선체운동을 고려한 갑판침입수의 수치시뮬레이션

초록

갑판침입수는 선박의 상하 동요에 의한 상대파고의 상승으로 발생하기 때문에 수치계산과 실험에서 이러한 선박의 동요를 고려하여야 한다. 본 연구에서는 체적력을 이용하여 heave와 pitch운동이 자유로운 FPSO의 규칙파 중 갑판침입수 현상을을 수치시뮬레이션하였다. 선박의 적재조건은 갑판침입수의 발생확률이 가장 높은 만재상태이며, 규칙파 중 head sea 상태만을 고려하였다. 파장과 파고를 변화시키며 FPSO 갑판침입수의 수위와 전진속도를 측정하였다. 파도의 파장은 0.8LBP부터 1.2LBP, 파고는 1.0freeboard부터 2.0freeboard 의 범위에서 수행하였다. 지배방정식으로 Navier-Stokes 방정식과 연속방정식을 사용하였으며, 직사각형 격자계에서 유한차분법을 이용하여 계산을 수행하였다. 물체 형상을 정도 높게 표현하기 위하여 Cartesian Cut Cell법을 적용하였다. 계산영역 전체를 선체와 함께 이동시키며 체적력을 이용하여 물체의 움직임을 표현하였다. 물체에 작용하는 유체력은 물체의 표면에 수직하게 작용하는 압력만을 고려하였으며, 마찰에 의한 힘은 그 크기가 작아 무시하였다. 비선형 자유수면의 위치는 밀도함수법을 이용하여 정의하였다. 시뮬레이션 결과를 실험과 정량적, 정성적으로 비교하여 개발된 프로그램을 검증하였으며, 선수 플레어 형상에 따른 갑판침입수의 물리적 현상을 비교 분석하여, FPSO의 선수 플레어 설계 시 참고자료로 활용 가능하도록 하였다.