[논문 리뷰] An Integrated Experimental and Computational Investigation into the Dynamic Loads and Free-surface Wave-Field Perturbations Induced by Head-Sea Regular Waves on a 1/8.25 Scale-Model of the R/V ATHENA

Toby Ratcliffe, Lisa Minnick외 4명|arXiv (Cornell University)|2014. 10. 07.

Ship Hydrodynamics and Maneuverability참고 문헌 3인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 R/V ATHENA의 1/8.25 스케일 모델에서 정규파에 의해 유도된 동적 하중과 자유수면 파동장 변동성을 통합된 실험 및 수치적 분석을 통해 수행한다. 힘 측정과 정량적 레이저 빛판 시각화를 통해 연구자들은 NFA CFD 코드의 수치 예측을 검증하였으며, 파동장 변동성에 대해 82%에서 96%의 상관계수를 도출하였고, 프루드 수 0.25와 0.43에서 수평 및 수직 하중에 대해 높은 일치도를 보였다.

ABSTRACT

A 1/8.25 scale-model of the U.S. Navy Research Vessel ATHENA was tested in regular head-sea waves to obtain data for validation of computational fluid dynamics (CFD) predictive tools. The experiments were performed in the David Taylor Model Basin at the Naval Surface Warfare Center (NSWC). With the model towed fixed in head-seas, horizontal and vertical loads on the model were obtained at two Froude numbers, $F_r=0.25$ and $F_r=0.43$. The model was run at two conditions of head-sea wavelengths corresponding to $λ=2L_o$ and $λ=1/2L_o$ with $H/λ=0.03$, where $L_o$ is the length of the model and $H=2 a$ is the wave height. The wave field perturbations induced by the head-sea waves were quantified from free-surface images generated by a laser light sheet. Predictions of the horizontal and vertical loads on the model in regular head sea waves were made with the Numerical Flow Analysis (NFA) code. Numerical predictions of the wave-field perturbations were compared with the experimental data and the correlation coefficients have been computed.

연구 동기 및 목표

• CFD 검증을 위한 파동 유도 동적 하중과 자유수면 파동장 변동성에 대한 종합적인 실험 데이터 세트를 확보하기 위해.
• 다양한 프루드 수와 파장에서 정규 헤드 시 파동 조건 하에서 군용 전투함 형상(R/V ATHENA)의 거동를 조사하기 위해.
• 스케일드 모델에서의 고정밀 실험 측정을 통해 유체역학적 수치 예측(CFD)을 검증하기 위해.
• 국제 CFD 공동체가 파도에서의 선박 유체역학 예측 능력을 향상시키기 위해 벤치마크 데이터 세트를 제공하기 위해.

제안 방법

• NSWC의 데이비드 테일러 모델 베이스에서, 1/8.25 스케일 R/V ATHENA 모델을 두 프루드 수(Fr = 0.25 및 0.43)에서 고정 상태로 이동시켜 모델 시험을 수행하였다.
• 두 종축 위치(x/L₀ = 0.25 및 0.81)에서 Kistler 6성분 힘 측정계를 사용하여 수평 및 수직 힘을 측정하였다.
• 비침습적 정량적 시각화(Q-Viz) 레이저 빛판 시스템을 사용하여 자유수면 파동장 변동성을 정량화하였다.
• 10 Hz 샘플링 속도로 초음파 거리 측정 센서(ToughSonic TS-15S-IV)를 사용하여 파고 데이터를 수집하였다.
• 크레이 XT3 슈퍼컴퓨터에서 384개의 계산 노드를 사용하고 고해상도 격자(100,663,296점)를 적용하여 NFA 코드를 사용한 3차원 CFD 시뮬레이션을 수행하였다.
• 파도 생성기 경계 조건을 적용하고, 임시 효과를 최소화하기 위해 0.5주기의 램프업을 사용한 시간 평균 파도 힘을 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 프루드 수 0.25와 0.43에서 정규 헤드 시 파동 조건 하에서 1/8.25 스케일 R/V ATHENA 모델의 동적 하중(수평 및 수직)은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 수치적 CFD 예측의 파동장 변동성은 레이저 빛판 시각화로부터의 실험 측정과 어느 정도 일치하는가?
• RQ3 만남 파동 주기의 다양한 단계에서 실험 및 수치 예측의 자유수면 파동 패턴 간 상관관계는 어떠한가?
• RQ4 파장(λ = 1/2L₀ 및 λ = 2L₀)과 파고 경사도(H/λ = 0.03)는 하중 및 파동장 반응에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 하중 및 파동장 거동에 영향을 미치는 주요 물리적 메커니즘(예: 수압, 파도 붕괴, 구조 진동 등)은 무엇인가?

주요 결과

• 수치적 예측된 수평 및 수직 하중은 실험 측정과 높은 일치도를 보였으며, 특히 파장이 긴 경우(λ = 2L₀)에서 두드러졌다.
• 만남 파동 주기의 여덟 단계에 걸쳐 실험 및 수치 파동장 변동성 간 상관계수는 0.8191에서 0.9612 사이로 변동하였다.
• 가장 높은 상관계수(0.9612)는 Tₑ/4에서 관측되어 파tern 패턴 예측의 우수한 위상 일치를 나타내었다.
• 수치 시뮬레이션에서 선수 부근에 큰 플랑킹 브레이커가 형성되었고, 선미 부근에 두드러진 로스터 테일이 발생하여 실험 관측과 일치하였다.
• 긴 파장의 경우 고조파에서의 격차는 모델 고정 장치의 구조 진동으로 인한 것으로 기인되었다.
• 정제된 모델 기하 구조의 IGES 파일을 포함한 데이터 세트는 CFD 검증 및 코드 개발을 위해 공개되어 있다.