OpenFOAM을 이용한 불규칙파하에서의 선체운동 해석에 관한 연구. 키워드: OpenFOAM 공개 형식; 배의 움직임, 배의 움직임; 불규칙파 불규칙파; 파동 반사 오일러 오버레이 방법;. 또한, eomFoam을 이용하여 Whitenoise 스펙트럼을 기반으로 불규칙파를 구현하고, 불규칙파 중 선체 Heave 및 Pitch 운동 응답 스펙트럼을 계산하여 최종적으로 각 운동에 대한 RAO를 도출하였다.
연구배경 및 목적
특히, EOM 방식은 반사파의 감쇠강도의 최대값을 설정할 수 있어 반사파 발생 시 이 최대값을 조정함으로써 감쇠효율을 최적화할 수 있다는 장점이 있다. 따라서 본 연구에서는 CFD 영역의 정확한 파동 시뮬레이션을 위해 OpenFOAM용 반사파 감쇠 기법 중 하나인 EOM(Euler Overlay Method)을 이용한 eomFoam이라는 솔버를 개발하였고, 적절한 감쇠강도 설정과 감쇠 구역의 크기를 선택하고 지침을 제시하고자 합니다. 또한 eomFoam을 이용하여 선미파(해상추적) 조건에서 선박의 운동응답(상승, 상하운동)을 백색소음 스펙트럼을 기반으로 평가하여 선박 운동 성능 분석에 있어 CFD 기법의 정확성과 적용성을 검토하였다. 나 그거하고 싶어.
연구내용
지배방정식 및 격자계
지배방정식의 비정상항은 2차 정확도 Crank-Nicolson 기법을 이용하여 미분하였고, 대류항과 확산항은 2차 정확도의 선형 upwind-to-upwind 변동기법(Gauss LinearUpwind)을 이용하여 미분하였고, 선형 변형 기술(Gauss 선형)입니다. 또한 수면의 자유유동해석 기법으로는 액체체적(VOF)을 사용하였다. 2차원 파수를 구현하기 위해 그림 1과 같이 2차원 직사각형 영역을 구성하였다. 1 무방향 육면체 메쉬를 전체 메쉬에 적용하는 HEXPRESS 메쉬 도구를 사용합니다.
Euler Overlay Method
코사인 제곱형 가중치 함수가 사용되었습니다. 따라서 두 한계 사이의 속도나 부피 비율의 차이는 그림 2와 같이 사용자가 설정한 0에서 μmax까지 코사인 제곱 형태의 무게에 따라 달라집니다.
파라메트릭 연구
먼저, 파고 측정을 위해 오일러 중첩법(Fig. 4 참조)을 적용한 영역을 제외한 영역(2λ)에 약 500개의 프로브를 설치한다. Table 1은 파라메트릭 연구에 사용된 전체 매개변수를 보여준다. 둘째, 이전 단계에서 선정된 최적의 μmax, 즉 반사계수가 가장 낮은 μmax를 기준으로 입력파형의 초기 파동크기만 변경하여 파동경향에 따른 반사계수를 비교한다.
이때, 파장별 그리드 수와 파장은 이전 단계와 동일하게 구성된다. 다음으로 감쇠부분을 0λ에서 1.25λ로 변경하고, 생성된 반사계수에 따라 EOM이 적용되는 부분의 크기에 따른 감쇠효율이 결정된다. 여기서 μmax*와 Ω*는 각각 파라메트릭 연구의 첫 번째 단계에서 얻은 최적의 μmax와 초기 설정된 파동 주파수를 의미합니다.
파라메트릭 연구의 첫 번째 과정으로 μmax에 따른 반사계수 결과를 Fig. 그림 8은 파도 기울기 변화의 영향을 결정하기 위해 수행된 두 번째 매개변수 연구 절차의 결과를 보여줍니다. 세 번째 과정으로 EOM을 적용한 감쇠 구간의 크기에 따른 반사계수 결과와 시간 간격에 따른 파고를 Fig.
약화대가 없는 경우, 즉 약화법을 적용하지 않은 경우에는 그림 11의 첫 번째 그래프와 같이 초기에 설계된 파동이 파동포락선을 갖는 파동뭉치를 형성하여 부분적인 손상이 발생하게 된다. 이는 정재파(부분 정재파)의 모양과 유사합니다. 그러나 본 연구에서는 감쇠구간 크기 0.75λ와 0.5λ 사이의 반사계수의 차이를 고려하면, 반사파 감쇠 효율 측면에서 감쇠구간을 1λ 이상으로 설정하는 것이 적절하다고 판단되었다. . 이전에 수행된 파라메트릭 연구 결과를 종합하여, eomFoam을 이용하여 파동을 시뮬레이션할 때 도메인 경계에서 발생하는 반사파를 감쇠시키기 위한 지침으로 다음과 같이 제시한다.
불규칙파 구현
향후 고려 대상 선박인 KCS MOERI 모형선(그림 18). 또한, 유의파고를 고려하여 분석 전 설계한 백색소음 스펙트럼(점선)에 비해 유입경계면의 입력파에 대한 입력스펙트럼(x점)의 분산값(m0)이 오차율이 작은 것을 알 수 있다. 약 2.9%로 나타났다.
선체 운동해석
Motion RAOs 검증
정파조건의 경우 전체 영역크기, 수치기법 등 파조건을 제외한 모든 설정을 불규칙파 조건과 동일하게 구성하고 운동해석을 수행하였다. 정규파 모드의 결과와 비교하면, 각 주파수별로 작은 오차는 있지만 전체적인 분포 경향은 유사한 것을 알 수 있다. 본 연구에서는 선박의 운동 성능을 해석하기 위한 CFD 기법의 정확성과 적용 가능성을 알아보기 위해 오픈소스 CFD 프로그램인 OpenFOAM을 이용하여 KCS에 대한 운동 해석을 수행하였다.
결과는 사용한 것과 가까운 것으로 확인되었습니다. 그리고 불규칙파중의 선체 움직임을 분석하기 위해 먼저 eomFoam을 사용하여 불규칙파도를 구현하였습니다. 구현된 불규칙파를 이용하여 움직임에 대한 몸통의 반응을 3차원 영역에서 분석하였다.
이는 다음과 같은 해상 조건에서 수행되었으며, 선체 운동을 처리하기 위해 OpenFOAM에서 제공하는 Mesh morph 방법을 사용하여 요 및 피치 응답을 계산했습니다. 계산된 움직임 응답 시계열에 대한 몸통 응답 스펙트럼을 이용하여 각 움직임(상승 및 피치)에 대한 RAO(Response Amplitude Operator)를 도출했습니다. 마지막으로 이를 검증하기 위해 AQWA와 정파 조건에서 선체 운동 RAO를 구하고 불규칙파 조건과 비교하였다.
정파 결과에서는 약간의 오차가 있으나, 전반적인 추세는 유사한 것으로 확인되었습니다.
