[논문]KCS선형의 천수영역에서의 자세 변화에 대한 실험적 연구

윤근항; 박병재; 여동진

doi:10.3744/snak.2014.51.1.34

KCS선형의 천수영역에서의 자세 변화에 대한 실험적 연구
Experimental Study of Ship Squat for KCS in Shallow Water 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.51 no.1, 2014년, pp.34 - 41

윤근항 (한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소) , 박병재 (한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소) , 여동진 (한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

When a ship sails in shallow water, it is well known that an additional sinkage and trim of the ship(squat) is caused by change of hydrodynamic force between the seabed and the bottom of a ship. In this paper, to examine this phenomenon by model tests, the squat of KCS model ship at a low speed is measured by the vision based ship motion measurement system during HPMM tests. Various combinations of a ship speed, a rudder angle and a drift angle were tested at three depth conditions(H/T = 1.2, 1.5 & 2.0). As a result, increase of the ship's speed and ship's drift angle caused an increase in ship squat, but the ship's rudder angle did not. The rate of increase in ship squat was the most at H/T = 1.2 condition. Lastly these experimental results are compared to the results by three empirical formulas and two CFD methods. The tendency of ship squat measured by experiment is similar to those of empirical formulas.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 KCS선박의 항만내 운항 상태(속도, 프로펠러 RPS, 타각, 사항각)변화에 따른 스쿼트 현상을 추정하기 위하여, 한국해양과학기술원에 설치된 천수영역시설을 사용하여 KCS선형의 천수영역에서의 자세변화를 실험을 통하여 관찰하고 분석하였다. 이를 위해 3가지 천수조건을 구성하였고, 모형선의 속도, 사항각 등의 변화에 따른 자세변화를 확인하기 위하여, 수평면 구속모형시험의 정적시험 중 모형선의 자세를 모두 계측하였다.

가설 설정

- 선박의 사항각이 커질수록 선박의 자세변화는 커지며, 천수 조건 H/T가 작을수록 그 영향이 더 크다.

제안 방법

논문에서는 영상기반 선박자세 측정시스템을 활용하여, 저속으로 운항하는 KCS 모형선에 대하여 천수영역에서의 자세변화를 실험을 통하여 분석하였다. 3가지 천수조건(H/T = 1.2, 1.5, 2.0)을 구성하였고, 모형선의 속도, 타각, 사항각에 따른 모형선 자세변화를 확인하였다.
Fig. 7과 같은 천수조건(H/T = 1.2, 1.5, 2.0) 및 심수조건 (H/T > 5.0)에서 모형선의 속도, 프로펠러 RPS, 타각, 사항각 등의 변화에 따른 선박의 자세변화를 분석하였다.
계측된 결과로부터 모형선의 속도, 프로펠러 RPS, 타각, 사항각에 따른 천수영역에서의 모형선 자세변화를 확인하였고, 천수조건에 따른 선박의 자세변화는 추정식 및 선행 CFD관련 연구결과와 비교하여 그 유효성을 검증하였다. 구속모형시험 중 선박의 자세 계측을 위해서는 영상기반 선박자세 측정시스템을 개발하여 측정에 활용하였다.
논문에서는 영상기반 선박자세 측정시스템을 활용하여, 저속으로 운항하는 KCS 모형선에 대하여 천수영역에서의 자세변화를 실험을 통하여 분석하였다. 3가지 천수조건(H/T = 1.
또한 실험 전 영상기반 선박자세 측정시스템의 측정값을 교정하기 위하여, Fig. 3과 같은 교정용 장비를 이용하여 교정 작업을 수행하였다. 교정 장비는 0.
7과 같이 선박의 흘수와 수심으로 정의할 수 있고, 주어진 모형선에 대하여 천수용 구조물의 높낮이를 조절하여 수심을 변경함으로써 그 조건을 변경할 수 있다. 본 실험에서는 H/T를 1.2, 1.5, 2.0의 3가지로 변경하여 실험을 수행하였으며, 구조물이 완전히 내려간 심수영역(H/T = 20.5)에서의 실험도 부가적으로 수행하였다.
본 연구에서는 KCS선박의 항만내 운항 상태(속도, 프로펠러 RPS, 타각, 사항각)변화에 따른 스쿼트 현상을 추정하기 위하여, 한국해양과학기술원에 설치된 천수영역시설을 사용하여 KCS선형의 천수영역에서의 자세변화를 실험을 통하여 관찰하고 분석하였다. 이를 위해 3가지 천수조건을 구성하였고, 모형선의 속도, 사항각 등의 변화에 따른 자세변화를 확인하기 위하여, 수평면 구속모형시험의 정적시험 중 모형선의 자세를 모두 계측하였다. 계측된 결과로부터 모형선의 속도, 프로펠러 RPS, 타각, 사항각에 따른 천수영역에서의 모형선 자세변화를 확인하였고, 천수조건에 따른 선박의 자세변화는 추정식 및 선행 CFD관련 연구결과와 비교하여 그 유효성을 검증하였다.

대상 데이터

또한 Fig. 15, Fig. 16처럼 Jachowski (2008)와 Shin & Choi (2001)의 CFD 해석 연구결과를 비교자료로 활용하였으며, 기술된 CFD 해석 조건은 Table 6과 다음과 같다.
실험에 사용된 모형선은 선형이 공개된 KCS선형이며, 천수영역의 크기를 고려하여 길이가 약 7.3 m인 모형을 사용하였다. 그제원과 모습은 각각 Table 3, Fig.

데이터처리

또한 계측된 모형선의 침하량을 추정식 및 상용 전산유체역학 해석프로그램을 이용한 선행 연구결과와 비교하였다.

성능/효과

- 추정식결과 비교를 통해 계측된 선박의 침하량이 추정식의 경향성에 따르고 있음을 확인하였고, 그 크기에 있어서 추정식이 제안하는 범위 안에 있음을 확인할 수 있었다.
- 프로펠러 RPS 증가는 선박의 자세변화를 커지게 하는 것으로 확인되나, 타각 변화는 선박의 자세에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 보인다.
그래프에서와 같이 H/T가 작아질수록 모형선의 자세변화는 커지는 것을 확인할 수 있다. 값의 크기는 작으나 그 변화량을 비교할 때, 천수조건 H/T = 1.2일 때의 모형선의 자세변화량은 심수조건일 때의 자세변화량 보다 7배 이상 커진 것을 표에서 확인할 수 있다.
이를 위해 3가지 천수조건을 구성하였고, 모형선의 속도, 사항각 등의 변화에 따른 자세변화를 확인하기 위하여, 수평면 구속모형시험의 정적시험 중 모형선의 자세를 모두 계측하였다. 계측된 결과로부터 모형선의 속도, 프로펠러 RPS, 타각, 사항각에 따른 천수영역에서의 모형선 자세변화를 확인하였고, 천수조건에 따른 선박의 자세변화는 추정식 및 선행 CFD관련 연구결과와 비교하여 그 유효성을 검증하였다. 구속모형시험 중 선박의 자세 계측을 위해서는 영상기반 선박자세 측정시스템을 개발하여 측정에 활용하였다.
10의 결과를 식(2)와 같은 수심프루드수를 기준으로 나타낸 그래프이다. 그래프에서 보듯이 F_nH가 커질수록, 즉 모형선의 속도 V가 증가하거나 수심 H가 작아질수록 모형선의 자세변화가 커지는 것을 다시 확인할 수 있다.
83노트)로 변화시켜 계측한 선박의 자세변화 결과이다. 그래프에서 보듯이 모든 천수조건에서 모형선의 속도가 작아질수록 자세변화는 작아지는 것을 확인할 수 있다. 또한 천수조건 H/T가 작을수록 속도변화에 따른 선박의 침하량 기울기가 커지는 경향을 확인할 수 있다.
즉 사항각이 커질수록 모형선의 자세변화는 커지는 것을 확인할 수 있는데, 사항각이 0도일때의 평균 침하량 및 평균 트림각은 사항각이 15도로 변하면서 약 2배 증가한 것을 볼 수 있다. 또한 천수조건 H/T가 작을수록 사항각변화에 따른 선박의 자세변화량 기울기가 커지는 경향을 확인할 수 있다. 즉 천수영역으로 갈수록 사항각에 따른 선박의 자세변화량이 크다고 할 수 있다.
영상기반 선박자세 측정시스템에 사용된 카메라, 계측용 판 등의 구성요소와 그 제원은 Table 1과 같다. 실시간으로 정확한 측정을 하기 위해서 5백만 화소의 흑백카메라, 서버급 컴퓨터를 사용하였으며, 결과적으로 모형선의 자세는 평균 초당 6-7회 계측되었다.
사항각을 -15°에서 15°까지 약 5° 간격으로 변화시키며 모형선의 자세를 계측한 결과, 그래프에서 보듯이 사항각의 변화는 선박의 자세와 밀접한 관련이 있음을 볼 수 있다. 즉 사항각이 커질수록 모형선의 자세변화는 커지는 것을 확인할 수 있는데, 사항각이 0도일때의 평균 침하량 및 평균 트림각은 사항각이 15도로 변하면서 약 2배 증가한 것을 볼 수 있다. 또한 천수조건 H/T가 작을수록 사항각변화에 따른 선박의 자세변화량 기울기가 커지는 경향을 확인할 수 있다.

후속연구

다만 0.6405 m/s와 0.5338 m/s의 속도에서의 트림각 크기는, H/T = 1.2조건의 결과가 H/T = 1.5조건의 결과보다 더 작은 것을 볼 수 있는데, 이는 천수바닥면의 불균일, 모형선의 흔들림 등에 의한 실험상의 오차로 보이며, 해당조건에 대한 반복 실험과 선박의 속도, 종동요 주기, H/T변화에 따른 선체압력 분포의 동적 변화에 대한 CFD 해석 등의 추가적인 연구가 필요하다.
또한 동일 천수영역시설을 이용하여 KVLCC2(kriso very large crudeoil carrier)선형, KLNG(kriso liquified natural gas carrier)선형에 대하여 동일한 실험을 수행하여, 선형의 차이에 따른 선박의 자세변화 차이를 비교 분석할 예정이다.
향후 연구사항으로는 선박의 스쿼트 현상에 미치는 유동의 흐름 특성을 확인하기 위하여 실험 조건과 동일한 환경에서 KCS선형의 CFD해석을 수행할 예정에 있다. 이를 통하여 프로펠러 RPS, 타각, 사항각 변화 등에 의한 유동 흐름의 변화와 선박의 자세변화 관계를 규명하고, 실험결과와 비교할 예정이다.
향후 연구사항으로는 선박의 스쿼트 현상에 미치는 유동의 흐름 특성을 확인하기 위하여 실험 조건과 동일한 환경에서 KCS선형의 CFD해석을 수행할 예정에 있다. 이를 통하여 프로펠러 RPS, 타각, 사항각 변화 등에 의한 유동 흐름의 변화와 선박의 자세변화 관계를 규명하고, 실험결과와 비교할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	천수영역에서 운항되는 선박에서 나타나는 현상은?	최근 선박의 대형화 추세에 따라 선박의 흘수가 증가하고 있고, 이에 따라 깊이가 제한되어 있는 항내 천수영역을 운항하는 선박의 수가 상대적으로 증가하고 있다. 천수영역에서 운항되는 선박은, 선박의 선저와 해저면 사이의 유동의 변화에 따라 선체에 작용하는 동유체력이 변하게 되고 이에 따라 선박의 흘수가 증가하는 이른바 스쿼트 현상이 나타난다. 따라서 연안항로와 같은 천수영역에서 주로 운항되는 선박은 제한된 수심에 의한 선박의 흘수 증가 요소를 선박설계에 고려해야 한다 (Kim, et al.
	깊이가 제한되어 있는 항내 천수영역을 운항하는 선박의 수가 증가하고 있는 이유는?	최근 선박의 대형화 추세에 따라 선박의 흘수가 증가하고 있고, 이에 따라 깊이가 제한되어 있는 항내 천수영역을 운항하는 선박의 수가 상대적으로 증가하고 있다. 천수영역에서 운항되는 선박은, 선박의 선저와 해저면 사이의 유동의 변화에 따라 선체에 작용하는 동유체력이 변하게 되고 이에 따라 선박의 흘수가 증가하는 이른바 스쿼트 현상이 나타난다.
	천수영역에서 운항되는 선박의 설계에서 고려해야할 것은?	천수영역에서 운항되는 선박은, 선박의 선저와 해저면 사이의 유동의 변화에 따라 선체에 작용하는 동유체력이 변하게 되고 이에 따라 선박의 흘수가 증가하는 이른바 스쿼트 현상이 나타난다. 따라서 연안항로와 같은 천수영역에서 주로 운항되는 선박은 제한된 수심에 의한 선박의 흘수 증가 요소를 선박설계에 고려해야 한다 (Kim, et al., 2000).

참고문헌 (11)

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Beaulieu, C. Gharbi, S. Ouarda, T.B.M.J. & Seidou, O., 2009. Statistical Approach to Model the Deep Draft Ships' Squat in the St.Lawrence Waterway. Journal of Waterway, Port, Costal, and Ocean Engineering, 135(3), pp.80-90.

상세보기
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Kim, H.E. Seo, S.H. & Lee, Y.G., 2000. An Experimental Study of the Shallow Water Effect on Series60 Hull Form. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 37(3), pp.21-26.
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원문보기 상세보기
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원문보기 상세보기
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상세보기
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Tim, P., 2010. A Brief History of Mathematical Ship-Squat Prediction, Focussing on the Contributions of E.O. Tuck. Journal of Engineering Mathematics, 70, pp.5-16.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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