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문제 정의
- 검증은 한계로 작용하였다(Savitsky, 1981). 이에 본 논문에서는 고속선의 선형시험 . 검증이 가능할 수 있는 실 해상모형시험 기법을 정립하여 고속 Stepped Hull선형의 단점으로 지적된 고속 운항시의 횡동요 감소를 가지는 고속 Stepped Hull 활주형 선형의 선미 보조동체(stem body) 장착 유무에 따른 정성적인 횡동요 및 저항특성 비교, 분석을 위해 동일배수량에서의 해상모형 시험을 수행하였다.
- 본 논문에서는 7m급 고속 Stepped Hull 레저보트 활주형 선형의 선미 보조동체 장착 유무에 따른 저항특성 및 횡 동요감소 영향을 비교, 검토하기 위하여 동일 배수량에서 선미 보조 동체 장착 유무에 따른 2척의 모형선을 대상으로 해상모형시험을 수행하였으며, 이로부터 다음의 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
- 이에 본 논문에서는 고속선의 선형시험 . 검증이 가능할 수 있는 실 해상모형시험 기법을 정립하여 고속 Stepped Hull선형의 단점으로 지적된 고속 운항시의 횡동요 감소를 가지는 고속 Stepped Hull 활주형 선형의 선미 보조동체(stem body) 장착 유무에 따른 정성적인 횡동요 및 저항특성 비교, 분석을 위해 동일배수량에서의 해상모형 시험을 수행하였다.
- 본 시험에 사용된 해상모형시험은 예인선에서 모형선을 예인할 수 있도록 모형선 장착 치구(Guide)를 제작하였으며, 치구(Guide)는 각 모형선의 시험흘수에 적격하도록 상하위치 조정이 가능할 수 있도록 하였고, 또한, 예인선으로부터 발생하는 조류가 모형선의 선수부분과 측면부분에 전혀 영향을 받지않거나, 최소화하기 위하여 수평 이송으로 위치를 임의로 조정할 수 있도록 설계 제작하였다. 해상모형시험시스템의 구성설비는 Table 1에 정리하였고, 해상모형시험시스템의 평면도, 정면도 측면도는 Fig.
- . 검증을 위하여 해상 모형시험에 사용된 대상 선형은 선미 보조동체(Stem body))적용 유무에 따른 고속 Stepped Hull 레저보트 활주형 선형으로서 실선 대응 모형선의 축척비 (Scale Ratio)는 선도(Lines)를 바탕으로 실선과 모형선의 전장 길이 (Loa)를 고려하여 1/882 비율로 하였으며, 모형선 재질은 해상시험조건인 모형선 배수량, 흘수 등의 변화를 고려하여 FRP와 목재로서 가볍게 제작하였다. 또한, 보조 Stem Planning 동체 적용 유무에 따른 고속 레저보트 모형선의 시험 선속 범위는 연구원 보유 회류수조의 시험유속 한계를 벗어날 수 있는 고속영역인 프루드수(「!!(▽)) 3.
- 이용하였다. 해상모형시험을 통한 대상선의 저항시험은 예인선에 취부된가이드(Guide)와 모형선의 선수 맨 앞쪽을 예인줄로 연결하여예인줄 사이에 저항센서 (Resistance load cell))를 부착시켰고, 모형선의 선수회전(Yaw)과 좌우(Sway)가 자유로운 상태에서예인선의 선속에 따른 모형선의 저항치를 계측하였으며, 횡동요 시험은 자이로센서(Gyro Sensor)를 모형선의 길이방향 중심(LCG)위치와 세로방향 중심(VCG)위치에 고정시켜 예인선의 선속에 따른 횡동요각(rolling degree)을 계측(Katayama, 1996) 하였다.
- 시험결과치의 정도향상을 위해 예인선에 취부된 가이드 (Guide) 상하위치 조정하여 모형선의 선수 맨 앞쪽에 예인줄과 수평이 되도록 하였으며, 예인선의 선수선저에서 일으키는 조파가 모형선의 선수부분과 선측부분에 미치는 영향을 제거하기 위하여 가이드(Guide)의 수평이송을 통하여 모형선의 이동 위치를 조정하였다. 또한, 실제 해상에서의 모형선의 수선 상부의 공기저항을 영향을 최소화하기 위하여 비닐 랩을 이용하여 각 모형선의 상부를 완전히 기밀하였으며, 모형선의 흘수조절은 추(Weight)를 사용하여 모형시험중에도 트림 변화가 없도록 테이프로 고정시켜 8m급 고속 Stepped Hull선형의 선미 동체 (Stern body)장착 유무에 따른 레저보트 모형선 2척의 저항시험과 횡동요시험을 각각 수행하였다.
- 조정하였다. 또한, 실제 해상에서의 모형선의 수선 상부의 공기저항을 영향을 최소화하기 위하여 비닐 랩을 이용하여 각 모형선의 상부를 완전히 기밀하였으며, 모형선의 흘수조절은 추(Weight)를 사용하여 모형시험중에도 트림 변화가 없도록 테이프로 고정시켜 8m급 고속 Stepped Hull선형의 선미 동체 (Stern body)장착 유무에 따른 레저보트 모형선 2척의 저항시험과 횡동요시험을 각각 수행하였다.
- 다음으로 고속 Stepped Hull 선형의 보조동체 장착 유무에따른 횡동요 성능비교를 위하여 3자유도 운동이 가능한 자이로센서(Gyro sensor)를 사용하여 해상모형시험을 수행하였다. 시험대상선의 선속별로 계측한 시간(Time history)별 횡동요각(Rolling degree))곡선은 선미 보조동체 장착(WStem body) 선형이 없는(W/O Stem body)선형에 비해 선속 40knot, 설계선속 근처인 52knot에서 횡동요 각(Rolling degree)°] 현저하게 감소하는 경향을 보이고 있다.
- (2) 다음으로 Stepped Hull선형의 단점으로 지적되어 온 고속 운항시의 횡동요 감소를 위해 시험대상 선미 보조동체 장착(W/ stem body)선형과 선미 보조동체 없는(W/0 stem body)선형의 횡동요 및 저항특성의 정성적인 비교, 검토를 위하여 동일 배수량에서의 2척의 모형선을 대상으로 해상모형시험을 수행하였다.
대상 데이터
- 시험대상 고속 Stepped Hull 선형은 FRP재질의 고속 활주형 선형으로서 설계선속은 50knot이며, 항해시 충분한 복원성, 내파성, 적절한 트림을 유지하고 기민한 조종성을 갖도록 설계되었고, 주요 선형특징으로는 고속상태에서의 파랑중 충격하중 감소를 위하여 직선 단면형상(Straight body)을 채택하였다(丸尾, 1957). 또한, 선저로부터 박리를 이용하여 충격하중을 감소시키며 횡동요의 운동성능을 개선'시키기 위하여 스프레이 스트립 (Spray Strip) 부가물을 선저 좌 .
이론/모형
- 시험 대상 8m급 횡동요 감소형 고속 Stepped Hull 레저보트의 저항시험과 횡동요 시험은 해상모형시험법을 이용하였다. 해상모형시험을 통한 대상선의 저항시험은 예인선에 취부된가이드(Guide)와 모형선의 선수 맨 앞쪽을 예인줄로 연결하여예인줄 사이에 저항센서 (Resistance load cell))를 부착시켰고, 모형선의 선수회전(Yaw)과 좌우(Sway)가 자유로운 상태에서예인선의 선속에 따른 모형선의 저항치를 계측하였으며, 횡동요 시험은 자이로센서(Gyro Sensor)를 모형선의 길이방향 중심(LCG)위치와 세로방향 중심(VCG)위치에 고정시켜 예인선의 선속에 따른 횡동요각(rolling degree)을 계측(Katayama, 1996) 하였다.
- 해상모형시험은 Froude 상사법칙에 따른 선속으로 수행되었으며, 해석방법은 1978 ITTC 해석법을 따르되 2차원법을 적용하였다. 저항시험 결과 해석방법을 요약하면 다음과같다.
- 0 이상에서도 소형 고속선의 선형시험 . 검증이 가능할 수 있는 실 해상모형시험기법을 정립하였다.
성능/효과
- 이에, 시험대상선의 유효마력(EHP)도 실선속력 20knot(Fn v=3.0)~40knot (FiW=5.5)사이에서는 선미 보조동체 장착 (W/ Stem Body) 고속 Stepped Hull 선형이 장착하지 않은 (W/0 Stem Body)고속 Stepped Hull 선형에 비해 약 1.7~ 5.0% 정도의 소요마력 증가율을 보이다가, 선속 45knot (FnV =6.2)부근에서는 두 선형이 거의 동일한 소요마력을 보이며, 선속 45knot(약 Fnv=6.2)< 기점에서 고속으로 갈수록 소요마력 감소율이 계속되어 설계선속이 되는 52knot(약 FnV =7.2)부근에서는 약 11% 정도의 소요마력 감소율을 나타내고 있다.
- 효과 발생시키게 된다(장, 2002; 신, 2005). 한편, 실선 속력 20knot~40knot에서는 고속 Stepped Hull 선형이 선미 보조 동체 장착에 따른 침수 표면적 증가로 보조동체가 장착되지 않는(W/O Stem Body)선형에 비해 전저항과 소요마력 증가 보이지만, 선속 45knot 이상의 고속 Planning 주행상태에서는 횡동요 감소를 위해 장착한 선미 Planning 보조 동체가 오히려 최적의 선수 Angle of attack 및 주행 트림각을 유지시켜 줌으로써 접수면(침수표면적) 감소에 따른 마찰저항과 조파저항 감소에 따른 소요마력을 감소시킨 것으로 사료된다. Fig.
- 수행하였다. 시험대상선의 선속별로 계측한 시간(Time history)별 횡동요각(Rolling degree))곡선은 선미 보조동체 장착(WStem body) 선형이 없는(W/O Stem body)선형에 비해 선속 40knot, 설계선속 근처인 52knot에서 횡동요 각(Rolling degree)°] 현저하게 감소하는 경향을 보이고 있다. Fig.
- (1) 소형 고속선박은 실선 대응 모형선의 축적비가 대형선에 비해 매우 작아 국내 회류수조 유속과 예인수조 전차속도의 제한에 따른 고속선의 선형시험은 한계로 작용하였다. 이에 프루드 수(Fn) 3.
- (3) 시험결과, 유효마력(EHP)은 실선속력 40kt(Fn、v=5.5)까지는 선미 보조동체 장착 Stepped Hull선형이 없는 선형에 비해 약 1.7~5.0%정도의 소요마력 증가율을 보이지만, 선속 45kt(약 FnV=6.2)부터 소요마력이 감소되어 설계선속 52kt (약 Fnv =7.2)부근에서는 약 11% 정도의 소요마력 감소율을나타내고 있다. 이는, 횡동요 감소를 위해 장착한 선미 보조동체가 오히려 최적의 선수 Angle of attack 및 주행 트림각을유지시켰고, 선저 Step으로의 적정 공기유입으로 접수면을 작게 하여 마찰저항 감소에 따른 소요마력을 감소시킨 것으로사료된다.
- (4) 횡동요는 선미 보조동체 장착 선형이 없는 선형에 비해시험선속에서 횡동요 각(Rolling degree)0] 현저하게 감소되는경향을 보여 횡동요 저감 운동특성이 매우 우수한 선형임을확인하였다. 이는 선미 보조동체 장착 Stepped Hull선형 이 선미측에서 M-Hull 기본형상을 하여 선측으로 파생되는 조파들을 선미에서 효과적으로 감쇠시켜 후미의 파고를 현저하게 낮추어 줌으로써 우수한 성능의 횡방향(Rolling) 운동응답 특성을 나타내는 것으로 사료된다.
후속연구
- 본 연구결과는 앞으로 개발될 다양한 형태의 고속 활주형 레저 보트 및 경주정 등의 설계 및 실용화 관련 연구에 유효한 핵심기초자료로 활용하고자 한다. 이를 위하여 향후 실 해상시험 시험에서의 시험선의 항주자세 및 선수미 트림계측 등에 대한 시험방법 개선과 모형선 시험결과의 실선확장시 정량적인 해석이 가능할 수 있도록 마찰저항에 기인하는 침수면적추정 등의 세심하고도 추가적인 연구를 계속할 계획이다.
- 활용하고자 한다. 이를 위하여 향후 실 해상시험 시험에서의 시험선의 항주자세 및 선수미 트림계측 등에 대한 시험방법 개선과 모형선 시험결과의 실선확장시 정량적인 해석이 가능할 수 있도록 마찰저항에 기인하는 침수면적추정 등의 세심하고도 추가적인 연구를 계속할 계획이다.
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