본 연구는 Reynolds-averaged Navier–Stokes(RANS) 기반 전산유체역학(CFD)을 사용하여 고속 쌍스크류(single-skeg) 표면 선박의 전선(全船) 스케일 자항(自航) 추진 성능을 종합적으로 추정하는 내용을 제시한다. 저항, 프로펠러 개방수역 특성, 그리고 자항 거동은 전선 스케일 CFD 해석에서 핵심 요인으로 확인된 표면 거칠기에 관한 최근 벤치마크 데이터를 반영함으로써 분석되었다. 수치 예측은 RANS를 포함한 주요 자항 파라미터들을 KRISO에서 수행된 모형시험으로부터 외삽한 전선 스케일 성능 데이터와 비교하여 검증하였다. 또한 지정된 프로펠러 RPM에서의 추력에 의해 유발된 선수방향(surge) 운동을 파랑 조건 하에서 시뮬레이션하여, 해상시운전 환경을 재현함으로써 선박 속도를 추정하였다. 마지막으로, 처방된 RPM에 대응하는 선박 속도는 CFD 시뮬레이션, 모형시험, 그리고 실제 해상시운전 결과 사이에서 비교되었다.

지구 온난화는 인간 생활의 모든 영역에 영향을 미친다. 해상 운송과 조선 산업 역시 예외가 아니다. 최근 해상 산업에서의 대응은 2050년까지의 제로 배출 달성을 위해 가속되고 있다. 다양한 대체 에너지원이 연구되어 왔으며, 유럽에서의 최근 발전에 따르면 검증된 기술인 윈드십(windship)은 해당 문제를 해결하기 위한 매력적인 후보가 될 수 있는 것으로 나타났다. 본 논문에서는 대체 교통 수단으로서 현대 윈드십의 성능을 추론하기 위해 과거의 대형 돛선(tall ships)과 윈드십의 비차원(non-dimensional) 비율을 연구하고 검토한다. 또한 이러한 비율을 비교하여 현재와 향후의 윈드십(고려 대상)의 위치를 추정한다. 비율 분포와 관련하여, 계획 중인 현재의 윈드십은 과거 대형 돛선보다 항력 보조 추진(wind-assisted propulsion) 선박일 수도 있고, 기능이 덜 완전한 윈드십일 수도 있는 것으로 밝혀졌다.

이 논문은 KRISO가 개발한 비틀린 타우(타)더(twisted rudder)의 저속 캐비테이션 착수 성능을 향상시키기 위한 방향타 날개단(러더 팁) 형상 수정과 수치 시뮬레이션 결과를 제시한다. 먼저, 방향타 성능을 해석하는 데 사용된 RANS 기반 CFD 방법을 검증하기 위해 KRISO LCT 시험에서 얻어진 평판(플랫) 방향타에 대한 수치 결과를 실험 데이터와 비교하였다. 본 연구의 수치 결과는 측정된 방향타 힘, 캐비테이션 발생 및 방향타 표면 압력과의 일치도가 양호함을 보여주었다. KRISO 비틀린 방향타는 고속 조건에서 전 공격각 범위에 걸쳐 캐비테이션 성능 측면에서 평판 방향타보다 우수하였다. 그러나 저속에서의 캐비테이션 착수 각은 기존의 평판 방향타보다 낮았다. 두 가지 개선된 날개단 형상을 설계하였으며, 수치 해석 결과 두 수정 방향타 모두에서 캐비테이션 착수 각이 개선됨이 확인되었다.

방열(열차폐) 실드는 해상 구조물에서 선원(작업자)과 갑판의 장비를 플레어 타워의 격렬한 복사 열유속과 고온으로부터 보호하기 위한 필수 안전 설비이다. 본 연구에서는 복사 열차폐(방열) 실드의 열적 특성을 규명하고, 열유속 및 온도 저감 성능을 정밀하게 예측하기 위해 해상 구조물에서 방열(열차폐) 실드에 관한 일련의 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션을 수행하였다. 복사 열전달 시뮬레이션을 위한 CFD 방법론에 대해 격자, 반복, 시간 단계의 제안과 더불어 대류 효과 및 열유속 센서를 고려한 열전달 물리 모델링 방법을 포함하였다. 또한 천공된 열차폐 실드(perforated heat shield)를 모사하기 위한 스케일링 방법도 제시하였다. 열유속과 온도의 저감 비율은 열차폐 실드가 없는 경우와, 열원 25 kW/m2 조건에서 열차폐 실드로부터의 거리들을 변화시키며 평판 및 천공형 열차폐 실드에 대해 산출하였고, 그 결과를 실험 결과와 비교하였다. 복사 열유속과 온도에 관한 연구에는 해석적 추정 방법이 포함되었으며, CFD 결과에 기반한 열차폐 실드의 성능에 대한 경험식도 제시하였다.

복잡한 추진기 시스템과 제한된 해상시험 정보로 인해 잠수함의 실대(Full-scale) 성능을 정확히 예측하는 것은 어렵다. 본 연구는 신뢰할 만한 방법이 정립되어 있지 않은 상황에서, 잠수함 펌프제트 추진기(pumpjet propulsor)에 대해 모델시험으로부터 실대 성능을 외삽(extrapolation)하는 방법을 조사하였다. ITTC 보고서에 수록된 세 가지 외삽 방법을 검토하고, SUBOFF 잠수함의 펌프제트 추진기에 적용한 뒤 실대 CFD 결과와 비교하였다. 검토된 방법들(방법 1~3) 중에서, 선체의 부속물(애펜다주지)로서 덕(duct)과 스테이터(stator)를 분리하고 POW 시험에 전체 펌프제트를 포함시키되 로터(rotor)의 힘만을 사용하는 방법 3이 가장 합리적이었으나, 특히 PD에서 계산 결과와의 유의미한 차이를 보였다. 본 연구는 로터의 유입 속도를 예측하기 위해 연속체 이론(continuity theory)을 도입하고, 덕과 스테이터의 항력(drag)에 대한 보정 계수를 적용함으로써 방법 3을 수정하였다. 수정된 PJP 외삽 방법 3은 모든 추진 계수(propulsion coefficients)에 대해 실대 CFD 해석 결과와 매우 우수한 일치를 보였으며, PD에서의 최소 오차는 0.45%였다. 스테이터와 더 긴 덕 등과 같은 펌프제트(PJPs)의 구조적 차이에도 불구하고, 속도 변화는 덕의 내부 면적에 의해 지배된다. 따라서 제안된 외삽 방법은 일반적인 덕-장착 추진기(ducted propellers)에도 동일하게 적용 가능하다.

펌프젯 추진기를 장착한 잠수함은 최근 여러 국가에서 추진 성능과 소음 성능을 향상시키기 위해 사용되고 있다. 펌프젯은 덕트 내부의 압력을 증가시켜 소음 및 캐비테이션 성능을 개선할 수 있다는 장점이 있으며, 낮은 전진비에서 효율이 우수하다. 본 연구는 전산유체역학 해석을 통해 SUBOFF 잠수함에 부착된 펌프젯 추진기의 추진 성능을 설계 파라미터의 변동에 따른 함수로 분석하였다. 설계 파라미터로 덕트의 입사각(incidence angle)과 캠버(camber), 그리고 고정익(stator)의 피치 각(pitch angle)을 선정하였다. 설계 파라미터 변동에 따른 추진 성능을 조사하기 위해, 각 경우의 추력(thrust), 토크(torque), 효율(efficiency)을 비교하였고, 각 경우의 속도 및 압력 장(場)을 분석하였다. 또한 효율은 각 경우에 대해 무차원 질량유량 및 면적비 차이를 이용하여 분석하였다. 덕트 입사각은 무차원 유량과 면적비 차이에 가장 지배적으로 기여하였으며, 이 두 요인은 특정 값에서 높은 효율을 나타나게 하였다. 향후에는 캐비테이션 발생 속도(cavitation inception speed)와 캐비테이션을 고려한 추가 연구가 가까운 시일 내에 수행될 것으로 기대된다.

본 연구는 Reynolds-averaged Navier–Stokes(RANS) 기반 전산유체역학(CFD)을 사용하여 고속 쌍스크류(single-skeg) 표면 선박의 전선(全船) 스케일 자항(自航) 추진 성능을 종합적으로 추정하는 내용을 제시한다. 저항, 프로펠러 개방수역 특성, 그리고 자항 거동은 전선 스케일 CFD 해석에서 핵심 요인으로 확인된 표면 거칠기에 관한 최근 벤치마크 데이터를 반영함으로써 분석되었다. 수치 예측은 RANS를 포함한 주요 자항 파라미터들을 KRISO에서 수행된 모형시험으로부터 외삽한 전선 스케일 성능 데이터와 비교하여 검증하였다. 또한 지정된 프로펠러 RPM에서의 추력에 의해 유발된 선수방향(surge) 운동을 파랑 조건 하에서 시뮬레이션하여, 해상시운전 환경을 재현함으로써 선박 속도를 추정하였다. 마지막으로, 처방된 RPM에 대응하는 선박 속도는 CFD 시뮬레이션, 모형시험, 그리고 실제 해상시운전 결과 사이에서 비교되었다.

지구 온난화는 인간 생활의 모든 영역에 영향을 미친다. 해상 운송과 조선 산업 역시 예외가 아니다. 최근 해상 산업에서의 대응은 2050년까지의 제로 배출 달성을 위해 가속되고 있다. 다양한 대체 에너지원이 연구되어 왔으며, 유럽에서의 최근 발전에 따르면 검증된 기술인 윈드십(windship)은 해당 문제를 해결하기 위한 매력적인 후보가 될 수 있는 것으로 나타났다. 본 논문에서는 대체 교통 수단으로서 현대 윈드십의 성능을 추론하기 위해 과거의 대형 돛선(tall ships)과 윈드십의 비차원(non-dimensional) 비율을 연구하고 검토한다. 또한 이러한 비율을 비교하여 현재와 향후의 윈드십(고려 대상)의 위치를 추정한다. 비율 분포와 관련하여, 계획 중인 현재의 윈드십은 과거 대형 돛선보다 항력 보조 추진(wind-assisted propulsion) 선박일 수도 있고, 기능이 덜 완전한 윈드십일 수도 있는 것으로 밝혀졌다.

이 논문은 KRISO가 개발한 비틀린 타우(타)더(twisted rudder)의 저속 캐비테이션 착수 성능을 향상시키기 위한 방향타 날개단(러더 팁) 형상 수정과 수치 시뮬레이션 결과를 제시한다. 먼저, 방향타 성능을 해석하는 데 사용된 RANS 기반 CFD 방법을 검증하기 위해 KRISO LCT 시험에서 얻어진 평판(플랫) 방향타에 대한 수치 결과를 실험 데이터와 비교하였다. 본 연구의 수치 결과는 측정된 방향타 힘, 캐비테이션 발생 및 방향타 표면 압력과의 일치도가 양호함을 보여주었다. KRISO 비틀린 방향타는 고속 조건에서 전 공격각 범위에 걸쳐 캐비테이션 성능 측면에서 평판 방향타보다 우수하였다. 그러나 저속에서의 캐비테이션 착수 각은 기존의 평판 방향타보다 낮았다. 두 가지 개선된 날개단 형상을 설계하였으며, 수치 해석 결과 두 수정 방향타 모두에서 캐비테이션 착수 각이 개선됨이 확인되었다.