[논문]요트의 Main세일과 Jib세일 사이의 간섭 효과에 대한 수치해석

유재훈; 박일룡; 김진; 안해성; 반석호; 이평국

doi:10.3744/snak.2005.42.1.024

문제 정의

본 연구에서는 세일링 요트의 추진원으로 사용되어지는 세일에 대해서 실제적인 형상에 최대한 가깝게 형상화하여 이에 대한 유동과 힘에 대한수치 계산을 수행하였다, 특히, 두 개의 세일이 함께 장착되어지는 경우에 대해서 각각의 세일 간의 거리와 중첩에 대한 유동의 변화를 세밀하게 조사하였다. 두 세일 간의 간격은 매우 중요한 성능요소로서, 간격의 조절로 인해 전체적인 양력과 항력의 차이가 크게 나타나고 있음을 확인하였으며, 집세일에 대한 유동의 변화에 크게 영향을 미치고 있음을 알 수 있었다.

가설 설정

(1) Camber Line: NACA a=0.8 Mean Camber Line을 세일면의 기본 형상으로 가정하였다.
(1) 실제 세일의 형상에 대한 조절은 리그 및 마스트의 변형을 통해 이루어지게 되지만, 본 연구에서는 마스트와 붐 등의 리그에 대한 변형은 없다고 가정하였다.
또한 두 세일 간의 중첩에 따라 두 세일 사이의 간섭 효과가 어떻게 나타나는지를 보고자 하였으므로, 집세일 Foot의 코드 길이(67)를 메인세일 Foot의 코드길이의 0%에서 20%까지 증가시키면서 양력과 항력의 변화를 살펴보았다. 모든 경우에 대해 메인세일에 대한 형상 변화는 없다는 가정 하에 계산을 수행하였다.

제안 방법

(2) 항주 중에 횜경사가 발생하지만, 본 계산에서는 직립 상태를 기준으로 선체가 없이 마스트의 밑면 위치에 Mirror Body를 두고 계산하였다.
(3) Camber Ratio: 바람을 받으면 세일의 캠버가 깊어지게 되는데 이러한 형상 변화를 Basine 을 기준으로 한 코드 길이에 대한 캠버의 비율로 표현하였다.
(3) VPP계산을 통해 최적 풍상 항주 상태를 얻어내었으며, 이를 계산 조건으로 사용하였다. 즉, 계산에 사용되어진 조건은 20노트의 뵌바람 (Apparent Wind)0| 20도의 각도로 세일에 입사되는 것으로 하였다.
본 연구에서는 마스트가 하나이고 세일이 앞, 뒤에 각각 하나씩 장치되어 있는 슬루프(Sloop)형 요트의 세일시스템에 대해 수치 계산을 수행하였으며, 앞, 뒤세일 사이에 이루어지는 간섭 효과를 위주로 연구를 수행하였다. 계산에 사용되어진 세일 시스템은 30피트급 요트용으로 설계되어진 것으로서 집세일 (Jib Sail)과 메인세일(Main Sail)로 구성되어져 있다, 본 연구에서는 두 세일 간의 간섭 효과를 중첩(Overlap)에 대한 영향과 두 세일 간의 간격(Slit Distance)에 대한 영향으로 나누어 살펴보았으며, 메인세일과 집세일이 서로 간의 간섭이 없는 독립적인 상태를 기준으로 어떠한 간섭 현상이 발생하게 되는지, 양력과 항력의 양은 어떻게 변화하게 되는지를 조사하였다. 또한 계산되어진 결과로부터 세일 면 위의 풍력 중심, 즉 CE(Cente of fot)의 위치를 찾아내었으며, 요트를 추진시키게 되는 추진력 성분을 도출하여 보았다.
보이지는 않고 있다. 두 세일 간의 간격을 고정시키고 0%, 10%, 20% 중첩 상태에 대해 유동의 변화와 양력, 항력 등의 변화를 살펴보았다.
두 세일이 조합되어진 상태로서, 먼저 두 세일 간의 간격 변화에 따른 유동과 힘의 변화를 조사하였다. 계산 결과 중 20%의 중첩을 가진 세일 세트들의 간격을 변화시켜 유동의 변화를 살펴보면(Case 7, 8, 9), Fig.
계산에 사용되어진 세일 시스템은 30피트급 요트용으로 설계되어진 것으로서 집세일 (Jib Sail)과 메인세일(Main Sail)로 구성되어져 있다, 본 연구에서는 두 세일 간의 간섭 효과를 중첩(Overlap)에 대한 영향과 두 세일 간의 간격(Slit Distance)에 대한 영향으로 나누어 살펴보았으며, 메인세일과 집세일이 서로 간의 간섭이 없는 독립적인 상태를 기준으로 어떠한 간섭 현상이 발생하게 되는지, 양력과 항력의 양은 어떻게 변화하게 되는지를 조사하였다. 또한 계산되어진 결과로부터 세일 면 위의 풍력 중심, 즉 CE(Cente of fot)의 위치를 찾아내었으며, 요트를 추진시키게 되는 추진력 성분을 도출하여 보았다.
수행하였다. 또한 두 세일 간의 중첩에 따라 두 세일 사이의 간섭 효과가 어떻게 나타나는지를 보고자 하였으므로, 집세일 Foot의 코드 길이(67)를 메인세일 Foot의 코드길이의 0%에서 20%까지 증가시키면서 양력과 항력의 변화를 살펴보았다. 모든 경우에 대해 메인세일에 대한 형상 변화는 없다는 가정 하에 계산을 수행하였다.
또한 메인세일과 집세일은 서로 일정 부분 겹쳐있게 되므로 이를 중첩(Overlap)으로 표시하고, 메인 세일의 마스트 연결 부분과 집세일의 폭 방향 거리를 두 세일 간의 간격으로 보고, 집세일의 Foot 각도(Jib Ane)로 그 값을 정의하였다. 결국 이러한 두 가지 값의 변화에 따라서 두 세일 간의 간섭 현상이 달라진다.
8에 나타내었다. 또한 세일 주위 유동장의 공기 흐름을 조사하기 위하여 Fig. 9와 같이 세일 시스템 전체 높이의 25%에 해당하는 높이의 단면에서의 유동장 유선을 살펴보았다. Fig.
먼저 각각의 세일이 독립적으로 놓여 있는 경우에 대한 계산을 수행하였다. 세일에 입사되는 바람의 방향과 조건은 결합된 후와 동일하게 적용하였다.
바람이 약한 상황이나 위급 상황 등이 아닌 일반적인 항해 중에는 바람의 힘으로만 항주하게 되며, 특히 요트 경주와 같이 속도 성능을 위주로 항해하는 경우에는 바람을 추진력으로 전환하게 되는 장치인 세일의 기능과 효율을 최적의 상태로 만드는 것이 매우 중요하다. 본 연구에서는 마스트가 하나이고 세일이 앞, 뒤에 각각 하나씩 장치되어 있는 슬루프(Sloop)형 요트의 세일시스템에 대해 수치 계산을 수행하였으며, 앞, 뒤세일 사이에 이루어지는 간섭 효과를 위주로 연구를 수행하였다. 계산에 사용되어진 세일 시스템은 30피트급 요트용으로 설계되어진 것으로서 집세일 (Jib Sail)과 메인세일(Main Sail)로 구성되어져 있다, 본 연구에서는 두 세일 간의 간섭 효과를 중첩(Overlap)에 대한 영향과 두 세일 간의 간격(Slit Distance)에 대한 영향으로 나누어 살펴보았으며, 메인세일과 집세일이 서로 간의 간섭이 없는 독립적인 상태를 기준으로 어떠한 간섭 현상이 발생하게 되는지, 양력과 항력의 양은 어떻게 변화하게 되는지를 조사하였다.
수치 계산은 두 세일 간의 간격인 집세일 Foot 의 베이스라인 각도07)를 5도, 10도, 15도로 변화하면서 수행하였다. 또한 두 세일 간의 중첩에 따라 두 세일 사이의 간섭 효과가 어떻게 나타나는지를 보고자 하였으므로, 집세일 Foot의 코드 길이(67)를 메인세일 Foot의 코드길이의 0%에서 20%까지 증가시키면서 양력과 항력의 변화를 살펴보았다.
메인세일의 경우 마스트가 입사 부분을 고정하게 되며, Eoot에는 붐(Boom)에 의해 고정되게 되므로, 나머지 한 변에 해당하는 Trailing Edge의 연결선, 즉 Sail Leech는 상부로 올라갈수록 열리게 되고, 세일면의 캠버는 깊어지는 현상이 나타나게 된다. 이러한 형상 변화, 즉, 세일의 비틀림(Sail Twist)을 세일의 형상을 정의하는 Camber Ratio와 각 높이 방향의 단면들의 Baseline Angle의 변화로서 표현하였다. 메인 세일의 형상은 Table 1 및 Fig.

이론/모형

(4) 점성유동 계산을 위한 지배방정식은 RANS(Reynolds Averaged Navie-Stoke's) 방정식이며, 유한 체적법을 이용하여 해를 구하였다. 난류 유동 해석을 위해 realizable난류모형 (Shih et al.
구하였다. 난류 유동 해석을 위해 realizable난류모형 (Shih et al. 1995)과 벽함수 (wall function) 기법을 사용하였다. 시간항에 대한 시간적분법은 2차 정도의 Euleimcit법을 사용하였으며, 운동량이송 방정식의 대류항과 확산항은 3차 정도(3d ode의 QCK법과 중앙차분법을 이용하여 각각 이산화하였다.
시간항에 대한 시간적분법은 2차 정도의 Euleimcit법을 사용하였으며, 운동량이송 방정식의 대류항과 확산항은 3차 정도(3d ode의 QCK법과 중앙차분법을 이용하여 각각 이산화하였다. 속도-압력의 연성을 위해서 SIMPLEC방법을 사용하였으며, 이산화된 선형 연립방정식의 해는 SIP(Strongly Implicit Procedure) 기법을 사용하여 구하였다. 보다 상세한 수치해석설명은 김우전 등(2000), Kim et.
1995)과 벽함수 (wall function) 기법을 사용하였다. 시간항에 대한 시간적분법은 2차 정도의 Euleimcit법을 사용하였으며, 운동량이송 방정식의 대류항과 확산항은 3차 정도(3d ode의 QCK법과 중앙차분법을 이용하여 각각 이산화하였다. 속도-압력의 연성을 위해서 SIMPLEC방법을 사용하였으며, 이산화된 선형 연립방정식의 해는 SIP(Strongly Implicit Procedure) 기법을 사용하여 구하였다.

성능/효과

(2) Baseline Angle: 세일은 Leading Edge에 해당하는 전방(Luff)이 마스트 또는 Fore Stay에 의해 고정되어 있는 반면, Trailing Edge에 해당하는 후단(Leech)은 고정되지 않는 특성을 가진다. 따라서 바람을 받으면 자연스럽게 세일 리치 부뿐이 열리는 현상이 발생하며, 이를 Camber Baseline의 각도가 변하는 것으로 표현하였다.
(5) 계산에 사용되어진 격자는 다중 블록 구조로서 각 경우 13개씩의 블록으로 구성하였으며, 총 격자수는 1, 796, 770개로 생성되어졌다. 각 경우에 대한 계산은 약 16시간(Pentium IV 2.
(6) 계산되어진 양력과 항력 값은 로 무차원화 되어졌다. (p:air density, S:sface area, :wind vcity)
두 세일 간의 간격은 매우 중요한 성능요소로서, 간격의 조절로 인해 전체적인 양력과 항력의 차이가 크게 나타나고 있음을 확인하였으며, 집세일에 대한 유동의 변화에 크게 영향을 미치고 있음을 알 수 있었다. 각각의 세일에 의한 양력이나 추진력보다 두 세일이 결합되어 있는 실제 요트의 세일 시스템이 좀 더 많은 양의 추진력을 발생시킬 수 있음을 확인하였으며, 이러한 결과는 집세일에 의한 양력 증가가 주 원인임을 알 수 있었다.
12에서는 간격 변화에 따른 양력의 변화를 볼 수 있으며, 중첩도가 다른 나머지 세일 세트에 대해서도 동일한 결과를 주고 있다. 간격에 따른 양력의 변화는, 간격이 좁아질수록 메인세일의 양력은 감소하고 집세일의 양력은 중간의 간격에서 늘어나다가 다시 줄어드는, 메인세일과 집세일에 상반되는 영향을 주고 있음을 알 수 있다. Fig.
계산 결과 중 20%의 중첩을 가진 세일 세트들의 간격을 변화시켜 유동의 변화를 살펴보면(Case 7, 8, 9), Fig. 10에 나타난 바와 같이 세일 표면의 한계 유선과 표면 압력 분포에 비교적 큰 차이가 나는 것을 볼 수 있다. 전체적인 유동 현상의 차이는 메인세일의 존재가 집세일에 입사되는 유동에 영향을 주게 되어 집세일의 받음각 (Angle of Attack)을 키워주는 역할, 즉 Upw&sh 현상이 나타나고 이에 따른 유동의 변화임을 알 수 있다.
반면 조합되어진 후의 메인 세일은 독립적인 상태보다 모든 조건에서 작은 값의 추진력을 가지고 있다. 계산 조건 중에서는 Jib Sail Angle이 10도, OverlapOl 20%인 상태에서의 추진력이 가장 큰 것으로 나타났다.
두 세일 간의 간격은 매우 중요한 성능요소로서, 간격의 조절로 인해 전체적인 양력과 항력의 차이가 크게 나타나고 있음을 확인하였으며, 집세일에 대한 유동의 변화에 크게 영향을 미치고 있음을 알 수 있었다. 각각의 세일에 의한 양력이나 추진력보다 두 세일이 결합되어 있는 실제 요트의 세일 시스템이 좀 더 많은 양의 추진력을 발생시킬 수 있음을 확인하였으며, 이러한 결과는 집세일에 의한 양력 증가가 주 원인임을 알 수 있었다.
14를 살펴보면 메인 세일이나 집세일이 공통적으로 간격이 좁아질수록 효율이 줄어들고 있는데, 특히 집세일의 효율은 매우 급격한 감소가 있음을 알 수 있다. 따라서 세일 세트의 배치와 항해 중 세일을 조절함에 있어서 두 세일 간의 간격 조절이 전체적인 속도 성능에 매우 중요한 요인이라는 것을 알 수 있다.
10에 나타난 바와 같이 세일 표면의 한계 유선과 표면 압력 분포에 비교적 큰 차이가 나는 것을 볼 수 있다. 전체적인 유동 현상의 차이는 메인세일의 존재가 집세일에 입사되는 유동에 영향을 주게 되어 집세일의 받음각 (Angle of Attack)을 키워주는 역할, 즉 Upw&sh 현상이 나타나고 이에 따른 유동의 변화임을 알 수 있다. 반대로 집세일의 존재는 메인세일의 받음각을 줄여주는 역할 즉, Downwash를 유발하고 있음을 살펴 볼 수 있다.

후속연구

일련의 세일에 대한 수치 계산을 통해서 최적의 설계 조건의 방향을 얻어낼 수 있었으며, 고효율의 세일 설계나 항해 중의 세일 조절 지침에 대한 중요한 자료로 사할 수 있다고 판단된다.

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