An eco-friendly energy source is a key topic in all engineering fields. In the ocean engineering field, wing-sail technology, as a new type of alternative propulsion system, is drawing great attention, because it takes full advantage of free wind energy. The purpose of our study is to numerically analyze aerodynamic characteristics of wing-sails, and optimize their shape and operating conditions in terms of the flap length, deflection angle and angle of attack under various wind directions. In our research, a viscous Navier-Stokes flow solver is used for the numerical aerodynamic analysis. Also, a design optimization framework based on a genetic algorithm and the Kriging surrogate model is developed and finds the optimum flap shape and operating condition for multiple wing-sails to maximize the resultant propulsive force. For the design optimization, a total of nine design variables were employed including the angle of attack, flap length and deflection angle for each wing-sail, and the wind direction was varied 45°, 90° and 135°. Also, the design optimization was carried out based on a two-dimensional topology due to the high computational cost related to the nature of gradient-free optimization algorithms. However, the design results were validated using a high-fidelity three-dimensional Computational Fluid Dynamics analysis. With the proposed design optimization framework, we performed several researches. We first studied the effects flow interaction that results from the multiple wing-sails arrayed in a row. Second, we created the exact response surfaces of Cl and Cd for a single wing-sail, and conducted a simple trade-off study to investigate the flap effects in terms of its deflection angle and flap length. Next, we found the optimum shape and operating conditions for multiple wing-sails, which have three identical wing-sails in a row. As a result, we obtained about 14~22% of averaged thrust improvement with respect to the wind directions at initial angle of attack of 8°. This value turned out to be slightly lower when it was evaluated by three-dimensional flow analysis, which is about 10~17%. Although an initial set of the angle of attack values were changed from 8° to 9.5° to investigate the effects of the initial angle of attack, the trends of the design optimization were preserved. In summary, multiple wing-sails can enhance a ship’s propulsion system by more than 10%.
인류의 문명 발달 이래, 인간이 필요로 하는 에너지의 양은 꾸준히 증가하였다. 인류는 주된 에너지원으로 손쉽게 얻을 수 있는 화석연료를 이용해 왔으나, 최근 무분별한 화석 연료 사용으로 인한 환경오염 문제가 전세계적으로 대두되고 있다. 따라서 고갈되어 가는 화석연료를 대체할 수 있는 대체에너지 또는 청정에너지(eco-energy)의 개발과 심각해지고 있는 환경오염에 관한 내용은 다양한 연구 분야에서 필수불가결적인 요소로 여겨지며 연구의 필요성이 크게 증가하였다. 저탄소 시대(low-carbon society)로의 전환 추세에 발맞춰 해양에너지 분야에서는 기존 화석 연료 기반의 왕복기관 또는 터빈기관을 대체하거나 보조할 수 있는 새로운 추진기법에 대한 연구가 활발하게 진행 중이다. 대체 에너지원으로서는 환경오염의 문제가 없고 지속적으로 사용이 가능한 풍력 에너지가 고려되고 있으며, 특히나 풍력에너지와 함께 돛(sail)의 원리를 현대 선박에 적용시켜보려는 시도가 진행되고 있다. 이처럼 풍력에너지원을 선박의 추진력으로 사용하는 형태를 ‘sailing ship’ 이라 명명한다. Sailing ship에 적용되는 돛의 형태는 직사각형 평판 형태에서 공기역학적 특성을 향상시키기 위해 항공기 날개꼴 (airfoil) 형상의 돛 (wing-sail) 형태로 발전하였으며, 날개꼴 돛에서 발생되는 양력과 항력의 합력 성분을 선박의 추가적인 추진력으로 사용한다. 이러한 wing-sail이 여러 개 배치된 다배열 wing-sails의 공력 성능에는 wing-sails의 형상과 wing-sails의 위치에 따라는 작용하는 유동 간섭 효과가 지배적인 영향을 미친다. 따라서, 본 연구에서는 고 정확도의 전산유동해석기법(CFD)을 활용하여 다배열 wing-sails에서 발생한 유동 간섭 효과가 각 wing-sail의 공력성능에 미치는 영향에 대해 고찰하였다. Wing-Sail 시스템은 다양한 방향의 풍향에 대해 역캠버효과로 인한 역추력 현상을 방지하기 위해 wing-sail의 단면형상은 항상 대칭형 에어포일 형태를 유지해야 하는 단점이 있다. 따라서 이러한 단점을 보완하기 위해 대칭형 뒷전 플랩을 제안하였고, 역시 전산유동해석을 통해 성능을 검증하였다. 검증 결과 뒷전 플랩 적용만으로도 공력성능을 약 20~50% 정도까지 향상시킬 수 있었다. 또한, 본 연구에서는 고 정확도 전산유동해석 기법과 탈 민감도 기반의 유전자 알고리즘이 긴밀하게 결합된 형태의 최적설계 프레임워크를 개발하였다. 프레임워크 내에서 유전자 알고리즘 (Genetic algorithm)이 요구하는 막대한 계산자원 소모는 크리깅 근사모델 (Kriging surrogate model) 기법을 도입함으로써 완화하였다. 제안한 최적 설계 프레임워크를 활용하여, 다배열 wing-sails에서 발생하는 추력 성능 최대화를 목적으로 각 wing-sail의 형상 변수와 운용 변수들의 조합을 탐색하는 전산 최적 설계를 수행하였다. 최적 설계를 위해 총 3개의 wing-sail이 일렬로 배치된 다배열 wing-sails 시스템을 이용하였으며 풍향 45, 90, 135도 대해 최적 설계를 수행하였다. 형상 변수로는 뒷전 플랩의 길이와 전개 각을 이용하였으며, 운용 변수로는 각 wing-sail의 받음각을 이용하였다. 결과적으로 최적 플랩 형상과 운용 조건을 적용함으로써 전반적인 추력 성능을 초기 형상에 비해 약 10~22% 정도 향상시킬 수 있었다. 도출된 최적 설계안을 3차원 형상으로 확장한 후 고 정확도의 전산유동해석 기법을 이용한 성능 검증을 수행하였다. 그 결과, 최적점들은 3차원 유동장에 대해서도 약 9~17% 향상된 추력 성능을 얻을 수 있었다.
