OpenFOAM의 Isosurface 기반 VOF 기법을 이용한 슬로싱 수치해석 연구

Abstract

황산화물과 같은 배기가스의 감소에 대한 요구가 증가함에 따라 LNG 연료가 선박에서 중요한 해결방안의 하나로 관심이 집중되고 있다. 그러나, LNG 추진선의 연료탱크에서 발생하는 슬로싱 유동에 의한 충격하중은 탱크의 심각한 손상이나 파손을 야기한다. 따라서 LNG 연료탱크의 설계단계에서 엄밀한 슬로싱 하중평가가 매우 중요하다. 이러한 슬로싱 하중평가는 주로 실험으로 이루어지지만 시간과 비용 문제를 해결하기 위해 특정 선급 및 연구기관에서는 수치해석을 활용하고 있다. 하지만 슬로싱 수치해석은 유동의 자유표면이 가지는 강한 비선형성으로 인해 수치적 오류가 쉽게 발생하는 문제점을 가진다. 본 연구에서는 오픈소스 전산유동해석 프로그램인 OpenFOAM을 이용하여 volume of fluid(VOF) 기법으로 슬로싱 수치해석을 수행하였다. OpenFOAM의 VOF 기법에서 경계면 예측을 위한 기존의 알고리즘인 multidimensional universe limiter for explicit solution(MULES) 기법은 상 경계면이 실제 유동과 다르게 번지는 문제점을 가지고 있다. 이에 본 연구에서는 isosurface 기반의 개선된 알고리즘을 적용함으로써 보다 정확한 경계면 예측과 함께 슬로싱 유동 수치해석의 정확도 향상에 미치는 영향을 분석하였다. 1차적으로 SPHERIC 기구의 슬로싱 실험결과와 비교분석을 통하여 isosurface 기반의 개선된 알고리즘인 isoAdvector 기법이 경계면 예측에 있어 더 우수한 성능을 가짐을 검증하였다. 또한 멤브레인 타입의 실제 LNG 탱크 형상에 대하여 규칙 운동 및 불규칙 운동 시나리오 조건에서 2D 및 3D 슬로싱 수치해석 수행을 통하여, 최대하중 비율을 기반으로 한 비교평가에서도 isosurface 기반의 isoAdvector 기법이 상대적으로 더 정확하게 슬로싱 하중을 예측하는 것을 확인하였다.