선박 저항 – KCS(KRISO Container Ship)

개요

본 예제는 자유수면을 포함하는 선박의 저항 해석에 대한 검증 문제이다. 대상 선형은 KCS이며 아래 논문의 결과와 비교하였다. 자유수면 계산을 위해 interFoam 솔버를 사용하고, LTS(Local Time Step) 기법을 사용하는 정상상태 계산이며 난류모델은 SST k-$\omega$를 사용한다.

Ref) Measurement of flows around modern commercial ship models, Kim,W J.Kim, Van, S H, Kim, D H, Experiments in Fluids, 2001

계산 및 실험 조건은 다음과 같다.

선박의 속도 : 2.196
기준 면적(침수면적, wetted surface area) : 9.5121
draft : 0.3418(격자에서 z좌표는 0)

프로그램의 구동 및 격자

프로그램 실행 후 [새 작업(New Case)]를 선택한다. 시작 창에서 [솔버 유형(Solver Type)]은 [압력기반(Pressure-based)]를, [다상유동 모델(Multiphase Model)]은 [Volume of Fluid]를 선택한다. 중력은 (0 0 -9.81)로 설정한다.

격자는 주어진 polyMesh 폴더를 활용한다. 상단 탭에서 [파일(File)]-[격자 불러오기(Load Mesh)]-[OpenFOAM]을 순서대로 클릭하고 polyMesh 폴더를 선택한다.

기본조건(General)

정상상태 계산이기 때문에 모든 설정은 디폴트 조건을 사용한다. 시작 창에서 설정한 중력이 표시된다. 시작 창에서 중력을 주지 않았을 때 여기서 설정할 수 있다.

모델(Models)

난류 모델은

모델을 사용하고 나머지는 디폴트 조건을 사용한다.

물질(Materials)

본 예제는 이상유동이므로 두 개의 유체가 필요하다. [물질(Material)]의 상단 오른쪽의 (+)를 누르면 유체를 추가할 수 있다. water-liquid를 추가하고 이름을 water로 바꾸어 준다.

각 유체의 물성치는 다음과 같이 설정한다.

water
- 밀도 : 1000
- 점성계수 : 0.001
air
- 밀도 : 1.225
- 점성계수 : 1.79e-5

셀존 조건(Cell zone Conditions)

[셀존 조건(Cell Zone Conditions)]에는 region0가 있다.(다중영역일 때는 여러개의 영역이 표시된다.) 영역의 유체를 설정한다. region0를 더블 클릭하면 설정창이 열린다. [첫번째 유체(Primary Material)]은 Air, [두번재 유체(Secondary material)]은 water로 지정한다.

표면장력(Surface Tension)은 0을 사용한다.

경계조건(Boundary Conditions)

경계조건은 다음과 같이 설정한다.

far_inlet : 입구 속도(Velocity Inlet)
- 속도 크기 : 2.196
- 난류 강도(Turbulent Intensity) : 1
- 난류 점도 비율(Turbulent Viscosity Ratio) : 10
- 체적분율(Volume Fraction, water) : 0

far_outlet : 개수로 출구(Open Channel Outlet)
- 속도 크기(Umean) : 2.196
- 난류 강도(Turbulent Intensity) : 1
- 난류 점도 비율(Turbulent Viscosity Ratio) : 10

far_top : 출구 압력(Pressure Outlet)
- 전압력(Total Pressure) : 0
- 유입류 난류 강도(Backflow Turbulent Intensity) : 1
- 유입류 난류 점도 비율(Backflow Turbulent Viscosity Ratio) : 10
- 유입류 체적분율(Backflow Volume Fraction, water) : 0

KCS_dummy_hub, KCS_hub_aft, KCS_hub_cap, KCS_hull, KCS_transom, KCS_deck : 벽면(wall)

centerplane, far_side, far_bottom : 대칭(symmetry)

기준값(Reference Values)

유체력계수를 계산하기 위한 기준값을 다음과 같이 설정한다.

면적 : 4.75605(대칭 조건을 사용하므로 침수면적의 절반)
밀도 : 1000
길이 : 7.2786
속도 : 2.196

수치해석 기법(Numerical Conditions)

수치해석 조건은 다음과 같이 설정한다.

압력-속도 연성 기법(Pressure-Velocity Coupling Scheme) : SIMPLE
운동량방정식 계산(Use Momentum Predictor) : Off
이산화 기법(Discretization Schemes) : 압력은 Momentum Weighted Reconstruct, 나머지는 모두 2차 상류기법(Second Order Upwind)
완화계수(Under-Relaxation Factors) : 모두 1
안정성 향상(Improve Stability) : Off
시간당 반복계산 회수(Max Iteration per Time Step) : 1
압력 보정 회수(Number of Correctors) : 2
다상유동(Multiphase)와 수렴 판정 기준(Convergence Criteria) : 디폴트 사용

모니터(Monitor)

선박의 유체력계수를 모니터링 한다.

Add-Forces 선택 후 다음과 같이 설정한다.

양력 방향(Lift Direction) : (0 0 1)
항력 방향(Drag Direction) : (-1 0 0)
회전 중심(Center of Rotation) : (0 0 0)
경계면(Boundaries) : KCS_dummy_hub, KCS_hub_aft, KCS_hub_cap, KCS_hull, KCS_transom, KCS_deck