 시뮬레이션된 저항 값은 거친 메쉬에 비해 낮은 값을 보여, 격자 크기가 결과에 미치는 영향을 확인함.
• 선박 속도에 따른 변화:
  • 선박 속도가 증가할수록 파 생성 및 파 부서짐으로 인한 추가 저항이 크게 기여하며, 이는 선박 저항의 비선형적인 증가로 나타남.

결론 및 향후 연구

• Flow-3D를 활용한 CFD 시뮬레이션은 선박 저항을 예측하는 데 효과적인 도구임을 확인하였다.
• 특히, 고속 조건에서 CFD 결과는 HM 방법보다 높은 저항 값을 산출하며, 이는 파 저항의 기여를 반영한 결과로 해석된다.
• 향후 연구에서는 다른 난류 모형(예: Wilcox k-ω, RNG k-ε)과의 비교, 실제 모델 테스트(예: 축척 모델 실험)와의 추가 검증을 통해 CFD 해석의 정확성을 더욱 향상시킬 필요가 있다.
• 본 연구 결과는 선박 설계 및 최적 운항 속도 결정 등 실무에 유용한 참고 자료로 활용될 수 있다.

Reference