최근 소득증대로 인해 해양레저에 대한 관심이 높아짐에 따라 해양레저용으로 많이 이용되는 활주형선의 선형설계와 생산에 대한 많은 연구 개발이 필요해지고 있다. 지금까지 수행된 활주형선의 저항에 대한 연구를 분석해본 결과 활주형선은 속도가 빠르고 침수표면적이 매우 작기 때문에 일반 선박과는 다른 저항 특성을 가지고 있음을 알게 되었다. 본 연구는 현재 조선소와 추진기 및 엔진 생산업체에서 유효마력 산정에 널리 활용되는 Savitsky공식을 이용하여 연구대상 활주형선의 전저항을 먼저 계산한 후 이론해석과 풍동실험을 통하여 활주형선 주위에 대한 유동특성을 분석하고 속도와 트림각도 변화에 따른 공기저항, 양력 등을 구하였다. 또한 이 결과를 이용하여 전저항에 대한 공기저항의 비율을 속도와 트림각 변화에 대하여 이론해석결과와 실험결과를 비교하고 분석하였으며 본 연구결과는 좀 더 정확한 유효마력 추정에 활용되어 산출근거를 무시하고 막연하게 고마력 엔진을 장착하는 폐단을 막을 수 있을 것으로 기대된다. 한편 기상 이변으로 인한 자연재해가 증가하면서 온실가스에 대한 관심이 높아지고 있다. 국제해사기구(IMO)에서는 선박의 설계 단계에서 적용되는 에너지 효율 지수(EEDI)와 해상을 운항할 때 적용되는 에너지 효율지수(EEOI)를 제정하여 선박으로부터 배출되는 온실가스를 줄이려 하고 있다. 그러나 이 규정은 총톤수(GT) 400톤 이상의 선박에 적용될 예정이므로 해양레저용 선박과 같은 소형 선박은 대형 선박에 비해 단위 출력 당 온실가스 배출량은 오히려 많지만 이 IMO 규정에 의한 규제를 받지 않는다. 따라서 본 연구는 소형선박인 해양레저용 활주형선의 온실 가스 배출량을 산출함으로써 이에 대한 문제점을 제기하고 소형선박에 적용될 수 EEDI 계산법 제정의 필요성을 제시하였다.
최근 소득증대로 인해 해양레저에 대한 관심이 높아짐에 따라 해양레저용으로 많이 이용되는 활주형선의 선형설계와 생산에 대한 많은 연구 개발이 필요해지고 있다. 지금까지 수행된 활주형선의 저항에 대한 연구를 분석해본 결과 활주형선은 속도가 빠르고 침수표면적이 매우 작기 때문에 일반 선박과는 다른 저항 특성을 가지고 있음을 알게 되었다. 본 연구는 현재 조선소와 추진기 및 엔진 생산업체에서 유효마력 산정에 널리 활용되는 Savitsky공식을 이용하여 연구대상 활주형선의 전저항을 먼저 계산한 후 이론해석과 풍동실험을 통하여 활주형선 주위에 대한 유동특성을 분석하고 속도와 트림각도 변화에 따른 공기저항, 양력 등을 구하였다. 또한 이 결과를 이용하여 전저항에 대한 공기저항의 비율을 속도와 트림각 변화에 대하여 이론해석결과와 실험결과를 비교하고 분석하였으며 본 연구결과는 좀 더 정확한 유효마력 추정에 활용되어 산출근거를 무시하고 막연하게 고마력 엔진을 장착하는 폐단을 막을 수 있을 것으로 기대된다. 한편 기상 이변으로 인한 자연재해가 증가하면서 온실가스에 대한 관심이 높아지고 있다. 국제해사기구(IMO)에서는 선박의 설계 단계에서 적용되는 에너지 효율 지수(EEDI)와 해상을 운항할 때 적용되는 에너지 효율지수(EEOI)를 제정하여 선박으로부터 배출되는 온실가스를 줄이려 하고 있다. 그러나 이 규정은 총톤수(GT) 400톤 이상의 선박에 적용될 예정이므로 해양레저용 선박과 같은 소형 선박은 대형 선박에 비해 단위 출력 당 온실가스 배출량은 오히려 많지만 이 IMO 규정에 의한 규제를 받지 않는다. 따라서 본 연구는 소형선박인 해양레저용 활주형선의 온실 가스 배출량을 산출함으로써 이에 대한 문제점을 제기하고 소형선박에 적용될 수 EEDI 계산법 제정의 필요성을 제시하였다.
As incomes increase, interest in ocean leisure picks up. As a result, a lot of research and developments on hull form design and production of planing boats, mostly used for ocean leisure, are needed. Analysis in researches on resistance of planing boats shows that resistance characteristic of plani...
As incomes increase, interest in ocean leisure picks up. As a result, a lot of research and developments on hull form design and production of planing boats, mostly used for ocean leisure, are needed. Analysis in researches on resistance of planing boats shows that resistance characteristic of planing boats is different from resistance characteristic of general boats because the former is fast, and its wetted surface is very small. Using Savitsky formula widely used in the calculation of effective horse power in shipbuildingyards, and propulsion system and engine manufacturers, this study calculated total resistance of a research planing boat. Then it analyzed the flow characteristics of the planing boat through theoretical analysis and wind tunnel experiment, and computed air resistance and lift force by changes of speed and trim angle. It also compared and analyzed result of theoretical analysis and experiment of the ratio of air resistance to total resistance under variations of velocity and trim angle. When the study is used to estimate more accurate effective horse power, it is expected to remedy abuses of unnecessarily installing high-powered engine. As nature disasters due to abnormal changes of weather increase, interest in greenhouse gas grows. International Maritime Organization (IMO) legislated Energy Efficiency Design Index (EEDI) and Energy Efficiency Operational Indicator (EEOI) to reduce ship greenhouse gas emissions. But this index will be applied to over 400 tons ships, small ships, emitting more greenhouse gases than larege ships per unit power, will dodge the regulations. Thus, this study indicated a problem by calculating greenhouse gas emissions of an ocean leisure planning boat (a small ship), and suggested the need for EEDI of small ships.
As incomes increase, interest in ocean leisure picks up. As a result, a lot of research and developments on hull form design and production of planing boats, mostly used for ocean leisure, are needed. Analysis in researches on resistance of planing boats shows that resistance characteristic of planing boats is different from resistance characteristic of general boats because the former is fast, and its wetted surface is very small. Using Savitsky formula widely used in the calculation of effective horse power in shipbuildingyards, and propulsion system and engine manufacturers, this study calculated total resistance of a research planing boat. Then it analyzed the flow characteristics of the planing boat through theoretical analysis and wind tunnel experiment, and computed air resistance and lift force by changes of speed and trim angle. It also compared and analyzed result of theoretical analysis and experiment of the ratio of air resistance to total resistance under variations of velocity and trim angle. When the study is used to estimate more accurate effective horse power, it is expected to remedy abuses of unnecessarily installing high-powered engine. As nature disasters due to abnormal changes of weather increase, interest in greenhouse gas grows. International Maritime Organization (IMO) legislated Energy Efficiency Design Index (EEDI) and Energy Efficiency Operational Indicator (EEOI) to reduce ship greenhouse gas emissions. But this index will be applied to over 400 tons ships, small ships, emitting more greenhouse gases than larege ships per unit power, will dodge the regulations. Thus, this study indicated a problem by calculating greenhouse gas emissions of an ocean leisure planning boat (a small ship), and suggested the need for EEDI of small ships.
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문제 정의
또한 이 두 선박에 대하여 EEDI를 구하고 소형선박에 이 규정을 적용했을 때의 문제점을 찾아 제시함으로써 소형 선박으로부터 배출되는 온실가스를 저감시키기 위한 새로운 소형선박용 EEDI 계산법 제정의 필요성을 제기하였다. 그 외 본 연구에서는 활주정 주위에 발생하는 공기역학적 현상과 그 현상이 전저항에 미치는 영향을 규명하기 위하여 이론해석과 실험을 수행하였다.
따라서 본 연구에서는 레저용 활주정에 대하여 MEPC 규정을 이용하여 단위출력 당 온실가스 배출량(f/KW-hr)을 구하고 같은 식을 이용하여 AFRAMAX급 115,000(DWT) 원유운반선의 단위출력 당 온실가스 배출량을 구하고 비교·분석하였다. 또한 이 두 선박에 대하여 EEDI를 구하고 소형선박에 이 규정을 적용했을 때의 문제점을 찾아 제시함으로써 소형 선박으로부터 배출되는 온실가스를 저감시키기 위한 새로운 소형선박용 EEDI 계산법 제정의 필요성을 제기하였다. 그 외 본 연구에서는 활주정 주위에 발생하는 공기역학적 현상과 그 현상이 전저항에 미치는 영향을 규명하기 위하여 이론해석과 실험을 수행하였다.
제안 방법
공기저항을 측정하기 위하여 풍동실험은 수행하였는데, 실험장치 및 방법은 다음과 같다.
따라서 본 연구에서는 레저용 활주정에 대하여 MEPC 규정을 이용하여 단위출력 당 온실가스 배출량(f/KW-hr)을 구하고 같은 식을 이용하여 AFRAMAX급 115,000(DWT) 원유운반선의 단위출력 당 온실가스 배출량을 구하고 비교·분석하였다. 또한 이 두 선박에 대하여 EEDI를 구하고 소형선박에 이 규정을 적용했을 때의 문제점을 찾아 제시함으로써 소형 선박으로부터 배출되는 온실가스를 저감시키기 위한 새로운 소형선박용 EEDI 계산법 제정의 필요성을 제기하였다.
따라서 본 연구에서는 식 (5)의 EEDI공식을 적용하여 먼저 활주형선의 CO2 배출량을 계산하고 이 계산 결과를 검증하기 위하여 같은 방법으로 DWT 115,000톤의 AFTAMAX급 원유운반선의 CO2 배출량 l과 EEDI를 계산하고 각각 산출된 CO2 배출량을 각 선박의 연속최대출력(MCR)의 75%로 나누어 단위 시간당, 단위출력(KW) 당 CO2 배출량(g/KW-hr)을 구하였다.
본 연구에서는 선미 트림각을 1° 및 4°의 상태에서 속도를 18 kts부터 68 kts 까지 6단계로 나누어 실험 및 이론해석을 수행하였다.
대상 데이터
본 연구에 활용된 배는 해양레저용 활주형선으로서 실선과 모형선의 주요제원은 아래 Table 1과 같다. 이번 연구에서 적용된 속도는 60 kts 이상으로서 최근 해당 속도를 가진 유명 보트회사들의 실제 선박들의 주요치수와 유사한 크기로 하였고, 선형관련 자료를 이용하여 3차원 모델링한 것을 Fig.
이론/모형
각 단계에서의 전 저항에 대하여 현재 일반적으로 모든 엔진 및 추진기업체들에서 속도와 유효마력 산정시 통용하는 공식(Savisky, 1964)을 이용하였다.
계산 유효마력 계산에 팔요한 저항은 식 (1)의 Savitsky공식을 이용하여 구한 저항에 이론해석결과로부터 구한 공기저항을 합산한 값을 사용하였다. 따라서 유효마력은 다음과 같다.
이론해석은 Solid works Fluid flow simulation을 이용하여 수행하였다. 이 CFD 해석조건은 Table 2와 같고, Fig.
성능/효과
1. 활주형선의 속도가 증가하면 전저항은 증가하고, 같은 속도에 서는 트림각도가 1° 에서 4°로 증가하면 전저항은 침수표면적의 감소로 인한 마찰저항의 감소로 인하여 감소하였다.
3. 선박의 활주에 의하여 양력이 발생하는데, 트림각도가 1°인 경우에는 거의 모든 속도에서 양력이 음(-)의 방향 즉 아랫방향으로 작용하였으나, 트림각도가 4°가 되면 양력은 양(+)값을 갖게 되고 속도가 증가할수록 양력이 커지는 것으로 이론해석과 실험결과 동 일하게 나타났다.
활주형선에 발생하는 공기저항은 이론해석 결과값이 실험값 보다 다소 크게 나타났고, 속도가 증가하면 공기저항은 증가하는 것으로 밝혀졌다. 그리고 전저항에 대한 공기저항의 비율은 속도와 트림각도에 따라 다소 다르지만 평균 2.3%가 되는 것을 확인할 수 있었고, 이 값은 속도가 40 Kmots인 경우의 공기저항 비율과 비슷하였다.
이 계산 결과를 보면 본연구의 설계선은 CO2배출량이 1,068 g/ KW-hr, 원유운반선은 545 g/KW-hr이었는데, 설계선인 해양레저용 활주형선이 원유운반선보다 거의 2배로 많은 CO2를 배출하고 있음을 알 수 있다.
5. 전장 14 m, 설계요구조건상 속도 40 Knots인 해양 레저용 활주형선으로부터 배출되는 온실가스(Co2) 양은 1,068 g/KW-hr로 DwT 115,000톤 AFRAMAX급 원유운반선의 온실가스 배출량보다 약 2배로 나타났다. 그러나 EEDO는 설계선이 운유운반선 보다 414배 큰 것으로 계산결과 확인되었다.
2. 활주형선 주변의 유동해석 결과, 트림각도 1° 상태에서 선수 부 전단 윗부분과 선미부 후단 윗부분에서 주위보다 높은 압력이 발생하는 영역이 존재하는 것을 확인하였는데, 트림각도가 4°로 커지면, 선수부에서 압력이 높게 형성되었던 영역이 좁아졌고, 선미 부에 높게 형성되었던 압력은 사라진 것으로 확인되었다. 동시에 선미에 발생했던 와류도 트림각도가 4°로 커지면서 약해진 것을 확 인할 수 있었다.
4. 활주형선에 발생하는 공기저항은 이론해석 결과값이 실험값 보다 다소 크게 나타났고, 속도가 증가하면 공기저항은 증가하는 것으로 밝혀졌다. 그리고 전저항에 대한 공기저항의 비율은 속도와 트림각도에 따라 다소 다르지만 평균 2.
후속연구
그러나 EEDO는 설계선이 운유운반선 보다 414배 큰 것으로 계산결과 확인되었다. 따라서 소형선의 EEHI를 계산할 수 있는 공식을 제정하기 위한 연구와 노력이 활발해지기를 기대한다.
본 연구 결과가 소형선박의 온실가스 저감대책 수립을 위한 논의와 연구의 출발점이 되고 공기역학적 현상이 활주형선의 저항에 미치는 영향을 분석하는데 기여할 할 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
해양레저용 선박의 선형 개발과 제작에 대한 연구가 이루어지게 된 배경은?
최근 해양레저에 대한 관심이 높아지면서 해양레저용 선박의 선형 개발과 제작에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 해양레저 에 활용되는 선박은 세일링 요트와 동력 활주정으로 대별할 수 있는데, 동력 활주정은 속도가 매우 빠르기 때문에 침수표면적과 배수량에 의하여 주로 결정되는 일반 선박의 저항과는 그 특성이 다르므로 이에 대한 연구 특히 공기역학적 특성이 저항에 미치는 영향에 대한 조사와 분석이 필요하다.
해양레저 에 활용되는 선박은 어떻게 대별할 수 있는가?
최근 해양레저에 대한 관심이 높아지면서 해양레저용 선박의 선형 개발과 제작에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 해양레저 에 활용되는 선박은 세일링 요트와 동력 활주정으로 대별할 수 있는데, 동력 활주정은 속도가 매우 빠르기 때문에 침수표면적과 배수량에 의하여 주로 결정되는 일반 선박의 저항과는 그 특성이 다르므로 이에 대한 연구 특히 공기역학적 특성이 저항에 미치는 영향에 대한 조사와 분석이 필요하다.
IMO에서 선박으로부터 배출되는 온실가스를 저감하기 위한 규정을 제정하기로 의결한 후 그에 따른 후속 조치는 무엇인가?
국제해사기구(IMO)에서도 선박으로부터 배출되는 온실가스를 저감하기 위한 규정을 제정하기로 의결하였다(IMO, 2003). 그 후속 조치로 선박설계 단계에서 적용하기 위한 에너지 효율 지수(EEDI)와 운항 중인 선박에 적용하기 위한 에너지 효율 지수(EEOI)가 제정되었다(MEPC, 2009). 이 규정은 총 톤수(G/T) 400톤 이상의 선박에 대해서 적용된다(MEPC, 2008).
참고문헌 (10)
Umesaburou Kawahara, Katsuo Suzziki, Kazuki Yabushita, 1993, "Resistance Test Method for High-Speed Boats by Using a Trim Fixed Type of Dynamometer", J. Kansai Soc. N. A., Japan, No. 220, pp. 219-232.
Daniel Savitsky, 1964, "Hydrodynamic Design of Planing Hulls", Marine Technology, pp. 1-38.
Yoshiho Ikeda, Gen Nishida, Toru Katayama, Yoshinori Yamaguchi, Jiro Niina, Takeru Oshima, 1996, "Development of an Experimental Method to Assess the Performance of a High Speed Craft (The 2nd report)", J. Kansai Soc. N. A., Japan, No. 226, pp. 262-269.
Koichi Mori, 1998, "Drag Characteristic of High Speed Small Boat", J. Kansai Soc. N. A., Japan, No. 230, pp. 319-329.
H. Wagner, 1990, "The Phenomena of Impact and Planing on Water", NACA Translation, 1366, ZAMM, August.
IMO, 2003, A.963 (23), "IMO Policies and Practices Related to the Reduction of Greenhouse Gasses Emission for Ships", Dec.
MEPC/Circ 684, 2009, "Interim Guide for Voluntary Use of the Ship Energy Efficiency Operational Indicator (EEOI)", 17b Aug.
MEPC/Circ 683, 2009, "Guidance for the Development of a Ship Energy Efficiency Management Plan (SEEMP)", 17, Aug.
MEPC58/WP 8, 2008 "Report of the Working Group on Greenhouse Gasses Emission for Sgips, 9, Oct.
MEPC212 (63), 2012 "2012 Guidelines on the Method of Calculation of the Attained Energy Efficiency Design Index (Eedi) For New Ships", 2, Mar.
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