본 논문에서는 초고압 특수 공간지를 활용한 다기능 포터블카약을 제작하였다. 초고압 특수 공간지를 활용한 설계로 기존의 인플레터블 카약의 성능을 개선하여 하드쉘 카약의 성능에 근접하도록 제작하였다. 하드쉘 카약의 성능과 인플레터블 카약의 기능성 및 휴대성의 장점을 모두 가진 카약을 제작하였으며, 시제품 성능평가를 통해 기존 하드쉘 카약과의 성능을 비교하였다. 저항성능 검증결과는 목표속도 6knot에 대해 Hobie KONA kayak에 비해 Developed kayak이 12.33% 저항성능이 우수하였다. 경사시험결과는 동일배수량일 경우 Hobie KONA kayak 보다 Developed kayak의 무게중심이 선저를 기준으로 22.7% 낮게 분포하고 있으며, 이는 Hobie KONA kayak 보다 Developed kayak의 무게중심이 낮음으로 복원팔(GZ)에 대한 차이가 일정부분 감소된다. 선체 복원력에서는 Hobie KONA kayak이 약간 우수한 성능을 보여주었으나, 선회력과 저항계수면에서 Developed kayak이 더 우수한 결과를 보였다.
본 논문에서는 초고압 특수 공간지를 활용한 다기능 포터블 카약을 제작하였다. 초고압 특수 공간지를 활용한 설계로 기존의 인플레터블 카약의 성능을 개선하여 하드쉘 카약의 성능에 근접하도록 제작하였다. 하드쉘 카약의 성능과 인플레터블 카약의 기능성 및 휴대성의 장점을 모두 가진 카약을 제작하였으며, 시제품 성능평가를 통해 기존 하드쉘 카약과의 성능을 비교하였다. 저항성능 검증결과는 목표속도 6knot에 대해 Hobie KONA kayak에 비해 Developed kayak이 12.33% 저항성능이 우수하였다. 경사시험결과는 동일배수량일 경우 Hobie KONA kayak 보다 Developed kayak의 무게중심이 선저를 기준으로 22.7% 낮게 분포하고 있으며, 이는 Hobie KONA kayak 보다 Developed kayak의 무게중심이 낮음으로 복원팔(GZ)에 대한 차이가 일정부분 감소된다. 선체 복원력에서는 Hobie KONA kayak이 약간 우수한 성능을 보여주었으나, 선회력과 저항계수면에서 Developed kayak이 더 우수한 결과를 보였다.
In this paper, we manufactured portable inflatable kayak using ultra high pressure drop stitch. by improving inflatable kayaks' performance with a design using the extra-high-voltage special space paper, they were manufactured to go near to performance of hard shell kayaks. The kayaks were manufactu...
In this paper, we manufactured portable inflatable kayak using ultra high pressure drop stitch. by improving inflatable kayaks' performance with a design using the extra-high-voltage special space paper, they were manufactured to go near to performance of hard shell kayaks. The kayaks were manufactured having all merits of the performance of hard shell kayaks and functionality and portability of the inflatable kayaks, and through performance evaluation of test products, the performance was compared with previous hard shell kayaks. About 6 knot of target speed in the verification result of resistance performance, the developed kayak was more excellent than the HOBIE-KONA kayak by 12.33%. In case of same displacement in a result of inclination test, the centroid of the developed kayak was less distributed by 22.7% than the HOBIE-KONA kayak, based on the bottoms of the ships. This makes the difference for righting arm (GZ) lessened to some degree because the developed kayak is lower than the HOBIE-KONA kayak in the centroid. In the dynamic stability of ship bodies, the HOBIE-KONA kayak showed a little excellent performance. However, in rudder force and resistance factor, the developed kayak was more outstanding than the HOBIE-KONA kayak.
In this paper, we manufactured portable inflatable kayak using ultra high pressure drop stitch. by improving inflatable kayaks' performance with a design using the extra-high-voltage special space paper, they were manufactured to go near to performance of hard shell kayaks. The kayaks were manufactured having all merits of the performance of hard shell kayaks and functionality and portability of the inflatable kayaks, and through performance evaluation of test products, the performance was compared with previous hard shell kayaks. About 6 knot of target speed in the verification result of resistance performance, the developed kayak was more excellent than the HOBIE-KONA kayak by 12.33%. In case of same displacement in a result of inclination test, the centroid of the developed kayak was less distributed by 22.7% than the HOBIE-KONA kayak, based on the bottoms of the ships. This makes the difference for righting arm (GZ) lessened to some degree because the developed kayak is lower than the HOBIE-KONA kayak in the centroid. In the dynamic stability of ship bodies, the HOBIE-KONA kayak showed a little excellent performance. However, in rudder force and resistance factor, the developed kayak was more outstanding than the HOBIE-KONA kayak.
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문제 정의
본 논문에서는 국내 실정에 맞도록 휴대성과 경제성을 높인 인플래터블 포터블 카약을 제작하였다. 그 결과 초고압 공간지를 활용하여 튜브형식의 포터블 카약을 만드는데 성공하였으며 기존의 공간지를 사용한 카약에 비해서 초고압 공간지를 사용함으로 인해 높은 내구도를 가진 카약을 제작할 수 있었다.
본 논문에서는 자연기물 등에 의한 파손에 강한 초고압 공간지를 이용한 포터블 인플레이터블 카약을 제작하였다. 제작된 카약은 기존의 하드셀 카약과 인플레터블 카약의 장점을 유지 하면서 하드셀 카약의 단점인 무게와 휴대성, 높은 비용을 보완하고 인플레터블 카약의 단점인 선형 설계, 직진성, 선회성, 내 구성 등을 보완할 수 있는 초고압 공간지를 이용한 포터블 인플레터블 카약을 개발 및 제작하고 성능실험을 실시하였다.
제안 방법
Hobie KONA kayak과 Developed kayak에 대한 선회반경을 시험하였다. 우선 Developed kayak과 Hobie KONA kayak의 무게를 동일하게 맞추었고 성인남자 한명이 탔을 때를 기준으로 하여 선회시험을 수행하였다.
Hobie KONA kayak과 Developed kayak의 저항성능 검증을 위한 회류수조 모형시험을 하였다. 중소조선연구원 회류수조에서 실험을 실시하였으며 ITTC 해석법을 근간으로 한 2차 원법을 적용하였다.
Hobie KONA kayak과 Developed kayak이 동일 배수량 (116kg)일 때를 기준으로 하여 두 개의 카약에 대한 복원성을 평가하였으며, 116kg에 대해서 Hobie KONA kayak은 흘수가 92mm이며, Developed kayak은 흘수가 89mm이다. 복원성 평 가를 위해 적용된 기준은 배수량 116kg에 대해 성인 1인(약 80kg)과 카약 무게 36kg에 해당된다.
기존의 3차원 형상자료 중에 유체역학적인 계산 부분인 선체 하부에 대한 Surface를 설계하였으며, 선수와 선미 부분을 최대한 단순화하여 설계를 하였다. Fig.
3kg으로 횡축으로 30cm 이동하였을 때에 기울어지는 각도를 계측하였다. 또한 Hydrostatics 에서 계산된 부력중심(KB), 메타센터(KM) 및 무게중심(KG) 의 값을 바탕으로 실제 제작되어진 Hobie KONA kayak과 Developed kayak의 최종 횡축의 무게중심(KG)을 추정하였다.
그 결과 초고압 공간지를 활용하여 튜브형식의 포터블 카약을 만드는데 성공하였으며 기존의 공간지를 사용한 카약에 비해서 초고압 공간지를 사용함으로 인해 높은 내구도를 가진 카약을 제작할 수 있었다. 또한 공간지의 한계인 원하는 형상을 만들기 힘든 점을 초고압 공간지로 해결하여 하드셀에 근접한 성능의 인플레터블 카약을 제작하였다. 기존의 하드셀 카약과 성능 비교결과 두 개의 카약에 대한 동일한 조건하에서 CFD 저항성능 검증결과 목표속도 6knot에 대해 Hobie KONA kayak에 비해 Developed kayak이 12.
완성된 시제품은 두께가 150mm인 공간지를 사용하였으며 선수 Keel의 원단을 뾰족한 모양으로 구현하였다. 바닥 용골은 공간지 원단을 사용하였으며, 공기를 주입할 수 있는 둥근 용골의 구조로 구현하였다. 외형 치수는 승선폭 380mm, 전폭 700mm, 전장 3,800mm, 무게 17kg으로 제작이 되었다.
본 논문에서 개발한 카약의 완성된 시제품에 대한 성능평가는 레저용 하드셀 카약 중 인기제품인 Hobie KONA 카약과 비교하여 이루어졌다.
본 논문에서는 인플레터블 카약의 저항성능 수치해석을 수행하기 위하여 유한체적법에 근거한 범용 프로그램인 Fluent 를 사용하였다. 본 수치해석에서는 3차원 비정상상태 비압축성 점성유동을 고려하였다. 이에 대응하는 지배방정식으로는 다음의 연속방정식과 RANS(Reynolds Averaged NavierStokes)방정식을 사용하여 저항성능 수치해석을 수행하였다.
시제품 제작은 초고압 공간지를 설계된 바닥면 벽면 등 각각의 도면에 따라 재단하여 제작하였다. 각각의 완성된 파트를 접합하여 시제품을 완성하였다.
연직상방향 VCG(vertical center of gravity)는 두 개의 카약을 동일하게 선체의 Baseline에서 200mm 위쪽으로 중심을 적용하였다. Fig.
Hobie KONA kayak과 Developed kayak에 대한 선회반경을 시험하였다. 우선 Developed kayak과 Hobie KONA kayak의 무게를 동일하게 맞추었고 성인남자 한명이 탔을 때를 기준으로 하여 선회시험을 수행하였다.
본 논문에서는 자연기물 등에 의한 파손에 강한 초고압 공간지를 이용한 포터블 인플레이터블 카약을 제작하였다. 제작된 카약은 기존의 하드셀 카약과 인플레터블 카약의 장점을 유지 하면서 하드셀 카약의 단점인 무게와 휴대성, 높은 비용을 보완하고 인플레터블 카약의 단점인 선형 설계, 직진성, 선회성, 내 구성 등을 보완할 수 있는 초고압 공간지를 이용한 포터블 인플레터블 카약을 개발 및 제작하고 성능실험을 실시하였다.
초고압 공간지를 이용한 포터블 인플레터블 카약을 제작하기 위하여 3차원 Surface 설계를 통하여 선형을 설계하였으며, 설계한 포터블 인플레터블 카약에 대하여 저항성능 수치 해석을 수행하였다. 하드쉘 비교 카약인 Hobie KONA의 성능과 유사한 성능을 보이도록 설계하기 위하여 기존의 둥근 형태의 공간지를 사용하지 않고 초고압 공간지를 사용하였다.
초고압 공간지를 이용한 포터블 인플레터블 카약을 제작하기 위하여 3차원 Surface 설계를 통하여 선형을 설계하였으며, 설계한 포터블 인플레터블 카약에 대하여 저항성능 수치 해석을 수행하였다. 하드쉘 비교 카약인 Hobie KONA의 성능과 유사한 성능을 보이도록 설계하기 위하여 기존의 둥근 형태의 공간지를 사용하지 않고 초고압 공간지를 사용하였다.
대상 데이터
완성된 시제품은 두께가 150mm인 공간지를 사용하였으며 선수 Keel의 원단을 뾰족한 모양으로 구현하였다. 바닥 용골은 공간지 원단을 사용하였으며, 공기를 주입할 수 있는 둥근 용골의 구조로 구현하였다.
바닥 용골은 공간지 원단을 사용하였으며, 공기를 주입할 수 있는 둥근 용골의 구조로 구현하였다. 외형 치수는 승선폭 380mm, 전폭 700mm, 전장 3,800mm, 무게 17kg으로 제작이 되었다. Table 3에서 하드쉘 카약인 Hobie KONA kayak과 Developed kayak의 제원을 보였다.
이론/모형
또한, 식(2)의 레이놀즈 응력(Reynolds Stress)항인 # Realizable κ-ε 난류모델을 사용하여 해석하였다.
본 논문에서는 인플레터블 카약의 저항성능 수치해석을 수행하기 위하여 유한체적법에 근거한 범용 프로그램인 Fluent 를 사용하였다. 본 수치해석에서는 3차원 비정상상태 비압축성 점성유동을 고려하였다.
또한, 식(2)의 레이놀즈 응력(Reynolds Stress)항인 # Realizable κ-ε 난류모델을 사용하여 해석하였다. 속도 압력 연성은 SIMPLEC 방법을 사용하였으며, 대류항과 확산항은 2차 상류차분법과 2차 중심차분법을 각각 적용하였다(Begon, M, 2006; KFMA, 2004).
수조모형시험은 Froude의 상사법칙에 따른 선속으로 수행하였으며, 해석방법은 ITTC 1978 해석법을 근간으로 한 2차 원법을 적용하였다(Min, 2010; Lee, 1999; Sumner 2001).
본 수치해석에서는 3차원 비정상상태 비압축성 점성유동을 고려하였다. 이에 대응하는 지배방정식으로는 다음의 연속방정식과 RANS(Reynolds Averaged NavierStokes)방정식을 사용하여 저항성능 수치해석을 수행하였다.
Hobie KONA kayak과 Developed kayak의 저항성능 검증을 위한 회류수조 모형시험을 하였다. 중소조선연구원 회류수조에서 실험을 실시하였으며 ITTC 해석법을 근간으로 한 2차 원법을 적용하였다. Fig.
성능/효과
3차원 Surface 선형 설계에서 선수와 선미의 단순화로 인해서 Hydrostatics의 변화는 약간 발생할 수 있으나 제일 부력을 많이 차지하는 부분인 중앙에서부터 선체 길이의 약 8 0～95%까지는 설계도와 정확히 일치하게 Surface를 생산하였으며, 선수와 선미 부분에서의 단순화로 인해 약 1～2% 내외의 결과 값의 오차가 발생할 수 있을 것으로 판단된다.
인플레터블 카약의 6knot 설계속도에서 저항성능 수치해석 결과는 Table 1에 나타내었다. Developed Kayak의 저항성능이 Hobie KONA 카약보다 향상된 것을 확인할 수 있다.
본 논문에서는 국내 실정에 맞도록 휴대성과 경제성을 높인 인플래터블 포터블 카약을 제작하였다. 그 결과 초고압 공간지를 활용하여 튜브형식의 포터블 카약을 만드는데 성공하였으며 기존의 공간지를 사용한 카약에 비해서 초고압 공간지를 사용함으로 인해 높은 내구도를 가진 카약을 제작할 수 있었다. 또한 공간지의 한계인 원하는 형상을 만들기 힘든 점을 초고압 공간지로 해결하여 하드셀에 근접한 성능의 인플레터블 카약을 제작하였다.
또한 공간지의 한계인 원하는 형상을 만들기 힘든 점을 초고압 공간지로 해결하여 하드셀에 근접한 성능의 인플레터블 카약을 제작하였다. 기존의 하드셀 카약과 성능 비교결과 두 개의 카약에 대한 동일한 조건하에서 CFD 저항성능 검증결과 목표속도 6knot에 대해 Hobie KONA kayak에 비해 Developed kayak이 12.33% 저항성능이 우수하였다. 두 카약에 대한 실선의 경사시험결과는 동일배수량일 경우 Hobie KONA kayak 보다 Developed kayak의 무게중심이 선저를 기준으로 22.
모형선은 실측선형을 바탕으로 FRP를 이용하여 Hobie KONA kayak은 축척비 λ = 3.514, Developed kayak은 축척비 λ = 3.543로 축소 후 제작하였으며, 저항계수는 Fig. 14와 같이 Developed kayak이 더 낮게 측정되어 Developed kayak 이 저항성능이 우수한 것으로 나타났다.
복원성 평가결과는 Fig 8에서 보인 것처럼 Hobie KONA kayak이 약간 우수한 것으로 나타났다. 이는 Developed kayak의 접합부분이 둥글게 되어 있어 복원성이 낮고, Hobie KONA kayak은 타원형으로 되어 있어 복원성이 높다.
이는 Hobie KONA kayak 보다 Developed kayak의 무게중심이 낮음으로 복원팔(GZ)에 대한 차이가 일정부분 감소된다. 선체 복원력에서는 하드셀 카약이 더욱 우수한 성능을 보여주었으나 선회력이나 저항계수면에서 Developed kayak이 더 우수한 결과를 보였다.
11에서 보인 것처럼 Developed kayak이 Hobie KONA kayak 보다 양호한 선회반경을 가지고 있음을 알 수 있다. 선회반경 비교에 대한 그래프는 Fig. 12와 같으며, 선회반경이 Hobie KONA kayak보다 Developed kayak이 더 우수함을 보였다.
각각의 완성된 파트를 접합하여 시제품을 완성하였다. 초고압 공간지를 사용함으로써 이상적인 선형을 확보하여 유체역학적으로 설계된 도면에 가장 근접하도록 제작하였고, 10psi 이상의 고압을 견딜 수 있도록 제작하여 안정성 문제도 해결할 수 있다. Table 2는 시제품 제작에 사용된 초고압 공간지의 제원을 보인 것이다.
후속연구
추후 인플레터블의 강도 향상, 휴대성을 극대화한 경량화 및 안전성을 우선으로 성능 향상에 대한 추가적인 연구가 진행되어야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
하드셀 카약은 어떤 우수한 성능을 가지나?
하드셀 카약의 경우 선형을 설계하기가 용이하고 직진성, 복원성, 선회력 등에서 모두 우수한 성능을 가지고 있으나 무게가 무거워 운반이 불편하고, 보관이 불편하며 구매 비용이 많이 든다. 또한 레저용 카약이 가장 보편화된 북미시장의 경우 카약을 운반하기 위한 캐리어 장비나 카약을 보관 및 관리 해주는 시설을 갖추고 있으나 우리나라는 아직 수상레저를 위한 시설이 미진한 단점을 가지고 있다.
인플레터블을 이용한 카약의 장점은?
이러한 이유로 최근 인플레터블을 이용한 카약이 각광받고 있다. 그러나 기존 개발된 인플레터블 카약의 경우 가볍고 휴대성이 좋으며 적은 비용으로 공급 및 관리를 할 수 있다는 장점은 가지고 있으나 공간지의 형태가 원형을 이루기 때문에 선형을 설계하기가 어렵고 복원성은 좋으나 직진성, 선회력 등에서 모두 낮은 성능을 보이고 있다. 또한 인플레터블을 이루는 소재가 날카로운 바위나 돌, 나무 등의 자연기물에 의한 파손이 쉽게 일어날 수 있어 안전성의 문제가 있다.
인플레터블 카약의 안전성 문제가 발생하는 이유는?
그러나 기존 개발된 인플레터블 카약의 경우 가볍고 휴대성이 좋으며 적은 비용으로 공급 및 관리를 할 수 있다는 장점은 가지고 있으나 공간지의 형태가 원형을 이루기 때문에 선형을 설계하기가 어렵고 복원성은 좋으나 직진성, 선회력 등에서 모두 낮은 성능을 보이고 있다. 또한 인플레터블을 이루는 소재가 날카로운 바위나 돌, 나무 등의 자연기물에 의한 파손이 쉽게 일어날 수 있어 안전성의 문제가 있다.
참고문헌 (10)
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