CFD 해석을 통하여 Hydrofoil선박에 장착되어 수면 아래에 위치해 있는 POD 형상의 변화에 따른 압력분포 특성에 대한 연구를 수행하기 위하여 이 논문에서는 쾌속여객선에 부착되어 있는 POD에 대하여 POD 주변에 부착된 실제 형상물을 모델링하였으며, 모델링한 POD 형상은 Figure 2와 같다.

Figure 2: 
POD shape of Hydrofoil vessel

많은 산업체에서는 전산유체역학에 의한 유동장 해석을 쉽게 하기 위해 상용 프로그램들이 널리 배포되어 있는데, 본 연구에서는 현재 널리 사용되어지고 있는 유동장 해석 프로그램을 이용하여 수치 해석하였고, 계산 격자는 3-D Prism mesh로 하였다. 또한, POD가 부착된 실제 형상물 주변에 유입되는 유속은 40knots(20.58m/s)로 계산하였고, 난류모델링은 Realizable Two-layer model을 적용하였다. 그리고 본 연구에서 주어진 문제를 해석하기 위해 사용된 유체 유동의 지배방정식은 질량보존방정식(연속방정식), 운동량보존방정식(Navier-Stokes equation) 및 에너지보존방정식이고, 각각 다음과 같이 나타낼 수 있다.

여기서 ρ는 유체의 밀도, 는 3차원 속도벡터, ∇는 3차원 델 연산자(del operator), t는 시간을 나타낸다.

여기서 C_p는 물체의 비열, T는 물체의 표면온도, k는 열전도율, S_e는 소스항을 의미하고 있다.

본 연구에서는 Figure 3에 나타낸 바와 같이 수면하의 실제형상물이 부착된 POD의 기본형상(Original)의 가장 앞부분을 기준으로 하여 x축 방향으로 0cm ~ 9cm까지 1cm 간격으로 절단하면서 POD 단면 형상을 변형시켰고, POD 주변에 부착된 실제 형상물을 대상으로 하여 일정 유입속도(40knots=20.58m/s) 조건에 대한 압력분포 특성에 관하여 기본형상을 포함한 총 10조건에 대해서 수치해석을 수행하였다.

Figure 3: 
Section of POD shape

Figure 3에 나타낸 POD 주변에 부착된 실제 형상물을 대상으로 하여 POD의 가장 앞부분(x축 방향)을 기준으로 POD 형상을 변형(1cm씩 줄임)시켜서 일정 유입속도(40knots) 조건에 대한 해석을 수행하였고, 압력분포 및 속도 벡터 특성에 관한 수치해석 결과는 Figure 4, Figure 5 및 Figure 6과 같다. 또한 POD 형상 변화에 따른 저항특성 변화를 그래프로 나타내면 Figure 7과 같다.

Figure 4: 
Results of pressure distributions

Figure 5: 
Results of velocity contour

Figure 6: 
Results of velocity vector

Figure 7: 
Result due to change of POD shape

Figure 4, Figure 5 및 Figure 6에서 알 수 있듯이, POD 주변에 부착된 실제 형상물을 대상으로 하여 수치 계산한 결과, POD 형상 주위의 유동패턴(vortex 등)에 따라 POD 단면에 미치는 힘의 분포가 달라지는 경향을 보여주고 있는 것을 알 수 있다. 또한 POD 단면의 기본 형상을 기준으로 하였을 경우, x축 방향으로 단면을 1cm씩 절단하였을 때, 절단된 길이가 증가함에 따라 압력분포 및 속도벡터 특성이 변화되고 있음을 알 수 있는데, 이와같은 현상은 voltex영향 때문인 것으로 판단된다.

Figure 7은 POD 주변에 부착된 실제 형상물을 대상으로 하여 POD의 가장 앞부분(x축 방향)을 기준으로 POD 단면 형상을 변형(1cm씩 줄임)시켜가면서 일정 유입속도(40knots) 조건에 대한 해석을 수행한 결과를 보여주고 있다. Figure 7에서 삼각형 기호는 점성저항을 의미하고 있고, 원 기호는 압력저항을 의미하고 있으며, 사각형 기호는 POD 주변에 부착된 실제 형상물에 미치는 전체적인 저항특성을 나타내고 있다. Figure 7에서 POD 단면의 기본 형상을 기준으로 하였을 때 점성저항의 경우, x축 방향으로 단면을 1cm씩 절단하여 8cm까지 절단하였을 때, 절단길이의 증가 및 POD 단면 형상의 변화에 따라 소폭 감소하는 경향을 보이고 있으나, 9cm를 절단한 부근에서는 반대로 소폭 증가하는 경향을 보이고 있다. 한편, POD 단면의 기본 형상을 기준으로 하였을 때 압력저항의 경우, x축 방향으로 단면을 1cm씩 절단하여 8cm까지 절단하였을 때, 절단길이의 증가 및 POD 단면 형상의 변화에 따라 저항값도 소폭 증가하는 경향을 보이다가, 9cm를 절단한 부근에서는 반대로 감소하는 경향을 나타내고 있다. 따라서 POD 주변에 부착된 실제 형상물에 작용하는 전체저항은 압력저항과 비슷한 경향으로 8cm부근까지 절단하였을 경우에는 소폭 증가하는 경향을 보이다가 9cm를 절단한 부근에서는 반대로 감소하는 경향을 나타내고 있다. 이러한 현상은 POD 주변에 부착된 실제 형상물의 경우, 점성저항에 비하여 압력저항의 변화가 크기 때문에 전체적으로 압력저항의 영향을 크게 받고 있는 것으로 판단된다.