고급 시뮬레이션으로 평형수 문제 해결에 도움

Oct 21, 2023

작성자: Tobias Zorn, Jan Kaufmann, FutureShip 및 Milovan Peric, CD-adapco 2013년 2월 13일

평형수 관리는 선박의 설계 및 운영에 문제를 야기합니다. 전산유체역학(CFD)은 설계, 유형 승인 및 문제 해결을 포함한 솔루션을 제공합니다.

전산유체역학(CFD)은 유체 흐름의 물리학을 설명하는 방정식을 풀기 위한 기술을 집합적으로 나타냅니다. CFD는 현재 해양 산업에서 널리 알려지고 수용되고 있지만 대부분 연료 효율이 높은 선박을 설계하는 맥락에서 선체 및 프로펠러 주변의 흐름과 관련되어 있습니다. 그러나 CFD는 여러 면에서 기존 모델 테스트보다 훨씬 더 다양합니다. 내부 흐름 문제를 포함하여 다양한 흐름에 동일한 소프트웨어를 적용할 수 있습니다. CFD의 주요 장점은 흐름 세부 사항에 대한 통찰력입니다. 유량은 공간의 여러 개별 위치(계산 셀)와 여러 시간 단계에서 계산(및 저장)되므로 후처리에서 임의의 단면을 보고 마음대로 확대 및 축소하는 것이 쉽습니다. 침입종의 확산을 억제하기 위해 평형수 관리로의 전환을 추진하는 최근 IMO 규정에 따라 평형수 관리 시스템이 선박 운영업체의 주목을 받고 있습니다. 그러나 새로운 규정의 특수성과는 별개로 평형수 처리는 CFD 시뮬레이션의 장점이 작용하는 선박 운영자에게 과제를 안겨줄 수 있습니다. 다음 사례 연구에서는 업계 경험에서 얻은 문제와 솔루션을 보여줍니다.

사례 연구 1: CFD를 기반으로 한 형식 승인 선박의 밸러스트수에는 외국 해역에 자주 정착하는 식물과 동물이 담겨 있으며, 이는 원주민 수생 환경에 대한 위험을 나타내며 잠재적으로 큰 생태적, 건강 관련 및 경제적 피해를 초래할 수 있습니다. 증가하는 선박 교통량으로 인해 이러한 위협이 상당히 증가했습니다. IMO "선박 평형수 및 퇴적물의 통제 및 관리에 관한 국제 협약"에서는 평형수 관리 계획을 요구합니다. 2016년부터 모든 선박은 평형수 처리를 중심으로 평형수 관리를 실시하게 됩니다. 이 처리가 화학적 접근 방식을 기반으로 하는 경우, 살생물제의 균일한 농도를 달성하려면 화학 성분을 밸러스트수와 신속하고 효과적으로 혼합하는 것이 중요합니다. 새로운 시스템의 형식 승인을 위해 시뮬레이션은 귀중한 도구가 될 수 있습니다. 한 경우에 FutureShip은 밸러스트 작업 중에 파이프에서 염소와 밸러스트수의 혼합을 시뮬레이션했습니다. CFD 시뮬레이션은 균일한 혼합을 보장하기 위해 혼합 구역에 필요한 파이프 길이를 결정하는 데 사용되었습니다. 시뮬레이션 결과, 초기 설계의 혼합이 비효율적인 것으로 나타났습니다. 입구 형상을 매우 간단하고 비용 효율적으로 수정하여 난류 수준을 크게 증가시켰으며 결과적으로 완전한 혼합을 위한 파이프 길이가 훨씬 짧아졌습니다. 그림 1은 이러한 시뮬레이션을 통해 얻은 혼합 파이프의 유선형 및 염소 농도 계산을 보여줍니다. 당국은 시뮬레이션을 형식 승인을 위한 엔지니어링 증거로 받아들였습니다.사례 연구 2: 평형수 퇴적물 침전물은 평형수 탱크에 모이는 경향이 있습니다. 이는 적재 중량(탑재 하중)을 줄이고, 물 흐름을 제한하여 평형수 제거를 지연시키며, 드래프트를 증가시켜 연료 소비를 증가시킵니다. Capesize 벌크선의 경우, 선주는 퇴적물 축적을 줄이고자 FutureShip에 밸러스트 탱크의 퇴적물 침전을 최소화하기 위한 재설계에 대한 자세한 분석 및 제안을 맡겼습니다. 이 경우 실제 퇴적물은 모델링되지 않았습니다. 대신 엔지니어링 통찰력이 시뮬레이션을 촉진합니다. 퇴적물은 재순환 및 흐름 정체 지역에서 일반적으로 발견되는 것처럼 물 속도가 낮은 지역에 침전됩니다. 이들은 일반적으로 사수 지역이라고 불립니다. 그림 2는 실제 평형수 탱크의 침전물을 보여줍니다. 밸러스트 탱크의 흐름에 대한 2단계(물과 공기) 시뮬레이션을 통해 먼저 원래 설계에서 관찰된 퇴적물 축적에 해당하는 사수 영역을 식별했습니다. 그림 3은 바닥 벽 근처의 계산된 속도 분포를 보여줍니다. 그런 다음 평형수 탱크에 대한 다양한 설계 대안에서 보강재 간격과 컷아웃의 변형을 탐구했습니다. 시뮬레이션을 통해 향후 벌크선 주문을 위해 침전물 침전이 가장 적은(즉, 가장 작은 사수 지역) 대체 설계가 확인되었습니다.