A Numerical Analysis of Free Surface Wave around a ship

선체주위 자유수면파의 수치해석

A numerical method for simulations of inviscid incompressible flow fields around a ship advancing on the free surface is developed. A body fitted coordinate system, generated by numerically solving elliptic type partial differential equations is used to conform the ship and free surface configurations. Three dimensional Euler equations transformed to the non-staggered body fitted coordinate system are discretised by finite difference method. Time and spatial derivatives are discretised by forward and centered differencings, respectively, and artificial dissipations are added to discretised convection terms for improvements of numerical stability. At each time steps, free surface elevations are recomputed to satisfy nonlinear free surface conditions. Poisson equations for pressure field are solved iteratively and the velocity field for next time step is extrapolated. To verify the developed numerical method, flow fields around a Wigley model are simulated(Fn=0.250-0.408) and compared with experimental data to show good agreements.

자유수면을 항주하는 선박에 의하여 발생되는 비선형 조파현상을 해석하기 위한 수치해석법을 개발하였다. 유동은 비점성, 비압축성으로 가정하고 선체 및 자유수면 형상과 일치하는 좌표계의 생성을 위하여 타원형 편미분방정식을 수치해석하여 물체적합 좌표계를 생성하였으며 변환된 정규격자 물체적합 좌표계에 대한 Euler방정식을 유한차분법(Finite Difference Method)을 이용하여 계산하였다. 수치해석을 위하여 시간에 대한 미분항은 전진차분, 공간에 대한 미분항은 중심차분법으로 이산화하였고 대류항에는 수치계산의 안정을 위해 인위적인 소산(dissipation)항을 첨가하였다. 자유수면의 형상은 매 시간 단계마다 자유수면 경계조건들을 만족하도록 다시 계산되었고 격자점들은 자유수면형상의 변화에 적합하게 다시 생성되도록 하였으며 압력에 대한 Poisson방정식은 반복연산법에 의하여 풀고 그 결과를 이용하여 속도를 외삽하였다. 개발된 수치해석법의 검증을 위해 수식선형인 Wigley 모형에 대한 계산을 Fn=0.250-0.408에 대하여 수행하고, 그 결과를 실험 결과와 비교하여 잘 일치함을 보였다.