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문제 정의
- 선수부의 차인선을 변화시킴으로써 기존의 선형보다 저항성능을 개선시키는 연구는 Lee et al.(2004)에 의하여 선행된 바가 있으나, 본 논문에서는 일본어선의 차인선 형상을 참고하여 변화시킴으로써 보다 구체적으로 저항성능 비교를 하고자 한다. 차인선 형상 변화에 따른 각 스테이션에서 차인의 폭과 깊이는 Kim and Lee(1984)의 선체 전반부 횡단면형상을 변화시키는 방법을 참고하여 수정하였다.
- 본 연구는 한국 저속 소형 연안어선과 일본어선의 선형적 특성을 서로 비교하고, 이를 통하여 우리나라어선 선형을 보정한 후 저항성능의 변화를 검토하여, 우리나라어선 선형에 대한 개략적인 선형개선 방향에 대하여 알아보고자 한다.
- 우리나라어선과 일본어선과의 비교를 토대로 선형들의 차이를 보정하여, 어선의 저항성능 차이를 파악하고자 한다. 우리나라어선의 보정선형들에 대하여 Table 2에 보정된 부분에 따른 번호 (Modification case)를 붙여 나타내었다.
가설 설정
- 21에서 압력저항과 전저항에 대한 상대적인 비교를 보여주고 있다. 설계속력에서 전저항의 70%이상을 압력저항이 차지한다고 가정하여 전저항 감소율을 추정하였으며, 이는 우리나라어선과 일본어선의 모형시험 결과를 통하여 유추하였다. 따라서 우리나라어선의 선형특성을 보정한 경우, 압력저항이 최대 19% 감소함에 따라 전저항은 15%이상 감소할 것으로 예측된다.
제안 방법
- 두 선형의 비교 시 배수량을 맞춰주고자 상대적으로 배수량이 큰 일본어선을 우리나라어선의 배수량에 맞춰 축소한 후에 그 선형과 우리나라어선의 선형을 비교 · 검토하도록 한다.
- 따라서 우리나라어선과 일본어선이 큰 차이를 보이고 있는 위의 세 가지 선형특성들을 반영하여, 우리나라어선에 대한 선형특성의 보정을 수행한다.
- 복원성 및 안정성을 알아보기 위하여 GOM(횡 메타센터), 한계 경사각 등을 직접 계산해야 하는데, G/T 5톤 미만 어선의 경우 ‘소형여객선기준’을 적용받아 별도로 만들어진 조건식에 의하여 승선인원을 한정하는 방법으로 복원성평가를 대체하였다(Kang 2006).
- 우리나라 저속 소형 연안어선의 저항성능을 향상시키고자 일본어선과의 비교를 통하여 선형을 보정하였고, 수치시뮬레이션을 수행하여 변화된 저항성능을 검토하였다. 이하 그 과정과 결론을 요약하였다.
- 우리나라어선, 일본어선 그리고 보정 선형들에 대한 저항성능의 차이를 확인하기 위해, 수치계산을 수행하였다. 수치계산은 유한차분법(Finite Difference Method)의 하나인 MAC(Marker And Cell)법에 기초를 둔 선체주위의 유동을 계산하는 INHAWAVE(Cho et al.
- 우리나라어선과 일본어선 그리고 보정 선형들의 저항성능을 비교․정리하였다. 각 선형들의 압력저항계수, 우리나라어선을 기준으로 한 압력저항 감소율과 전저항 감소율(추정)을 Table 4에 나타내었으며, Fig.
- 우리나라어선과 일본어선의 길이, 폭, 흘수, 방형비척계수 등과 같은 선형요소들 차이 외의 선형 특성을 알아보고자 두 어선의 선형을 직접 비교해 보았다. Fig.
- 우리나라어선과 일본어선의 저항성능을 보다 자세히 파악하기 위하여 모형시험을 수행하였다. 각 선형들의 모형시험은 Fn∇=0.
- (2004)에 의하여 선행된 바가 있으나, 본 논문에서는 일본어선의 차인선 형상을 참고하여 변화시킴으로써 보다 구체적으로 저항성능 비교를 하고자 한다. 차인선 형상 변화에 따른 각 스테이션에서 차인의 폭과 깊이는 Kim and Lee(1984)의 선체 전반부 횡단면형상을 변화시키는 방법을 참고하여 수정하였다. 우리나라어선과 일본어선을 비교한 결과 선미부의 차인선 형상은 선수부에 비하여 거의 차이가 없어, 선미 차인의 폭과 깊이는 변화시키지 않았다.
- 현재 국내 연안에는 25knots 이상의 비교적 고속영역에 속하는 어선들도 상당수 존재하지만, 기존의 모형선, 실선자료 보유 상태, 25knots 이상의 속력에서 저항추진 성능이 급격히 저하될 수 있는 가능성도 고려하여(Lee and Oh 1997), 본 연구에서는 ‘저속 연안어선’을 대상선형으로 결정하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는, 연구대상의 선박을 선정함에 있어서 차인선(chine line)이 있는 한국과 일본의 대표적 어선을 선정하였다. 차인선형의 어선은 둥근 바닥 선형의 어선에 비하여 저항성능은 그리 좋지 못하나, 소형 조선소의 경우에 차인선형의 건조비가 약 30% 정도 더 절약됨과 함께 기타 성능의 차이는 별로 크지 않아(Lee and Lew 2004) 우리나라 연안에 대부분 분포하고 있다.
- 일본의 대상어선(Japanese fishing boat)으로는, 과거 어선 저항성능의 통계해석을 위한 자료로 사용되었었으며, 일본에서 가장 많이 분포되어 있는, 배수량 22.82톤의 차인선이 있는 소형 FRP 어선선형(Tsuchiya 1972)을 선정하였다.
- 한국의 대상어선(Korean fishing boat)으로는 국내 연안어선 중에 가장 많이 건조되어 오고 있는 총톤수 4.99톤, 배수량 13.19톤의 서해안 연안 유자망 표준어선(Korea Ship Safety Technology Authority 1995)을 선정하였다. 현재 국내 연안에는 25knots 이상의 비교적 고속영역에 속하는 어선들도 상당수 존재하지만, 기존의 모형선, 실선자료 보유 상태, 25knots 이상의 속력에서 저항추진 성능이 급격히 저하될 수 있는 가능성도 고려하여(Lee and Oh 1997), 본 연구에서는 ‘저속 연안어선’을 대상선형으로 결정하였다.
이론/모형
- 이러한 것들을 계수화 하여 정리한 것에 Seakeeping index가 있다. 본 연구에서는 Andrew and Liu(1992)의 Seakeeping에 대한 회귀해석 식을 활용하였다.
- 선형요소를 이용하여 우리나라어선과 일본어선의 저항성능을 각각 추정하고자, 일본어선 선형에 기초한 유효마력 추정프로그램 FISH202(Tsuchiya 1972, Lee 1984)와 한국어선의 특성에 맞는 유효마력 추정프로그램 FISH-K(Kang 2006, Lee et al. 2006)를 사용하였다. Fig.
- 우리나라어선, 일본어선 그리고 보정 선형들에 대한 저항성능의 차이를 확인하기 위해, 수치계산을 수행하였다. 수치계산은 유한차분법(Finite Difference Method)의 하나인 MAC(Marker And Cell)법에 기초를 둔 선체주위의 유동을 계산하는 INHAWAVE(Cho et al. 1991, Kwon and Lee 2007)를 이용하였다.
성능/효과
- 1. 우리나라 저속 소형 연안어선의 저항성능을 향상시키기 위해 주요 선형요소를 보정하는 방법이 선행되었으나, 더 높은 저항성능 향상을 위해서는 선형특성도 보정되어야 한다.
- 2. 우리나라어선이 일본어선과 선형특성의 차이가 큰 부분은 차인선 형상, 용골 형상, 선미 길이이다. 이 특성들에 대해 보정한 후 저항 성능의 변화를 검토한 결과, 선수부 차인선 형상을 보정한 경우가 19% 정도의 가장 큰 압력저항 감소효과를 볼 수 있었다.
- 동일한 배수량 하에서 우리나라어선의 압력저항이 일본어선에 비하여 약 25%정도 높음을 확인할 수 있다. 2.3절의 Fig. 3에서와 같이, 모형시험을 통하여 확인된 우리나라어선과 일본어선의 저항성능 차이와 정성적으로 비슷함을 보이고 있다.
- FISH-K에 의한 우리나라어선의 추정 유효마력이 모형시험 값과 전 속력범위, 특히 설계속력(Fn∇=1.6)에서 거의 일치함으로써 FISH-K의 정확성을 확인할 수 있다.
- 각 선형들의 모형시험은 Fn∇=0.4에서 2.0까지에 걸쳐서 수행되었으며, 그에 따른 전저항계수(CT), 잉여저항계수(CR), 트림(Trim) 그리고 침하량(Sinkage)의 변화들이 비교되었다.
- 4에서의 잉여저항계수를 보면, 저속영역이므로 조파저항이 거의 없거나 매우 작다고 볼 수 있으므로, 그림에서 보면 우리나라 어선과 일본어선 모두 형상저항이 그리 크지 않음을 알 수 있다. 따라서 설계속력에서는 저항성분들 중에서 형상저항보다 조파저항이 차지하는 부분이 대부분일 것으로 판단된다.
- 설계속력에서 전저항의 70%이상을 압력저항이 차지한다고 가정하여 전저항 감소율을 추정하였으며, 이는 우리나라어선과 일본어선의 모형시험 결과를 통하여 유추하였다. 따라서 우리나라어선의 선형특성을 보정한 경우, 압력저항이 최대 19% 감소함에 따라 전저항은 15%이상 감소할 것으로 예측된다.
- 실제로 용골 형상이나 선미 길이만이 각각 보정된 선형의 경우 저항감소 효과가 크지 않기 때문에, 세 가지 경우를 동시에 적용한 경우에도 이들의 영향이 크지 않은 것으로 생각된다. 또한 세 가지 선형특성을 원래의 선형과 같은 흘수를 유지하면서 보정한 경우는 우리나라어선보다 배수용적이 0.73m3 줄어들어, 보정 선형에 대해서는 우리나라어선과 배수용적을 같게 하기 위하여 흘수를 0.029m 높여 주었다. 이로 인하여 선수부의 파고가 높아져서 용골과 선미 길이 보정에 따른 저항 감소효과를 상쇄시켰을 것으로 생각된다.
- 복원성 및 안정성을 알아보기 위하여 GOM(횡 메타센터), 한계 경사각 등을 직접 계산해야 하는데, G/T 5톤 미만 어선의 경우 ‘소형여객선기준’을 적용받아 별도로 만들어진 조건식에 의하여 승선인원을 한정하는 방법으로 복원성평가를 대체하였다(Kang 2006). 본 연구에서는 선형요소를 보정한 것이 아니므로, 조건식을 통한 보정선형들에 대한 복원성 평가는 대상선과 크게 차이가 없음을 예측할 수 있다.
- 차인선 형상 변화에 따른 각 스테이션에서 차인의 폭과 깊이는 Kim and Lee(1984)의 선체 전반부 횡단면형상을 변화시키는 방법을 참고하여 수정하였다. 우리나라어선과 일본어선을 비교한 결과 선미부의 차인선 형상은 선수부에 비하여 거의 차이가 없어, 선미 차인의 폭과 깊이는 변화시키지 않았다.
- 이 특성들에 대해 보정한 후 저항 성능의 변화를 검토한 결과, 선수부 차인선 형상을 보정한 경우가 19% 정도의 가장 큰 압력저항 감소효과를 볼 수 있었다. 우리나라어선의 용골 형상과 선미 길이를 보정한 경우 각각 약 4%의 압력저항감소를 확인할 수 있어, 차인선 형상을 보정한 경우에 비하여 그 영향이 미미하며, 3가지 경우를 동시에 보정한 경우에도 그 효과들이 별로 크지 않음을 알 수 있었다.
- 한편 일본어선의 모형시험을 수행한 결과 역시, FISH202에 의하여 추정된 값과 유사함을 보여 주었으며, 이로써 FISH-K나 FISH202에 의한 유효마력 추정의 정도가 비교적 높은 신뢰도를 주고 있음을 확인하였다. 우리나라어선의 유효마력이 일본어선의 그것에 비하여 약 20% 큼으로써 상대적으로 우리나라어선의 저항성능이 좋지 못함을 확인하였다. 각각의 추정 프로그램을 통하여 추정된 우리나라어선과 일본어선의 유효마력 비교에 있어, 마력 추정에 사용되는 선형요소의 비율들은 비슷하나 추정된 유효마력에서는 크게 차이를 보이고 있다.
- 3(b)는 트림과 침하량의 무차원 값(T*g/V2, S*g/V2)을 나타낸 것이다. 우리나라어선의 전저항계수와 잉여저항계수는 각각 20%, 25%정도 일본어선보다 크게 계측되었고, 침하 및 트림의 경향은 유사함을 보여주고 있다. 또한 Fn∇=0.
- 우리나라어선이 일본어선과 선형특성의 차이가 큰 부분은 차인선 형상, 용골 형상, 선미 길이이다. 이 특성들에 대해 보정한 후 저항 성능의 변화를 검토한 결과, 선수부 차인선 형상을 보정한 경우가 19% 정도의 가장 큰 압력저항 감소효과를 볼 수 있었다. 우리나라어선의 용골 형상과 선미 길이를 보정한 경우 각각 약 4%의 압력저항감소를 확인할 수 있어, 차인선 형상을 보정한 경우에 비하여 그 영향이 미미하며, 3가지 경우를 동시에 보정한 경우에도 그 효과들이 별로 크지 않음을 알 수 있었다.
- 6)에서 거의 일치함으로써 FISH-K의 정확성을 확인할 수 있다. 한편 일본어선의 모형시험을 수행한 결과 역시, FISH202에 의하여 추정된 값과 유사함을 보여 주었으며, 이로써 FISH-K나 FISH202에 의한 유효마력 추정의 정도가 비교적 높은 신뢰도를 주고 있음을 확인하였다. 우리나라어선의 유효마력이 일본어선의 그것에 비하여 약 20% 큼으로써 상대적으로 우리나라어선의 저항성능이 좋지 못함을 확인하였다.
후속연구
- 3. 보정선형들의 모형시험을 통하여 저항성능에 관한 정도 높은 검토가 필요하며, 또한 수치 계산 결과와 비교해 볼 필요가 있다. 또한, 최근 20knots 이상의 비교적 고속영역의 어선이 많이 건조되는 추세이므로, 이러한 속력 범위의 대표적인 선형을 선정하여 선형특성의 보정을 통한 저항성능의 변화를 확인할 필요가 있다.
- 4. 선형의 보정으로 저항성능이 향상된 어선이 한국의 어업환경과 복원성, 안전성, 조업성 등의 요건에 만족할 수 있는지의 여부에 대하여 좀 더 연구를 진행한다면, 본 연구의 선형 보정 방법이 저항성능이 우수한 한국형 소형 연안 어선의 설계에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대한다.
- 각각의 추정 프로그램을 통하여 추정된 우리나라어선과 일본어선의 유효마력 비교에 있어, 마력 추정에 사용되는 선형요소의 비율들은 비슷하나 추정된 유효마력에서는 크게 차이를 보이고 있다. 그러나 우리나라어선의 FISH202에 의한 유효마력 추정값은 일본어선의 추정 및 실험에 의한 값과 매우 근접하고 있어서, 우리나라어선과 일본어선의 저항성능을 비교함에 있어 유효마력의 추정에 사용된 선형요소의 비율들 외의 다른 선형적 특성의 검토가 요구됨을 예측할 수 있다.
- 또한, 최근 20knots 이상의 비교적 고속영역의 어선이 많이 건조되는 추세이므로, 이러한 속력 범위의 대표적인 선형을 선정하여 선형특성의 보정을 통한 저항성능의 변화를 확인할 필요가 있다. 그리고 선행연구에서 우리나라어선의 선형요소들을 보정함으로써 저항성능 향상 효과를 얻은 저항저감선형에 선형특성의 보정을 추가함으로써 보다 큰 저항성능의 향상을 기대해 본다.
- 보정선형들의 모형시험을 통하여 저항성능에 관한 정도 높은 검토가 필요하며, 또한 수치 계산 결과와 비교해 볼 필요가 있다. 또한, 최근 20knots 이상의 비교적 고속영역의 어선이 많이 건조되는 추세이므로, 이러한 속력 범위의 대표적인 선형을 선정하여 선형특성의 보정을 통한 저항성능의 변화를 확인할 필요가 있다. 그리고 선행연구에서 우리나라어선의 선형요소들을 보정함으로써 저항성능 향상 효과를 얻은 저항저감선형에 선형특성의 보정을 추가함으로써 보다 큰 저항성능의 향상을 기대해 본다.
- 보정된 선형들은 우리나라의 복원성 기준, 선박 안전법, 조업성, 관습 및 기타 환경적 요인에 적합한지 검토되어야 할 것이다.
- 우리나라어선은 일본어선과 관습적인 선형의 차이, 조수간만의 차이, 갯벌, 파도와 같은 해양환경의 차이, 그리고 어업의 종류 등이 다르기 때문에, 일본어선의 선형을 있는 그대로 참고하여 우리나라어선의 선형개선에 사용할 수는 없다. 하지만 우리나라어선과 일본어선의 선형적 차이점을 고려한 선형설계를 수행하여, 변화된 저항성능을 검토하고 국내의 어업환경조건에 만족여부를 확인함으로써, 저항성능이 보다 우수한 한국형 어선선형의 개발이 가능할 것이라 판단된다.
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