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가설 설정
- 계산상의 편의를 위하여 시간이 0일 때 공간좌표계의 좌표축과 평행한 체고정기준체계(body-fixed reference system, 이하 body system)를 가정하고, 물체의 운동이 6-자유도(Degree Of Freedom)를 가지고, 체체계(body system)가 물체의 질량 중심(G)을 기점으로 설정된 것으로 가정하면, 공간체계(space system, (x, y, z))와 체체계(body system, (x', y', z')) 사이의 좌표를 다음과 같이 변환할 수 있다.
제안 방법
- CFD 코드인 FLOW-3D® 모델내의 x, y, z방향의 움직임과 선체의 종동요(pitching), 횡동요(rolling), 선수동요(yawing)를 고려하는 6-자유도 운동을 적용한 음해법의 GMO 모듈에 의해 선박의 제원과 항속 및 수심조건하에서 계산되는 항주파의 형상에 대한 타당성을 검토하였으며, 일정수심과 실제수심에서 선박이 직선항로를 항행할 경우와 두 척의 선박이 교차 항행할 경우 그리고 곡선항로를 항행할 경우에 발생하는 항주파를 각각 재현하였다.
- 72 m/s)를 유지하였다. 격자는 수평적으로 선박이 진행하는 항로주변과 수직적으로 항주파가 형성되는 해수면 부근을 세밀하게 하고 항로에서 멀어질수록, 수심이 깊어질수록 상대적으로 넓게 구성함으로써 메모리 사용을 최소화하고 선박모양이 보다 정확하게 적용될 수 있도록 하였다. Table 3은 각 실험안에 대한 내용을 나타낸 것이고 Fig.
- 모델에 의해 계산된 항주파 형상의 타당성을 검토하기 위해 수심과 선속을 변화시켜 가면서 Frd가 각각 0.7, 1.0, 1.3인 경우에 대해 모델로 계산된 항주파의 형상을 비교하였다. 실험을 위하여 길이 19.
- 모델에 의해 계산된 항주파고의 특성을 검토하기 위해 동일한 수심에서 선속을 변화시켜 가면서 수치실험을 수행하였다. 실험을 위한 선박의 제원은 길이 1.
- 따라서, 수치모델로 선박의 교차항행 상황을 재현하는 것은 선박의 안전 운항에 유용한 자료가 될 것으로 판단된다. 본 실험에서 교차항행 상황은 Fig. 5에 나타난 바와 같이 동쪽에서 서쪽으로 항행하는 직선항로를 기준으로 하여 50 m 남쪽 지점에서 동쪽으로 항행하는 직선항로를 추가하여 두척의 선박이 교차 진행하는 상황을 재현하였다. 실험은 실제수심 상황에 대하여 실시하였으며, 적용된 선박은 앞에서 실험한 동일한 선박을 적용하였다.
- 실제로 선박은 항내 또는 항로에서 직선뿐 아니라 곡선으로도 항행하므로 보다 실제적인 항주파를 재현하기 위해서는 선박의 항적에 따라 직진과 곡선항행 상황 모두를 고려할 수 있어야 한다. 본 연구에서는 Fig. 10과 같은 임의의 직선 및 곡선항로를 따라 항행하는 선박에 의한 항주파를 재현하였다. 항로는 연안에서 선박이 출발한 후 항로를 따라 우회전과 좌회전을 시도한 후 직선항로에 도달하도록 설정하였으며, 선속은 15 knot를 유지하도록 하였다.
- 본 연구에서는 대표적 CFD(Computational Fluid Dynamics) 코드 중의 하나인 FLOW-3D® 모델의 6-자유도(Degree of Freedom)를 적용한 음해법의 GMO(General Moving Object) 모듈을 이용하여 강제파 발생방법이 아닌 선박의 형상과 선속 및 지형 조건에 따른 항주파를 검토하였으며 선박이 직선 및 곡선으로 항행할 경우와 두 척의 선박이 교차 항행시에 발생되는 항주파를 재현하였다.
- 를 이용하여 선박이 직선항로를 항행할 경우와 두 척의 선박이 교행할 경우 그리고 곡선항로를 항행할 경우에 발생하는 항주파를 각각 재현하였다. 선박이 직선항로를 항행할 경우는 항로의 평균 수심에 해당하는 수심을 전 영역에 동일하게 적용한 상황과 실제 수심을 반영한 상황에 대한 항주파를 각각 실험하여 수심 차이에 따른 파형의 변화를 검토하였으며, 교행시와 곡선항로 항행시는 실제 수심을 적용하여 항주파를 재현하였다.
- 선박이 직선항로를 항행할 경우에 대한 실험은 계산영역 전체를 동일한 수심으로 입력한 상황(12 m, Frd = 0.71)과 실제 수심을 적용한 상황으로 구분하여 항주파의 형상을 비교, 검토하였다. Fig.
- 항주파의 형상 재현을 위한 실험은 길이 500 m, 폭 300 m의 개방해역에서 수평수직적으로 가변격자를 적용하여 실시하였으며, 실험조건은 Table 1에 제시된 바와 같다. 실험시 선속은 0~10초까지는 가속되다가 10초 이후에는 주어진 선속이 유지되도록 설정하였으며, 모델 영역의 각 경계에서는 영역 내에서 발생한 파가 경계를 빠져나가도록 투과경계조건(outflow)을 적용함으로써 파의 반사효과를 배제하였다.
- 선박의 출항시 속도의 가속은 10초간 이루어지도록 설정하였다. 실험시 선체의 회전은 회전 각속도를 입력하는 방법으로 재현하였으며 수심은 실제수심을 적용하였다. Fig.
- 여수구항 해역에서 FLOW-3D®를 이용하여 선박이 직선항로를 항행할 경우와 두 척의 선박이 교행할 경우 그리고 곡선항로를 항행할 경우에 발생하는 항주파를 각각 재현하였다. 선박이 직선항로를 항행할 경우는 항로의 평균 수심에 해당하는 수심을 전 영역에 동일하게 적용한 상황과 실제 수심을 반영한 상황에 대한 항주파를 각각 실험하여 수심 차이에 따른 파형의 변화를 검토하였으며, 교행시와 곡선항로 항행시는 실제 수심을 적용하여 항주파를 재현하였다.
- 10과 같은 임의의 직선 및 곡선항로를 따라 항행하는 선박에 의한 항주파를 재현하였다. 항로는 연안에서 선박이 출발한 후 항로를 따라 우회전과 좌회전을 시도한 후 직선항로에 도달하도록 설정하였으며, 선속은 15 knot를 유지하도록 하였다. 선박의 출항시 속도의 가속은 10초간 이루어지도록 설정하였다.
대상 데이터
- 3인 경우에 대해 모델로 계산된 항주파의 형상을 비교하였다. 실험을 위하여 길이 19.0 m, 폭 6.0 m, 선체깊이 2.0 m, 무게 120 GT인 선박을 채택하였으며, 적용된 선박의 형태는 Fig. 1과 같다. 항주파의 형상 재현을 위한 실험은 길이 500 m, 폭 300 m의 개방해역에서 수평수직적으로 가변격자를 적용하여 실시하였으며, 실험조건은 Table 1에 제시된 바와 같다.
- 모델에 의해 계산된 항주파고의 특성을 검토하기 위해 동일한 수심에서 선속을 변화시켜 가면서 수치실험을 수행하였다. 실험을 위한 선박의 제원은 길이 1.13 m, 폭 0.30 m, 선체깊이 0.04 m, 무게 4.2 GT이며, 격자는 수평적으로는 0.05 m 간격의 등격자를 적용하였고 수직적으로는 해수면 부근에서 최소 0.02 m, 해수면으로부터 먼 곳에서 최대 0.07 m의 가변격자를 적용하였다. 선박 제원 및 실험조건은 Table 2에 제시된 바와 같다.
- 실험을 위한 선박의 제원은 항주파의 파형 검토시와 동일한 선박에 대하여 실험하였으며 선박의 항행속도는 15 knot(7.72 m/s)를 유지하였다. 격자는 수평적으로 선박이 진행하는 항로주변과 수직적으로 항주파가 형성되는 해수면 부근을 세밀하게 하고 항로에서 멀어질수록, 수심이 깊어질수록 상대적으로 넓게 구성함으로써 메모리 사용을 최소화하고 선박모양이 보다 정확하게 적용될 수 있도록 하였다.
- 1과 같다. 항주파의 형상 재현을 위한 실험은 길이 500 m, 폭 300 m의 개방해역에서 수평수직적으로 가변격자를 적용하여 실시하였으며, 실험조건은 Table 1에 제시된 바와 같다. 실험시 선속은 0~10초까지는 가속되다가 10초 이후에는 주어진 선속이 유지되도록 설정하였으며, 모델 영역의 각 경계에서는 영역 내에서 발생한 파가 경계를 빠져나가도록 투과경계조건(outflow)을 적용함으로써 파의 반사효과를 배제하였다.
이론/모형
- FLOW-3D®는 3차원의 Navier-Stokes 방정식을 풀고, 유체와 유체 또는 유체와 물체간의 경계면 추적을 위해 VOF 방법을 사용하며, 유동을 포함하는 복잡한 경계를 표현하기 위하여 FAVOR 방법을 사용한다. FLOW-3D®의 자체 고유기술인 FAVOR 기술은 직교격자체계에서 체적점유율(volume fraction)과 면적점유율(area fraction)의 개념을 이용하여 계산 영역내의 기하학적 모형(geometric object)을 묘사하는 기술(Hirt and Sicilian, 1985)로 직교격자를 사용하면서도 경계면이 실제형상과 일치하는 장점을 가지며, 유동장 내에서 구조물의 방향과 위치변화, 해저면의 변화 등을 재현하는데 활용되고 있다.
- 대표적인 상용 CFD 코드 중 하나인 FLOW-3D® 모델에서 6-자유도를 적용한 음해법의 GMO 모듈을 이용하여 항주파의 재현상황을 살펴보았다. 모델에 의한 항주파의 형상은 depth Froude number(Frd)에 따른 전형적인 수평 파형이 잘 재현됨을 알 수 있었다.
- 본 연구에서 항주파의 재현을 위하여 Flow Science사의 상업용 CFD 코드인 FLOW-3D® Version 9.2를 이용하여 수행하였다. FLOW-3D®는 1968년 Los Alamos 연구소에서 자유표면 연구를 시작으로 개발된 후 1980년에 설립된 Flow Science사에서 개발유지되고 있는 CFD(Computational Fulid Dynamics) 코드이다.
성능/효과
- 모델에서 6-자유도를 적용한 음해법의 GMO 모듈을 이용하여 항주파의 재현상황을 살펴보았다. 모델에 의한 항주파의 형상은 depth Froude number(Frd)에 따른 전형적인 수평 파형이 잘 재현됨을 알 수 있었다. 선박이 직선항로로 항행시에 동일한 수심과 실제 수심인 경우를 비교함으로써 모델이 수심 차이에 따른 항주파형의 변화를 잘 재현함을 확인하였으며, 실제수심 조건에서 두 척의 선박이 교행할 경우와 선박이 곡선항로를 진행할 경우에 대한 항주파도 각각 재현하였다.
- 모델에 의한 항주파의 형상은 depth Froude number(Frd)에 따른 전형적인 수평 파형이 잘 재현됨을 알 수 있었다. 선박이 직선항로로 항행시에 동일한 수심과 실제 수심인 경우를 비교함으로써 모델이 수심 차이에 따른 항주파형의 변화를 잘 재현함을 확인하였으며, 실제수심 조건에서 두 척의 선박이 교행할 경우와 선박이 곡선항로를 진행할 경우에 대한 항주파도 각각 재현하였다.
- 6 m 이격된 위치에서 Frd의 변화에 따라 계산된 항주파고와 그 추세선(fitting curve)을 나타낸 것이다. 실험 결과 임계속도 부근까지 파고가 급격히 증가하여 임계속도 부근에서 최대파고를 형성하고 이후 임계속도보다 선속이 빠른 구간에서는 파고가 감소하면서 일정하게 수렴하는 파고의 형태가 잘 재현되었으며, 이는 Johnson(1958)의 수리실험 결과의 선속에 따른 항주파고 분포 형태와 잘 일치하는 결과이다. 계산된 최적의 추세선식은 다음과 같다.
후속연구
- 소형선박이 대형선박의 측면을 교차항행할 경우, 대형선박에 의해 발생하는 항주파에 의한 영향을 받을 수 있다. 따라서, 수치모델로 선박의 교차항행 상황을 재현하는 것은 선박의 안전 운항에 유용한 자료가 될 것으로 판단된다. 본 실험에서 교차항행 상황은 Fig.
- 그러나 물체와 유체의 움직임을 동시에 고려하여 실제 발생하는 항주파를 실제상황과 가장 유사하게 재현할 수 있는 장점을 가지고 있으며 계산시간과 메모리의 한계에 대한 문제를 지속적으로 보완해 나가고 있다. 따라서, 이러한 한계를 개선한다면 지역적인 특성에 맞도록 모델을 설정하고 관측을 통한 모델의 검·보정을 수행함으로써 항주파의 특징을 보다 정확하게 파악하고 항내뿐 아니라 보다 넓은 범위의 항주파의 검토가 가능할 것으로 보인다.
- 또한, FLOW-3D®는 파의 전파 특성을 고려할 수 있으므로 너울과 항주파를 동시에 검토하거나 풍파와 항주파를 동시에 검토하는 것이 가능할 것이다. 특히, 해수유동과 조간대의 고려가 가능하므로 서해안처럼 조차가 큰 해역에서 수위변화에 따른 항주파의 특성 검토에도 유용할 것으로 판단된다.
- 는 파의 전파 특성을 고려할 수 있으므로 너울과 항주파를 동시에 검토하거나 풍파와 항주파를 동시에 검토하는 것이 가능할 것이다. 특히, 해수유동과 조간대의 고려가 가능하므로 서해안처럼 조차가 큰 해역에서 수위변화에 따른 항주파의 특성 검토에도 유용할 것으로 판단된다.
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