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문제 정의
- 또한 최근에 급격히 발전하고 있는 수치해석 결과의 검증을 위해서도 이러한 자료의 필요성이 더욱 더 강조되고 있다. 본 논문에서는 KRISO의 예인수조에서 국부유동의 계측을 위해 구축된 계측 장비 및 해석 기법을 소개하였다. 그리고 구축된 계측 시스템을 이용하여 KRISO 3600TEU 컨테이너선 주위의 파형 및 국부 유속을 계측하였다.
- 최근에 선형의 저항성능 평가에 활용하기 위해 많은 연구가 진행되고 있는 수치계산(CFD) 결과의 검증을 위해서도 정도 높은 국부 유동 계측 자료에 대한 필요성이 더욱 강조되고 있다〔1〕. 본 논문에서는 선체 주위의 파형과 선미 경계층내의 유속 분포와 같은 국부 유동 현상의 규명을 위해 개발한 계측 장비의 구성, 계측 기법 및 해석 기법 등을 기술하였다. Servo-needle 형식의 파고계와 5개의 5공 피토관을 일정 간격으로 연결한 Pitot-tube rake를 사용하여 선측 파형과종절단선(longitudinal cut)에 따른 파형, 횡절단선(transverse cut)에 따른 파형, 선체 후반부와 반류 영역에서의 국부 유속 등을 계측하는 방법을 상세히 기술하였다.
제안 방법
- 이때 횡방향 계측 위치는 파고계를 정수면에 수직하게 설치하였을 때와는 같지않으므로, 계측된 파고와 기울림각을 이용하여 계측 위치를 보정하였다. F.P. 전방 21 스테이션에서 15 스테이션사이의 20개의 종방향 위치에 대하여 파고계를 횡방향으로 이동시키며 선수 주위의 국부 파고를 계측하였다. 선체 후방에서는 트랜섬 뒤쪽 0.
- 피토관을 모형선 선체에 바짝 붙인 상태에서 모형선의 station, marking을 기준으로 계측하고자 하는 스테이션의 위치를 확인하고, 이로부터 1cm정도 떨어진 위치를 첫 계측점으로 선택하고 이송 장치를 이용하여 바깥쪽으로 Pitot-tube rake를 움직이면서 계측하였다. Rake에 묶인 Pitot tube의 간격이 4cm 이므로 1cm 간격으로 3번 계측한 후에는 깊이 방향으로 이동시켜 계측하였다. 가능한 한 수면 가까운 깊이에서의 계측을 위하여 파형 계측실험에서 구한 파고를 참조하여 St.
- 본 논문에서는 선체 주위의 파형과 선미 경계층내의 유속 분포와 같은 국부 유동 현상의 규명을 위해 개발한 계측 장비의 구성, 계측 기법 및 해석 기법 등을 기술하였다. Servo-needle 형식의 파고계와 5개의 5공 피토관을 일정 간격으로 연결한 Pitot-tube rake를 사용하여 선측 파형과종절단선(longitudinal cut)에 따른 파형, 횡절단선(transverse cut)에 따른 파형, 선체 후반부와 반류 영역에서의 국부 유속 등을 계측하는 방법을 상세히 기술하였다. 또한 개발된 국부유동계측 시스템을 사용하여 계측한 KRISO 3600TEU 컨테이너선의 모형선 주위의 파형과속도장 등의 유동 특성에 대하여 알아보았다.
- Traversing mechanism의 이송가능 범위의 제한으로 Fig. 12에서 보인 바와 같이 모형선을 예인 수조 중앙에서 우측으로 25~30cm 정도 옮겨서 고정시키고 좌현쪽을 계측하였으며, 계측 자료의 대칭성을 확인하기 위해 우현 쪽 4cm 까지를 계측 범위에 포함시켰다. 계측점을 가능한 한 선체에 접근시키기 위해서는 계측위치나 이송 장치의 이동 순서에 세심한 주의가 필요하다.
- 5767)으로 택해 모형선의 중앙선을 기준으로 삼을 수 있도록 하였고 자유수면을 이용해 깊이 방향의 원점으로 택하였다. 계측 스테이션을 옮길 때에는 미리 계산된 스테이션 간격만큼 traversing mechanism를 이동한 후 안쪽 Pitot tube를 모형선에 가까이 접근 시켜 종방향 위치를 확인하고, 모형선과의 간격을 계측한 후 자유수면으로 이동하여 깊이방향 위치를 점검하여 traversing mechanism에서의 위치를 나타내는 값과 모형선 또는 수면과의 상대 위치를 이중으로 확인하였다.
- 본 논문에서는 KRISO의 예인수조에서 국부유동의 계측을 위해 구축된 계측 장비 및 해석 기법을 소개하였다. 그리고 구축된 계측 시스템을 이용하여 KRISO 3600TEU 컨테이너선 주위의 파형 및 국부 유속을 계측하였다. 이러한 계측 결과를 통하여 조파 현상을 포함한 선체 주위의 난류 유동장을 이해할 수 있을 뿐만 아니라, 이러한 정보를 새로운 선형의 설계에 이용할 수 있다.
- Servo-needle 형식의 파고계와 5개의 5공 피토관을 일정 간격으로 연결한 Pitot-tube rake를 사용하여 선측 파형과종절단선(longitudinal cut)에 따른 파형, 횡절단선(transverse cut)에 따른 파형, 선체 후반부와 반류 영역에서의 국부 유속 등을 계측하는 방법을 상세히 기술하였다. 또한 개발된 국부유동계측 시스템을 사용하여 계측한 KRISO 3600TEU 컨테이너선의 모형선 주위의 파형과속도장 등의 유동 특성에 대하여 알아보았다.
- 모형선의 F.P. 전방 3m에서 계측을 시작할수 있도록 optical 스위치를 설치하였으며, 반사파가 충분히 계측될 때까지 100Hz의 Sampling rate로 40초간 파고를 계측하였다.
- 실험 시간을 줄이기 위해 한번에 여러 위치에서의유속을 계측할 수 있도록 5개의 5공 피토관을 4cm 간격으로 묶은 rake를 제작하였다. 모형선의 반폭(선저 중앙부)의 범위까지 계측이 가능하도록 rake와 3축 이송장치 사이를 연결하는 어댑터를 사용하였다. 어댑터는 계측 중 항력과 교란을 최소로 하기 위하여 유선형 단면을 택하였으며 rake가 어댑터에 삽입되도록 홈을 파서 제작하였다.
- 모형선의 중앙 횡단면상의 선측에서 3cm 떨어진 위치로부터 수조 측면 소파기의 간섭을 받지않는 위치까지 36개의 횡방향의 위치에서 종방향선(longitudinal cut)을 따르는 파고를 계측하였다. 이 선형은 현대적인 컨테이너선의 형태를 가지고 있는 매우 실용적인 선형으로서 종래의 유동 계측 자료가 공개된 70년대의 선형에 비해 그실용성이 크게 돋보인다고 할 수 있다. 본 KRISO 3600TEU 컨테이너선을 KCS(KR1SO Container Ship)로 명명하였고, 2000년에 Sweden Gothenburg 에서 열리는 CFD Workshop의 세 가지 test case 선형 중의 하나로 선택되었으며, 본 논문에 정리된 계측 결과를 Workshop에서 여러 CFD code의 검증을 위해서 사용하기로 하였음을 밝혀둔다.
- 상세한 파형 자료를 확보하기 위하여 선측 파형과 선수미 주위의 횡방향을 가르는 국부 파고를계측하였으며. 또한 36개의 횡방향 위치에서 종방향선을 따르는 파고를 계측하여 전체 파형 자료를 확보하였다.
- 선수미의 국부 파고를 계측할 때, 파고계가 모형선과 같이 움직이게 되는 점을 고려하여 서보 방식의 비접촉식 파고계를 사용하였으며. 선수 주위는 2개의 파고계를, 선체 후방에서는 3개의 파고계를 어댑터에 고정하여 동시에 2 ~ 3 위치에서 파고를 계측하도록 하였다. 파고계는 3축 이송 장치를 제어하여 계측 위치로 이동시켰으며 모형선이 1회 항주하는 동안 파고계를 횡방향으로 2cm씩 이동시키며 최대 36개의 위치에서의 파고를 계측하였다.
- 또한 36개의 횡방향 위치에서 종방향선을 따르는 파고를 계측하여 전체 파형 자료를 확보하였다. 선수미의 국부 파고를 계측할 때, 파고계가 모형선과 같이 움직이게 되는 점을 고려하여 서보 방식의 비접촉식 파고계를 사용하였으며. 선수 주위는 2개의 파고계를, 선체 후방에서는 3개의 파고계를 어댑터에 고정하여 동시에 2 ~ 3 위치에서 파고를 계측하도록 하였다.
- 선수부와 선미 후류 부분은 longitudinal cut 방법으로 접근이 불가능하므로 파고계를 모형선과 함께 움직이면서 횡단면을 따라 파고를 계측 할 수 있는 transverse cut 시스템을 구성하였다. 앞에서 설명된 3차원 이송장치 (3-D traversing mechanism)# 이용하여 위치를 이동하였고 2개 (선수부) 또는 3개(선미부)의 servo-type 파고계를 묶어서 한번에 2~3개 위치에서의 파고를 동시에 계측할 수 있도록 하였다.
- 선체 표면을 따르는 파형을 계측하기 위하여, 모형선 주위의 파계가 정상 상태에 이르렀을 때 스틸 카메라와 디지털 비디오 카메라를 이용하여 선측을 수차례 근접 촬영하였으며. 사진에 나타난 파형과 모형선에 표시된 눈금을 참조하여 선체 표면을 따르는 파형을 구하여 Fig.
- 전방 21 스테이션에서 15 스테이션사이의 20개의 종방향 위치에 대하여 파고계를 횡방향으로 이동시키며 선수 주위의 국부 파고를 계측하였다. 선체 후방에서는 트랜섬 뒤쪽 0.02m에서 2.184m(트랜섬 후방 6스테이션)에 걸쳐 0.5스테이션 또는 1스테이션 간격을 두고 10개의 종방향 위치에 대하여 파고계를 횡방향으로 이동시키며 계측하였다.
- 사용하였다. 실험 시간을 줄이기 위해 한번에 여러 위치에서의유속을 계측할 수 있도록 5개의 5공 피토관을 4cm 간격으로 묶은 rake를 제작하였다. 모형선의 반폭(선저 중앙부)의 범위까지 계측이 가능하도록 rake와 3축 이송장치 사이를 연결하는 어댑터를 사용하였다.
- 구성하였다. 앞에서 설명된 3차원 이송장치 (3-D traversing mechanism)# 이용하여 위치를 이동하였고 2개 (선수부) 또는 3개(선미부)의 servo-type 파고계를 묶어서 한번에 2~3개 위치에서의 파고를 동시에 계측할 수 있도록 하였다. 또한 선수부의 flare가 큰 선형의 경우에는 가능한한 선체 가까운 위치에서 파고를 계측할 수 있도록 Fig.
- 모형선의 반폭(선저 중앙부)의 범위까지 계측이 가능하도록 rake와 3축 이송장치 사이를 연결하는 어댑터를 사용하였다. 어댑터는 계측 중 항력과 교란을 최소로 하기 위하여 유선형 단면을 택하였으며 rake가 어댑터에 삽입되도록 홈을 파서 제작하였다. Fig.
- 유속 계측 실험 준비를 마친 후 모형선을 떼어내고 open-water 상태에서 Pitot tube만을 예인하여 캘리브레이션 값과 비교하고, 모든 시험이끝난 후에도 open-water 상태에서의 값을 확인하였다. 5개의 Pitot tube 중에서 open-water 상태에서의 값이 캘리브레이션 값과 1% 정도 차이가 나는 경우가 있었으며 이 값을 보정하여 주었다.
- 선수에는 Flare가 있어 파고계를 수면에 연직하게 설치할 경우 모형선에 근접한 위치에서는 파고 계측이 불가능하므로, 1개의 파고계는 연직 방향에 대하여 19° 만큼 기울여서 설치하였다. 이때 횡방향 계측 위치는 파고계를 정수면에 수직하게 설치하였을 때와는 같지않으므로, 계측된 파고와 기울림각을 이용하여 계측 위치를 보정하였다. F.
- 을 사용하였다. 이송 장치는 예인전차의 공간적인 여유가 부족하기 때문에 계측 rail과 모형선 사이에 설치되도록 제작하였으며, 모형선 진행방향, 폭방향, 깊이 방향으로 0.95m, 0.60m, 0.60m의 범위에서 이동이 가능하다. 각방향의 이동축은 400W AC servo motor (Panasonic MSM042A1E)로 구동되며, motor 와 회전축은 timing belt로 연결되어 1:2의 비로감속된다.
- 임의의 종방향 cut에 파고계를 고정할 수 있도록 수조 반폭의 길이를 갖는 외팔보를 제작하였다. 외팔보는 실험이 없는 경우 접어서 수조 벽에 고정시킬 수 있도록 하였고, 외팔보 위에는 servo-motor로 구동되는 sub-carrige 3개를 부착하여 각각의 sub-carriage에 파고계를 부착할 수 있도록 하여 계측 위치 이동에 소요되는 시간을 최소화하였다.
- 종단선을 따라 파형을 계즉하기 위해서는 3개의 파고계를 별도로 제작한 어댑터에 부착하여 동시에 세 위치에서의 파고를 계측할 수 있도록 하였다. 임의의 종방향 cut에 파고계를 고정할 수 있도록 수조 반폭의 길이를 갖는 외팔보를 제작하였다.
- 첫 계측 스테이션은 선미 트랜섬 끝단의 바로 뒤 3cm 지점의 수직면(St.-0.5767)으로 택해 모형선의 중앙선을 기준으로 삼을 수 있도록 하였고 자유수면을 이용해 깊이 방향의 원점으로 택하였다. 계측 스테이션을 옮길 때에는 미리 계산된 스테이션 간격만큼 traversing mechanism를 이동한 후 안쪽 Pitot tube를 모형선에 가까이 접근 시켜 종방향 위치를 확인하고, 모형선과의 간격을 계측한 후 자유수면으로 이동하여 깊이방향 위치를 점검하여 traversing mechanism에서의 위치를 나타내는 값과 모형선 또는 수면과의 상대 위치를 이중으로 확인하였다.
- 파고계 amplifier에서 나오는 analog 신호는 Daqbook A/D 변환기를 이용하여 디지탈화하였고, Daqview라는 S/W를 사용하여 NoteBook 컴퓨터의 enhancement parallel port (EPP) 를 통해 자료를 취득하였다.
- 선수 주위는 2개의 파고계를, 선체 후방에서는 3개의 파고계를 어댑터에 고정하여 동시에 2 ~ 3 위치에서 파고를 계측하도록 하였다. 파고계는 3축 이송 장치를 제어하여 계측 위치로 이동시켰으며 모형선이 1회 항주하는 동안 파고계를 횡방향으로 2cm씩 이동시키며 최대 36개의 위치에서의 파고를 계측하였다. 선수에는 Flare가 있어 파고계를 수면에 연직하게 설치할 경우 모형선에 근접한 위치에서는 파고 계측이 불가능하므로, 1개의 파고계는 연직 방향에 대하여 19° 만큼 기울여서 설치하였다.
- 계측점을 가능한 한 선체에 접근시키기 위해서는 계측위치나 이송 장치의 이동 순서에 세심한 주의가 필요하다. 피토관을 모형선 선체에 바짝 붙인 상태에서 모형선의 station, marking을 기준으로 계측하고자 하는 스테이션의 위치를 확인하고, 이로부터 1cm정도 떨어진 위치를 첫 계측점으로 선택하고 이송 장치를 이용하여 바깥쪽으로 Pitot-tube rake를 움직이면서 계측하였다. Rake에 묶인 Pitot tube의 간격이 4cm 이므로 1cm 간격으로 3번 계측한 후에는 깊이 방향으로 이동시켜 계측하였다.
- 여기서 나오는 analog 신호는 NEFF system을 통하여 digital 신호로 변환되어 PC로 입력되고. 피토관의 각 구멍에서의 압력들의 차로 이루어진 압력계수로 환산된 후, 캘리브레이션 차트의 계수와의 비교를 통하여 속도의 크기와 방향이 계산된다. 이때 캘리브레이션 차트와 계측된 압력 계수와의 비교를 위해서는 2차원 spline 법이 사용되었고.
- 한 위치에 대해서 50Hz 의 Sampling rate로 6초간 계측하여 1회 예인시 3~4 위치의 자료를 구할 수 있었다. 한 스테이션의 속도장을 구하기 위해서는 모두 50~70번의 run이 필요하며 800~1000개의 피토관 위치에서의 계측을 수행했다.
대상 데이터
- 또한 36개의 횡방향 위치에서 종방향선을 따르는 파고를 계측하여 전체 파형 자료를 확보하였다. 선수미의 국부 파고를 계측할 때, 파고계가 모형선과 같이 움직이게 되는 점을 고려하여 서보 방식의 비접촉식 파고계를 사용하였으며.
- 선체 주위의 3차원 유속을 계측하기 위하여 5 공 피토관(fiveiole Pitot tube) 을 사용하였다. 실험 시간을 줄이기 위해 한번에 여러 위치에서의유속을 계측할 수 있도록 5개의 5공 피토관을 4cm 간격으로 묶은 rake를 제작하였다.
- 5공관의 캘리브레이션은 종방향의 속도 성분이 작고 횡단면에서의 속도 성분이 큰 경우에도 정확도를 유지하기 위해서 2차원 차트 캘리브레이션 방법〔2〕을 사용하였다. 압력 변환기는 예인 수조에서 기존에 사용하던 Validyne사의 DP-15을 사용하였으며 사양은 Table 1, 캘리브레이션 결과는 Fig. 3에 표시하였다.
- 앞에서 설명한 계측 시스템을 이용하여 날씬하고 설계 속도가 높은 3600TEU급 컨테이너선을 대상으로 국부유동 계측 실험을 수행하였다.
- 유동 계측에 사용한 모형선은 프로펠러의 지름이 25cm인 KRISO 표준에 맞추기 위해 31.6의 축적비로 제작되었다. 실선과 모형선의 주요 제원은 Table 3에 나타내었고, 선형의 body plan과 선수와 선미의 윤곽선은 Fig.
이론/모형
- 2에서는 5공관과 rake, 어댑터를 연결한 사진을 보이고 있다. 5공관의 캘리브레이션은 종방향의 속도 성분이 작고 횡단면에서의 속도 성분이 큰 경우에도 정확도를 유지하기 위해서 2차원 차트 캘리브레이션 방법〔2〕을 사용하였다. 압력 변환기는 예인 수조에서 기존에 사용하던 Validyne사의 DP-15을 사용하였으며 사양은 Table 1, 캘리브레이션 결과는 Fig.
- 본연구에서는 이런 어려움을 극복하기 위해 이동 중에도 계측이 가능하고, 수면에 교란을 거의 일으키지 않는 서보방식 파고계(servo-needle type wave height gauge)를 사용하였다. Table 2와 Fig.
- 피토관의 각 구멍에서의 압력들의 차로 이루어진 압력계수로 환산된 후, 캘리브레이션 차트의 계수와의 비교를 통하여 속도의 크기와 방향이 계산된다. 이때 캘리브레이션 차트와 계측된 압력 계수와의 비교를 위해서는 2차원 spline 법이 사용되었고. 각각의 피토관에 대한 고유 상수는 국부유동 계측 전에 캘리브레이션하여 결정하였다〔2〕.
- 지금까지 기술한 국부유동 계측결과의 오차를 확인하기 위해 Coleman과 Steele〔3〕의 방법에 따라 불확실성 해석을 수행하였다. 선측 파형의 경우에는 망원경으로 읽었거나 사진을 찍어서 판독하였기 때문에 계측 오차의 대부분이 사람의 눈에 의한 것이라고 볼 수 있다.
- 피토관 등의 유동계측 장비를 효과적으로 이동시키기 위해서 3차원 이송 장치 (traversing mechanism) 을 사용하였다. 이송 장치는 예인전차의 공간적인 여유가 부족하기 때문에 계측 rail과 모형선 사이에 설치되도록 제작하였으며, 모형선 진행방향, 폭방향, 깊이 방향으로 0.
성능/효과
- 하지만 이러한 실험에서 오차의 대부분을 차지하는 precision 오차는 계측 위치에 따라 크게 달라짐을 알 수 있었다. 각 피토관의 대표적인 위치에서의 raw data를 바탕으로 산정한 결과, 선체 표면근처의 경계층 내부에서는 95% 신뢰 구간에서 0.8%, 경계층 외부에서는 0.3%, 그리고 선미 벌브나 트랜섬 선미 뒤의 vortex가 존재하는 영역에서는 1.2%에 이르는 것으로 산정되었다.
- 7과같이 안쪽의 파고계를 기울여서 사용하였다. 본 실험에 사용한 파고계의 경우 기울어진 각도가 20°에서도 정확한 계측값을 주는 것을 확인하였다.
- 선측 파형의 경우에는 망원경으로 읽었거나 사진을 찍어서 판독하였기 때문에 계측 오차의 대부분이 사람의 눈에 의한 것이라고 볼 수 있다. 본 연구에서 세 사람이 각각 망원경, 사진, 디지털 비디오카메라 등을 이용하여 계측한 선측 파형은 선수 끝단을 제외하고는 대부분 1mm내외의 오차를 보여주었다. 종단선상의 파형은 시간에 따른 파형이 모두 계측 값인 관계로 precision 오차는 계산하지 않았고, 파고계와 증폭기의 비선형성, 파고계의 위치, trigger signal의 위치 등에서 기인하는 bias 오차는 0.
후속연구
- 그리고 구축된 계측 시스템을 이용하여 KRISO 3600TEU 컨테이너선 주위의 파형 및 국부 유속을 계측하였다. 이러한 계측 결과를 통하여 조파 현상을 포함한 선체 주위의 난류 유동장을 이해할 수 있을 뿐만 아니라, 이러한 정보를 새로운 선형의 설계에 이용할 수 있다. 이러한 연구는 시간과 노력이 많이 소요되지만, 그 결과의 중요도는 매우 크다고 할 수 있다.
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