[논문 리뷰] A Comparison of Model-Scale Experimental Measurements and Computational Predictions for a Large Transom-Stern Wave

David Drazen, Anne M. Fullerton외 9명|arXiv (Cornell University)|2014. 10. 07.

Ship Hydrodynamics and Maneuverability참고 문헌 6인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 대형 트랜섬선 스텐 프로펠러 파도에 대해 고해상도 모형 실험 측정값(리모트 레이저 및 QViz 센서 사용)을 두 가지 CFD 코드(NFA 및 CFDship-Iowa-V.4)의 수치 예측 결과와 비교하여 습식 및 건식 트랜섬 조건에서 검토하였다. 결과적으로 파도 높이, 항력 및 스펙트럼 특성에서 뛰어난 일치를 보이며, 현재 복잡한 붕괴 파도 유동을 위한 CFD 능력의 타당성을 입증하였다.

ABSTRACT

The flow field generated by a transom stern hull form is a complex, broad-banded, three-dimensional system marked by a large breaking wave. This unsteady multiphase turbulent flow feature is difficult to study experimentally and simulate numerically. Recent model-scale experimental measurements and numerical predictions of the wave-elevation topology behind a transom-sterned hull form, Model 5673, are compared and assessed in this paper. The mean height, surface roughness (RMS), and spectra of the breaking stern-waves were measured by Light Detection And Ranging (LiDAR) and Quantitative Visualization (QViz) sensors over a range of model 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, Numerical Flow Analysis (NFA) and CFDship-Iowa-V.4, have been performed. Comparisons of experimental data, including LiDAR and QViz measurements, to the numerical predictions for wet-transom and dry transom conditions are presented and demonstrate the current state of the art in the simulation of ship generated breaking waves. This work is part of an ongoing collaborative effort as part of the ONR Ship Wave Breaking and Bubble Wake program, to assess, validate, and improve the capability of Computational Fluid Dynamics (CFD).

연구 동기 및 목표

• 트랜섬선 형상 뒤의 복잡한 비정상적 3차원 붕괴 파도를 예측하는 최신 CFD 시뮬레이션의 정확도를 평가하기 위해.
• CFD 검증을 위한 기준이 되는 고해상도 실험 데이터를 제공하기 위해 대규모 모형 시험(Model 5673)을 수행하기 위해.
• ONR 지원 CFD 코드 두 종류(NFA 및 CFDship-Iowa-V.4)가 다양한 트랜섬 조건(습식 및 건식)에서 어떻게 성능을 발휘하는지 평가하기 위해.
• RMS 파도 거칠기 및 스펙트럼 패tern의 불일치를 규명하여未래 CFD 개선 방향을 제시하기 위해.
• ONR 해군 전투함 파도 붕괴 및 기포 유동 프로그램을 지원하기 위해 CFD 도구의 검증 및 정밀화를 통해 해군 전투함 설계에 기여하기 위해.

제안 방법

• NSWCCD Carriage 2 투링 탱크에서 모형 규모 실험을 수행하였으며, 변동 가능한 스텐 드래프트를 가진 특수 제작된 플라스틱 모형 5673을 사용하였다.
• 프루드 수 0.38 및 0.43 범위에서 평균 파고, 표면 거칠기(RMS), 파도 스펙트럼 측정을 위해 리모트 레이저 및 정량적 시각화(QViz) 센서를 활용하였다.
• 자유 표면 경계 조건을 사용하는 컷셀 경계 처리 기법을 적용한 카르테시안 격자 기반의 나비에-스토크스 해석기인 NFA 코드를 사용하여 수치 시뮬레이션을 수행하였다.
• 레벨셋 방법, 보존형 수식, 동적 오버스팅 격자 구조를 사용하는 비정상적 URANS/DES 코드인 CFDship-Iowa-V.4를 적용하여 자유 표면 유동을 시뮬레이션하였다.
• 항력, 평균 파도 높이, 파도 컷, FFT 스펙트럼, RMS 프로파일을 기준으로 시뮬레이션 결과를 실험 데이터와 비교하였다.
• 공기 유입 및 시어 레이어 영향을 분석하여 파도 높이 데이터의 스펙트럼 피크를 해석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NFA 및 CFDship-Iowa-V.4는 습식 및 건식 트랜섬 조건에서 트랜섬선 형상의 평균 파도 높이 및 항력을 얼마나 정확하게 예측하는가?
• RQ2 CFD 시뮬레이션은 실험 파도 스펙트럼, 특히 주요 주파수 및 RMS 거칠기를 어느 정도 재현하는가?
• RQ3 로스터 테일 아래의 다상유동 시어 레이어는 파도 높이 스펙트럼 피크를 생성하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 왜 CFDship-Iowa-V.4는 리모트 레이저 데이터에는 나타나지 않는 어깨 파도를 예측하는가?
• RQ5 특히 건식 트랜섬 영역에서 예측된 파도 분산 각도와 측정된 각도는 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• NFA는 자유 슬립 경계 조건을 사용하고도 항력, 자유 표면 높이 및 공기 유입 예측에서 실험 오차 범위 내에서 뛰어난 일치를 보이며 강력한 일치를 확인하였다.
• CFDship-Iowa-V.4는 습식 트랜섬 조건에서 평균 파도 높이 예측이 실험 데이터의 4.5% 이내, 건식 트랜섬 조건에서는 6.5% 이내로 일치하였다.
• 습식 트랜섬 파도의 주요 주파수는 실험 값과 0.1% 이내로 예측되었으며, 스트로하우일 수가 0.075인 카르만 유사 빛개비 방출 현상과 일치하였다.
• 건식 트랜섬 조건에서 파도 분산 각도가 18% 과소 예측됨에 따라 RMS 및 파도 컷 비교에서 더 큰 오차가 발생하였다.
• 두 CFD 코드 모두 트랜섬 근처에서 어깨 파도를 예측하였지만, 리모트 레이저 측정에서는 이를 관측하지 못하여 모델링 오류로 보인다.
• CFDship-Iowa-V.4 시뮬레이션에서 전단 영역의 난류 운동 에너지가 총 에너지의 92% 이상을 차지하여 LES 활성화에 충분한 격자 해상도를 확보하였다.