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문제 정의
- 선체 주위의 파계와 선미에서의 국무 유동장을 계측하여 LNG 운반선과 같은 뚱뚱 하면서 비교적 빠른 속도로 진행하는 선박 주위의 유동에 대한 자료를 확보하였다. 또한 추진기와 타어 의한 선미 유동장의 교란 정도를 확인하고 이를 추진성능과 연결하여 향후 추진성능 평가를 위힌 CFD 검증자료로 활용하기 위해 추진기가 회전히는 경우에 대하여 속도를 계측하고, 타에 의한 속도장의 변화를 파악하고자 하였다. 이와 같은 계측자료는 선박의 추진성능과 국부 유동장의 관겨를 파악하는데 매우 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 이에 추진기와 타의 효과를 고려한 국부 유동장 계측 자료에 대한 필요성이 대두되었다. 본 연구에서는 추진기와 타의 효과를 포함한 국부 유동장 계측을 수행하여 저항 및 추진성능 추정을 위한 또 하나의 benchmark data를 제공하고자 기획되었다. 이는 현재 어느 정도 활용성이 검증된 저항성능 평가용 CFD 시스템을 추진성능 평가를 위한 수치계산 시스템으로 그 기능을 확장하기 위한 검증 자료를 확보한다는 취지도 반영하고 있다고 하겄I다.
제안 방법
- 국부 유동장 계측 결과를 표시하기 위해서 계측 위치와 파고 및 국부유속은 모형선의 수선간 길이와 예인 속도를 이용하여 각각 무차원화 하였다. 사용된 3차원 Cartesian 좌표계 (X, Y, Z)에서 X 는 선체 후방을, Y 는 우현 방향을, 그리고 Z 는 수직 상방을 각각 가리킨다.
- 또한 추진기와 타에 의한 선미 파계의 변화를 확인하기 위해 자항 상태로 추진기를 회전시키면서 선미 후방에서 파고를 계측하여 이를 추진기와 타가 없는 나선 상태와 비교하였다. 그리고 타에 유입되는 추진기 후 류를 계측하기 위해 St. 0.21에서 추진기가 회전 하는 상태에서 속도장을 계측하였다. 또한 타에 의한 효과를 따로 분리하기 위해 St.
- 선체에서 횡방향으로 일정 위치에 놓인 세 개의 파고계를 수조 벽에 설치된 파그계 이송장치를 따라서 매번 바꾸어 가며 39 개의 파고계 위치의 longitudinal cut 에서 파고를 계측하였다. 또한 선수와 선미에서의 파고를 계측 하기 위해서 예인 전차에 고정된 3 축 이송장치에 부착된 두 개의 파고계를 이용하여 선수부에 10 개, 선미 트랜섬 후방에 11 개의 transverse cut 을 따라서 파고를 계측하였다. 선미 속도장 계측을 위해서 St.
- 이를 위해서 5개의 5 공 피토관을 하나의 rake 에 부착하여 3차원 속도장 계측의 효율성을 증대 시켰다. 또한 추진기와 타에 의한 선미 파계의 변화를 확인하기 위해 자항 상태로 추진기를 회전시키면서 선미 후방에서 파고를 계측하여 이를 추진기와 타가 없는 나선 상태와 비교하였다. 그리고 타에 유입되는 추진기 후 류를 계측하기 위해 St.
- 또한 선수와 선미에서의 파고를 계측 하기 위해서 예인 전차에 고정된 3 축 이송장치에 부착된 두 개의 파고계를 이용하여 선수부에 10 개, 선미 트랜섬 후방에 11 개의 transverse cut 을 따라서 파고를 계측하였다. 선미 속도장 계측을 위해서 St. 1.5, 1.0, 0.421, 0.21,-0.3383 에서의 속도장을 계측하였다. 이를 위해서 5개의 5 공 피토관을 하나의 rake 에 부착하여 3차원 속도장 계측의 효율성을 증대 시켰다.
- 선미에서 형성되는 두꺼운 점성 경계층과 추진 기뎐에 유입되는 빌지 보오텍스의 형성을 관찰하기 위해 선미의 5개의 종단면에서의 평균 속도장 을 계측하였다. 우선, St.
- 선미파에 대한 추진기 및 타의 영향을 파악하기 위하여 선미 후방 5개의 위치에서 transverse cut 을 따라 파고를 계측하였다. 우선 추진기와 타가 없는 경우에 대하여 파고를 계측하였으며, 타만을 부착한 경우와 프로펠러가 회전하면서 타가 없는 경우 및 타가 존재하는 경우의 네 가지에 대하여 계측된 파고를 Fig.
- 선체 주위 유동에 대한 이해와 선형의 저항 및 추진성능 평가용 CFD 시스템의 검증용 자료를 확보히기 위한 노력의 일환으로 KRISO 138K LNG 운빈선 (KLNG)의 모형에 대한 국부 유동장 계측을 수행하였다. 선체 주위의 파계와 선미에서의 국무 유동장을 계측하여 LNG 운반선과 같은 뚱뚱 하면서 비교적 빠른 속도로 진행하는 선박 주위의 유동에 대한 자료를 확보하였다.
- 선체 주위 유동에 대한 이해와 선형의 저항 및 추진성능 평가용 CFD 시스템의 검증용 자료를 확보히기 위한 노력의 일환으로 KRISO 138K LNG 운빈선 (KLNG)의 모형에 대한 국부 유동장 계측을 수행하였다. 선체 주위의 파계와 선미에서의 국무 유동장을 계측하여 LNG 운반선과 같은 뚱뚱 하면서 비교적 빠른 속도로 진행하는 선박 주위의 유동에 대한 자료를 확보하였다. 또한 추진기와 타어 의한 선미 유동장의 교란 정도를 확인하고 이를 추진성능과 연결하여 향후 추진성능 평가를 위힌 CFD 검증자료로 활용하기 위해 추진기가 회전히는 경우에 대하여 속도를 계측하고, 타에 의한 속도장의 변화를 파악하고자 하였다.
- 항주 중의 파형을 기록하기 위해서 servo-needle type 파고계를 이 돌코하여 longitudin기 cut 과 transverse cut 을 따라 파형을 계측하였다. 선체에서 횡방향으로 일정 위치에 놓인 세 개의 파고계를 수조 벽에 설치된 파그계 이송장치를 따라서 매번 바꾸어 가며 39 개의 파고계 위치의 longitudinal cut 에서 파고를 계측하였다. 또한 선수와 선미에서의 파고를 계측 하기 위해서 예인 전차에 고정된 3 축 이송장치에 부착된 두 개의 파고계를 이용하여 선수부에 10 개, 선미 트랜섬 후방에 11 개의 transverse cut 을 따라서 파고를 계측하였다.
- 선측 파형의 관측을 위해서 모형선에 1.0 WL 간격으로 수선을 표시하였고, 선측 파형을 사진기와 video camera 로 기록하였다. 항주 중의 파형을 기록하기 위해서 servo-needle type 파고계를 이 돌코하여 longitudin기 cut 과 transverse cut 을 따라 파형을 계측하였다.
- 가 설계되었으며, KLNG 로 명명되었다. 수조 시험을 위해 1/38.64 의 축척비를 가지는 모형선이 제작되었으며, KRISO 예인수조에서 저항 및 자항 시험, 추진기 반류 계측, 선수미 파형계측 (Transverse cut), 측면 파형 계측 (Longitudinal cut), 선미 평균 속도장 계측, 그리고 추진기와 타의 효과를 포함한 선미 파고 및 속도장 계측 등의 실험이 수행 되었다. 본 연구의 결과는 폭/흘수비가 상대적으로 크고, 비교적 Froude 수가 큰 LNG 운반선 주위의 유동장을 이해하는데 귀중한 자료가 될 것이며, 또한 선박의 저항 및 추진 성능 추정을 위한 CFD 시스템의 계산결과 검증을 위해서도 매우 중요한 자료로 활용될 수 있으리라 기대된다.
- 이는 직사각형에서 하나의 대각선의 값이 크고 다른 대각선의 값이 작을 패, 그 중간 점에서의 값이 네 구석점의 평균값으로 삽간 되면서 일어나는 현상으로 파형 계측 값을 등고선으로 나타낼 때, 실제의 모양을 잘못 보여 주는 결과를 낳을 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 오류를 시정하기 위하여 전방과 후방의 일부 계측점을 사선을 따라서 제외하고 경사진 격자점을 형성하여 비스듬히 새로 생성한 격자계에서 등고선을 그려보았다. 경사진 격자계에서 얻어진 등 고선은 Fig.
- 3383 에서의 속도장을 계측하였다. 이를 위해서 5개의 5 공 피토관을 하나의 rake 에 부착하여 3차원 속도장 계측의 효율성을 증대 시켰다. 또한 추진기와 타에 의한 선미 파계의 변화를 확인하기 위해 자항 상태로 추진기를 회전시키면서 선미 후방에서 파고를 계측하여 이를 추진기와 타가 없는 나선 상태와 비교하였다.
- 6% 정도로 관측되었다. 전 체적인 파형계측을 위하여 선체의 횡방향 일정 위치인 longitudinal cut 을 따라서 파형을 계측하였다. 또한 선수미에서는 종방향의 일정 위치인 transverse cut 을 따라서 파고를 계측하여 Fig.
- 정수 중을 진행하는 모형선 주위의 파계를 계측 하기 위해 우선 선축 파형을 관측하였다. 모형선 에 표시된 수선을 기준으로 모형선의 표면에서의 파형을 사진으로 기록한 후, 이를 환산하여 Fig.
- 0 WL 간격으로 수선을 표시하였고, 선측 파형을 사진기와 video camera 로 기록하였다. 항주 중의 파형을 기록하기 위해서 servo-needle type 파고계를 이 돌코하여 longitudin기 cut 과 transverse cut 을 따라 파형을 계측하였다. 선체에서 횡방향으로 일정 위치에 놓인 세 개의 파고계를 수조 벽에 설치된 파그계 이송장치를 따라서 매번 바꾸어 가며 39 개의 파고계 위치의 longitudinal cut 에서 파고를 계측하였다.
대상 데이터
- 본 연구의 대상 선형으로는 최근에 각 조선소에서 많은 관심을 보이고 있는 LNG 운반선을 선택 하였다. 이를 위해 KRISO 138K LNG Carrier.
- 유동 계측에 사용한 모형선은 국부 유동장 계측 장비의 이동 공간을 고려하여 KRISO 표준보다는 약간 작은 모형 프로펠러의 지름 22 cm 에 맞추어 38.6364의 축적비로 제작되었다. KLNG 의 실선과 모형선에 대한 주요 제원은 Table 1에 나와 았으며, 선형의 개략도를 Fig.
- 본 연구의 대상 선형으로는 최근에 각 조선소에서 많은 관심을 보이고 있는 LNG 운반선을 선택 하였다. 이를 위해 KRISO 138K LNG Carrier. 가 설계되었으며, KLNG 로 명명되었다.
- 추진기 중심선은 실선에서는 수면 아래 6.8 m, 도형선에서는 17.6 cm 인 Z = -0.025564에 위치 하고 있으며, 추진기의 직경은 실선에서는 8.5 m, 모형선에서는 22 cm 로서 수선간 길이로 무차원 화 하면 Dprop/Lpp 0.031955 이다. 추진기면에서 관찰되는 이른바, 갈고리 모양의 축방향 등속선의 형태는 빌지 보오텍스의 강도에 따라 달라지며, 비대선일수록 3 모양이 많이 꼬이는 모양을 이룬 다.
성능/효과
- 본 연구에서는 횡방향 10 ~ 20 cm 간격으로 longitudinal cut 을 따라 파형을 계측하였는데, 이 결과를 등고선 그림으로 나타낼 때, 계측된 횡방향 위치의 값을 계측선 사이에서 삽간하는 과정에서 오류가 발생할 수 있음을 확인하였다. 특히 큰 발산파를 가진 KLNG 의 파계에서 발산파의 고점 과 저점을 잘못 삽간하게 되면 Fig.
- 3383 에서도 비슷한 형태로 관측된다. 하지만 St. 0.21에 비해 St. - 3.3383 에서의 프로펠러 방향과 같은 회전 속도 성분(즉, axial vorticity ωk중 음의 값)은 peak 값에서 반 정도로 감소 했으며, 적분 값도 20% 정도 감소했음을 확인할 수 있었다. 그리고 회전 유동의 중심은 더욱 좌현 쪽으로 밀려나 있으며, 회전 유동의 중심에 속도가 작은 영역이 존재한다.
후속연구
- 64 의 축척비를 가지는 모형선이 제작되었으며, KRISO 예인수조에서 저항 및 자항 시험, 추진기 반류 계측, 선수미 파형계측 (Transverse cut), 측면 파형 계측 (Longitudinal cut), 선미 평균 속도장 계측, 그리고 추진기와 타의 효과를 포함한 선미 파고 및 속도장 계측 등의 실험이 수행 되었다. 본 연구의 결과는 폭/흘수비가 상대적으로 크고, 비교적 Froude 수가 큰 LNG 운반선 주위의 유동장을 이해하는데 귀중한 자료가 될 것이며, 또한 선박의 저항 및 추진 성능 추정을 위한 CFD 시스템의 계산결과 검증을 위해서도 매우 중요한 자료로 활용될 수 있으리라 기대된다.
- 이와 같은 계측자료는 선박의 추진성능과 국부 유동장의 관겨를 파악하는데 매우 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 뿐만 아니라 선형의 추진성능 추정을 위한 CFD 기술 활용을 위해 반드시 선행되어야 할 physical modeling 과 numerical modeling 에 필요한 귀중한 검증 자료로서 이용될 수 있다고 생각된다.
- 또한 추진기와 타어 의한 선미 유동장의 교란 정도를 확인하고 이를 추진성능과 연결하여 향후 추진성능 평가를 위힌 CFD 검증자료로 활용하기 위해 추진기가 회전히는 경우에 대하여 속도를 계측하고, 타에 의한 속도장의 변화를 파악하고자 하였다. 이와 같은 계측자료는 선박의 추진성능과 국부 유동장의 관겨를 파악하는데 매우 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 뿐만 아니라 선형의 추진성능 추정을 위한 CFD 기술 활용을 위해 반드시 선행되어야 할 physical modeling 과 numerical modeling 에 필요한 귀중한 검증 자료로서 이용될 수 있다고 생각된다.
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