[논문 리뷰] A Comparison of Full-Scale Experimental Measurements and Computational Predictions of the Transom-Stern Wave of the R/V Athena I

Donald C. Wyatt, Thomas C. Fu외 6명|arXiv (Cornell University)|2014. 10. 07.

Magnetic confinement fusion research참고 문헌 2인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 R/V Athena I의 전면 스텐드 웨이브에 대한 현장 측정 LIDAR 데이터를 2개의 ONR 지원 CFD 코드(NFA 및 CFDship-Iowa-V.4)의 수치 예측과 비교한다. 5.4 m/s(10.5 kts)의 습식 테일 스텐드 조건에서 평균 파고 및 붕괴 시작 위치에서의 합리적인 일치를 보였지만, 양 코드 모두 표면 거칠기 및 스펙트럼 성분을 과소 또는 과대 예측하여 격자 해상도 및 난류 모델링의 해결되지 않은 과제를 시사한다. 특히 기포 유인 및 비정상적 추진기 상호작용 문제를 포함한다.

ABSTRACT

Full-scale experimental measurements and numerical predictions of the wave-elevation topology behind a transom-sterned vessel, the R/V Athena I, are compared and assessed in this paper. The mean height, surface roughness (RMS), and spectra of the breaking stern-waves were measured in-situ by a LIDAR sensor over a range of ship speeds covering both wet- and dry-transom operating conditions. Numerical predictions for this data set from two Office of Naval Research (ONR) supported naval-design codes, NFA and CFDship-Iowa-V.4, have been performed. Initial comparisons of the LIDAR data to the numerical predictions at 5.4 m/s (10.5 kts), a wet-transom condition, are presented. This work represents an ongoing effort on behalf of the ONR Ship Wave Breaking and Bubble Wake program, to assess, validate, and improve the capability of Computational Fluid Dynamics (CFD) to predict full-scale ship-generated wave fields.

연구 동기 및 목표

• 현장 규모의 선박에 의한 파도장 예측 능력을 향상시키기 위해 CFD 코드의 예측 능력을 검증하고 개선하는 것.
• CFD 코드 개발 및 검증에 사용할 수 있는 고해상도 현장 측정 데이터를 제공하는 것.
• 두 개의 ONR 지원 CFD 코드(NFA 및 CFDship-Iowa-V.4)가 실제 파고 측정치와 얼마나 일치하는지 평가하는 것.
• 현재 CFD 모델링에서의 핵심 물리적 갭, 즉 난류, 격자 해상도, 기포 유인 영향 등을 규명하는 것.
• ONR 선박 파도 붕괴 및 기포 미세유체 프로그램 내 향후 연구를 위한 기준 데이터셋을 수립하는 것.

제안 방법

• R/V Athena I 후방 여러 거리에서 2D 스캐닝 LIDAR 시스템(20 Hz 샘플링 주기, 2.5 cm 범위 해상도)을 사용해 현장 규모의 LIDAR 측정을 수행하였다.
• LIDAR 시스템은 GPS 및 운동 센서와 동기화된 12m 높이의 타워에 설치되어 시간에 따라 변화하는 자유수면 고도를 고정밀도의 시간 및 공간 해상도로 측정하였다.
• 수치 예측은 두 개의 CFD 코드를 사용하여 생성되었으며, NFA는 카르테시안 격자와 컷셀 경계 처리 방식을 사용하고, CFDship-Iowa-V.4는 URANS/DES와 레벨셋 방법 및 오버랩 격자를 사용한다.
• LIDAR 데이터와 CFD 출력에서 평균 높이, RMS 표면 거칠기, 파고 스펙트럼 등의 파고 통계량을 추출하여 직접 비교하였다.
• 비교를 위해 동적 파고 행동을 분리하기 위해 데이터의 추세 제거를 적용하였다.
• 비교 집중은 붕괴 파고가 활발히 생성되는 5.4 m/s(10.5 kts)의 습식 테일 스텐드 조건에서 이루어졌다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NFA 및 CFDship-Iowa-V.4는 습식 테일 스텐드 조건에서 전면 스텐드 선박 뒤의 평균 파고를 얼마나 정확하게 예측하는가?
• RQ2 CFD 코드들은 현장 규모의 붕괴 테일 스텐드 파고의 표면 거칠기(RMS) 및 스펙트럼 특성을 어느 정도 재현하는가?
• RQ3 왜 두 CFD 코드 모두 LIDAR 측정치와 비교해 스펙트럼 감쇠 및 거칠기 억제 현상이 발생하는가?
• RQ4 해결되지 않은 난류 구조 및 추진기 또는 부착물에 의해 유도되는 비정상적 불안정성이 CFD 예측의 파고 소산에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 기포 유인이 파고 소산에 어떤 역할을 하는가? 그리고 왜 현재 두 CFD 코드 모두 이를 모델링하지 못하고 있는가?

주요 결과

• NFA 코드는 약간 과대 예측했고, CFDship-Iowa-V.4는 과소 예측했지만, 둘 다 붕괴 시작 위치를 합리적으로 잘 예측하였다.
• 양 CFD 코드 모두 후미부의 거칠기 영역에서 표면 거칠기를 과도하게 억제하여 난류 모델링의 해상도 부족 또는 물리 모델 누락을 시사한다.
• 붕괴 시작 시점의 스펙트럼 성분은 NFA에서 처음에 더 높았지만 너무 빨리 감쇠되었고, CFDship-Iowa-V.4는 초기 스펙트럼 성분이 약했지만 감쇠가 덜한 것으로 나타나, 격자 또는 난류 효과가 해결되지 않은 것으로 보인다.
• 스펙트럼 행동의 격차는 부적절한 격자 해상도 또는 추진기 및 부착물에 의해 유도된 비정상적 난류 구조가 모델링되지 않은 데서 기인할 수 있다.
• 현장 데이터에서 명백하게 관측되는 기포 유인은 파고 소산에 기여할 가능성이 높지만, 현재 두 CFD 코드 모두 이를 모델링하지 못하고 있어 핵심 모델링 갭으로 남아 있다.
• LIDAR 시스템은 고해상도 현장 파고 역학을 효과적으로 측정하여 CFD 검증을 위한 새로운 기준이 되었다.