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문제 정의
- 본 논문은 우리나라 연·근해에 적합한 소형 카타마란형 파워요트에 대한 선형설계를 수행하고, 이에 대한 내항성능을 평가하였다.
- 본 연구에서는 국내 연안 해양환경에 대한 기초자료를 토대로 카타마란 설계에 따른 선체의 운동응답 특성을 연구하였다. 선체의 운항속도, 파랑조건, 입사파에 따라 운동성능을 고찰함으로써 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
- Fang et al(2004)은 메가급 카타마란에 대해 파랑조건을 적용하여 선체의 내항성능을 추정하였다. 다양한 선형모델을 적용하여 취약한 운동성능을 갖는 입사파에 대한 추정성능을 실험자료와 비교하였다.
- 국내의 레저선박에 대한 연구로는 박 등(1997)이 고속 쌍동선에 대한 설계요소를 거론함으로써 단동선체간 거리를 고려하여 선형선정 등에 효과적 방법을 제시하였다. 실제 운항 중에 있는 실적선의 자료를 기반으로 설계선에 대한 선형설계, 조파저항 및 자유수면에서의 파계를 비교분석하였다. 조파저항 및 파계해석을 통하여 개선된 선형과 단동선체간 거리결정에 유효함을 알 수 있었다.
- 또한, Lee et al(2007)은 초기 카타마란 형상을 결정하고 심해해역과 천수해역에서 저항계수를 추정하였다. 이를 분석하여 도출된 선형과 단동선체간 거리를 자유수면상의 파계를 분석하여 결정하였다. 이러한 결과를 바탕으로 모형시험을 소형 카타마란 설계에서 단계적 선형 설계법을 제시하였다.
- 이를 분석하여 도출된 선형과 단동선체간 거리를 자유수면상의 파계를 분석하여 결정하였다. 이러한 결과를 바탕으로 모형시험을 소형 카타마란 설계에서 단계적 선형 설계법을 제시하였다.
- 본 논문은 우리나라 연·근해에 적합한 소형 카타마란형 파워요트에 대한 선형설계를 수행하고, 이에 대한 내항성능을 평가하였다. 여러 가지 파랑조건에서 선속과 입사파 변화에 따른 카타마란의 운동성능을 추정하였다.
- 국내 연안해역의 환경과 설계 요구조건을 만족시키기 위해 현재 운항중인 선박의 기초제원에 대한 실적선 자료를 Table 1 과 같이 조사하였다. 이를 바탕으로 선형 및 선저형상을 결정하고 주요제원에 반영하였다. 조사결과에 의하면 선형은 파워요트의 기본적인 제반사항을 갖추고 있으나, 선저형상에 있어서는 라운드 타입의 일반운항용이 많이 보급되어 있다.
- 2는 고속영역에서 적합한 파워요트의 V형 선저형상을 적용하여 나타낸 선도이다. 선내 구획배치를 고려하여 체계적으로 형상계수을 변환하였으며 운동성능을 향상시키기 위해 반복적으로 계산을 수행하였다.
- 파워요트의 운동응답 특성은 파랑 중에서 요트의 거동을 나타내는 척도로 능파성을 분석하였다. 카타마란은 선수사파를 받으면 피칭이 커져서 선저가 해면에 강하게 부딪치는 팬팅 또는 슬래밍 현상이 발생한다.
- 본 연구에서 카타마란 운동성능을 해석하기 위한 파랑과 선속조건은 Table 2와 같다. 파의 진행방향과 선박 항행 방향이 이루는 각을 조우각(Encounter angle)이라 하며 0도에서 180까지 달리하여 수행하였다.
- 주어진 파랑해석 조건을 기반으로 카타마란의 운동 응답 스펙트럼을 구하였다. 운동응답 스펙트럼이 Sϕ(ωe)이고, 운동 응답 스펙트럼 곡선 아래면적을 m0라 하면 운동응답의 표준편차를 다음과 같이 나타낸다.
대상 데이터
- 설계 요구조건으로 승선인원은 1∼2가족(5∼10명)이며, 주엔진은 350Hp(최대속도는 25knot)로 선정하였다.
- 국내 연안해역의 환경과 설계 요구조건을 만족시키기 위해 현재 운항중인 선박의 기초제원에 대한 실적선 자료를 Table 1 과 같이 조사하였다. 이를 바탕으로 선형 및 선저형상을 결정하고 주요제원에 반영하였다.
- 해석조건에 적용될 풍속에 따른 파랑정보는 우리나라 기상청 NDBC(National Data Buoy Center)에서 얻어진 2003년부터 2007년까지의 자료를 반영하였다. 완전히 발달된(Fully Developed Sea) 해상상태로 풍속만으로 결정되는 스텍트럼인 Pierson Moskowitz 방법을 선정하여 파랑 정보를 형성하였다.
데이터처리
- 는 파랑조건에 적용될 해상의 풍속이다. 계산된 파랑조건은 Beaufort Scale과 비교하여 풍속에 따른 파랑의 영역을 확인하였다. 본 연구에서 카타마란 운동성능을 해석하기 위한 파랑과 선속조건은 Table 2와 같다.
이론/모형
- 조사결과에 의하면 선형은 파워요트의 기본적인 제반사항을 갖추고 있으나, 선저형상에 있어서는 라운드 타입의 일반운항용이 많이 보급되어 있다. 그러나 추진력이 우수하고 안정적인 운동성능을 확보하기 위한 설계 요구조건인 활주형 선형을 적용하였다.
- 해석조건에 적용될 풍속에 따른 파랑정보는 우리나라 기상청 NDBC(National Data Buoy Center)에서 얻어진 2003년부터 2007년까지의 자료를 반영하였다. 완전히 발달된(Fully Developed Sea) 해상상태로 풍속만으로 결정되는 스텍트럼인 Pierson Moskowitz 방법을 선정하여 파랑 정보를 형성하였다. 이 방법은 파면 높이가 19.
- 본 논문에서는 파랑조건에서 선체의 내항성능을 수치적으로 표현되는 방법으로 응답진폭비(Response Amplitude Operator; RAO)로 하였으며, 이는 선체중심에서 자유상태의 주요각에 대한 계산된 선체 응답진폭비를 산출하게 된다. 파 경사에 의한 Rolling, Pitching 및 Heaving의 RAO이며, 선속 7노트, 15노트, 25노트 조건에서 조우주파수 변화에 따른 응답진폭비로 나타냈다.
- 운동하는 선체에서 발생하는 부가저항은 조우주파수에 대하여 무차원화된 응답법으로 Gerritsma, Beukelman이 제시한 부가저항계수(Caw)로 표현된다.
성능/효과
- 특히 Chine형 카타마란의 경우 선미보다 선수 형상변화로 운동성능 개선에 많은 효과가 있다. 또한 유속이 증가함에 따라 조우주파수 5.5에서 운동성능이 두드러지며, 운동성능이 점차 커지는 형태임을 거론하였다. Fang et al(2004)은 메가급 카타마란에 대해 파랑조건을 적용하여 선체의 내항성능을 추정하였다.
- 실제 운항 중에 있는 실적선의 자료를 기반으로 설계선에 대한 선형설계, 조파저항 및 자유수면에서의 파계를 비교분석하였다. 조파저항 및 파계해석을 통하여 개선된 선형과 단동선체간 거리결정에 유효함을 알 수 있었다. 또한, Lee et al(2007)은 초기 카타마란 형상을 결정하고 심해해역과 천수해역에서 저항계수를 추정하였다.
- 파도의 진행방향과 선체의 진행방향이 같은 추파와 추사파에서는 선수에서 나타나는 응답진폭비와는 매우 상이한 결과를 얻었다. 조우주파수가 0에서 0.5 사이 영역에서 높은 값의 RAO를 보이며, 특히 0.5에서 가장 큰 운동응답을 보였으며 선수보다 매우 큰 RAO값을 나타냈다. 이는 선체의 진행방향이 파도의 진행방향과 역방향으로 진행할 때 선체의 운항 조건에 상대 적으로 이상적이며 안정된 운동을 보임을 나타낸다.
- Pitch RAO는 향파, 선수사파로 갈수록 조우주파수 0.6과 0.7 지점에서 선속증가에 따라 높은 RAO를 보였으나, 횡파의 경우 현저히 낮아진 Pitch RAO를 보였다. 추파와 추사파의 경우, 조우주파수가 0에서 0.
- 5지점 사이에서 1이하의 Pitch를 보였으나, 조우주파수가 0에 매우 가까운 지점에서 매우 큰 Pitch RAO를 나타냈다. 추파와 추사파는 선체에 Rolling 보다 Heaving과 Pitching이 가장 두드러진 현상을 보임을 알 수 있었다.
- 6은 각각의 파랑조건에서 수행된 부가저항과 RMS운동의 최대치를 선속과 조우각에 따른 결과를 나타낸 것이다. 부가저항은 선속 10노트일 때, 파랑조건이 Beaufort Scale 1이고 조우각이 67.5도 지점에서 수치가 최대인 영역을 보였다. Beaufort Scale 값이 증가함에 따라 선속이 20노트 지점에서 최대 부가저항값을 나타냈으며, Beaufort Scale 3 이후에서는 조우각이 45도이며 선속 20노트에서 최대 부가저항이 나타남을 알 수 있다.
- RMS Heave, RMS Roll, RMS Pitch는 선속 10노트에서 Beaufort Scale 1에서 조우각이 67.5도 지점에서 동일하게 최대 RMS값을 보였다. RMS Heave운동은 10노트에서 25노트까지 Beaufort Scale 값이 증가함에 따라 동일한 조우각인 67.
- 5도 지점에서 동일하게 최대 RMS값을 보였다. RMS Heave운동은 10노트에서 25노트까지 Beaufort Scale 값이 증가함에 따라 동일한 조우각인 67.5도 부근에서 최대값을 보였다. 그러나 Beaufort Scale 3에서는 20노트에서 조우각 45도에서 최대값은 나타났다.
- 부가저항과 RMS Heave값의 최대값을 나타낼 경우는 추사파인 경우로서 조우각 45도와 67.5도 지점에서 두드러지게 나타났다.
- RMS Roll의 결과를 살펴보면 Beaufort Scale값이 증가함에도 불구하고 10노트 이하의 낮은 선속에서 횡파에서 높은 동요를 나타내고 있다.
- Heave RAO는 향파와 선수사파 조건에 비해 횡파에서 운동 응답이 낮게 나타나며, 카타마란의 진행방향이 파도의 진행방향과 역방향으로 진행할 때 선체의 운동성능이 상대적으로 이상적으로 나타났다. Roll RAO는 향파와 추파에서는 영향이 없으며, 추사파에 대해 조우주파수 0.
- Heave RAO는 향파와 선수사파 조건에 비해 횡파에서 운동 응답이 낮게 나타나며, 카타마란의 진행방향이 파도의 진행방향과 역방향으로 진행할 때 선체의 운동성능이 상대적으로 이상적으로 나타났다. Roll RAO는 향파와 추파에서는 영향이 없으며, 추사파에 대해 조우주파수 0.5이면 Heave motion과 Roll motion이 복합적으로 일어났다.
- 카타마란의 운동성능은 추사파에 대해 전체 유속조건에서 복합적인 RMS를 보이며, 운동성능과 더불어 높은 부가저항을 보인다. 파랑조건이 Beaufort Scale 3을 전후하여 저속영역에서는 Roll motion이 강하며, 고속영역에서는 Pitch와 Heave motion 이 두드러지게 나타났다.
후속연구
- 즉, 특히 Roll motion 감쇠에 가장 큰 영향을 미치는 조파 및 부가물에 대한 단계적 접근이 필요하다. 또한, 향후 본 연구와 연계하여 카타마란에 대한 실험적 비교연구를 수행하여 검증이 필요하다.
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