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문제 정의
- 실제해상에서 슬래밍현상은 선체하부에 큰 충격압력으로 작용하여 선체구조, 진동 및 조종성과 침로안정성 등에 영향을 주어 다양한 측면의 연구의 필요성을 제시하고 있다. 따라서 본 연구에서는 자유낙하에 의한 충격압력을 받는 직사각형 모델하부의 국부압력을 계측하고 이로 인한 접수 및 이수시 모델주변의 유동특성에 대해 이해를 높이고자 한다. 또한, 선저경사각에 따른 추가 연구의 기초자료로 활용하고자 한다.
제안 방법
- 광원은 직진성과 반사성이 우수한 500 ㎽의 광다이오드를 집적화한 2차원 광원을 계측영역에 조사하여 Fig. 2와 같이 1.5L×1.0B×1.0D ㎥의 수조에서 실험을 수행하였다.
- 3은 압력 센서의 부착위치를 도시한 것이다. 길이방향의 끝단부터 200 mm 간격으로 중앙에 설치하여 자유낙하시 충격압력을 계측하였다. Table 2는 압력 계측 장치의 제원으로 초당 10,000개의 샘플링이 가능하며 압력은 0.
- 고속카메라(FASTCAM-X 128PCI, Nikon)는 1280×1024 픽셀의 해상도를 지원하며 컴퓨터의 이미지 획득장치와 연결하여 초당 125프레임의 유동정보를 획득하였다. 동일입자추적을 위한 상용프로그램(CACTUS v3.1)은 두 프레임의 음영 레벨의 상호상관계수로 동일입자를 판별하여 입자의 변위를 구하여 벡터, 와도 및 응력을 구하는 알고리즘을 이용하여 유동정보를 획득하였다. Fig.
- 따라서 본 연구에서는 모델의 자유낙하 높이의 변화에 대한 유동특성과 압력값의 차를 알아보고자 10°와 배각인 20°를 실험조건으로 선정하였다.
- 모델의 낙하각도는 회전축에서 자유수면과 모델바닥이 이루는 각을 기준으로 10°와 20°를 적용하였다.
- 선저경사각에 따른 기초연구로 자유낙하실험에 의한 자유수면과 직사각형 모델이 이루는 경사각을 10°와 20°에서 충격압력 및 유동특성을 계측하여 다음과 같은 결론은 얻을 수 있었다.
- 따라서 본 연구에서는 모델의 자유낙하 높이의 변화에 대한 유동특성과 압력값의 차를 알아보고자 10°와 배각인 20°를 실험조건으로 선정하였다. 속도장을 위한 계측 영역으로는 자유수면과 모델의 끝단 P1 지점을 중심으로 유동변화를 계측하였다. 자유수면과 수조바닥과의 높이는 강 등(2009)에서 제시한 천수역(h/L<<1)의 영향을 벗어난 h=250 mm(h/L=1.
- 실선에서의 슬래밍 압력에 대한 연구로는 이 등(2007)이 북태평양과 인도양을 항해하는 대형 컨테이너선의 선수 플레어 슬래밍 압력 계측자료를 토대로 선수 슬래밍 압력의 최대압력 도달시간에 대한 분석결과를 제시하였다. 수치해석에 의한 연구로는 박 등(2000)이 대파고 파랑 중에서 슬래밍 충격에 대한 동적 탄성응답 해석법을 개발하여 검증을 위해 V형 단면 선박과 S-175 선형 모델을 대상으로 수치해석을 수행하여 비교분석 결과를 제시하였다. 염과 윤(2008)은 선저경사각을 가진 쇄기형 구조물의 접수시 발생하는 슬래밍 현상에 대해서 수치해석을 수행해 경계요소법 결과와 비교하였다.
- 02로 균일한 크기를 선별하여 유체에 삽입하였다. 자유낙하하는 모델이 자유수면에 접수(Water entry) 및 이수 (Water exit)시 유동추적은 고속카메라를 이용하였으며 해상도는 초당 125프레임으로 촬영하여 유동정보를 계측하였다. Fig.
- 강 등(2009)은 천수에서 박스형 구조물이 접수할 경우 나타나는 유동현상을 확인하였다. 접수충격에 의해 모델의 바닥에 접선방향의 흐름이 발생하며 정지상태의 유체에 모델이 접수(Water entry)시 위쪽으로 상승하는 천수파의 메커니즘을 파악하였다. 실선에서의 슬래밍 압력에 대한 연구로는 이 등(2007)이 북태평양과 인도양을 항해하는 대형 컨테이너선의 선수 플레어 슬래밍 압력 계측자료를 토대로 선수 슬래밍 압력의 최대압력 도달시간에 대한 분석결과를 제시하였다.
대상 데이터
- Fig. 2와 같이 모델의 크기는 800L×250 B×50H㎣로 아크릴계 소재를 사용하여 직사각형으로 설계 제작하였으며 모델의 무게는 2.5 ㎏이다.
- 고속카메라(FASTCAM-X 128PCI, Nikon)는 1280×1024 픽셀의 해상도를 지원하며 컴퓨터의 이미지 획득장치와 연결하여 초당 125프레임의 유동정보를 획득하였다.
성능/효과
- 동일입자추적을 통한 유동특성에서는 접수시보다 이수시에 모델의 경사각에 관계없이 높은 속도분포를 보였으며 경사각이 큰 20°인 경우에 수평방향으로 이동하는 속도성분이 크게 나타났다.
- 이에 반하여, 이수시에는 모델에 작용하는 수직상승하는 부력과 유체 점성력과 이수시 모델에 의해 밀려난 유체가 평형을 유지하기 위해 다시 회복되는 과정에서 빠른 속도분포를 보인다고 판단된다. 따라서 실험결과와 같이 수직 및 수평방향의 유속분포는 접수시보다 이수시에 보다 강하게 나타났다. 슬래밍 충격압력은 식(1)과 같이 충격순간 선수와 파 사이의 상대속도의 제곱에 비례한다(Ochi, 1964).
- 12는 경사각 10°에서 자유낙하시 충격압력에 대한 시계열을 도시한 결과이다. 모델의 회전축에서 제일 먼 지점인 P1(800 ㎜)에서 가장 낮은 압력이 나타났으며 가장 높은 값은 P2(600 ㎜)에서 0.0140 ㎏f/㎠가 나타났다. 두 번째로 높은 압력은 P3(400 ㎜)지점에서 나타났다.
- 수직방향으로 자유낙하 속도가 낮은 10°의 경우 자유낙하속도가 높은 20°에 비해 낮은 압력이 나타났다.
후속연구
- 따라서 본 연구에서는 자유낙하에 의한 충격압력을 받는 직사각형 모델하부의 국부압력을 계측하고 이로 인한 접수 및 이수시 모델주변의 유동특성에 대해 이해를 높이고자 한다. 또한, 선저경사각에 따른 추가 연구의 기초자료로 활용하고자 한다.
- 본 연구에서는 다양한 해양파의 유입에 따른 유체동역학적 충격압력에 대해 확대 해석하는 데는 한계가 있어 이에 대한 단계적인 추가 연구가 필요하다. 또한 선저경사각에 따른 자유 또는 강제낙하에 대한 점진적 연구가 요구된다.
- 모델의 내측에서의 이러한 낮은 압력 값은 경사각 크기가 증가함에 따라 압력 값이 증가하지는 않았다. 이러한 현상에 대해서는 본 연구에서 논의하기에는 한계를 가지고 있어 추가적인 연구의 필요성을 제시하고 있다.
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