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문제 정의
- 본 논문에서는 KVLCC2 모형선의 천수영역에서의 자세 변화를 확인하기 위하여 모형시험과 전산유체역학 해석을 수행하였다. 세 가지 수심조건(H/T = 1.
제안 방법
- - 선박의 사항각이 클수록, 수심조건 H/T가 작을수록 선박의 침하량과 트림각 변화가 커지는 현상을 모형시험을 통해 확인하였다.
- - 선박의 속도가 빠를수록, 수심조건 H/T가 작을수록 선박의 침하량과 트림각 변화가 커지는 현상을 모형시험을 통해 확인하였다.
- - 전산유체역학 해석을 통하여 사항각 및 수심조건 H/T 변화에 따른 선박의 선저면에 작용하는 압력과 유동 특성 변화를 확인하였다.
- KVLCC2 선박의 운항 상태 변화에 따른 스쿼트 현상을 모형시험을 통해 추정하기 위하여, 심수조건 및 세 가지 수심조건에 대하여 모형선의 속도, 사항각, 프로펠러/방향타 작동유무 등에 변화를 주고 모형선 자세 변화를 계측하였다.
- 마지막으로 모형시험과 전산유체역학 해석을 통해 추정한 KVLCC2 선박의 침하량을 추정식 결과와 비교하였다.
- 모형선 알몸선체 주변의 유동 변화를 관찰하기 위하여 0.5734 m/s의 모델 속도에 대하여 1.2, 1.5, 2.0 및 심수의 수심조건과 0°, 4°, 10°의 사항각 조건을 구성하여 계산을 수행하였다.
- 3과 같이 수평면 구속모형시험 장비에 무게중심위치를 고려하여 설치되었고, 수직방향 무게중심이 제원과 동일하도록 무게추를 배치하였다. 모형선의 전후동요, 상하동요, 종동요 운동은 자유로운 상태, 좌우동요, 횡동요, 선수동요 운동은 구속된 상태로 모형시험을 수행하였다.
- 2와 같이 선박의 흘수와 수심의 비로 정의할 수 있고, 천수용 구조물의 높낮이를 조절하여 천수역 수심을 변경함으로써 그 조건을 변경할 수 있다. 본 모형시험에서는 수심조건 H/T를 1.2, 1.5, 2.0의 세 가지로 구성하였으며, 구조물이 완전히 내려간 심수영역(H/T = 13.3)에서의 모형시험도 수행하였다.
- 본 해석에서는 자유수면 조건이 없는 이중 모형 방법을 사용하였기 때문에 흘수선 하부에 대하여 격자를 생성하였으며, 선수 선미의 복잡한 형상을 고려하여 비정렬 격자를 사용하였다.
- (2014)이 수행한 KCS 선형의 실험적 자세 변화 연구에 대한 일련의 연구로, Table 1에서와 같이 대상 선박이 KVLCC2(KRISO Very Large Crudeoil Carrier) 선형으로 교체되었다. 선박해양플랜트연구소가 보유한 동일한 연구시설과 장비를 활용하여 모형시험을 수행하였으며, 다음과 같은 방법에 따라 연구를 진행하였다.
- 본 논문에서는 KVLCC2 모형선의 천수영역에서의 자세 변화를 확인하기 위하여 모형시험과 전산유체역학 해석을 수행하였다. 세 가지 수심조건(H/T = 1.2, 1.5, 2.0)을 구성하였고, 알몸 선체 모형선의 속도, 사항각에 따른 모형선 자세 변화와 그 유동 특성을 확인하였다.
- KVLCC2 모형선의 천수영역에서의 자세 측정은 수평면 구속모형시험 중 이루어졌으며, 해당 시험 조건은 Table 4와 같이 정적시험 조건 중 일부에 해당된다. 속도시험, 사항시험은 전산유체역학 해석 결과와 비교하기 위하여 프로펠러와 방향타를 제거한 알몸선체에 대해 중점적으로 수행되었으며, 프로펠러/방향타의 작동이 선박의 자세에 미치는 영향을 확인하기 위하여 프로펠러와 방향타가 포함된 선체에 대한 모형시험을 추가적으로 수행하였다.
- 이러한 현상은 선저면과 바닥면 사이의 유동이 사항각이 커짐에 따라 더 급격하게 변함에 따라 발생한 것으로 추정할 수 있으며, 이를 확인하기 위하여 전산유체역학 해석을 수행하였다.
- 전산유체역학 해석을 통하여 심수조건 및 세 가지 수심조건에 따른 알몸선체 모형선의 주변 유동 변화를 분석하였고, 선박의 침하량을 추정하여 모형시험에서 얻은 결과와 비교하였다. 전산유체역학 해석은 상용프로그램인 FLUENT를 사용하였고, 대상 선박은 자세 변화를 고려하지 않고 제자리에 고정한 상태에서 압력 변화를 계산하였다.
- 해석 조건은 Table 7과 같이 모형선 속도 변화 및 0.5734m/s의 모형선 속도에 대한 사항각 변화로 구성하였으며, 수심조건은 모형시험과 동일한 1.2, 1.5, 2.0 및 심수조건으로 설정하였다.
대상 데이터
- 모형선은 KVLCC2 선형이며, 천수영역의 길이와 폭을 고려하여 길이가 약 8.1 m인 모형을 사용하였다. 모형선의 제원과 모습은 각각 Table 3, Fig.
데이터처리
- 마지막으로 추정식을 통해 얻은 선박의 침하량과 두 결과를 비교하여 유효성을 검증하였다.
- 전산유체역학 해석을 통하여 심수조건 및 세 가지 수심조건에 따른 알몸선체 모형선의 주변 유동 변화를 분석하였고, 선박의 침하량을 추정하여 모형시험에서 얻은 결과와 비교하였다. 전산유체역학 해석은 상용프로그램인 FLUENT를 사용하였고, 대상 선박은 자세 변화를 고려하지 않고 제자리에 고정한 상태에서 압력 변화를 계산하였다. 또한 저속에서의 운항임을 고려하여 자유수면 효과를 무시한 이중 모형 방법(double-body method)을 사용하여 계산시간을 단축하였다.
이론/모형
- 전산유체역학 해석은 상용프로그램인 FLUENT를 사용하였고, 대상 선박은 자세 변화를 고려하지 않고 제자리에 고정한 상태에서 압력 변화를 계산하였다. 또한 저속에서의 운항임을 고려하여 자유수면 효과를 무시한 이중 모형 방법(double-body method)을 사용하여 계산시간을 단축하였다.
- 본 연구는 Yun, et al. (2014)이 수행한 KCS 선형의 실험적 자세 변화 연구에 대한 일련의 연구로, Table 1에서와 같이 대상 선박이 KVLCC2(KRISO Very Large Crudeoil Carrier) 선형으로 교체되었다. 선박해양플랜트연구소가 보유한 동일한 연구시설과 장비를 활용하여 모형시험을 수행하였으며, 다음과 같은 방법에 따라 연구를 진행하였다.
- 1버전이며, 난류모델은 Realizable k-ε을 사용하였다. 압력과 속력 연성은 수렴이 빠르다는 장점이 있는 Simple C 알고리즘을 사용하여 해석하였고, 해석 변수의 구배는 비정렬 격자에서 상대적으로 정확도가 높은 알고리즘인 Green-gauss node based를 사용하였다. 운동량은 3차원 공간에서 3차 정확도를 가지는 QUICK 방법을 사용하였고, 압력방정식은 압력 보간법 중 가장 기본적인 방법인 Standard를 사용하였다.
- 압력과 속력 연성은 수렴이 빠르다는 장점이 있는 Simple C 알고리즘을 사용하여 해석하였고, 해석 변수의 구배는 비정렬 격자에서 상대적으로 정확도가 높은 알고리즘인 Green-gauss node based를 사용하였다. 운동량은 3차원 공간에서 3차 정확도를 가지는 QUICK 방법을 사용하였고, 압력방정식은 압력 보간법 중 가장 기본적인 방법인 Standard를 사용하였다.
- KVLCC2 선형 선박의 천수영역에서의 자세 결과를 비교하기 위하여 Tuck/Huuska 추정식, Barrass 2 추정식, Eryuzlu et al. 추정식 (Yun, et al., 2014)을 이용하여 선박의 침하량을 계산하였다. 세 가지 추정식은 선박의 기본 제원과 수심, 속도 인자 등에 대하여 침하량을 표현한 것으로, 특정 선형에 적합한 추정치를 바로 획득하기 어려운 한계점이 있으나, 실험 및 해석에서 획득한 침하량의 크기를 비교하거나 초기값을 추정하는 용도로 충분히 활용될 수 있다.
- 해석에 사용한 FLUENT는 12.1버전이며, 난류모델은 Realizable k-ε을 사용하였다.
성능/효과
- - 모형시험에서 계측된 선박의 침하량과 전산유체역학 해석을 통해 추정한 선박의 침하량은 추정식의 침하량과 동일한 경향성을 보이고 있음을 확인하였고, 그 크기에 있어서 후자가 전자에 비해 조금 더 큰 결과를 주는 것을 확인하였다.
- - 수심조건 H/T 변화에 따른 선박의 선저면에 작용하는 압력과 유동특성 변화를 전산유체역학 해석을 통하여 확인하였고, 이를 통해 수심조건 H/T가 작을수록 상하동요 Z방향의 힘이 커지고, 그에 따라 선박의 침하량이 커지는 것을 확인하였다.
- 세 조건 모두에서 모형선의 속도가 증가할수록 자세 변화량이 비선형적으로 커지는 것을 확인할 수 있으며, 수심조건 H/T가 작을수록 그 기울기가 커지는 경향을 확인할 수 있다. H/T = 1.2 조건에서 0.8601m/s 속도일 때의 모형선의 자세 변화량은 0.2867 m/s 속도일 때의 자세 변화량 보다 침하량은 약 7.7배, 트림각은 약 7.4배 커진 것을 확인할 수 있다.
- 14에 수심조건에 따라 각각 나타내었다. 그래프에서 보듯이 모형시험에서 계측한 선박의 침하량과 전산유체역학 해석을 통한 선박의 추정 침하량은 추정식의 경향과 동일하게 속도가 빠를수록, 수심조건이 작을수록 그 값이 커지는 것을 확인할 수 있다.
- 그래프에서 보듯이 사항각이 커질수록 모형선의 자세 변화는 커지고, 수심조건 H/T가 작을수록 사항각 변화에 따른 선박의 자세 변화량 기울기가 커지는 것을 확인할 수 있다. Table 11과 같이 H/T = 1.
- 수심조건 H/T가 작아질수록 선체 표면의 압력이 낮아지는 것을 볼 수 있으며, 배 길이 방향의 1/4, 3/4지점 주변의 굴곡면과 평행면을 경계로 압력이 크게 낮아짐을 확인할 수 있다. 또한 수심이 낮을수록 선저면으로 이동하는 유동이 좁아진 바닥면의 유동장을 통과하지 못하고 선체 옆을 따라 움직이는 현상도 확인할 수 있다. 특히 Fig.
- , 2014)을 이용하여 선박의 침하량을 계산하였다. 세 가지 추정식은 선박의 기본 제원과 수심, 속도 인자 등에 대하여 침하량을 표현한 것으로, 특정 선형에 적합한 추정치를 바로 획득하기 어려운 한계점이 있으나, 실험 및 해석에서 획득한 침하량의 크기를 비교하거나 초기값을 추정하는 용도로 충분히 활용될 수 있다.
- 2에서의 자세 변화 수치이다. 세 조건 모두에서 모형선의 속도가 증가할수록 자세 변화량이 비선형적으로 커지는 것을 확인할 수 있으며, 수심조건 H/T가 작을수록 그 기울기가 커지는 경향을 확인할 수 있다. H/T = 1.
- 5734m/s 속도에서의 자세 변화 수치이다. 수심조건 H/T가 작아질수록 모형선의 자세 변화량이 비선형적으로 커지는 것을 확인할 수 있으며, 0.5734m/s의 속도에서 H/T = 1.2일 때의 모형선의 자세 변화량은 심수조건일 때의 자세 변화량 보다 침하량은 약 4.6배, 트림각은 약 10배 커진 것을 확인할 수 있다.
- 수심조건 H/T가 작아질수록 선체 표면의 압력이 낮아지는 것을 볼 수 있으며, 배 길이 방향의 1/4, 3/4지점 주변의 굴곡면과 평행면을 경계로 압력이 크게 낮아짐을 확인할 수 있다. 또한 수심이 낮을수록 선저면으로 이동하는 유동이 좁아진 바닥면의 유동장을 통과하지 못하고 선체 옆을 따라 움직이는 현상도 확인할 수 있다.
- 11은 개략적으로 계산한 모델의 침하량을 모형시험에서 계측한 침하량과 비교한 그래프이다. 전산유체역학 해석 결과에서도 사항각이 커질수록 모형선의 자세 변화는 커지고, 수심조건 H/T가 작을수록 사항각 변화에 따른 선박의 자세 변화량 기울기가 커지는 경향을 확인할 수 있다. 세 가지 수심조건(H/T = 1.
- 즉 천수영역으로 갈수록, 속도가 빠를수록 선박의 자세 변화량이 비선형적으로 커지는 것을 확인할 수 있다.
후속연구
- 프로펠러의 작동에 의해 변화된 선저면와 바닥면 사이의 유동에 따라 발생한 하방 힘과 선수트림발생 모멘트가 모형선의 자세 변화를 더욱 크게 만든 것으로 추정할 수 있다. 프로펠러 작동에 의한 선체주위의 유동 변화는 전산유체역학 해석을 통한 추가적인 확인이 필요하다.
- 향후 연구사항으로는 천수영역시설을 이용하여 KLNG(KRISO Liquified Natural Gas carrier)선형에 대한 동일한 모형시험을 수행할 예정에 있으며, 기존에 수행한 모형시험 결과를 종합하여 KCS, KVLCC2, KLNG 세 가지 선형의 차이에 따른 선박의 자세 변화 차이를 비교 분석할 예정이다.
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