지금까지 우리나라에서 수행된 소형 다동체 레저낚시어선의 선형개발 현황을 살펴보면 배의 길이 LOA 15 m, LBP 12 m, 총톤수 9.77톤, 경하배수량 15.1톤인 쌍동선은 이미 선형개발이 완료되어 건조후 운항 중에 있는데, 이는 선박검사기술협회의 주관으로 충남대학교, 인하대학교, 서울대학교와 조선소인 (주)어드밴스드마린테크가 공동참여하여 낚시전용어선으로 선형개발한 것으로서 선체의 재질은 FRP(Fiber Reinforced Plastics)이고, 주기관은 디젤엔진$360ps{\times}2800rpm{\times}2sets$(시제선은 $283ps{\times}2600rpm{\times}2sets$ 장착)에 워터제트(Water Jet) 추진시스템을 채용하였다. 이러한 사항을 바탕으로. 이 논문에서는 배의 길이 LOA 17 m, LBP 14m(Side Hull 6 m), 총톤수 9.77톤, 경하배수량 11.2톤인 삼동선형의 개발을 목표로 추진되었던 인하대학교 황해권 수송시스템 연구센터(CTYS)사업과 관련하여 소형 다동체 레저어선의 선형설계에 관하여 기술하고자 한다.
지금까지 우리나라에서 수행된 소형 다동체 레저낚시어선의 선형개발 현황을 살펴보면 배의 길이 LOA 15 m, LBP 12 m, 총톤수 9.77톤, 경하배수량 15.1톤인 쌍동선은 이미 선형개발이 완료되어 건조후 운항 중에 있는데, 이는 선박검사기술협회의 주관으로 충남대학교, 인하대학교, 서울대학교와 조선소인 (주)어드밴스드마린테크가 공동참여하여 낚시전용어선으로 선형개발한 것으로서 선체의 재질은 FRP(Fiber Reinforced Plastics)이고, 주기관은 디젤엔진 $360ps{\times}2800rpm{\times}2sets$(시제선은 $283ps{\times}2600rpm{\times}2sets$ 장착)에 워터제트(Water Jet) 추진시스템을 채용하였다. 이러한 사항을 바탕으로. 이 논문에서는 배의 길이 LOA 17 m, LBP 14m(Side Hull 6 m), 총톤수 9.77톤, 경하배수량 11.2톤인 삼동선형의 개발을 목표로 추진되었던 인하대학교 황해권 수송시스템 연구센터(CTYS)사업과 관련하여 소형 다동체 레저어선의 선형설계에 관하여 기술하고자 한다.
The vessels, already built and is operating in Korea, have the hull form of catamaran, with LOA(Length Over All) 15 m, LBP(Length Between Perpendiculars) 12 m, GT(Gross Tonnage) 9.77ton, Light Load Displacement 15.1ton. Korean Society of Ship Inspection & Technology, Chungnam National University, In...
The vessels, already built and is operating in Korea, have the hull form of catamaran, with LOA(Length Over All) 15 m, LBP(Length Between Perpendiculars) 12 m, GT(Gross Tonnage) 9.77ton, Light Load Displacement 15.1ton. Korean Society of Ship Inspection & Technology, Chungnam National University, Inha University, Seoul National University and Advance Marine Tech co. ltd developed by cooperation it for fishing vessels. And it used FRP(Fiber Reinforced Plastics) for hull material and main engine of diesel $360ps{\times}2800rpm{\times}2sets$ with a water jet system. Based on these results, this paper describe small leisure fishing vessels with multi-hull, in relation to the project of CTYS(Regional Reserch Center for Transportation System of Yellow Sea Inha University) that aimed to development of trimaran hull form(LOA=17m, LBP=14m(Side Hull=6m), GT=9.77ton, Light Weight=11.2 ton).
The vessels, already built and is operating in Korea, have the hull form of catamaran, with LOA(Length Over All) 15 m, LBP(Length Between Perpendiculars) 12 m, GT(Gross Tonnage) 9.77ton, Light Load Displacement 15.1ton. Korean Society of Ship Inspection & Technology, Chungnam National University, Inha University, Seoul National University and Advance Marine Tech co. ltd developed by cooperation it for fishing vessels. And it used FRP(Fiber Reinforced Plastics) for hull material and main engine of diesel $360ps{\times}2800rpm{\times}2sets$ with a water jet system. Based on these results, this paper describe small leisure fishing vessels with multi-hull, in relation to the project of CTYS(Regional Reserch Center for Transportation System of Yellow Sea Inha University) that aimed to development of trimaran hull form(LOA=17m, LBP=14m(Side Hull=6m), GT=9.77ton, Light Weight=11.2 ton).
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문제 정의
물론, 삼동선은 낮은 속력에서 마찰 저항이 크다거나 파도 중에서 요동이 심하고, 제어가 어려운 점과 내부의 공간이 세부분 으로 분리되어 있어 공간의 활용성이 떨어지며, 일반 배치 및 추진시스템의 배치에 어려운 점이 있는 등 몇 가지 결점들도 가지고 있다. 다만, 본 연구에서는 모형실험과 MACfMaker and Cell)법 을 사용한 수치 해석을 통해 설계된 배수량 7톤급 삼동선형에 대해서도 검토하여 보았다.
이에 따라 본 연구에서는 수심조건을 달리하며 인접한 선체에서 발생한 파도의 상호작용에 대하여 선체 사이의 거리에 따른 영향을 알아보았다. 또한, 천수조건이 조파저항에 미치는 영향을 해석해 보았다. 모형 실 험은 인하대학교 선형시험 수조에서 수행되었으며, 수치 해석을 통하여 쌍동선의 실험 결과와 기존 실적선 자료와 비교하였다.
본 연구에서는 여러 가지 레저용 선박 중 수상레저요으로 유망한 9.77 Ton Class 낚시 선박의 실용화에 대한 연구를 수행하였다.
본 연구에서는, 국민적 관심이 증가하고 있는 해양레저산업에 발맞추어 레저 낚시보트를 설계하였다. 레저보트는 폭풍이 부는 해상에서 신속하게 대처할 수 있는 능력보다는 보트갑판에 머무는 동안 편안함을 느낄 수 있어야 하는데, 쌍동선과 삼동선 같은 다동 체를 가진 선박은 다른 선형에 비해 상대적으로 안전하며 넓은 갑판을 가지고 있어 그러한 요구 조건을 만족하는 선형이라 할 수 있다.
CATA Ⅱ는 CATA I이 어깨 부분과 중앙부와의 연결이 매끄럽지 못해 저항 성능에 문제가 있다고 판단되어 이를 개선한 선형이다. 실제 실험에 앞서서 CATA I과 CATA Ⅱ에 대한 수치 시뮬레이션을 통하여 선형 개선에 의한 효과를 검토하고자 하였다. 수치계산은 선형 설계에 있어서 경제적, 시간적인 절감 효과를 거둘 수 있는 유용한 방법이다.
상부구조물의 경우 다른 선박과 비교하여 볼 때 선수 방향으로 치우쳐 있다. 이는 Semi-Planing Type의 주선체 특성과 보조선체 가 선미 방향으로 치우쳐 있어 다른 선박보다 선미 쪽으로 가까이에 있는 LCB로 인해 발생할 수 있는 고속에서 과도한 선수 트림 억제와 함께 선미에서 레저를 즐기는 것을 선호하는 우리나라 사람의 특성을 고려하여 설 계하였다.
전형적인 단동체 선형과 달리 쌍동선의 선체 사이의 거리는 매우 중요한 설계요소이다. 이에 따라 본 연구에서는 수심조건을 달리하며 인접한 선체에서 발생한 파도의 상호작용에 대하여 선체 사이의 거리에 따른 영향을 알아보았다. 또한, 천수조건이 조파저항에 미치는 영향을 해석해 보았다.
제안 방법
9.77톤급 쌍동선형의 레저 낚시어선이 본 연구에서의 실험 결과 및 수치계산 등을 참고로 하여 '설계되었다. Fig.
CATA Ie 남해안에서 현재 운항 중인 쌍동선형 여객선을 약간 수정한 선형이고, CATA Ⅱ는 CATA I이 어깨 부분과 중앙부와의 연결이 매끄럽지 못해 저항 성능에 문제가 있다고 판단되어 이를 개선한 선형이며, CATA HI는 CATA I과 CATA Ⅱ에 비하여 흘수를 낮추어 수심 제한이 심한 항로를 고려하여 설계하였다. 끝으로, CATA 는 모형선 실험과 수치 해석 시뮬레이션을 통해 얻은 자료와 지금까지의 축적된 경험으로부터 설계한 레저 낚시보트의 최종 선형이다.
CATA Ie 파랑관통형 쌍동선을 목표로 설계하였다. 유사선형에 대한 조사를 토대로 주요 요목을 결정하여 설계하였으며, 설계 는 Autocad와 Tribon 등을 통하여 수행하였다.
CATA Ⅲ는 CATA I과 CATA Ⅱ에 비하여 흘수를 낮추어서 수심제한이 심한 항로를 고려하여 설계하였다. 선형 설계는 활주형 쌍동선을 목표로 유사선형에 대한 조사를 토대로 주요 요목을 결정하여 설계하였다.
General Arrangement의 결정에 있어서 삼동선의 장점인 넓은 Upper Deck을 최적화하는데 주안점을 두었다.
개발된 선형의 유효성 검토를 위해 모형선을 제작하여 선형수 조에서 고속 무인 전차를 이용하여 모형시험을 수행하였다. Table 5 는 모형선의 주요 요목, Fig.
22에서는 모형시험 결과 계측된 모형선의 저항값을 ITTC 1957년도 방법으로 외삽하여 실선의 유효마력을 추정하였다. 그러나 단동선과는 달리 주 선체와 보조선체의 크기가 다르고 따라서 동일한 Reynolds Number를 이용하여 마찰 저항을 추정하는 것을 오차를 증가시킬 우려가 있으므로 CF의 값을 구할 때 주선체와 보조선체를 별도로 분리하여 계산하였다.
삼동선의 장점인 우수한 저항 성능의 확보를 위해 주선체와 보조 선체가 동시에 최적화되어야 하는데, 주요 변수로는 주선체의 길이, 폭, 흘수, 방형비척 계수, 보조선체의 길이 및 주선체에 대한 상대적인 설치 위치 등이다. 따라서 기존의 삼동선에 대한 검토와 이를 바탕으로 설계된 레저용 삼동선의 모형시험을 통해 보조선체의 위치를 결정하였다. 목표선형의 주요 제원은 Table 4과 같다.
보조선체의 형상 변화에 따른 저항 특성을 파악하기 위한 모형시험결과 V Type의 선형이 주선체와 마주하는 면이 평평한 Wigley Type보다 저항성능 면에서 유리하다는 것을 알 수 있었다. 따라서 보조선체의 선형을 위에서 연구된 V Type을 기본으로 하여 설계하였다. Fig.
유사선형에 대한 조사를 토대로 주요 요목을 결정하여 설계하였으며, 설계 는 Autocad와 Tribon 등을 통하여 수행하였다. 또한, CATA I에 대한 모형시험을 수행하였으며, 모형시험은 운항 항로의 평균 수심 (8 m)을 고려하여 심수와 천수조건에 대하여 각각 수행하였다. 또한, 간격비에 따른 저항성능을 파악하고자 s/L에 따른 실험도 천수와 심수조건에 대하여 각각 수행하였다.
또한, CATA I에 대한 모형시험을 수행하였으며, 모형시험은 운항 항로의 평균 수심 (8 m)을 고려하여 심수와 천수조건에 대하여 각각 수행하였다. 또한, 간격비에 따른 저항성능을 파악하고자 s/L에 따른 실험도 천수와 심수조건에 대하여 각각 수행하였다.
모형시험은 여러 가지 시험 여건을 고려하여 Fn=0.877(실선 속력 20 knots)까지 수행되었으므로, 25konts까지는 외삽하여 검토하였다. 설계 속도에서의 전달 효율을 0.
삼동선 전체의 형 폭의 결정에 있어 이 전의 모형시험을 통한 주선체와 보조선체의 간격에 따른 저항성능을 검토한 결과 5m로 결정하였다. 기존의 9.
선수부는 조파저항 성능의 향상을 목표로 선체를 날씬하게 하는 방향으로 설계하였다. 선미부는 추진기관을 설치할 경우의 공간을 고려하여 중앙횡단 면에서 선미 쪽으로 연속하여 동일한 박스타입의 형태로 설계하였다.
1에서 CATA 의 주요 제원과 정면도를 보여주고 있다. 선수부는 조파저항 성능의 향상을 목표로 선체를 날씬하게 하는 방향으로 설계하였다. 선미부는 추진기관을 설치할 경우의 공간을 고려하여 중앙횡단 면에서 선미 쪽으로 연속하여 동일한 박스타입의 형태로 설계하였다.
CATA Ⅲ는 CATA I과 CATA Ⅱ에 비하여 흘수를 낮추어서 수심제한이 심한 항로를 고려하여 설계하였다. 선형 설계는 활주형 쌍동선을 목표로 유사선형에 대한 조사를 토대로 주요 요목을 결정하여 설계하였다. 쌍동선의 간격비(s/L)는 CATA I과 CATA II 의 실험 결과를 토대로 구조부재의 증가로 인한 경하중량의 증가를 최대한 억제할 수 있고, 저항상의 문제가 적도록 최적화된 간격비라고 판단되는 0.
수치계산 결과로 볼 때, 선형개선을 통한 어깨파의 감소가 효과가 있다고 판단되어 이를 반영하는 쪽으로 선형 개선을 수행하였으며, Fig. 4에서는 CATA I과 CATA Ⅱ의 간격비 0.17과 0.26에 대한 (계산값)을 수심조건에 따라 나타내고 있다. 전체적으로 CAIA I 에 비해서 CATA Ⅱ의 잉여 저항이 적은 것을 알 수 있다.
, 1999). 실험은 CATA ]과 축적비가 같은 1/20인 모형선으로, 최대만재흘 수에서 0.17, 0.26의 2가지 간격비(s/L)에 대하여 심수조건과 천수조건으로 나누어 Fn=0.20~0.87에 걸쳐서 수행되었다.
CATA Ie 파랑관통형 쌍동선을 목표로 설계하였다. 유사선형에 대한 조사를 토대로 주요 요목을 결정하여 설계하였으며, 설계 는 Autocad와 Tribon 등을 통하여 수행하였다. 또한, CATA I에 대한 모형시험을 수행하였으며, 모형시험은 운항 항로의 평균 수심 (8 m)을 고려하여 심수와 천수조건에 대하여 각각 수행하였다.
이러한 특성을 파악하기 위해 삼동선의 선형 설계와 모형시험을 통해 각각의 경우에 대한 연구가 선행되었다. 이 전의 연구결과를 통해 삼동선의 주선체와 보조선체간의 간격, 보조선체의 길이 방향 위치 및 형상 변화가 삼동선 전체에 미치는 저항 특성을 파악 하였다.
레저용 선박의 특성상 고속화나 실용성보다는 탑승자의 쾌적함과 안정성을 우선시 하게 된다. 이러한 요인으로 인해 발성되는 저항 성능 면에서 단점은 레저용으로 적합한 선형 설계와 주선체에 대한 보조 선체 상대적 위치의 최적화를 통해 보완 하였다.
대상 데이터
모형 실 험은 인하대학교 선형시험 수조에서 수행되었으며, 수치 해석을 통하여 쌍동선의 실험 결과와 기존 실적선 자료와 비교하였다. 본 연구를 통해 9.77톤급 레저 낚시어선이 건조되었으며, 성공적으로 시운전을 마무리해서 주로 수도권과 가까운 서해안에서 운행되고 있다.
엔진과 추진기로는 최대 출력이 2600RPM에서 283 PS인 CUMMINS (68TA-5.9M)와 Hamilton Jet 274를 사용하였다. Fig.
데이터처리
또한, 천수조건이 조파저항에 미치는 영향을 해석해 보았다. 모형 실 험은 인하대학교 선형시험 수조에서 수행되었으며, 수치 해석을 통하여 쌍동선의 실험 결과와 기존 실적선 자료와 비교하였다. 본 연구를 통해 9.
이론/모형
Fig. 22에서는 모형시험 결과 계측된 모형선의 저항값을 ITTC 1957년도 방법으로 외삽하여 실선의 유효마력을 추정하였다. 그러나 단동선과는 달리 주 선체와 보조선체의 크기가 다르고 따라서 동일한 Reynolds Number를 이용하여 마찰 저항을 추정하는 것을 오차를 증가시킬 우려가 있으므로 CF의 값을 구할 때 주선체와 보조선체를 별도로 분리하여 계산하였다.
삼동선배수량의 대부분을 차지하는 주선체는 삼동선의 저항 성능에 지배적인 영향을 미친다. 목표선형의 설계에 있어서 레저용 선박이 갖는 제약조건으로 인한 저항 증가를 억제하기 위해 주선체의 선형을 Semi-Planing으로 채택하다. 특히 선수부는 조파저항 및 쇄파 저항을 감소시키기 위해 매우 날카로운 형상을 하고 있으며 선미부의 경우 본선박의 추진기로 사용될 Water Jet의 장착이 가능한 박스에 가까운 형태를 취하고 있다.
수치계산은 선형 설계에 있어서 경제적, 시간적인 절감 효과를 거둘 수 있는 유용한 방법이다. 수치계산은 MAC(Marker And Cell)법을 기초로 한 직사각형 격자계에서 수행되었다. 지배 방정식은 유동장을 비압죽성, 비점성 유동이라고 가정하여 보존형의 3차원 Euler equations 와 연속 방정식을 사용하였다 (H.
수치계산은 MAC(Marker And Cell)법을 기초로 한 직사각형 격자계에서 수행되었다. 지배 방정식은 유동장을 비압죽성, 비점성 유동이라고 가정하여 보존형의 3차원 Euler equations 와 연속 방정식을 사용하였다 (H.E. Kim et al., 1999). 실험은 CATA ]과 축적비가 같은 1/20인 모형선으로, 최대만재흘 수에서 0.
성능/효과
14는 비교 선형과의 매톤당 유효마력(EHP/t)을 심수조건에서 CATA I, II 및 CATA Ⅲ와 함께 비교한 것이다. CATA 의 설계 속도에서의 유효마력이 CATA Ⅲ에 비하여 심수조건에서는 약 2%, 천수조건에서는 약 3% 감소하였다.
레저용 선박의 일반 배치 경우 탑승자의 쾌적함, 휴식공간의 확보, 외형적 호감도에 주안점을 두고 설계되었다. 같은 급의 단동선은 물론이고, 쌍동선형보다도 넓은 외부 갑판으로 인한 레저공간의 확충과 색다른 외형으로 인한 호감도의 상승은 레저용 선박으로서 삼동형 선박이 많은 강점을 갖고 있음을 알 수 있었다.
CATA Ie 남해안에서 현재 운항 중인 쌍동선형 여객선을 약간 수정한 선형이고, CATA Ⅱ는 CATA I이 어깨 부분과 중앙부와의 연결이 매끄럽지 못해 저항 성능에 문제가 있다고 판단되어 이를 개선한 선형이며, CATA HI는 CATA I과 CATA Ⅱ에 비하여 흘수를 낮추어 수심 제한이 심한 항로를 고려하여 설계하였다. 끝으로, CATA 는 모형선 실험과 수치 해석 시뮬레이션을 통해 얻은 자료와 지금까지의 축적된 경험으로부터 설계한 레저 낚시보트의 최종 선형이다.
심수조건에 있어서 CATA IV의 잉여 저항계수는 CATA Ⅲ와 비교하여 약 1~3% 정도 적은 값을 보이고 있다. 또한, 천수조건에 있어서도 CATA HI에 비하여 잉여저항계수가 약 5-8% 정도 감소하는 것을 볼 수 있다.
보조 선체는 주 선체의 부족한 배수량과 복원력을 보완하기 위한 보조 역할을 하는 것으로 저항 증가를 최소화하여야 한다. 보조선체의 형상 변화에 따른 저항 특성을 파악하기 위한 모형시험결과 V Type의 선형이 주선체와 마주하는 면이 평평한 Wigley Type보다 저항성능 면에서 유리하다는 것을 알 수 있었다. 따라서 보조선체의 선형을 위에서 연구된 V Type을 기본으로 하여 설계하였다.
877(실선 속력 20 knots)까지 수행되었으므로, 25konts까지는 외삽하여 검토하였다. 설계 속도에서의 전달 효율을 0.6으로 가정하여 엔진의 소요마력을 추정한 결과, 본선형에 사용될 650마력 엔진을 이용하여 설계 속도를 얻을 수 있음을 확인하였다.
운항 항로의 제한 조건으로 인하여 CATA Ⅲ는 CATA I 및 Ⅱ에 비하여 주요 목의 설정에서 불리한 점이 있으며, 이로 인하여 저항 성능 면에서 약 6% 정도의 매톤당 유효마력에서의 증가를 얻게 되어, 선형의 개선을 시도하였다.
26에 대한 (계산값)을 수심조건에 따라 나타내고 있다. 전체적으로 CAIA I 에 비해서 CATA Ⅱ의 잉여 저항이 적은 것을 알 수 있다. 특히, Fn=0.
75이상의 고속에서 이 CATA I, Ⅱ에 비하여 약 10% 정도, CATA Ⅲ에 비하여 약 5% 정도 감소하였다. 즉, 선형 개선의 결과로 심수보다는 천수에서 저항 성능이 개선되었음을 알 수 있었다.
후속연구
위와 같은 연구결과 차세대 선형인삼동선의 특성 및 레저용 선박으로서의 가능성을 검토함으로서 향후 삼동선의 개발 및 수상레저산업에 중요한 기반 기술을 제공할 수 있을 것이다.
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