다상유동 및 유체구조 연성효과를 고려한 LNG 화물창의 슬로싱 강도평가 수치모델 연구 :

황세윤

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자료유형: 학위논문

저자정보: 황세윤 (인하대학교, 인하대학교 대학원)

지도교수: 이장현

발행연도: 2015

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이 논문의 연구 히스토리 (6)

2016

멤브레인형 LNG 화물창 개발을 위한 정적 구조 안전성 평가 모델 연구

황세윤 , 김유일 , 강중규 외 1명 대한조선학회 논문집 2016.04 학술저널

열전달 해석을 이용한 멤브레인형 LNG 화물창의 단열구조 성능비교

황세윤 , 이장현 한국전산구조공학회논문집 2016.01 학술저널

2015

다상유동 및 유체구조 연성효과를 고려한 LNG 화물창의 슬로싱 강도평가 수치모델 연구

황세윤 일반 2015.01 학위논문

멤브레인형 LNG 화물창의 강도평가를 위해 적용된 분사모델을 이용한 유체구조 연성해석에 관한 연구

황세윤 , 이장현 한국전산구조공학회논문집 2015.01 학술저널

2012

슬로싱 하중을 받는 LNG 화물창의 강도평가를 위한 분사모델 적용

황세윤 , 이장현 , 김성찬 한국산업응용수학회 학술대회 논문집 2012.05 학술대회자료

멤브레인형 LNG 화물창의 강도 평가를 위한 분사 모델 적용

황세윤 , 이장현 , 김성찬 외 1명 한국해양환경·에너지학회 학술대회논문집 2012.05 학술대회자료

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LNG(Liquefied natural gas) 선박의 화물창은 유체 화물 적재 시 발생하는 다양한 하중에 견딜 수 있도록 설계되고 있으며, 그 중 슬로싱 압력이 가장 주요한 설계 하중으로 고려되고 있다. LNG 선박에서 발생하는 슬로싱 하중은 단시간에 높은 압력이 발생하는 유체충격 압력의 특성을 가지고 있기 때문에, 유탄성 효과를 반영한 슬로싱 충격 압력 산정방법 및 안전성 판단기법이 요구된다. 그러나, 설계 적용 시 슬로싱 압력신호의 복잡성으로 인해 이상화된 삼각파 형상으로 압력을 단순화시켜 강도평가에 반영하고 있으며, 슬로싱의 유탄성 효과 또한 단순화하여 반영하고 있다. 따라서 엄밀한 슬로싱 강도평가를 위해서 슬로싱 압력의 유탄성 효과를 고려한 유체구조(Fluid structure interaction) 연성 강도평가 기법의 연구와 그 적용사례가 다양하게 보고되고 있지만, 방대한 계산량 때문에 국부 화물창 모델을 대상으로 한 단순화된 연성해석 방법이 사용되고 있다.
본 연구에서는 기존사례를 바탕으로 슬로싱 강도평가 절차를 구성하고 유체구조 연성효과를 반영한 강도평가 모델을 제시하였다. 제시된 슬로싱 강도평가 방법은 직접 평가법을 기반으로 작성하였으며, 모형실험으로부터 슬로싱 설계압력을 산정하는 방법과 동적 구조강도 평가, 슬로싱 수치해석법 및 유체구조 연성해석 방법을 이용한 화물창의 구조강도 평가법으로 구성되어 있다. 유체구조 연성 강도평가 모델에서는 슬로싱 유체의 수치모델은 물리적인 특징을 반영하여 작성되었으며, 수치계산의 효율성을 위해서 국부모델을 대상으로 한 수치모델을 제시하였다. 슬로싱 유동의 특성을 고려한 강도평가 모델을 작성하기 위해서, LNG 화물창의 슬로싱 강도평가 방법에 대한 연구 및 적용 사례들을 검토하였으며, 슬로싱 유동 및 구조응답의 물리적 특징에 대해서 고찰하고 수치해석에 반영하기 위한 요소들을 정의하였다. 슬로싱 유체의 수치해석 모델은 VOF(Volume of fluid) 방법을 이용한 유한체적법(Finite volume method)으로 작성되었으며, 유체의 물리적인 특징 중 액체 및 기체의 공존을 특성을 반영하기 위해서 Inhomogeneous 접근법을 적용한 다상유동 수치모델을 이용하였다. 제시된 수치모델의 타당성을 검토하기 위해서 Dam-breaking 문제 및 슬로싱 모형실험 문제를 대상으로 실험값과 비교하여 수치모델을 검증하였다.
유체구조 연성해석 모델은 경계면(Interface)을 이용하여 유체와 구조가 반복적으로 계산되는 방법(Coupling method)으로 작성되었으며, 경계에서의 변형을 반영하기 위해서 가변 격자 모델을 이용하여 유체구조 연성해석 모델을 정의하였다. 그리고 제시된 모델의 타당성을 검토하기 위해서 수치예제를 통해 제시된 유체모델의 타당성을 검증하고 슬로싱 유체구조 연성해석에 적용하였다. 슬로싱 강도평가 연성해석 모델은 효율적인 슬로싱 강도평가를 위해서 국부 화물창을 대상으로 하며, 슬로싱 충격압력의 특징을 고려하기 위해서 슬로싱 유체의 속도와 압력의 상승시간을 고려한 유체 기둥(Fluid column) 모델을 제시하였다.
본 연구에서 제시한 화물창의 슬로싱 구조강도 평가법은 Mark III 화물창을 대상으로 강도평가 및 다상유동 유체구조 연성해석을 수행하였으며, 그 결과를 검토함으로써 설계에 반영하기 위한 가능성에 대해서 검토하였다.

To design the LNG (liquefied natural gas) CCS (cargo containment systems), it is very difficult to determine the effects of sloshing impact and the corresponding response of the CCS. The reliable sloshing assessment methods for LNG CCS are important to satisfy the structural strength of the systems. Since the structural strength of the CCS needs to be assessed during the design procedure, there were several attempts made to develop a strength assessment method with the consideration of structural response to varying spatial and temporal characteristics of sloshing impact.
Furthermore, to avoid uncertainty of simplified approach, many research have proposed the sloshing assessment methods and investigated the usability of FSI (fluid structure interaction) analysis considering the hydro elastic effect of sloshing pressure. Most of the efforts which were performed to assess the structural strength caused by sloshing impact and almost FSI methods focused on sloshing fluid flow as a continuous fluid, which the characteristic of multiphase was not considered such as aerated or air pocket fluid flow.
Multiphase in LNG sloshing may have an effect on excited pressures and structural response of CCS. Present study is actually focused on a multiphase CFD model to simulate the impact of the LNG sloshing. The numerical model of dispersed fluid is based on an Eulerian-Eulerian model that employs the control volume based finite element method (CVFEM). It includes the continuous LNG and dispersed gas to simulate not only the momentum transfer between LNG and the gas bubbles but also the impact load on the Mark III LNG CCS. Because multiphase fluid flow of LNG and gas compressibility may have a large effect on excited pressures and structural response, fluid column model has been introduced to simulate the impact of the LNG sloshing and analyze structural response of LNG CCS as a practical FSI method. The practical method based on fluid structure interaction analysis is employed in order to evaluate the structural strength in actual scale for Mark III CCS. Finally, the analysis results obtained by FSI model are evaluated to discuss the FSI analysis method in the sloshing assessment.

제1장. 서론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 연구 목적 4
1.3 연구 동향 6
1.3.1 슬로싱 강도평가법 6
1.3.2 슬로싱 유체구조 연성 국부 해석기법 9
1.3.3 유체구조 전역 연성해석 기법 14
1.4 논문의 구성 16
제2장. 슬로싱 압력 및 구조응답의 특징 17
2.1 슬로싱 운동 19
2.2 압축성 및 점성 21
2.3 슬로싱 충격 유형 23
2.4 다상유동 특성 25
2.5 Flexible tank wall 25
제3장. LNG 화물창의 슬로싱 강도평가 26
3.1 LNG 화물창의 슬로싱 강도평가 절차 26
3.2 슬로싱 모형실험 29
3.3 슬로싱 설계하중 32
3.4 LNG 화물창 구조응답 계산 39
3.5 R-PUF 재료의 감쇄 조건 41
3.6 LNG 화물창 강도평가를 위한 유체구조 연성해석 43
제4장. Mark III 형 LNG 화물창의 슬로싱 강도평가 45
4.1 슬로싱 강도평가 모델 (Mark III 형 CCS) 45
4.2 Mark III 형 CCS의 유한요소 모델 48
4.3 Mark III 형 CCS의 정적/동적 구조강도 평가 49
4.4 Mark III 형 CCS의 Structural capacity 53
제5장. 다상유동 수치모델 56
5.1 Homogeneous 다상유동 모델 58
5.2 Inhomogeneous 다상유동 모델 60
5.3 지배방정식의 이산화 62
제6장. 수치기법의 검증 65
6.1 Dam-breaking 시뮬레이션 65
6.2 슬로싱 모형실험 수치해석 70
6.2.1 모형실험 수치해석 결과 74
6.2.2 슬로싱 공진현상 수치해석 81
제7장. 유체구조 연성해석 86
7.1 유체구조 연성해석 방법 86
7.2 유체구조 경계조건 89
7.3 가변 격자 모델 (Mesh deformation model) 91
7.4 유체구조 연성해석 수치기법의 검증 94
제8장. 슬로싱 유체구조 연성해석 모델 99
8.1 슬로싱 충격 유체 속도 101
8.2 국부 유체구조 연성해석 모델 (Fluid column model) 104
8.3 유체구조 연성해석 해석 결과 106
8.3.1 유체 충격 압력 106
8.3.2 Mark III의 구조응답 및 강도평가 109
제9장. 결론 111
참고 문헌 114
Appendix 121
A.1 Grid independency 121
A.1.1 Homogeneous multiphase model 123
A.1.2 Inhomogeneous multiphase model 129
A.2 실선 축척의 슬로싱 수치해석 134

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