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바람 하중에 의한 크루즈선의 횡경사 예측 및 제어에 관한 연구
Study on Prediction and Control of Wind-Induced Heel Motion of Cruise Ship 원문보기

大韓造船學會 論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.50 no.4, 2013년, pp.206 - 216  

김재한 (서울대학교 조선해양공학과) ,  김용환 (서울대학교 조선해양공학과) ,  김용수 (대우조선해양(주))

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The present study considers the prediction of wind-induced heel of cruise ship and its stabilization. Wind load in ocean exerts on the surface of superstructure of cruise ship, which causes the heel moment on the ship. The calculation of wind load starts from choosing wind speed profile, so that the...

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문제 정의

  • 앞서 언급한 바람 하중에 의한 횡경사 현상을 예측하기 위한 횡경사 모멘트의 계산 기법을 시간 영역의 크루즈선 운동 해석 프로그램에 적용한 후, 이를 이용한 운동 제어를 수행하여 결과를 확인한다. 그리고 핀 안정기를 이용한 횡경사 감쇠 성능을 확인하기 위하여 바람 하중에 의한 횡경사 모멘트가 가해지는 조건에서 운동 제어를 수행하여 전진 속도가 있는 경우 핀 안정기에 의한 이용한 횡경사 감쇠 가능성을 살펴본다.
  • 본 연구를 통하여 수선면 상부 구조물의 크기가 큰 크루즈선의 특성을 고려한 바람 하중에 의한 횡경사를 추정할 수 있는 수치 기법을 개발하였다. 기존 연구에서 제안한 바람 하중에 의한 횡경사 모멘트 계산 추정식을 바탕으로 하였으며, 보다 현실적인 예측을 위한 풍동 실험 값 및 바람의 속도 모델을 적용하였다.
  • 핀 안정기를 이용한 크루즈선의 운동 제어 기법에 관한 연구는 횡동요 및 종동요(pitch) 제어를 위한 지난 연구를 통하여 수행된 바 있다 (Kim & Kim, 2011). 본 연구에서는 동일한 핀 안정기 제어 기법을 이용하여 바람 하중에 의하여 발생하는 크루즈선의 횡경사 현상을 제어를 수행한다. 지난 연구에서 수행한 크루즈선의 횡동요 운동을 줄이기 위한 개발한 핀 안정기의 LQR 제어 기법은 횡경사 및 횡동요를 줄이기 위한 과정에서 동일하게 적용할수 있다.
  • 본 연구에서는 바람 하중에 의한 크루즈선의 횡경사 예측을 위하여 횡경사 모멘트(heel moment) 계산 프로그램을 개발하고 이를 선행 연구 (Kim & Kim, 2010)를 통하여 개발한 바 있는 시간영역의 크루즈선 운동 해석 프로그램인 WISH-CRUISE에 적용하여 바람 하중에 의한 크루즈선 운동으로의 영향을 고찰한다.
  • 이는 Blendermann (1994)이 수행한 바 있는 다양한 선종의 풍동 실험 결과를 대상으로 회기 분석을 수행하여 바람 하중 계산 추정식을 도입한 연구 결과를 바탕으로 하고있다. 본 연구에서는 이와 같은 실험 결과에 의한 추정식을 유도한 선행 연구를 바탕으로 하여 바람 하중 예측 기법을 개발한다. Fig.
  • 본 연구에서는 핀 안정기의 경우와 마찬가지로 유(U)자관 탱크를 이용한 횡경사의 제어를 수행하여 그 감쇠 효과를 확인하기 위하여 운동 해석을 수행하고 그 결과를 정리하였다. 수치 해석을 수행하기 위한 탱크의 제원은 Table 3에 나타나 있으며 이는 제어 효과의 확인을 위하여 임의로 결정한 것이므로 실제 탱크를 적용할 경우에는 보다 현실적인 조건을 고려할 필요가 있다.
  • 따라서 앞서 언급한 바람 하중에 의한 횡경사 모멘트의 추정식 중 횡경사 효과 계수 CH의 값은 이 때 수행한 풍동 실험의 결과를 이용하여 적용한다. 이 실험은 그 목적이 횡 방향 바람 하중에 대한 안정성을 평가하는 것에 있었기 때문에 바람 하중의 조건이 고정되어 있고 횡경사의 각 변화만 있는 조건으로 수행되었다. 구체적인 실험 조건으로, 바람의 방향은 90도이며, 속도는 13 m/s (Re=2×106)로 고정되었다.
  • 횡경사 효과 계수를 구하기 위한 식 (2)는 크루즈선에 비하여 상부 구조물의 크기가 작은 일반적인 상선을 대상으로 한 추정식이다. 이를 보완하기 위하여 본 연구에서는 유럽의 주요 크루즈선 조선소 중 하나인 이탈리아의 Fincantieri에서 수행한 바 있는 크루즈선 모형을 이용한 풍동 실험 결과를 검토하였다 (Serra, 2002). 이 실험에서는 두 가지 크루즈선 모델 선형이 사용되었는데, 그 중 Fig.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
핀 안정기는 선박에 어떤 형태로 적용되는가? 이 중 본 연구에서는 핀 안정기와 유(U)자관 탱크(U-tube tank) 형태의 횡경사 감쇠탱크를 고려한다. 핀 안정기는 횡동요(roll) 감쇠를 위하여 대부분의 크루즈선에서 사용하고 있으며 저항의 감쇠를 위하여 주로 선체 내부에 수납되는 형태(retractable type)로 적용되고 있다. 유(U)자관 탱크(U-tube tank)를 이용한 횡경사 감쇠 탱크는 최근 건조된 대형 크루즈선에서 적용되는 사례가 있다.
선박이 연안을 따라 이동 시 해양과 내륙 사이를 부는 바람의 영향을 어떻게 받는가? 크루즈선은 선상뿐만 아니라 내륙에서의 관광 및 휴양을 목적으로 하므로 여정 중 상당한 시간 동안 연안을 따라 항해를 한다. 이때 선박은 해양과 내륙 사이를 부는 바람의 영향을 진행 방향의 횡 방향으로 받게 되며, 이러한 바람에 의한 하중이 과도할 경우 바람 하중에 의해 배가 횡 방향으로 기울어지는 현상인 횡경사(heel)가 발생하게 된다. 이러한 횡경사 현상은 수면 위 상부구조가 다른 선박에 비하여 상대적으로 큰 크루즈선에서 발생할 가능성이 높으며, 이는 승선감 및 선박의 원활한 항해에 좋지 않은 영향으로 작용하므로 반드시 보정해야 한다.
횡경사 현상을 보정하기 위한 방법은 무엇이 있는가? 이러한 횡경사 현상은 수면 위 상부구조가 다른 선박에 비하여 상대적으로 큰 크루즈선에서 발생할 가능성이 높으며, 이는 승선감 및 선박의 원활한 항해에 좋지 않은 영향으로 작용하므로 반드시 보정해야 한다. 이를 위하여 일반적으로 선박에 적용할 수 있는 핀 안정기(stabilizing fin) 또는 횡경사 감쇠 탱크(anti-heeling tank)에 의한 기계적 능동제어, 대형 스케그(skeg) 등을 가지는 선형 설계 및 바람의 저항을 줄이기 위한 수면 위 상부 구조의 최적 설계 등의 방법을 이용할 수 있다. 이 중 본 연구에서는 핀 안정기와 유(U)자관 탱크(U-tube tank) 형태의 횡경사 감쇠탱크를 고려한다.
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참고문헌 (15)

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  3. Bhattacharyya, R., 1978. Dynamics of marine vehicles. John Wiley & Sons, Inc: New York. 

  4. Blendermann, W., 1994. Parameter Identification of Wind Loads on Ships. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 51(3), pp.339-351. 

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  11. Minorski, N., 1935. Problems of Anti-rolling Stabilization of Ships by the Activated Tank Method. Journal of the American Society for Naval Engineers, 47(1), pp.87-119. 

  12. Moaleji, R. & Greig, A.R., 2007. On the Development of Ship Anti-roll Tanks. Ocean Engineering, 34(1), pp.103-121. 

  13. Serra, A., 2002. Experimental Wind Tunnel Tests on Large Passenger Ships. Report of CETENA Research Plan 2002. 

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  15. Webster, W.C., 1967. Analysis of the Control of Activated Antiroll Tanks. Transaction of SNAME, 75, pp.296-331. 

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