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문제 정의
- 본 논문에서는 세가지 마찰저항곡선 식을 사용하여 최종 해석을 통해 얻게 되는 제동마력과 회전수를 실선시운전 결과와 비교하는 것이었다. 구체적으로는 선종 별로 어떤 마찰저항곡선을 사용하는 것이 시운전 결과에 보다 더 일치하는가를 보여주고자 하였다. 그러나, 당사의 시운전 결과를 제시하기에는 한계가 있음으로 인해 본 내용에서는 생략한다.
- 먼저 선종이 다른 9 척의 일반상선을 선정하였다. 그리고 선종 별로 세가지 마찰저항곡선을 적용하였을 때 실선 확장 과정에서 발생되는 저항 및 자항요소 들의 차이, 저항과 자항요소 들 간에 어떠한 영향을 주고 받는지에 대한 상관관계, 그리고 선종 별로는 어떤 경향을 보이는가를 상세히 분석하고자 한다.
- 본 논문에서는 세가지 마찰저항곡선 식을 사용하여 최종 해석을 통해 얻게 되는 제동마력과 회전수를 실선시운전 결과와 비교하는 것이었다. 구체적으로는 선종 별로 어떤 마찰저항곡선을 사용하는 것이 시운전 결과에 보다 더 일치하는가를 보여주고자 하였다.
제안 방법
- 먼저 6.6 < Log10RN< 7.2 범위에서 세가지 평판의 마찰저항 계수를 검토하였다.
- 세 가지 평판의 마찰저항 곡선에 의한 저항 및 자항요소를 해석 단계별로 분석하였고, 최종적으로 제동마력의 결과를 서로 비교하였다.
- 세 가지 평판의 마찰저항 곡선에 의한 저항성분을 단계별로 분석하였고, 결과를 정리하면 다음과 같다.
- 1m 까지 크기 별로 6가지 모형선을 만들어 시험을 수행하였다. 해석과정에서 ITTC-1957곡선과 Grigson이 제시한 평판의 마찰저항곡선을 사용하여 실선에서의 저항을 추정하고, 그 값을 실선에서 계측된 전 저항값과 비교하였다. 6 가지 모형선에 대하여 ITTC-1957 곡선을 사용한 것이 Grison 식을 사용한 경우보다 분산이 적고 실제 계측 값에 보다 더 접근한다는 결과를 보고하였다.
대상 데이터
- 25th ITTC 의 추진성능분과(Powering Performance Committee)에서는 Lucky Ashton 선박에 대하여 실선에서 계측된 전 저항 자료를 확보하였다. 그리고 2.
- ITTC 의 추진성능분과(Powering Performance Committee)에서는 Lucky Ashton 선박에 대하여 실선에서 계측된 전 저항 자료를 확보하였다. 그리고 2.7m 부터 9.1m 까지 크기 별로 6가지 모형선을 만들어 시험을 수행하였다. 해석과정에서 ITTC-1957곡선과 Grigson이 제시한 평판의 마찰저항곡선을 사용하여 실선에서의 저항을 추정하고, 그 값을 실선에서 계측된 전 저항값과 비교하였다.
- 대상선박은 일반상선 중 상대적으로 고속선박인 컨테이너 운반선 부터 저속선박인 대형유조선까지 총 9 척이며, Table 1 은 선종에 따라 선박을 구분 하기 위해서 구분번호를 부여하여 나타내었다. Fig.
- 본 논문의 연구방향을 정리하면 다음과 같다. 먼저 선종이 다른 9 척의 일반상선을 선정하였다. 그리고 선종 별로 세가지 마찰저항곡선을 적용하였을 때 실선 확장 과정에서 발생되는 저항 및 자항요소 들의 차이, 저항과 자항요소 들 간에 어떠한 영향을 주고 받는지에 대한 상관관계, 그리고 선종 별로는 어떤 경향을 보이는가를 상세히 분석하고자 한다.
이론/모형
- 여기서, k=CT/CF0-1 으로 정의하고, CT는 CFD의 이중모형 해에 의한 전 저항, CF0는 ITTC-1957 곡선 또는 Grigson(1993)이 제시한 마찰저항 곡선(이하, “ Grigson 식” 이라고 함)을 사용하였다.
성능/효과
- 1) Grigson 식과 Katsui 식에 의한 평판의 마찰저항곡선은 모형선 영역의 레이놀즈 수에서는 ITTC-1957 곡선 보다 작고, 실선 영역의 레이놀즈 수에서는 ITTC-1957 곡선 보다 큰 경향을 보여준다.
- 1) 자항해석의 첫 단계는 마찰수정량의 산정인데 Grigson 식과 Katsui 식에 의한 형상계수가 ITTC-1957 곡선 보다 크다. 그러나 마찰저항곡선의 특성으로 인해 ITTC-1957 곡선에 의해 계산된 값 보다 Grigson 식과 Katsui 식에 의해 계산된 값이 작다.
- 2) Grigson 식과 Katsui 식에 의한 ηD는 해석단계별로 자항요소들 간에 서로 크고 작은 상관관계에 의해서 최종적으로는 ITTC-1957곡선과 거의 동일한 결과를 보여주었다.
- 2) 평판의 마찰저항 곡선의 특성으로 인해 형상계수는 ITTC-1957 곡선에 의해 결정된 값 보다 Grigson 식과 Katsui 식에 의해 결정된 값이 선종에 따라 약 3%~5% 정도 크게 추정된다.
- 3) Grigson 식과 Katsui 식에 의한 조파저항 계수는 크게 추정된 형상계수로 인하여 저속선박인 대형 유조선을 제외하고는 ITTC-1957 곡선에 의한 값보다 전반적으로 상당량 작은 경향을 보여준다. 반면, 대형 유조선의 경우와 같이 상대적으로 낮은 레이놀즈 수에서는 Grigson 식과 Katsui 식에 의한 마찰저항 값이 ITTC-1957 곡선보다 약 4%~5% 정도 많이 감소하여 조파저항 계수는 증가하는 경향을 보여준다.
- 4) Grigson 식과 Katsui 식에 의한 실선의 점성저항은 큰 형상계수와 이 영역에서의 마찰저항이 Grigson 식의 경우 약 6% 그리고 Katsui 식의 경우 약 2% 정도 큰 값과 곱해져서 평균적으로 각각 9%와 5% 정도의 증가량을 보여준다.
- 5) Grigson 식과 Katsui 식에 의한 실선의 전 저항은 점성저항이 지배적으로 작용하여 ITTC-1957 곡선보다 약 1%~9%정도의 큰 경향을 보여주었다.
- 5 는 모형선에서의 점성저항을 나타낸 것으로 CVM=(1+k)CFM 으로 정의하였다. 9 척 선박 중 Vessel 1 의 경우 Grigson 식과 Katsui 식에 의한 CFM 이 ITTC-1957곡선의 값보다 각각 약 0%, 3.2% 작고, 형상계수는 2 가지 식에 의한 것이 모두 약 4.4% 증가하여 CVM 은 각각 약 4%, 1% 증가된 결과를 보여주었다. Vessel 9 의 경우, 고속선박인 Vessel 1 과 같이 Grigson 식과 Katsui 식에 의한 CFM 이 ITTC-1957곡선의 값보다 각각 약3.
- 6 은 조파저항을 나타낸 것으로 CWM=CTM - (1+k)CFM 으로 정의된다. 9 척 선박중 고속선박인 Vessel 1 의 경우 Grigson 식과 Katsui 식에 의한 CVM 이 ITTC-1957의 값보다 각각 약 4%, 1% 증가하여, 조파저항계수는 반대로 약 35%와 10%로 감소하였다. 저속선박인 Vessel 9 의 경우 Grigson 식과 Katsui 식에 의한 CVM 이 ITTC-1957곡선의 값보다 약 1.
- 8 은 실선에서의 점성저항을 나타낸 것으로 CVS=(1+k)CFS 로 정의된다. Grigson 식과 Katsui 식에 의한 형상계수가 앞에서 언급한대로 모든 선종에 대해 약 3%~5% 증가하고, CFS 역시 증가하여 CVS는 Grigson 식의 경우 약 9% 내외, Katsui 식의 경우 약 5% 내외로 ITTC-1957곡선에 의한 것보다 증가된 결과를 보여주었다.
- Grigson 식과 Katsui 식에 의해 추정된 ηH 는 ITTC-1957 곡선에 의한 것 보다 크고, ηR은 대부분이 동일하며, 반면 ηO 는 ITTC-1957 곡선 보다 작아져서 세가지 마찰저항 곡선에 의해 해석된 준 추진효율 계수는 서로 크고 작은 영향을 주어 거의 동일한 결과를 보여주었다.
- 4 는 형상계수를 나타낸 것으로 선종 별로 ITTC-1957곡선을 사용하여 Prohaska 방법에 의해 결정된 값을 100%로 하였다. Grigson 식과 Katsui 식의 CFO를 사용할 경우 그 곡선의 특성으로 인해 ITTC-1957곡선보다 3%~5% 큰 값을 보여주었다. 이는 Fig.
- Grigson식과 Katsui식에 의한 자항점에서의 토오크가 ITTC-1957 곡선보다 크지만, KQTM 역시 동일한 비율로 증가하여 세가지 마찰저항 곡선에 의해 해석된 ηR은 1% 내에서 거의 동일한 결과를 보여주었다.
- 여기서, k=CT/CF0-1 으로 정의하고, CT는 CFD의 이중모형 해에 의한 전 저항, CF0는 ITTC-1957 곡선 또는 Grigson(1993)이 제시한 마찰저항 곡선(이하, “ Grigson 식” 이라고 함)을 사용하였다. 그 결과 CF0를 구할 때, ITTC-1957곡선을 사용하면 실선에서의 형상계수가 모형선에서의 값보다 20%~60% 정도 크게 추정된다는 결과를 제시하면서, ITTC-1957곡선의 정확성 문제를 제기하였다. 반면, Grigson이 제시한 식을사용하여 CF0를 구하면 실선과 모형선에서의 형상계수 값이 ITTC-1957곡선을 사용한 경우보다 분산, 즉 차이가 적다는 것을 보여주었다.
- 0% 증가하는 동일한 정성적인 경향을 보여준다. 그러나 2가지 요소의 정량적인 면에서 Vessel 1 과 차이를보여 CVM 은 2 가지 식에 의한 것이 모두 1% 내에서 감소된 결과를 보여주었다.
- 따라서 Grigson 식과 Katsui 식에 의해 계산된 ηO 는 ITTC-1957 곡선에 의한 값보다 2% 내에서 작은 값을 보여주었다.
- 9 에서 언급하였듯이 ITTC-1957 곡선보다 크고, ηD는 세 가지 마찰저항 곡선에 의한 결과 모두 거의 동일한 값을 보여주었다. 따라서 각 선종 별로 PD는 저항의 증가된 양 만큼 제동마력에서도 증가된 결과를 보여주었다.
- 3 은 설계속도 근처에서의 마찰저항 계수를 백분율(%)로 비교한 것이다. 모형선 영역에서는 ITTC-1957곡선보다 Grigson 식 이나 Katsui 식이 모두 작은 값을 보여주었다. 특히 레이놀즈 수가 가장 낮은 선박인 9의 대형 유조선의 경우 가장 많은 차이를 보여주었으며, 반대로 1 의 컨테이너 운반선은 레이놀즈 수가 높음에 따라 적은 차이를 보여주었다.
- 3) Grigson 식과 Katsui 식에 의한 조파저항 계수는 크게 추정된 형상계수로 인하여 저속선박인 대형 유조선을 제외하고는 ITTC-1957 곡선에 의한 값보다 전반적으로 상당량 작은 경향을 보여준다. 반면, 대형 유조선의 경우와 같이 상대적으로 낮은 레이놀즈 수에서는 Grigson 식과 Katsui 식에 의한 마찰저항 값이 ITTC-1957 곡선보다 약 4%~5% 정도 많이 감소하여 조파저항 계수는 증가하는 경향을 보여준다.
- 실선에서의 설계속도 영역인 9.3 < Log10RN < 9.6 범위 내에서 마찰저항 계수를 비교하여 보면 Grigson 식과 Katsui 식에 의한 CFO는 ITTC-1957 곡선에 의한 CFO 보다 각각 약6%와 2% 정도 큰 값을 보여주었다.
- Grigson식과 Katsui식에 의한 FD는 ITTC-1957 곡선에 의한값 보다 작고, 반면 추력(TM)은 크다. 이 2가지물리량의 크고 작은 상관관계에 의해 추력감소계수는 Grigson식과 Katsui식에 의해 계산된 값이 ITTC-1957 곡선에 의한 값 보다 조금 작은 결과를 보여주었다.
- 이들 2 가지 물리량 중 t 에 의한 상관 영향계수가 지배적으로 작용하여 Grigson 식과 Katsui 식에 의해 추정된 ηH 가 ITTC-1957곡선 보다 약 1% 정도 큰 값을 보여주었다.
- 반면, Grigson이 제시한 식을사용하여 CF0를 구하면 실선과 모형선에서의 형상계수 값이 ITTC-1957곡선을 사용한 경우보다 분산, 즉 차이가 적다는 것을 보여주었다. 정리하면 ITTC-1957 곡선보다 Grigson 식을 사용하는것이 상대적으로 타당하다는 결과를 제시하였다.
- 여기서, 첨자 S 는 실선을 나타낸다. 회전수 역시 Grigson 식과 Katsui 식에 의해 추정된 WTS 와 JTS가 작아져서 PD에서 보여준 경향대로 ITTC-1957 곡선보다 증가된 결과를 보여주었다.
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