선박이 천수 및 수로를 운항하는 경우, 바닥과 측벽의 영향으로 인해 선체침하 및 비대칭적인 힘이 선체 주위에 발생하여 바닥이나 다른 선박 혹은 수로의 벽에 충돌하는 현상이 발생한다. 특히, 수로가 많은 유럽이나 북미를 운항하는 해운회사와 항해사들은 선박의 충돌을 방지하기 위해서 중요한 문제로 다루고 있다. 본 연구에서는 선박의 안전한 항해를 위해 수치해석을 이용하여 선박과 수로의 벽 사이에 발생하는 유체역학적 힘인 횡력(Sway Force)과 선회 모멘트(Yaw Moment)를 정성적으로 추정하고자 하였다. 천수와 측벽효과(Bank Effect)를 해석할 수 있는 프로그램을 개발하여 크기가 다른 원유 운반선 2척에 대하여 선속, 수심 그리고 선박과 측벽 사이 거리의 변화에 따른 다양한 해석을 수행하였다. 계산된 결과는 시험 결과 및 기 발표된 수치해석 결과와 비교하였다.
선박이 천수 및 수로를 운항하는 경우, 바닥과 측벽의 영향으로 인해 선체침하 및 비대칭적인 힘이 선체 주위에 발생하여 바닥이나 다른 선박 혹은 수로의 벽에 충돌하는 현상이 발생한다. 특히, 수로가 많은 유럽이나 북미를 운항하는 해운회사와 항해사들은 선박의 충돌을 방지하기 위해서 중요한 문제로 다루고 있다. 본 연구에서는 선박의 안전한 항해를 위해 수치해석을 이용하여 선박과 수로의 벽 사이에 발생하는 유체역학적 힘인 횡력(Sway Force)과 선회 모멘트(Yaw Moment)를 정성적으로 추정하고자 하였다. 천수와 측벽효과(Bank Effect)를 해석할 수 있는 프로그램을 개발하여 크기가 다른 원유 운반선 2척에 대하여 선속, 수심 그리고 선박과 측벽 사이 거리의 변화에 따른 다양한 해석을 수행하였다. 계산된 결과는 시험 결과 및 기 발표된 수치해석 결과와 비교하였다.
When a ship operates in a shallow water and channel, the hull sinkage and asymmetrical force generated around the ship by the influence of sea bottom and bank walls are caused collision with sea bottom, other ships or the bank itself. Especially, the shipping company and pilots navigating the area o...
When a ship operates in a shallow water and channel, the hull sinkage and asymmetrical force generated around the ship by the influence of sea bottom and bank walls are caused collision with sea bottom, other ships or the bank itself. Especially, the shipping company and pilots navigating the area of Europe and North America with many channels are deal with it as a important matter to prevent collision. In this paper, hydrodynamic force generated between the ship and bank using the numerical analysis for the safe navigation of ship, that is, sway force and yaw moment should be presumed qualitatively. It makes a program for fluid analysis of the shallow water and bank effect. Analyses are carried out for three kind of parameter, that is, ship's speed, water depth and ship-bank distance for crude oil carriers. The numerical analysis results are compared with results of the experiments and the previous published papers.
When a ship operates in a shallow water and channel, the hull sinkage and asymmetrical force generated around the ship by the influence of sea bottom and bank walls are caused collision with sea bottom, other ships or the bank itself. Especially, the shipping company and pilots navigating the area of Europe and North America with many channels are deal with it as a important matter to prevent collision. In this paper, hydrodynamic force generated between the ship and bank using the numerical analysis for the safe navigation of ship, that is, sway force and yaw moment should be presumed qualitatively. It makes a program for fluid analysis of the shallow water and bank effect. Analyses are carried out for three kind of parameter, that is, ship's speed, water depth and ship-bank distance for crude oil carriers. The numerical analysis results are compared with results of the experiments and the previous published papers.
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문제 정의
본 연구에서는 비 점성 유동해석 프로그램을 이용하여 선박이 천수와 제한수로를 운항하는 경우에 대해 수심 및 측벽 영향에 대한 조사를 수행하였다.
가설 설정
유체는 이상유체로서 비점성, 비압축성, 비회전 흐름으로 가정하였으며 표면장력 등의 영향은 무시하였다.
제안 방법
[7]은 h/T와 y/B의 변화에 따라 시험에서는 흡인력과 반발력 모두 발생하는 결과를 얻었지만, 수치 해석 결과에서는 흡인력만 추정하였다. 그러나, 본 연구의 수치해석 결과에서는 h/T와 y/B의 변화에 따라 흡인력과 반발력 모두 추정하였다.
본 연구에서는 아프라막스 급 원유운반선과 VLCC에 대하여 3가지 파라메터인 수심, 선속 그리고 선박과 수로 벽사이의 거리 변화에 따른 횡력(CFy)과 선회 모멘트(CMz)를 계산하였다. 상기 2척의 선박을 선정한 이유는 기 발표된 논문 중 Li et al.
본 연구에서는 천수와 측벽효과를 해석할 수 있는 프로그램을 개발하여 아프라막스 급 원유운반선과 VLCC 두 척에 대하여 수심, 선속 그리고 선박과 수로 벽사이의 거리 변화에 따른 횡력(CFy)과 선회 모멘트(CMz)를 계산하였다. 그 결과 선형, 수심, 선속 그리고 선박과 수로 벽사이의 거리 등의 변화에 따라 흡인력 뿐만 아니라 반발력도 함께 발생하는 현상을 알 수 있었다.
데이터처리
Fig. 10과 Fig. 11은 실적선인 VLCC에 대하여 수치해석을 수행하였는데, 우선 y/B=1.0으로 고정하고 h/T가 1.06과 1.40에 대하여 수치해석을 수행하였다. 두 가지 경우 모두 반발력만 발생함을 보여주었다.
두 가지 경우 모두 반발력만 발생함을 보여주었다. 그리고, 선박과 벽사이의 거리변화에 따른 영향을 알아보기 위해 h/T=1.40으로 고정하고 y/B가 1.0과 0.689에 대하여 수치해석을 수행하였다. 그 결과를 살펴보면, y/B=1.
이론/모형
Miao et al.(2008)은 란킨 소오스(Rankine source)를 이용하였고 선형화된 경계조건을 만족하는 해석법을 사용하였다. 또한, Miao et al.
성능/효과
1) 본 연구에서 사용된 수치해석 방법은 제한수로에서의 수심 및 측벽 영향에 따라 비대칭적으로 작용하는 유체역학적인 힘(Asymmetric hydrodynamic force)을 추정할수 있었다.
2) 비대칭적으로 작용하는 힘은 측벽 영향으로 인해서 선박의 좌현과 우현의 유체흐름 및 압력분포가 달라짐으로 인해 발생하는 것임을 알 수 있었다.
4) 본 연구의 수치해석 결과로는 흡인력과 반발력이 h/T, y/B뿐만 아니라 선박의 주요제원과 특히, 선박의 형상에도 영향을 받는다는 것을 알 수 있었다.
5) 아프라막스 급의 h/T=1.06, y/B=1.0의 경우, 시험과 수치 해석 결과가 정성적으로 잘 일치함을 보여주었다.
6) Fig. 6과 7의 h/T=1.12와 1.2 그리고 Fig. 8과 9의 h/T=1.4에서 흡인력과 반발력이 반대로 나오는 결과는 시험과 계산에 사용된 선형이 크기는 유사하지만, 선형 측면에서 상이한 것이 가장 큰 원인으로 판단된다. 그리고 이 조건의 경우 힘 자체가 흡인력과 반발력의 경계에 있기 때문에 포텐셜 이론을 바탕으로 한 수치해석 상의오차도 한 가지 원인일 수 있다.
7) 아프라막스 급 원유운반선과 VLCC에 대하여 수행한 수치해석 결과를 살펴보면, 흡인력에서 반발력으로 바뀌는 영역은 h/T가 1.40 근처임을 알 수 있었다. 시험 결과와의 차이는 선박의 주요제원, 특히 선박의 형상 등 여러가지 변수들에 영향을 받는다고 판단된다.
본 연구에서는 천수와 측벽효과를 해석할 수 있는 프로그램을 개발하여 아프라막스 급 원유운반선과 VLCC 두 척에 대하여 수심, 선속 그리고 선박과 수로 벽사이의 거리 변화에 따른 횡력(CFy)과 선회 모멘트(CMz)를 계산하였다. 그 결과 선형, 수심, 선속 그리고 선박과 수로 벽사이의 거리 등의 변화에 따라 흡인력 뿐만 아니라 반발력도 함께 발생하는 현상을 알 수 있었다.
(2001)은 세 가지 종류의 선박에 대하여 극도로 얕은 물에서 수로 측벽의 영향과 수로 벽에 근접한 상황에서 수로 측벽의 영향에 대하여 모형시험을 수행하였다. 그 결과, 원유운반선선에 대해서는 h/T가 1.10 근처에서 횡력과 선회 모멘트가 선박과 측벽 간 흡인력에서 반발력(Repulsion force)으로 급격하게 변한다는 결론을 내렸다. 그리고, 이와 같은 상황에서 Bernoulli wave(Li et al.
689에 대하여 수치해석을 수행하였다. 그 결과를 살펴보면, y/B=1.0에서 반발력만 발생하다가 y/B가 약 0.7로 줄어든 경우 흡인력으로 힘의 부호가 바뀔 뿐만 아니라 그 값 자체도 상당히 크게 증가함을 보여 주었다. 본 연구에서 아프라막스급 원유운반선과 VLCC에 대해 수행한 수치해석 결과를 살펴보면, 흡인력에서 반발력으로 바뀌는 영역은 h/T가 1.
(2003)은 Dawson's method(1977)를 기본으로 하여 선체 표면, 수로의 바닥 표면 그리고 수로 벽 표면에 란킨 소오스(Rankine source)를 분포하고, 자유표면은 선형화된 자유표면 조건을 부여하여 수치해석으로 유체역학적 힘을 계산하였다. 그리고 수치해석 계산 결과를 수조 시험과 비교하였는데, 시험에서는 수심과 흘수의 비(이하, h/T)와 선박의 중심선에서 수로 벽까지 거리와 선박 폭의 비(이하, y/B)의 조합에 따라 횡력이 흡인력과 반발력 모두 발생하지만, 계산 결과에서는 흡인력만 발생할 뿐 반발력은 발생하지 않았다. Miao et al.
수치해석 결과를 살펴보면 h/T가 상대적으로 클 경우 즉, 수심이 상대적으로 깊을 때에는 흡인력이 발생하지만, 수심이 얕아짐에 따라 반발력으로 그 힘의 방향이 바뀐다는 것을 확인하였다. 이는 Li et al.
Norrbin(1970, 1974)은 유체역학적 힘은 수로 벽의 존재에 따라 영향을 받는다는 것을 시험을 통해 보여주었다. 시험 결과는 선박이 수로의 벽 쪽으로 끌려가는 힘 즉, 흡인력(Suction force)과 선박의 선수가 수로 벽으로부터 멀어지는 Bow-away moment만 발생한다는 것을 보여 주었으며, 횡력과 선회 모멘트는 선속의 제곱에 비례한다고 결론을 내렸다.
후속연구
9) 향후에는 벽의 기울기와 프로펠러 영향 등을 고려할 수 있도록 수정·보완이 필요하며, 컨테이너선과 같은 고속 선박에 대해서도 추가 연구가 보충되어야 할 것이다.
8) 본 연구의 성과는 시험이 아닌 수치해석 방법으로 선박에 작용하는 비대칭 유동에 대한 유체역학적인 힘을 정성적으로 추정할 수 있다는 것이다. 또한, 선박의 조종성 예측 및 수로 설계 시 정보를 제공을 할 수 있다는 관점에서 그 이용 가치가 있다고 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
측벽효과는 무엇인가?
이와 같이 부두나 수로의 벽에 가깝게 붙어서 운항하는 경우, 선박과 수로의 벽 사이에는 유체역학적으로 상호 작용하는 힘이 발생되는데 이를 측벽효과라고 한다. 이러한 현상은 선박이 서로 근접하여 항해하는 경우에도 나타난다.
선박은 어떤 유동장을 갖는가?
선박은 프로펠러 회전에 의한 선미부 비대칭 흐름을 제외하고는 전반적으로 좌우 대칭인 유동장을 갖는다고 볼 수 있다. 이러한 선박이 물의 깊이와 폭에 제한이 없는 대양을 항해할 때, 선체는 횡 방향의 힘을 거의 받지 않는다.
수로의 바닥과 측벽에서의 속도 성분은?
수로의 바닥(Bottom)에서 속도 성분이 0 이고, 수로의 측벽(Bank)에서 직각방향 속도성분이 0 이다. 수로의 바닥과 측벽의 경계조건은 다음과 같이 표현된다.
참고문헌 (14)
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