A Study on the Design of Ship′s Bow Form using Surface Panel Method

판요소법을 이용한 선수형상 설계에 관한 연구[1]

A surface panel method treating a boundary-value problem of the Dirichlet type is presented to design a three dimensional body with free surface corresponding to a prescribed pressure distribution. An integral equation is derived from Green's theorem, giving a relation between total potential of known strength and the unknown local flux. Upon discretization, a system of linear simultaneous equations is formed including free surface boundary condition and is solved for an assumed geometry. The pseudo local flux, present due to the incorrect positioning of the assumed geometry, plays a role f the geometry corrector, with which the new geometry is computed for the next iteration. Sample designs for submerged spheroids and Wigley hull and carried out to demonstrate the stable convergence, the effectiveness and the robustness of the method. For the calculation of the wave resistance, normal dipoles and Rankine sources are distributed on the body surface and Rankine sources on the free surface. The free surface boundary condition is linearized with respect to the oncoming flow. Four-points upwind finite difference scheme is used to compute the free surface boundary condition. A hyperboloidal panel is adopted to represent the hull surface, which can compensate the defects of the low-order panel method. The design of a 5500TEU container carrier is performed with respect to reduction of the wave resistance. To reduce the wave resistance, calculated pressure on the hull surface is modified to have the lower fluctuation, and is applied as a Dirichlet type dynamic boundary condition on the hull surface. The designed hull form is verified to have the lower wave resistance than the initial one not only by computation but by experiment.

포텐셜을 기저로 하는 판요소법을 사용하여 자유 표면이 존재하는 유동장에서 일정 속도로 전진하는 3차원 물체의 형상을 설계하였다. 설계 방법으로는 원하는 압력 분포를 경계 조건으로 부여하고 이를 만족하는 물체 형상을 찾아내는 역해석법(inverse method)을 사용하였다. 즉, 주어진 압력으로부터 물체 표면에 분포된 법선 다이폴의 세기인 포텐셜 값을 결정하게 되며, 이는 물체 표면에 대한 Dirichlet형태의 경계 조건으로서 Green의 정리로부터 유도된 적분 방정식을 해석하게 된다. 전체 속도 포텐셜은 기본 유동인 선속에 대한 성분과 선제에 의하여 교란되는 성분으로 구성되어진다고 가정하였으며, 교란 포텐셜을 사용하여 선형화된 자유 표면 경계 조건을 적용하였다. 적분 방정식에 대한 수치 해석을 위해 물체 표면에 법선 다이폴과 Rankine 쏘오스를 분포하였으며, 자유 표면에는 Rankine 쏘오스를 분포하고 4점 유한 차분법을 사용하여 자유 표면 경계 조건이 만족되도록 하였다. 해로서 얻어지는 각 판요소에서의 Rankine 쏘오스의 세기는 가상의 유동 출입량으로서 형상 수정항으로 사용되었다. 몰수 회전 타원체의 형상 설계에 대하여 본 설계법을 적용한 결과 무한 수심에서나 조파 상태에서 $4{\sim}6$회의 반복 계산으로 충분히 수렴된 해를 얻을 수 있었다. 또한 자유 표면을 가르고 전진하는 Wigley 수학적 선형에 대한 형상 설계를 수행하여 만족스러운 결과를 얻어내었으며, 얻어진 수치해는 매우 안정적이고 빠른 수렴성을 보였다. 선형의 우열 비교를 통해 조파 저항을 감소시킬 수 있는 압력 분포의 형태를 파악하였으며, 이를 바탕으로 조파 저항의 관점에서의 5500TEU급 콘테이너 운반선의 설계를 수행하였다. 설계되어진 새로운 선형은 조파 저항의 관점에서 기존의 선형보다 계산과 실험에서 모두 우수하게 개량된 것으로 나타났다.