Wave pattern at sea surface at 20 knots (10.29 ms) for mesh 1

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

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Evaluation of Pedestrian Safety for Wave Overtopping by Ship-Induced Waves in Waterfront Revetment

Evaluation of Pedestrian Safety for Wave Overtopping by Ship-Induced Waves in Waterfront Revetment

Young-Ki Moon, Chang-Ill Yoo, Jong-Min Lee, Sang-Hyub Lee, Han-Sam Yoon

Author Affiliations +J. of Coastal Research, 116(sp1):314-318 (2024). https://doi.org/10.2112/JCR-SI116-064.1

Abstract

Moon, Y.-K.; Yoo, C.-I.; Lee, J.-M.; Lee, S.-H., and Yoon, H.-S., 2023. Evaluation of pedestrian safety for wave overtopping by ship-induced waves in waterfront revetment. In: Lee, J.L.; Lee, H.; Min, B.I.; Chang, J.-I.; Cho, G.T.; Yoon, J.-S., and Lee, J. (eds.), Multidisciplinary Approaches to Coastal and Marine Management. Journal of Coastal Research, Special Issue No. 116, pp. 314-318. Charlotte (North Carolina), ISSN 0749-0208.

In the past, Busan North Port was redeveloped as a commercial and cultural center as its competitiveness declined as a conventional port and the need for urban regeneration in the old city center was raised. In particular, the waterfront and leisure space were created between the marina and the international passenger terminal for sustainable urban development from Busan North Port Redevelopment Project. However, since there is a high possibility of ship-induced wave due to large cruise ships and speeding vessels, and it is necessary to study the safety of pedestrians on sloping revetments with easy access to the shore. In addition, there is no study on the systematic standard setting to secure pedestrian safety due to generation of wave overtopping caused by ship-induced wave. Therefore, this study performed scenario of generation by ship-induced wave from simulation using Flow 3D based on the data of Lee (2022), who analyzed the 5-year ship operation data that entered Busan Port and suggested the scenario of the occurrence of the sailing frequency. At this time, based on the result of calculating the vertical revetment, the relative wave overtopping volume of the sloping revetment, which simplified the waterfront space, was compared, and the minimum safety distance concept for pedestrian safety was presented by analyzing the distance at which the maximum wave overtopping from the shoreline occurred.

과거에 부산 노스 포트 (Busan North Port)는 경쟁력이 기존의 항구로 감소하고 구시대의 도시 재생의 필요성이 높아짐에 따라 상업 및 문화 센터로 재개발되었습니다. 특히, 워터 프론트와 레저 공간은 마리나와 국제 여객 터미널 사이에 Busan North Port 재개발 프로젝트의 지속 가능한 도시 개발을위한 국제 여객 터미널 사이에 만들어졌습니다.

그러나 대형 유람선과 과속 선박으로 인한 선박으로 인한 파도의 가능성이 높기 때문에 해안에 쉽게 접근 할 수있는 보행자의 보행자의 안전을 연구해야합니다. 또한, 선박으로 인한 파도로 인한 파도의 생성으로 인해 보행자 안전을 확보하기위한 체계적인 표준 설정에 대한 연구는 없습니다.

따라서 이 연구는 부산 포트에 입력 한 5 년의 선박 운영 데이터를 분석하고 항해 빈도. 이 시점에서 수직 회귀 계산의 결과에 따라, 워터 프론트 공간을 단순화 한 경사 회귀의 상대적 파도를 과도하게 비교하고, 보행자 안전을위한 최소 안전 거리 개념은 거리를 분석함으로써 제시되었다. 해안선에서 오버 팅하는 최대 파도가 발생했습니다.

KEYWORDS

safety distance; ship operation data; Sloping revetment

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CFD assessment of the wind forces and moments of superstructures through RANS

RANS를 통한 상부구조물의 풍력 및 모멘트에 대한 CFD 평가

HiroshiKobayashiaKenichiKumeaHideoOriharabTakuroIkebuchicIchiroAokidRyoYoshidaeHisafumiYoshidabTomohiroRyufYujiAraigKosukeKatagirihSeijiIkedaiShotaYamanakajHideakiAkibayashikShujiMizokamil

Abstract

풍동시험 및 회귀식과 더불어 선박의 설계단계에서 상부구조물의 풍력 및 모멘트를 추정하기 위한 방법으로 수치해석이 사용되기 시작하였다. 그러나 상부구조물 주변의 그리드 의존성을 검증하기 위한 구체적인 접근방법은 제시되지 않았으며, 계산조건의 차이가 결과에 미치는 영향의 정도는 아직 체계적으로 규명되지 않았다. 

따라서 그리드 민감도 분석에 대한 새로운 접근 방식이 수행됩니다. 계산된 결과에 대한 일부 계산 조건의 영향은 JBC(Japan Bulk Carrier) 모델과 함께 overset grid 기술이 있는 사내 솔버를 사용하여 조사되었습니다. 선체와 선루의 그리드 민감도를 별도로 검증하는 방법은 두 가지를 동시에 검증하는 방법과 동일한 결과를 얻을 수 있다. 상부 구조의 그리드 민감도 분석은 선체와 별도로 수행할 수 있습니다. 

포괄적인 비교 연구에서는 탱크 크기의 막힘 효과가 미미함, 정상 상태 계산이 비정상 계산뿐만 아니라 추정할 수 있음, 벽 함수를 물체 표면에 적용할 수 있음, 입사 흐름의 바람 프로파일의 차이 등 5가지 결과를 보여줍니다. 전단유동의 운동량 적분에 기초한 정규화에 의해 회복될 수 있으며, 1.0×106 그 이상이면 레이놀즈수 효과를 고려할 필요가 없다. 다른 선박 유형에 대한 계산도 수행됩니다. 

계산 결과는 측정 데이터와 잘 일치하는 반면 회귀식은 측정 데이터와 차이가 있는 경우가 있습니다. 위의 연구는 정상 상태 CFD 해석이 다양한 선박 유형에 대한 풍동에서 선박 모델의 풍력 및 상부 구조 모멘트를 추정하는 데 가능하고 실행 가능함을 보여주었습니다.

In addition to wind tunnel tests and regression formulae, numerical simulation has begun to be used at the design stage of ships as a method for estimating the wind force and moments of superstructures. However, no specific approach has been proposed to verify the grid dependence around superstructures, and the degree to which differences in computational conditions affect the results has not yet been systematically clarified. Therefore, a new approach to grid sensitivity analysis is carried out. The effect of some computational conditions on the computed result is investigated using an in-house solver with an overset grid technique with a Japan Bulk Carrier(JBC) model. The method that verifies the grid sensitivity of the hull and the superstructures separately can obtain equivalent results to the method of simultaneously verifying both of them. The grid sensitivity analysis of the superstructures can be performed separately from the hull. The comprehensive comparative study reveals five findings: the blockage effect of the tank size is slight, the steady-state computation is capable of estimating as well as unsteady computation, wall function can be applied to object surfaces, a difference of wind profiles of incident flow can be recovered by the normalization based on the momentum integration in a shear flow, and the Reynolds number effect does not need to be considered if it is greater then 1.0×106. The computations for other ship types are also performed. The computed results show good agreement with the measured data, while the regression formula shows differences from the measured data in some cases. The above study has shown that steady-state CFD analysis is capable and viable in estimating the wind forces and moments of superstructures of a ship model in a wind tunnel for various ship types.

CFD assessment of the wind forces and moments of superstructures through RANS
CFD assessment of the wind forces and moments of superstructures through RANS

Keywords

바람의 힘과 모멘트, CFD 분석, 풍동, 상부구조, 그리드 민감도 분석,

Wind forces and moments, CFD analysis, Wind tunnel, Superstructures, Grid sensitivity analysis

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