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문제 정의
- 본 연구에서는 선박의 배출가스 절감에 관련한 기초연구 로서 파랑 중에 선박의 직진성능에 관해 검토하였다. 파랑하중 중의 Autopilot를 이용한 선박의 직진시뮬레이션을 통하여 일정시간의 직진거리, 파랑 중의 직진성능 및 선박의 조종성능에 따른 파랑 중의 직진성능도 분석하였다.
가설 설정
- Table 3에 Kang의 회귀식을 통해 구한 유체력미계수로부터 변화시킨 비율을 나타내었다. 선체의 형상 변화에 따른 타, 프로펠러 그리고, 선체 간의 상관계수, 파강제력 및 Autopilot 제어기의 계수들의 차이가 발생할 것으로 예상되나, 본 논문에서는 시뮬레이션의 일관성을 위해 선체 유체력 미계수 이외에는 달라지는 것이 없다고 가정하였다.
제안 방법
- 선박에 작용하는 외란으로써 파의 1차 파강제력만을 고려 하였다. 2차파강제력으로써 표류력 및 바람의 영향도 선박의 직진시뮬레이션을 구성하기 위한 주요한 요소이지만, 본 연구에서는 선박의 선수각 변화에 민감하게 작용할 것으로 예상되는 파강제력의 1차 성분만을 고려하였다.
- 먼저, Kang(2007)을 참조하여 유체력 미계수를 구한 뒤에 선박의 유체력 미계수를 조정하여 인위적으로 조종성이 다른 선박을 시뮬레이션을 위해 설정하였다. Kang의 회귀식으로 부터 구한 유체력미계수를 기본으로 Reverse spiral 시뮬레이션을 구성하고 유체력미계수를 변화시키면서 반복 시뮬레이션을 통해 Loop width의 크기를 확인하면서 유체력미계수를 설정하였다. Table 3에 Kang의 회귀식을 통해 구한 유체력미계수로부터 변화시킨 비율을 나타내었다.
- 파강제력의 전달함수를 구하기 위해 파강제력은 입사각 0º부터 180º까지 5º간격으로 주파수영역에서 계산을 수행하였다. Surge와 Sway방향의 파강제력과 Yaw방향의 모멘트의 시간이력은 주파수영역에서 구해지는 주파수 전달함수를 Fourier 역변환하여 임펄스 응답함수를 구하고, 다시 이를 컨벌루션 적분을 통하여 시뮬레이션에 적용하였다. 시뮬레이션에 적용된 1차 파강제력(Fex )과 모멘트(Mex )는 식(5)와 식(6)과 같이 적용하였다.
- 선박의 시뮬레이션 중에 두 가지의 제한 조건을 설정하였다. 먼저 Autopilot 제어 중 최대 사용타각의 제한을 두고 최대사용타각에 따른 영향을 확인하였다. 타각의 제한은 ±30º 와 ±10º로 설정하였다.
- 조종성능이 다른 선박에 대한 파랑 중의 직진성능을 검토 하기 위해 선박의 유체력 미계수를 조정하여 구성하였다. 먼저, Kang(2007)을 참조하여 유체력 미계수를 구한 뒤에 선박의 유체력 미계수를 조정하여 인위적으로 조종성이 다른 선박을 시뮬레이션을 위해 설정하였다. Kang의 회귀식으로 부터 구한 유체력미계수를 기본으로 Reverse spiral 시뮬레이션을 구성하고 유체력미계수를 변화시키면서 반복 시뮬레이션을 통해 Loop width의 크기를 확인하면서 유체력미계수를 설정하였다.
- 시뮬레이션의 외란으로 규칙파 및 불규칙파를 사용하였고, 제어기의 제한은 최대사용타 각과 제어시간지연을 두어서 구성하였다. 선박의 조종성능에 따른 직진성능을 검토하기 위해 선체 유체력미계수를 인위적으로 변화시켜 4척의 선박 시뮬레이션을 수행하고 직진 거리를 비교하였다.
- 선박의 조종운동을 표현하기 위해 Fig. 1에서 보는 바와같이 공간고정좌표계 0-x0y0 위에서 선박의 중심위치 및 회두각을 정의하고 o -XY를 사용하여 선박의 속도성분을 정의하였다. 그리고, 외력으로 사용되는 파랑강제력의 변수인 공간고정좌표계 위에서의 입사각을 x로 나타내었다.
- 선박의 파랑 중에 직진성능을 선박의 1000초 동안의 직진 거리를 비교하여 분석하였다. 시뮬레이션의 외란으로 규칙파 및 불규칙파를 사용하였고, 제어기의 제한은 최대사용타 각과 제어시간지연을 두어서 구성하였다.
- 시뮬레이션에서는 파강제력의 1차파력만을 고려하였다. 선체에 작용하는 파강제력은 3차원 특이점 분포법을 사용하여 계산하였다.
- 선박의 파랑 중에 직진성능을 선박의 1000초 동안의 직진 거리를 비교하여 분석하였다. 시뮬레이션의 외란으로 규칙파 및 불규칙파를 사용하였고, 제어기의 제한은 최대사용타 각과 제어시간지연을 두어서 구성하였다. 선박의 조종성능에 따른 직진성능을 검토하기 위해 선체 유체력미계수를 인위적으로 변화시켜 4척의 선박 시뮬레이션을 수행하고 직진 거리를 비교하였다.
- 외란하에서 선박의 직진시뮬레이션을 구성하기 위해 Autopilot 제어기를 사용하였다. 타의 각도(δS,P)를 제어하기 위해 시뮬레이션에 사용된 Autopilot 제어기는 Proportional integral differential(PID)타입의 식(9)가 사용되었다.
- 파랑강제력의 계산을 위해 3차원 특이점 분포법(3-D Source distribution method)이 사용되었다. 이를 위해 수면하 선체표면에 553개의 패널을 분포시키고 계산을 수행하였다. Fig.
- 제어기의 계수Kp, Kd는 외란이 없는 30º의 초기선수각에서 직진 시뮬레이션을 수행하여 목표 선수각(=0º)을 가장 빠르게 찾아가는 값을 반복계산을 통해 찾아내었고, Ki 는 선수각 0º, y0 = L에서 200초(실선기준 약30분)동안 목표 y0 = 0을 찾아가는 값으로 설정하였다.
- 조종성능이 다른 선박에 대한 파랑 중의 직진성능을 검토 하기 위해 선박의 유체력 미계수를 조정하여 구성하였다. 먼저, Kang(2007)을 참조하여 유체력 미계수를 구한 뒤에 선박의 유체력 미계수를 조정하여 인위적으로 조종성이 다른 선박을 시뮬레이션을 위해 설정하였다.
- 파강제력의 전달함수를 구하기 위해 파강제력은 입사각 0º부터 180º까지 5º간격으로 주파수영역에서 계산을 수행하였다.
- 본 연구에서는 선박의 배출가스 절감에 관련한 기초연구 로서 파랑 중에 선박의 직진성능에 관해 검토하였다. 파랑하중 중의 Autopilot를 이용한 선박의 직진시뮬레이션을 통하여 일정시간의 직진거리, 파랑 중의 직진성능 및 선박의 조종성능에 따른 파랑 중의 직진성능도 분석하였다.
대상 데이터
- 외란으로 작용된 규칙파 및 불규칙파를 Table 2에 정리하였다. 규칙파는 잔잔한 해상상태와 거친 해상상태를 구성하기위해 파진폭이 흘수의 약 3 %와 약 15 %정도의 파를 선정 하였고, 불규칙파의 경우는 Pierson-Moskowitz 스펙트럼에서 State 6과 State 7에 해당하는 파를 선정하고 모형선 스케일로 축소시켜 사용하였다. 불규칙파의 경우 평균주기의 영향을 보기위해서 추가적으로 먼저 선정된 파에 비해 주기가 2배, 3배의 경우도 고려하였다.
- 본 연구에서 초대형유조선을 1/78.75비율로 축소한 선박모형이 사용되었다. 시뮬레이션에 사용된 선박모형의 기본제원을 Table 1에서 나타내었다.
- 선박의 조종 시뮬레이션은 3자유도(Surge, Sway, Yaw) 운동으로 구성하였다. Surge, Sway 그리고, Yaw 운동을 표현하기위해 Manoeuvring Mathematical Modeling Group(MMG, 1980) 모델에 기반을 둔 식(1)을 사용하였다.
이론/모형
- 선체에 작용하는 힘과 모멘트 즉, 식(1)의 우변에 나타나 있는 선체에 가해지는 유체력은 Kang and Hasegawa(2007)을 참조하여 계산하였고, 프로펠러력, 타력은 Kang et al.(2008) 의 1축2타 수학모형을 기반으로 계산하였다. 그리고, 식(1) 의 우변 중의 파랑강제력은 4장에서 기술한 방식으로 계산하였다.
- 선박의 조종 시뮬레이션은 3자유도(Surge, Sway, Yaw) 운동으로 구성하였다. Surge, Sway 그리고, Yaw 운동을 표현하기위해 Manoeuvring Mathematical Modeling Group(MMG, 1980) 모델에 기반을 둔 식(1)을 사용하였다.
- 불규칙파의 파 프로파일의 생성을 위해서 유의파고(H1/3)과 평균주기(T)를 포함하는 식(3)의 ISSC 파 스펙트럼을 사용하였다. 그리고, 식(4)를 이용하여 불규칙파를 생성하였다.
- 시뮬레이션에서는 파강제력의 1차파력만을 고려하였다. 선체에 작용하는 파강제력은 3차원 특이점 분포법을 사용하여 계산하였다. 파강제력의 전달함수를 구하기 위해 파강제력은 입사각 0º부터 180º까지 5º간격으로 주파수영역에서 계산을 수행하였다.
- 시뮬레이션에서 외력으로 작용하는 파랑강제력을 계산하기 위해 규칙파 및 불규칙파가 사용되었다. 식(2)는 임의 위치 (x0) 및 시간(t)에서의 규칙파의 프로파일(ζW)을 생성하기 위해 사용되었다.
- 타의 각도(δS,P)를 제어하기 위해 시뮬레이션에 사용된 Autopilot 제어기는 Proportional integral differential(PID)타입의 식(9)가 사용되었다.
- 파랑강제력의 계산을 위해 3차원 특이점 분포법(3-D Source distribution method)이 사용되었다. 이를 위해 수면하 선체표면에 553개의 패널을 분포시키고 계산을 수행하였다.
성능/효과
- 1) 규칙파 중에서 제어시간지연에 따른 영향은 미미했으며, 최대사용타각이 ±10º인 경우가 ±30º인 경우에 비해 더 많은 직진거리를 보여주는 경우를 확인하였다.
- 2) 불규칙 파 중에서는 대체적으로 최대사용타각이 ±10º 인 경우에서 더 나은 직진거리를 보여 주고 제어시간의 지연에서는 미비한 영향을 보여 주었다.
- 3) 조종성능의 차에 따른 직진거리는 최대사용타각이 ±10º의 경우에서 조종성능이 좋은 선박이 반대의 경우보다 더 나은 직진거리를 보여 주고 있어 조종성능이 더좋은 선박이 파랑 중의 직진성능에서도 더 나은 성능을 가짐을 확인하였다.
- 대체적으로 더 나은 직진거리를 보여주는 최대사용타각을±10 deg로 설정한 경우 선박의 조종성능에 따른 직진거리의 차를 확연히 판단할 수 있는데, 조종성능이 나쁜 선박(Ship D)의 경우, 조종성능이 더 나은 선박보다 직진거리가 더 작음을 볼 수 있었다.
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