Wing-sails의 공력 해석과 최적 설계

Abstract

Sailing ship은 선체 위의 wing-sails를 이용해 풍력에너지를 추력으로 얻는 친환경적인 선박이다. 본 연구에서는 고정받음각 상태에서 wing-sails 간의 상호작용 효과를 고려한 공력 해석을 수행하고, 풍향별 추력을 계산하여 최대 추력이 발생하는 풍향을 탐색한다. 공력 해석에는 3차원 압축성 N-S 지배방정식을 이용하였고, 보다 정확한 경계층 유동의 예측을 위해 혼합 격자계를 사용하였다. 공력 해석 결과, wing-sails간의 상호작용이 상대적으로 적은 풍향 90° 일 때 최대 추력이 발생하였다. 공력 해석 결과를 이용하여 wing-sails 주변의 유동특성과 상호작용의 영향을 분석한 뒤, 탈민감도 기반의 유전 알고리즘과 목적함수 계산을 대신할 크리깅 근사모델을 이용하여 주어진 환경에서 최적의 효율을 도출하는 최적 받음각을 탐색하였다. 풍향 45, 90, 135°에 대해 wing-sails 간의 상호작용 효과를 고려한 2차원 공력 최적화를 진행한 결과, wing-sails의 상호작용에 의해 풍향을 기준으로 뒤쪽 wing-sails의 받음각이 증가하는 경향성과 함께 추력이 약 7~23% 증가하였다. 이에 기인하여 3차원 wing-sails에 대한 검증을 통해 약 2~18%의 추력 증가를 도출하였다.