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선체 주위 자유 표면 유동을 위한 CFD 코드 Flow-3D 검증

연구 목적

  • 본 논문은 FLOW-3D®를 사용하여 선체 주변의 자유 표면 유동을 수치적으로 분석하고 실험 데이터를 기반으로 검증함.
  • DTNSRDC 5415 전투함 모델을 사용하여 난류 모델 및 수치 해석 기법을 검토함.
  • 총 저항 예측, 파형 분석 및 난류 해석을 수행하여 모델의 신뢰성을 평가함.
  • CFD 시뮬레이션의 한계를 확인하고 메쉬 민감도 및 수치 기법 최적화 방향을 제시함.

연구 방법

  1. 실험 데이터 및 모델 선정
    • 미국 해군이 개발한 DTNSRDC 5415 전투함 모델을 사용하여 수치 해석을 수행함.
    • 프루드 수(Froude Number) 범위: 0.17 ~ 0.4로 설정하여 자유 표면 유동을 시뮬레이션함.
    • 실험 데이터와 비교하여 시뮬레이션 결과의 정확성을 평가함.
  2. FLOW-3D® 시뮬레이션 설정
    • VOF(Volume of Fluid) 방법을 사용하여 자유 표면 추적을 수행함.
    • 난류 모델로 Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS) 및 다양한 이류(advection) 기법을 비교 분석함.
    • 메쉬 독립성 연구를 통해 최적의 격자 해상도를 결정함.
  3. 결과 비교 및 검증
    • 실험 데이터와 비교하여 총 저항(Total Resistance) 예측 정확도를 평가함.
    • 파형 분포 및 자유 표면 형상이 실험과 얼마나 일치하는지 분석함.
    • 프루드 수(Froude Number)에 따른 저항 변화 및 난류 모델의 영향을 검토함.

주요 결과

  1. 총 저항 예측 및 비교 분석
    • 1차 이류 기법(1st order upwind advection scheme) 사용 시, 실험 대비 총 저항이 약 3배 과대 예측됨.
    • ITTC-57 방법을 적용하여 마찰 저항을 보정하면, 실험과의 오차가 절반 수준으로 감소함.
    • 2차 이류 기법(2nd order scheme)을 적용하면 총 저항 예측이 개선되었으나 여전히 약 2배 과대 평가됨.
  2. 파형 및 자유 표면 분석
    • 시뮬레이션에서 자유 표면 형상 및 파형 패턴은 실험과 유사하게 나타남.
    • 파랑 저항(Wave Resistance)은 메쉬 해상도가 높아질수록 실험값과 더 가까워짐.
    • 그러나 경계층 해석이 부족하여 마찰 저항(Frictional Resistance) 예측이 부정확함.
  3. 메쉬 민감도 연구 결과
    • 메쉬 독립성을 완전히 확보하지 못한 상태에서 총 저항이 65%까지 과대 평가됨.
    • 메쉬 해상도를 증가시킬수록 저항값이 감소하지만, 연산 비용이 크게 증가함.
    • 추가적인 연구를 통해 완전한 메쉬 독립성 확보 필요.
  4. 난류 모델 및 수치 기법 평가
    • 2차 이류 기법 + 단조 유지(Monotonicity Preserving) 조합이 가장 적절한 결과를 제공함.
    • 다중 블록 격자(Multi-Block Gridding)와 추가적인 난류 모델 적용이 필요함.
    • 향후 연구에서는 경계층 및 마찰 저항 개선을 위한 고급 난류 모델 적용이 필수적임.

결론

  • FLOW-3D®는 선체 주변 자유 표면 유동의 질적(qualitative) 분석에 적합함.
  • 총 저항 예측은 과대 평가되며, 마찰 저항 해석 능력이 제한적임.
  • 2차 이류 기법 + 단조 유지 기법 적용 시, 실험과의 상관성이 가장 높음.
  • 메쉬 독립성 확보 및 난류 모델 최적화가 추가 연구의 핵심 과제임.

Reference

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