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문제 정의
- 본 연구에서는 최적화기법과 선형변환 자동화기법을 도입하여 고속 중형 Ro-Pax선박의 조파저항성능을 향상시킬 수 있는 선형설계방법에 대하여 연구하였다. 최적화기법으로는 SQP(sequential quadratic programming)을 적용하였으며, 선형변환 자동화기법으로는 NURBS(Non-Uniform Rational B-Spline)기법을 적용하였다.
제안 방법
- 1) 초기에 주어진 선체표면을 정의하는 패널과 선측파고의 상태를 비교한다.
- 5.1절에서 언급한 바와 같이 선수부의 일부영역에 대하여 서만 선체의 형상을 바꾸어 가면서 최소 조파저항 관점에서 선형 최적화를 수행하였다.
- 를 설계변수로 두고 최적계산을 수행하였다. ci,j 의 초기값은 주어진 초기선형에 대하여 B-spline surface fitting을 하여 구하였다.
- 포텐셜 유동해석 코드, 선형변환 그리고 최적화 기법을 접목하여 조파저항성능 관점에서 최적선형 도출이 가능한 프로그램을 개발하였다. 개발된 프로그램을 이용하여 Ro-Pax선박에 적용하여 선형 최적화를 수행하였다.
- 본 연구에서는 앞 장에서 언급한 방법을 적용하여 Ro-Pax 선형에 대한 선형최적화를 수행하였다. 기존에 주어진 기준선을 가지고 선형최적화를 수행하였으며, 선형최적화를 수행하여 도출된 선도를 가지고 모형선을 제작하고 모형시험을 수행하였다.
- 기준선형에 대하여 선형최적화를 수행하였으며 그 결과로 도출된 최적선형에 대하여 모형선을 제작하여 모형시험을 수행하였다. 기준선형과 최적선형에 대한 수치해석을 수행하여 얻은 결과와 최적선형에 대한 모형시험을 수행하여 얻은 결과를 서로 비교하였다.
- 목적함수인 선박의 조파저항성능을 예측하기 위하여 비선형 자유수면 경계조건과 선체의 침하량을 고려한 비점성 유동 해석 기법인 패널법을 적용하였다. 기준선형에 대하여 선형최적화를 수행하였으며 그 결과로 도출된 최적선형에 대하여 모형선을 제작하여 모형시험을 수행하였다. 기준선형과 최적선형에 대한 수치해석을 수행하여 얻은 결과와 최적선형에 대한 모형시험을 수행하여 얻은 결과를 서로 비교하였다.
- 라플라스 방정식과 경계조건식 그리고 랜킨소오스 패널법을 사용하여 경계면에서의 속포포텐셜을 구한 후 속도포텐셜을 미분하여 경계면에서의 유동의 속도를 구한다. 베르누이 방정식(Bernoulli's equation)을 사용하여 경계면에서의 압력계수를 구한 다음, 선체표면에 걸쳐서 압력계수를 적분하여 선체에 미치는 조파저항계수를 계산하였다.
- 여객선의 선형개발은 결정한 주요제원을 바탕으로 유사 실적선을 조사하고, 주요제원 및 제반성능이 가장 유사한 선형을 선택하여 모선(parent ship)을 선정한다. 모선의 선주의 요구조건에 맞도록 선형변환이 되며, 선형계수 및 선형특성을 고려하여 초기선형을 개발한다. 한편 초기 개발선형이 최적의 성능을 갖는다는 보장이 없으므로, 여객선의 선형개발은 CFD 계산 또는 모형시험을 통하여 제반성능을 확인하고, 그 결과에 따라 선형최적화 및 부가물최적화를 수행하여 선형을 최적화할 필요가 있다(장 등, 2003).
- 본 연구에서는 앞 장에서 언급한 방법을 적용하여 Ro-Pax 선형에 대한 선형최적화를 수행하였다. 기존에 주어진 기준선을 가지고 선형최적화를 수행하였으며, 선형최적화를 수행하여 도출된 선도를 가지고 모형선을 제작하고 모형시험을 수행하였다.
- 포텐셜기저 패널법은 유체의 성질이 비점성이라는 가정에 의하여 선박주위의 유동 양상 및 압력분포를 구하는 방법이다. 선박주위의 유동은 선수 유동이 선미 유동에 비하여 비교적 비점성 거동에 가까우므로 본 연구에서는 선수부에 대하여서만 선형최적화를 수행하였다.
- 포텐셜 유동해석 코드, 선형변환 그리고 최적화 기법을 접목하여 조파저항성능 관점에서 최적선형 도출이 가능한 프로그램을 개발하였다. 개발된 프로그램을 이용하여 Ro-Pax선박에 적용하여 선형 최적화를 수행하였다.
대상 데이터
- 12에서 보는 바와 같이 최적선형에 대하여 모형시험을 수행하였다. Table 1에 나타낸 바와 같이 모형시험에 사용된 모형선의 길이는 9m이다. Fig.
이론/모형
- Table 1에 나타낸 바와 같이 모형시험에 사용된 모형선의 길이는 9m이다. Fig. 12에 나타낸 모형선의 조파저항계수를 구하기 위하여 ITTC 1978 성능예측방법(ITTC 1978 Performance Prediction Method)을 사용하였으며 마찰 저항계수를 구하기 위하여 ITTC 1957 실선-모형선 상관곡선(ITTC 1957 ship-model correlation line)을 사용하였다. 최적선형의 수치해석 결과에 비하여 모형시험을 수행하여 얻은 실험값이 다소 작은 값을 가지는 것을 볼 수 있으나 전반적으로 동일한 경향을 가진다는 것을 볼 수 있다.
- 최적화기법으로는 SQP(sequential quadratic programming)을 적용하였으며, 선형변환 자동화기법으로는 NURBS(Non-Uniform Rational B-Spline)기법을 적용하였다. 목적함수인 선박의 조파저항성능을 예측하기 위하여 비선형 자유수면 경계조건과 선체의 침하량을 고려한 비점성 유동 해석 기법인 패널법을 적용하였다. 기준선형에 대하여 선형최적화를 수행하였으며 그 결과로 도출된 최적선형에 대하여 모형선을 제작하여 모형시험을 수행하였다.
- 베르누이 방정식(Bernoulli's equation)을 사용하여 경계면에서의 압력계수를 구한 다음, 선체표면에 걸쳐서 압력계수를 적분하여 선체에 미치는 조파저항계수를 계산하였다.
- 본 연구에서는 목적함수를 구하기 위하여 포텐셜기저 패널법을 사용하였다. 포텐셜기저 패널법은 유체의 성질이 비점성이라는 가정에 의하여 선박주위의 유동 양상 및 압력분포를 구하는 방법이다.
- 본 연구에서는 목적함수인 조파저항계수를 구하기 위하여 포텐셜 유동 해석 기법인 Rankine 소오스 패널법을 사용하였으며, 최적화 과정 중 선형을 변경하였을 때 발생할 수 있는 선체표면을 정의하는 격자 생성의 문제를 해결하기 위하여 패널절단법을 적용하였다.
- 본 연구에서는 최적화 문제를 풀기 위하여 비선형 최적화 기법인 SQP법을 사용하였다. SQP법은 비선형의 목적함수와 제약조건을 설계변수에 대해서 Taylor전개하고, 목적함수는 이차식으로 제약조건은 일차식으로 근사하여 근사 부문제를 얻는다.
- 본 연구에서는 최적화기법과 선형변환 자동화기법을 도입하여 고속 중형 Ro-Pax선박의 조파저항성능을 향상시킬 수 있는 선형설계방법에 대하여 연구하였다. 최적화기법으로는 SQP(sequential quadratic programming)을 적용하였으며, 선형변환 자동화기법으로는 NURBS(Non-Uniform Rational B-Spline)기법을 적용하였다. 목적함수인 선박의 조파저항성능을 예측하기 위하여 비선형 자유수면 경계조건과 선체의 침하량을 고려한 비점성 유동 해석 기법인 패널법을 적용하였다.
성능/효과
- 1. 비교적 고속인 Fn=0.35에서 수행된 선형최적화 결과 최적선형이 기준선형 보다 선수벌브가 폭 방향으로도 커지면서 높이 역시 설계흘수 보다도 더 높아지는 형상을 도출하였다. 특히, 최적선형의 벌브 높이가 초기 정지상태에서는 자유표면밖으로 돌출되지만 운항시의 자세변화가 고려되어 유체역학적 관점에서 벌브 효과를 극대화 시킨 형상변화로 판단된다.
- 2) 선체표면을 정의하는 각 패널의 4 모서리가 모두 선측파고보다 아래에 있으면 수치해석을 위한 패널에 포함하고, 그렇지 않고 4 모서리가 모두 선측파고보다 위에 있으면 선체표면 패널에 포함하지 않는다.
- 2. 선측파의 기울기나 자유표면 파계에서도 최적선형이 기준선형 보다 개선된 모습을 보여주었다.
- 3. 배수량과 침수표면적은 제약조건 내에서 변화를 보였으며, 최적선형이 기준선형 보다 증가함에도 불구하고 조파저항이 줄어드는 현상을 보여주었다.
- 4. 관심 있는 속도영역인 Fn=0.31에서 0.37까지 조파저항 성능을 검토한 결과, 최적선형이 목표속도인 Fn=0.350 뿐만 아니라 전속도 영역에서 기준선형 보다 약 9% 정도 개선된 결과를 보여주었다.
- 5. 개발된 최적화 프로그램은 Ro-Pax선형과 같이 상대적으로 고속선박에서도 타당한 결과를 제시하였다.
- 37까지 조파저항 성능을 비교한 것이다. 수치해석(Com.) 결과를 살펴보면 최적선형이 목표속도인 Fn=0.350 뿐만 아니라 전속도 영역에서 기준선형 보다 약 9%정도 개선된 결과를 보여주었다.
- 11은 기준선형과 최적선형에 대하여 자유표면에서의 파계를 서로 비교한 것이다. 최적선형의 Zone I 영역을 살펴보면 벌브 및 선수부 형상의 변화로 인하여 기존선형 보다 선수어깨 파형이 줄어든 모습을 보여주었다.
- Table 2는 기준선형과 최적선형의 배수량, 접수표면적 그리고 조파저항계수를 서로 비교한 것이다. 최적선형의 배수량과 접수표면적이 기준선형 보다 각각 0.69%와 0.15% 증가하였지만 조파저항은 9.2% 정도 줄어들었다. 이는 벌브 및 선수 부의 형상이 Fn=0.
- 9는 CP선도(Sectional Area Curve)를 서로 비교한 것이다. 최적선형의 벌브형상이 커짐으로 인해 x/L=0근처에서 단면적이 증가되었으며, 이로 인해 선수어깨까지의 단면적 분포 곡선이 기준선형 보다 상대적으로 완만해짐을 보여주었다.
- 12에 나타낸 모형선의 조파저항계수를 구하기 위하여 ITTC 1978 성능예측방법(ITTC 1978 Performance Prediction Method)을 사용하였으며 마찰 저항계수를 구하기 위하여 ITTC 1957 실선-모형선 상관곡선(ITTC 1957 ship-model correlation line)을 사용하였다. 최적선형의 수치해석 결과에 비하여 모형시험을 수행하여 얻은 실험값이 다소 작은 값을 가지는 것을 볼 수 있으나 전반적으로 동일한 경향을 가진다는 것을 볼 수 있다.
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