Analysis of Steady and Unsteady Flow Around a Ship Using a Higher-Order Boundary Element Method

고차경계요소법에 의한 선체주위 유동해석

An efficient and accurate scheme has been constructed by taking advantages of the hi-quadratic spline scheme and the higher-order boundary element method selectively depending on computation domains. Boundary surfaces are represented by 8-node boundary elements to describe curved surfaces of a ship and its neighboring free surface more accurately. The variation of the velocity potential complies with the characteristics of the 8-node element on the body surface. But on the free surface, it is assumed to follow that of the hi-quadratic spline scheme. By which, the free surface solution is free from numerical damping and has better numerical dispersion property. As numerical examples, steady and unsteady Neumann-Kelvin problems are considered. Numerical results for a submerged spheroid, Series 60($C_B=0.6$) and a modified support the proposed method. Finally, a new upstream radiation condition is derived using a wave equation operator in order to deal with problems for subcritical reduced frequency. The relevance of this operator has been confirmed in the case of unsteady Kelvin source potential.

자유표면의 유동문제는 저항추진성능과 내항성능이 우수한 선박과 파랑중 작업성능이 우수한 해양구조물의 설계와 관련되어 조선해양공학분야에서 지속적으로 관심의 대상이 되어온 연구분야이다. 본 논문에서는 선체주위 유동을 정확하고 효율적으로 해석하기 위한 3차원 수치해법의 개발을 목적으로 하였다. 수치해법으로 경계요소법을 사용하였으며, 그린함수는 간단한 랜킨소오스를 사용하였다. 전 경계요소면은 8점 경계요소로 표시하여 기하학적 특성을 정밀하게 반영하고자 하였다. 자유표면에서 속도포텐셜의 변화를 정규화된 8점 경계요소에서 이중 2차 스플라인함수(bi-quadratic spline function)로 표시함으로써 자유표면에서의 수치감쇠 및 분산오차를 개선하였다. 한편 물체표면에서의 물리량은 8점 경계요소의 특성을 살려 이중 2차 다항식(bi-quadratic function)으로 근사하였다. 이와같이 계산영역에 따라 해의 특성에 부합하는 수치방법을 채택함으로써 수치해의 정확성과 효율성이 향상되도록 하였다. 개발한 수치해법의 효능을 검증하기 위해 계산예로서 정상유동 및 비정상유동의 경우 Neumann-Kelvin문제를 다루었다. 본 방법에 의한 몰수 타원체 및 Series 60선에 대한 조파저항 계산결과는 적은 파넬수를 사용하고도 기존의 계산치는 물론 실험치와 좋은 일치를 보였다. 변형된 Wigley선형에 대한 동유체력 계산결과도 기존의 실험치 및 계산치와 비교적 잘 일치하였다. 비정상 유동의 경우 랜킨소오스법에서 일반적으로 적용하는 상류방사조건은 무차원주파수가 1/4보다 큰 경우에만 유효하므로, 본 논문에서는 파동방정식 연산자를 이용하여 무차원주파수가 1/4보다 작은 경우에 적용할 수 있는 상류방사조건을 유도하였다. 수면하에서 전진하며 동요하는 소오스에 대하여 적용한 결과 본 논문에서 유도한 방사조건이 유효함을 입증하였다.