국제해사기구(IMO)의 온실가스(GHG) 감축 전략과 같은 환경규제를 강화함에 따라 친환경 선박 및 대체 연료 등 기술 개발이 확대되고 있다. 그의 일환으로 해운사와 조선사를 중심으로 에너지 저감과 풍력 추진 기술을 활용한 선박 추진 기술이 대두되고 있다. 풍 력 추진 기술의 확보와 실증 연구를 조선 및 해운 분야에 도입함으로써 친환경 기술을 활용한 고부가가치 시장을 창출할 수 있으며, 운항 선박의 연료 소비율을 줄임으로써 연비를 약 6~8 % 정도 향상시켜 GHG의 감축을 기대할 수 있다. 로터 세일(Rotor Sail, RS) 기술은 원형 실린더가 일정한 속도로 회전하여 유체를 통과할 때 실린더의 수직 방향으로 유체역학적 힘을 발생시키는 기술이다. 이를 마그누스 효과 (Magnus Effect)라고 하며, 본 연구에서는 선박에 설치된 풍력보조추진 시스템인 RS 주위의 난류 유동특성에 관한 수치해석적 연구를 통하 여 추진효율을 높일 수 있는 방안을 제시하고자 하였다. 그래서 RS의 공기 역학적 힘에 영향을 미치는 매개변수로써 속도비(Spin Ratio, SR)와 종횡비(Aspect Ratio, AR) 변화에 따른 양력계수( )와 항력계수( )를 도출하였고, RS 끝단 플레이트(End Plate, EP) 적용에 따른 RS 주변 유동특성을 비교하였다.

난류유동에 의한 소음은 계산비용의 관점에서 음향 상사법을 이용하여 전산유체 기법과 결합해 다양한 해석모델이 연구되고 있다. FW-H 음향상사법을 이용한 유동소음해석의 연구가 활발히 이루어지고 있으나, 기존 문헌들의 결과에서는 계산비용의 관점에서 난류유동에 의한 소음성분을 생략하고 있다. 그러나, 최근의 연구에서 유동소음특성에 있어 난류소음의 중요성이 밝혀진바 있다. 본 논문에서는 RANS 난류모델과 투과성 경계면을 이용한 Permeable FW-H 음향상사법을 이용한 난류유동소음해석에 대해 연구하였다. 2D 실린더에 대하여 직접적으로 변동압력을 추출하는 직접법과 난류성분을 고려하지 않은 FW-H 상사법, 또 난류소음의 성분을 포함하는 Permeable FW-H 방법의 경우를 비교하였다. Permeable FW-H 방법을 통해 일반적으로 적용되는 FW-H 방법에서 해석 불가능한 난류에 의한 소음의 영향을 기존의 FW-H 방법과 동일한 계산비용으로 예측할 수 있었고, 적절한 투과성 경계면 설정을 통해 높은 정확도의 해석이 가능했다. Permeable FW-H 방법을 통한 난류유동해석 절차를 확립하였으며, 그 유용성을 확인했다.

본 연구는 격자수, 첫 번째 격자까지의 거리(YP+), 난류모델 그리고 이산화 방법에 따른 해의 변화량을 조사하였다. 대상선박은 KVLCC이며, 격자구성과 유동해석은 상용코드인 Gridgen V15와 FLUENT를 사용하였다. 검토는 2가지 파트로 나누어서 수행하였다. 첫 번째 파트는 격자수, 난류모델 그리고 이산화 방법의 조합에 따른 해의 영향성을 평가하였다. 두 번째 파트는 적합한 YP+ 선정에 초점을 두었다. 격자수와 이산화 방법이 동일한 경우 마찰저항은 난류모델에 따라 약 1 % 내에서 차이를 보였으나, 압력저항은 약 9 %의 큰 차이를 보였다. YP+와 이산화 방법이 동일한 경우 YP+를 30과 50으로 설정하였을 때 마찰저항은 난류모델에 따라 약 1 % 내에서 차이를 보였으나, 100에서는 약 3 % 차이를 보였다. 반면, 압력저항은 YP+값에 무관하게 난류모델에 따라 약 10 % 차이를 보였다. 난류모델과 이산화 방법이 동일한 경우 격자 수 변화 따라 마찰저항, 압력저항 그리고 전 저항 모두 큰 차이를 보이지 않았다. 난류모델과 이산화 방법이 동일한 경우 YP+의 변화에 따라 마찰저항은 5~8 %의 큰 차이를 보였고, 압력저항은 큰 차이를 보이지 않았다.

3차원 실내공간의 상부에서 일정유속이 유입하여 양측면 하부쪽으로 유출될 경우, 책상형의 가열 장애물 영향에 의한 유동장의 변화와 온도분포를 수치계산 한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. (1)표준 k-ε 2 방정식 모델로 난류유동장을 해석한 결과 장애물을 기준으로 상하부에는 독립적인 큰 재순환 영역이 존재함을 알 수 있었다. (2) 유입류의 속도 변화에 따른 전제적인 유동패턴은 큰 변화없이 상사적인 분포를 하는 것을 알 수 있었다. (3) 유입속도가 감소함에 따라서, 공간에 대한 발열체의 온도영향이 커진다. (4) Re수가 작은 범위 (10 상(4)-10 상(5)에서는 열전달이 급격히 상승하여, Re수가 10 상(5)이상이 도면 열전달이 거의 일정하다.

복잡한 연료실 내의 유동현상을 난류모형을 적용하여 해석하였다. 적용한 모형은 k-ε, k-Ω, spalart-allmaras, reynolds stress이고, 연로실내의 격자는 혼합격자(hybrid grid) 이다. 속도벡터, 압력분포, 반복계산(iteration)에 의한 잔류치(residual), 동력학적 양정(dynamic head) 등을 모사하였다. 4개의 난류모형을 연료실 유동에 적용하였다. 3차원 수치실험에 앞서, 수치검증을 위하여 2차원 물체 주위의 점성유동을 k-ε 난류모형을 적용하여 모사하였고 항력계수를 비교하였다.