파형 해석 실험

소개글

파형 해석 실험에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 실험 배경

2. 실험 목적

3. 실험 이론

4. 실험 순서 및 방법

5. 실험 결과 분석

6. 결론

7. 참고 문헌

본문내용

게 밝혀지지 않은 유체 운동 현상에 대해서도 수치해석이 가능하게 해주는 물리적 모댈링들이 많이 개발되고 있어서 CFD발달에 깊이를 더해가고 있다.
(2) 전산유체역학(CFD)적용 분야
CFD해석법을 적용하고 있는 여러 분야의 연구들을 개략적으로 살펴보면 다음과 같다. 애너지 절감 선박을 개발하기 위해 선박주위에서 일어나는 파형 및 난류듀동 해석과 고효율의 선박추진기 개발을 위해 프로펠러 주위, 워터제트 추진기의 유체운동 현상으 해석하는데 사용되고 있다, 잠수함의 경우 잠수함 설계 전반에 걸친 유동해석 뿐만 아니라, 유체에 의해 발생하는 소음을 예측하여 소에 의한 추적의 원인을 제거하는 데 적용되고 있다. 거친 파랑 중에 운항하는 선박에 대해 CDF 시뮬레이션하여 선박의 운동형태와 파도에 의해 작용하는 매우 큰 유체력 등을 예측하여 안정적이고 구조적으로 신뢰할 수 있는 선박을 설계하는 데 사용되고 있다.
(3) 전산유체역학(CFD)적용 예
한국해양연구원에서 개발한 수치해석기스템(WAVIS)을 적용하여 실제 선박의 조파현상을 계산한 예를 소개한다.
미 해군에서 공개한 군함(DTMB 5415)은 선수부 아래에 소나(SONAR)가 부착되기 때문에 특이한 모양을 하고 있다. 실제로 이 선박이 운항할 때 받는 저항과 선박이 물의에 만드는 파형을 조사하기 위해 모형시험을 수해하였으며, 해석된 시험자료가 공개되어 있다. 모형시험과 달리 CFD해석법은 정확한 선박의 형상 데이터를 컴퓨터에 입력하여 이 문제에 적합한 유동 방정식을 풀 수 있도록 선체와 유동 영역을 수치적분 또는 미분하기 좋은 형태로 수치 격자계를 만들어 방정식을 풀게 된다.
이러한 과정을 통하여 짧은 시간 내에 얻어진 수치해석 결과를 모형시험결과와 비교 하였다.
위쪽 왼쪽그림에서는 모형시험에서 계측된 파형과 CFD의 결과를 함께 볼 수 있는 데 수치해석의 결과가 물리현상을 매우 잘 묘사하고 있음을 볼 수 있다. 오른쪽 2차원 그림은 선체의 표면에서 측정한 파형과 수치해석으로 구한 파형을 서로 비교하고 있는데 역시 잘 일치하고 있어 CFD의 유동한 면을 확인할 수 있다.
4. 실험 순서 및 방법
① 예인수조에서 실험을 위해 전차에 예인선을 고정시킨다.
② 예인절차를 v=1.238m/s로 끈다.
③ 중간에 설치되어 있는 파고계(wave height)를 이용하여 선박으로 야기되는 파고를 측정한다.
④ 나온 data 값으로 필요한 값들을 계산해낸다.
5. 실험 결과 분석
선측파형 계측(파고계를 통한 계측)
선속 1.238m/s
예인전차와 모형선 사이의 길이 : 1.3m
측정시간 : 파고계를 통하여 측정한 시간
실제이동거리 : 측정시간 * 속도(1.238m/s)
선수기준거리 : 실제이동거리 - 1.3m
무차원화값 : 선수기준거리/Lbp(2.5m)
미드쉽기준 수정값 : 무차원화값 - 0.5
미드쉽기준 : 소수점 둘째자리 까지 정리한 값
파고 : 용량식 파고계를 통하여 측정한 파고
무차원 높이값(m) :
전체 데이터 분석값
예인전차와 모형선의 선수까지의 길이는 1.3m이고 속도는 1.238m/s이기 때문에 이때 걸리는 시간은 1.0501초가 되고, 필요한 마지막 부분의 데이터는 배의길이(2.5m)의 해당하는 2.0194초를 더한 3.069초까지의 데이터를 사용해서 그래프를 그리면 된다. 즉 필요한 데이터는 1.05s~3.069s 까지의 데이터이다.
그래프
6. 결론
이번 실험은 예인수조에서 Series 60 모형선을 예인 전차로 끌어서 파고계로 선측파형을 계측하여 데이터를 얻는 것이었다. 위의 그래프를 살펴볼 때와 실제로 관찰할 때의 파고가 다르다. 이렇게 관측되는 이유는 일단 우리가 눈으로 실제 관측한 선측파형은 파가 생성되고 나서 바로 측정하는 파의 에너지가 가장 높을 때 측정 하는 것이다. 하지만 파고계로 측정해서 얻은 데이터는 모형선이 예인 수조에 의하여 끌려갈 때 우리의 눈과 같은 역할을 하는 파고계의 위치는 좀 더 떨어져 있다. 즉 선측에서 생성되는 파가 가지고 있는 에너지를 조금 잃고서 데이터가 수집이 되는 것이다. 실질적으로 파고계로 측정한 데이터는 에너지를 잃고 있는 상태 이므로 오차 값을 가지고 있다고 해석 할 수 있다. 이런 현상 때문에 파고뿐만 아니라 파들의 크기만 비교해도 알 수가 있다. 관측으로 얻은 파형들이 좀 더 크고 긴 파장으로 나올 것이다. 이 또한 에너지를 더욱더 많이 가지고 있기 때문이다.
이런 오차들을 줄이기 위해서는 파고계의 위치를 모형선에 더욱 가까이 하는 방법이 있을 수 있다. 또한 아예 파고계가 예인 수조에 탑재되어 있는 경우에도 좋은 효과가 있을 거라고 예상된다.
예인 수조에서 실험결과를 이용하여 선박선형 연구에 좋은 성과를 거두었고 발전이 있었다. 우리가 관측했던 선측 파들은 배의 Froude수 즉 배의 속도의 따라 그 길이가 달라 지는데 이에 따라서 보강과 상쇄의 간섭효과가 일어나게 된다. 이에 따라서 선박에 큰 조파저항이 걸리기도 하고 그렇지 않은 경우도 있다. 이런 선측파형 실험을 통해서 그 배의 적당한 길이와 속도가 정해지게 된다. 또한 최적화 선형설계를 통해서 Blub가 생기는데 이에 따라 파고가 가장 큰 선수파의 영향을 줄여서 배 전제의 조파 저항을 줄이는 경우도 있다. 이렇듯이 우리가 했던 이번의 실험은 선박의 저항을 줄이는데 많은 연구가 이루어 졌고 앞으로도 이루어질 것이라는 것을 알게 되었다.
7. 참고 문헌
◎ 임상전, 기본조선학, 대한교과서주식회사, 서울, 1986.
◎ 강신형, 이영길, \"Longitudinal cut 파형해석의 응용을 위한 특성 연구\", 대한조선학회, 1981.
◎ 김선진, 이승준, \"Neumann-Kelvin 이론을 사용한 조파저항 계산\", 대한조선학회, 1992.
◎ 강창구, 김세은, \"고차 판요소법을 이용한 몰수체의 조파저항 계산\", 대한조선학회, 1992.
◎ 김희정, 전호환, \"비선형 최적화 기법에 의한 최소 조파저항 선형 생성\", 대한조선학회, 2000.
◎ http://www.kordi.re.kr/chongseo/vol8/vol8_08_04.asp
“전산유체역학(CFD:Computational Fluid Dynamics)”

키워드

파형,   해석,   최적 선형,   Trim,   설계 속도