[논문]저속시 활주형 레저보트의 단면형상에 따른 저항·내항성능 특성연구

박충환; 안남현; 장호윤; 권용원

doi:10.9726/kspse.2012.16.4.017

저속시 활주형 레저보트의 단면형상에 따른 저항·내항성능 특성연구
A Study on the Characteristic of Motion and Resistance Performance from the Body Plan of Planning Leisure boat at low speed 원문보기

한국동력기계공학회지 = Journal of the korean society for power system engineering, v.16 no.4, 2012년, pp.17 - 23

박충환 (중소조선연구원 해양레저장비개발센터) , 안남현 (거제대학교 조선해양공학과) , 장호윤 (중소조선연구원 해양레저장비개발센터) , 권용원 (중소조선연구원 선박기술연구본부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the numerical simulation and basin model test have been performed to evaluate sea worthiness and resistance performance for a small pre-planning three type of leisure boats which are U, V, Y shapes of hull forms. As a well known commercial CFD code, Maxsurf, was applied for modeling hull forms used as the solver of motion analysis. Also the model resistance test was carried out to estimate the effective power of boat in the basin tank. Numerical simulation and model test results show that Y-shaped hull is better than the other types in terms of heave and pitch motion, having a key effect on a boat sea worthiness. But V-type hull is more efficiency than others cases in resistance performance.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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제안 방법

25m이며, 중앙 횡단면이 직선형(V선형)인 Rib선의 선체를 기준으로 삼았다. 그런 후에 Maxsurf Ver 16.03 프로그램을 이용하여, 동일배수량과 종방향 부력중심(Longitudinal Center of Buoyance)을 기준으로 단면형상을 볼록형(U), 오목 형(Y)으로 설계하였다.
단면형상별 레저보트의 내항성능 비교를 위하여 1개의 해상상태를 이용하였으며, 해상상태는 Sea state 4(유의파고 1.3m, 피크주기 8.6s)로 하였고 ITTC 불규칙 파랑 스펙트럼의 해상상태에 대한 수치해석을 수행하였다. 또한 항주속도는 25knots로 설정하였다.
본 레저보트의 내항성(Seakeeping) 해석을 위해서 Maxsurf 프로그램을 이용하였으며, 주파수 영역에서 3차원 선형 회절이론을 이용하여 내항성능을 분석하였다. 동일 배수량일 경우의 단면형상별 주파수 응답 특성(Response Amplitude Operators)을 비교하기 위해서 동일한 환경적인 요소 및 무게중심을 적용하였다. 수치해석을 위한 모델링은 Fig.
활주형 레저보트는 고속 시에는 양력작용에 의한 부상으로 단면형상이 주요성능에 영향을 미치지만, 저속 시에는 선저면의 동적효과(양력)가 고속시보다 상대적으로 적어 침수표면적이 증가에 따른 레저보트 주요성능에 많은 영향을 미칠 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 현재 널리 보급되어 있는 24피트급 레저보트의 선형을 기본으로 하여 3가지 형태의 단면형상을 모델링하고 수치계산을 통하여 저속 시 각 단면 형상에 따른 내 항성을 평가하였으며, 모형시험을 바탕으로 레저보트의 활주시점 근방에서의 저항성능을 비교하였다. 본 연구에서는 소형 선박의 모델링과 제 계산 및 해석에 많이 활용되는 Maxsurf 소프트웨어를 사용하였으며, 모형시험은 통상적인 상선의 실험방식을 준용한 ITTC 1978(2차원법) 방법으로 해석을 수행하였다.
또한 항주속도는 25knots로 설정하였다. 또한 단면형상별로 전장(LOA) 7.25m, 전폭(BOA) 2.6m, 깊이(Depth) 1.28m를 가지는 레저보트의 질량분포는 종동요 회전반경(Pitch gyradius)은 전장의 25%, 횡동요 회전반경(Roll gyradius)은 전폭의 30%로 지정하였다. 무차원 감쇠(Non-Dimensional Damping)는 인자는 상·하동요(Heave)/종동요(Pitch):0, 횡동요(Roll): 0.
481m이다. 또한 예인점(동력계측기의 위치)의 위치는 모두 선미에서 0.352m 지점인 종방향 부력중심점을 선정하여 각 단면 형상별로 저항시험을 수행하였다. 예인전차 최대 속도이며, 레저보트의 활주가 시작되는 시점까지의 속도(실선속도 11knots, 푸르드수 0.
무차원 감쇠(Non-Dimensional Damping)는 인자는 상·하동요(Heave)/종동요(Pitch):0, 횡동요(Roll): 0.075로 지정하여 내항성 수치해석을 수행하였으며, 전처리 과정은 Fig. 6에 나타내었다.
설계된 3가지 선형에 대하여 기본적인 선박 계산을 수행하였으며, 아래 표 1 에서 보는바와 같이 동일한 배수량(1.988m³)을 기준으로 종방향 부력중심의 위치를 조절하는 과정을 반복 수행하였다. 이때 중앙단면에서의 흘수값은 직선형(V) 0.

대상 데이터

본 모형시험은 중소조선연구원 해양레저수조동의 수조에서 수행하였으며, 모형선의 크기는 실선의 1/7.25이고 FRP로 제작하였다. 아래 표 2 는 본 선체의 주요제원을 나타내고 있다.
본 연구에 사용된 선박은 국외 유사 실적선의 자료조사를 바탕으로 개발된 24피트급 레저보트로서, 실선의 크기가 7.25m이며, 중앙 횡단면이 직선형(V선형)인 Rib선의 선체를 기준으로 삼았다. 그런 후에 Maxsurf Ver 16.
아래 표 2 는 본 선체의 주요제원을 나타내고 있다. 세 개의 선형모두 동일한 조건(동일배수량)에서 실험이 수행되었는데, 이때의 흘수라인은 직선형(V), 복록형(U), 오목형(Y)레저보트의 최하부에서 각각 0.401m, 0.321m, 0.481m이다. 또한 예인점(동력계측기의 위치)의 위치는 모두 선미에서 0.

데이터처리

본 레저보트의 내항성(Seakeeping) 해석을 위해서 Maxsurf 프로그램을 이용하였으며, 주파수 영역에서 3차원 선형 회절이론을 이용하여 내항성능을 분석하였다. 동일 배수량일 경우의 단면형상별 주파수 응답 특성(Response Amplitude Operators)을 비교하기 위해서 동일한 환경적인 요소 및 무게중심을 적용하였다.

이론/모형

따라서 본 연구에서는 현재 널리 보급되어 있는 24피트급 레저보트의 선형을 기본으로 하여 3가지 형태의 단면형상을 모델링하고 수치계산을 통하여 저속 시 각 단면 형상에 따른 내 항성을 평가하였으며, 모형시험을 바탕으로 레저보트의 활주시점 근방에서의 저항성능을 비교하였다. 본 연구에서는 소형 선박의 모델링과 제 계산 및 해석에 많이 활용되는 Maxsurf 소프트웨어를 사용하였으며, 모형시험은 통상적인 상선의 실험방식을 준용한 ITTC 1978(2차원법) 방법으로 해석을 수행하였다.
본 저항시험은 푸르드(Froude)의 역학적 상사법칙에 따른 선속으로 수행되었으며, 해석방법은 1978 ITTC해석법을 근간으로 한 2차원법을 적용하였다. 또한 트림(Trim) 및 침하량(Sinkage)은 무차원화하여 나타내었다.

성능/효과

Fig. 13에 트림량의 그림을 통해 오목형(Y)이 경험적으로 물가름이 좋을 것이라 판단되었던 것과 마찬가지로 푸르드수 0.717까지 실험을 통해 다른 단면형상에 비해 선수와 선미의 동요가 가장 적게 일어남을 알 수 있었으며, 이는 물가름이 좋음을 판단하는 객관적 기준이 됨을 알 수 있었다.
ITTC 1978 해석법을 근간으로 하여 유효마력을 추정한 결과 Fig. 14의 그림에서 보는 바와 같이 단면형상별로 유효마력은 크게 차이가 나지 않음을 알 수 있었으며, 해석법을 통해 실제 11knots로 항주하기 위해서는 약 23∼24마력 정도가 필요하게 됨을 알 수 있었다.
그림을 통해서 조우 주파수(Encounter Frequency) 5∼7rad/s 근방에서 종동요 및 상하동요가 가장 크게 나타나는 것을 볼 수 있으며, 응답의 크기에 따라 오목형(Y) > 직선형(V) > 볼록형(U)의 순서로 우수함을 알 수 있었다.
또한 Fig 11에서 총저항계수는 이론상 활주시점 근처인 푸르드수 0.45의 구간에서는 볼록형(U)과 오목형(Y형)이 직선형(V형)에 비하여 각각 9.14%, 0.97%증가하는 것으로 나타났으나 점차 활주함에 따라서 푸르드수 0.717까지 전체저항계수 값의 차이가 줄어들어 유사해짐을 알 수 있었다.
또한 물가름이 좋은 오목형(Y)이 저항성능도 우수할 것으로 예상하였으나 실제적으로 직선형(V)선형이 실험구간에서는 저항성능이 평균적으로 제일 우수함을 알 수 있었으며, 이는 물가름과 활주자세 사이의 상관관계가 저항성능에 미치는 영향이 크다는 것을 알 수 있었다.
본 연구에서는 저속 시 레저보트의 단면 형상이 내항성과 저항성능에 미치는 영향을 실험적, 수치적으로 평가하였으며, 단면형상별 레저보트 저항시험 및 내항성 해석결과, 직선형(V) 단면형상이 오목형(Y)에 비해 선수파일 때에 종동요와 상하동요 운동에 대한 내항성능에서는 상대적으로 불리하나, Fn 0.717까지의 단면형상별 평균저항감소는 직선형(V)이 유리함으로 저항성능 측면에서는 직선형(V) 단면 형상이 고속선형에 가장 적합할 것이라 사료되며, 또한 생산측면에서도 오목형(Y)에 비해 직선형(V)이 제작에 편리함으로 전반적으로 직선형(V)이 유리할 것이라 판단이 된다.
특히, 레저보트의 주요성능을 결정하는 중요한 요소로는 단면형상이 중요하다. 활주형 레저보트는 고속 시에는 양력작용에 의한 부상으로 단면형상이 주요성능에 영향을 미치지만, 저속 시에는 선저면의 동적효과(양력)가 고속시보다 상대적으로 적어 침수표면적이 증가에 따른 레저보트 주요성능에 많은 영향을 미칠 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 현재 널리 보급되어 있는 24피트급 레저보트의 선형을 기본으로 하여 3가지 형태의 단면형상을 모델링하고 수치계산을 통하여 저속 시 각 단면 형상에 따른 내 항성을 평가하였으며, 모형시험을 바탕으로 레저보트의 활주시점 근방에서의 저항성능을 비교하였다.

후속연구

이 결과는 레저선박의 목적과 용도에 따른 단면형상 선택에 대한 기초연구자료로 활용되길 바라며, 다양한 시험을 통해서 보완할 계획임을 밝힌다.
향후 레저보트의 내항성 수치해석의 결과값과 실제 내항성 모형시험을 통한 검증을 수행할 예정이며, 고속예인전차 시험을 통한 실제 목표속도(25knots)일 때와 레저보트 최대속도에 대한 모형시험을 통해서 고속 항주 시에 저항성능, 트림 및 침하량의 계측을 통한 분석 및 연구가 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	활주형 레저보트의 속도별 성능에 영향을 미치는 요소는 무엇인가?	특히, 레저보트의 주요성능을 결정하는 중요한 요소로는 단면형상이 중요하다. 활주형 레저보트는 고속 시에는 양력작용에 의한 부상으로 단면형상이 주요성능에 영향을 미치지만, 저속 시에는 선저면의 동적효과(양력)가 고속시보다 상대적으로 적어 침수표면적이 증가에 따른 레저보트 주요성능에 많은 영향을 미칠 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 현재 널리 보급되어 있는 24피트급 레저보트의 선형을 기본으로 하여 3가지 형태의 단면형상을 모델링하고 수치계산을 통하여 저속 시 각 단면 형상에 따른 내 항성을 평가하였으며, 모형시험을 바탕으로 레저보트의 활주시점 근방에서의 저항성능을 비교하였다.
	선체의 단면 형상은 어떤 기준으로 채택하는가?	5)에 걸쳐 동적효과를 규명한바 있으며, 사용 목적에 따라 단면 형상의 적절한 선택은 핵심적이다. 일반적으로 제작의 용이성, 내항성, 안정성, 저항성능 등을 고려하여 볼록형(U), 직선형(V), 오목형(Y)형의 선체를 채택하게 된다. J.
	활주형 선형은 어떻게 높은 속도 성능을 발휘하는가?	또한 2009년 국토해양부(해양국토 21, 3권)에 따르면 모터보트의 2006년 수입(6,636천달러)대비 2008년 수입량(15,568천달러)이 2배 이상 늘어났으며, 향후 국내에서도 수요가 커질 전망이다. 활주형 선형은 선체와 수면사이의 동적효과(Dynamic effect)를 극대화 하여 저항을 감소시킴으로서 높은 속도 성능을 발휘하게 된다. D.

참고문헌 (6)

Savitsky., D., 1964, "Hydrodynamic Design of planning hulls", Marine Technology, Vol.1, No.1, pp. 381-400.
Savitsky, D. and Brown., P. Ward, 1976, "Procedures for Hydrodynamic Evaluation of planning Hulls in Smooth and Rough Water", Marine Technology, Vol.13, No.4, pp. 381-400.
Vasconcellos, J. M. and Latorre., R., 1999, "Development of BOATDSS High Speed boat Design database", Ocean Engineering Journal, Vol. 26, pp. 891-904.

상세보기
Ahn, H. S. and Yu, J. H., 2006, "Hull Form Development of Sailing Yacht with Sails and Appendages", Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol.30, No. 1, pp. 109-115.
Park, C. H., 2008, "Comparisons of Resistance Characteristics of the High-speed Planing Craft with Respect to the Number of Bottom Steps", Journal of Navigation and Port Research, Vol. 32, No.8, pp. 583-588.

원문보기 상세보기
Lee, K. J. and Jo, K. H., 2009, "A study on the Improvement of Resistance Performance by Wedge for High-Speed Planing Hull form", KAOST

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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