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문제 정의
- 본 논문에서는 운송 바지선의 예인안정성에 관한 인련의 모형시험 및 수치해석 연구를 수행하였다. 예인작업에 관련된 다양한 설계인자에 대해 예인안정성에 미치는 영향을 검토하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 본 연구에서는 바지선의 예인 시 거동특성을 살피고자 일련의 모형시험 및 수치해석 연구를 진행하였다. 모형 시험에서는 유체항력 계측시험과 예인 시험이 수행되었다.
- 601m/s)를 고려하였다. 스케그의 유무에 따른 바지선의 수평면 거동특성 및 예인줄의 장력을 계측하였으며, 예인줄를 바지선 길이의 1배와 2배로 바꾸어가며 예인안정성에 미치는 영향을 검토하고자 하였다.
제안 방법
- 모형의 선수동요 관성 반경은 Fig. 1(c)에서처럼 Bifilar suspension method를 이용하여 5%이내의 오차 범위 내에서 조정하였다.
- 모형시험은 유체 항력계측시험과 예인시험 두 가지로 나누어 진행되었다. 먼저 2축 로드셀을 중앙부에서 선수와 선미방향으로 0.5m 떨어진 위치에 설치하고 바지선을 예인하며 유체항력을 계측하였다. 이 때 0도부터 180도까지 10도 간격으로 선수각을 바꾸어 가며 전후, 좌우 방향의 힘과 선수동요 모멘트를 계측하였다.
- 본 연구에서는 바지선의 예인 시 거동특성을 살피고자 일련의 모형시험 및 수치해석 연구를 진행하였다. 모형 시험에서는 유체항력 계측시험과 예인 시험이 수행되었다. 이 때 스케그의 유무에 따른 예인 안정성 특성과 예인줄의 길이 및 예인속도에 의한 예인 시 거동특성 변화를 중점적으로 검토하였다.
- 모형시험은 유체 항력계측시험과 예인시험 두 가지로 나누어 진행되었다. 먼저 2축 로드셀을 중앙부에서 선수와 선미방향으로 0.
- 5m이다. 본 모형시험을 위해 스케그는 알루미늄을 이용하여 만들었으며, 스케그의 유무에 의한 영향을 검토하기 위하여 탈부착이 가능하도록 제작하였다. 모형의 선수동요 관성 반경은 Fig.
- 이 때 스케그의 유무에 따른 예인 안정성 특성과 예인줄의 길이 및 예인속도에 의한 예인 시 거동특성 변화를 중점적으로 검토하였다. 비교를 위해 Cross-flow 모델 기반의 수치해석 결과를 같이 제시하였으며, 수평면 거동과 예인줄에 걸리는 장력에 대해 비교를 수행하였다. 일련의 모형시험 및 수치해석 연구를 통해 바지선의 예인안정성에 미치는 여러 인자들의 영향에 대해 고찰을 수행하였다.
- 3에 도시하였다. 스케그에 의한 영향을 검토하기 위하여 스케그의 유무에 의한 항력계수를 같이 제시하였다. Fig.
- 이 때 예인줄은 바지선의 앞 쪽 끝단에 매달았으며, 초기 변위를 주기 위하여 발사대를 정중앙보다 바지선의 폭만큼 벗어난 위치에 설치 하였다. 예인시험 중에는 바지선의 6자유도 운동과 예인줄의 장력을 계측하였으며, 예인속도는 두 가지 (2.572m/s, 3.601m/s)를 고려하였다. 스케그의 유무에 따른 바지선의 수평면 거동특성 및 예인줄의 장력을 계측하였으며, 예인줄를 바지선 길이의 1배와 2배로 바꾸어가며 예인안정성에 미치는 영향을 검토하고자 하였다.
- 예인시험에서는 Fig. 2(b)에서처럼 정수 중 예인줄에 연결된 바지선을 CPMC(Computerized planar motion carriage)를 이용하여 일정한 속도로 예인하는 시험을 진행하였다. 이 때 예인줄은 바지선의 앞 쪽 끝단에 매달았으며, 초기 변위를 주기 위하여 발사대를 정중앙보다 바지선의 폭만큼 벗어난 위치에 설치 하였다.
- 5m 떨어진 위치에 설치하고 바지선을 예인하며 유체항력을 계측하였다. 이 때 0도부터 180도까지 10도 간격으로 선수각을 바꾸어 가며 전후, 좌우 방향의 힘과 선수동요 모멘트를 계측하였다. 예인 속도는 1.
- 모형 시험에서는 유체항력 계측시험과 예인 시험이 수행되었다. 이 때 스케그의 유무에 따른 예인 안정성 특성과 예인줄의 길이 및 예인속도에 의한 예인 시 거동특성 변화를 중점적으로 검토하였다. 비교를 위해 Cross-flow 모델 기반의 수치해석 결과를 같이 제시하였으며, 수평면 거동과 예인줄에 걸리는 장력에 대해 비교를 수행하였다.
- 비교를 위해 Cross-flow 모델 기반의 수치해석 결과를 같이 제시하였으며, 수평면 거동과 예인줄에 걸리는 장력에 대해 비교를 수행하였다. 일련의 모형시험 및 수치해석 연구를 통해 바지선의 예인안정성에 미치는 여러 인자들의 영향에 대해 고찰을 수행하였다.
- 정수 중 예인 바지선의 거동 특성을 파악하고자 선박해양플랜트연구소(KRISO) 해양공학수조(Ocean engineering basin)에서 모형시험을 수행하였다. 실험모델은 현대중공업이 운용하고 있는 Maritime swift barge를 고려하였으며 (Fig.
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4.1 항력계수
항력계측시험을 통해 바지선에 작용하는 전후방향, 좌우방향 힘과 선수동요 모멘트를 계측하였다. 계측된 유체항력을 Fig.
대상 데이터
- 정수 중 예인 바지선의 거동 특성을 파악하고자 선박해양플랜트연구소(KRISO) 해양공학수조(Ocean engineering basin)에서 모형시험을 수행하였다. 실험모델은 현대중공업이 운용하고 있는 Maritime swift barge를 고려하였으며 (Fig. 1), 축척비 1:50의 목재 모형을 제작하여 시험에 사용하였다. 실선과 모형선의 주요제원은 Table 1에 정리하였다.
성능/효과
- (1) 스케그를 부착함에 따라 바지선의 수평면 거동은 급격하게 줄어들어 안정을 찾아가는 경향을 보였으며, 예인줄 및 예인 속도에 관계없이 예인안정성이 향상되었다. 또한 수평면 거동의 감소로 인하여 예인줄에 걸리는 장력도 급격히 감소하였다.
- (2) 예인줄이 길어질수록 부선의 Slewing 운동 주기가 늘어나게 되며, 이로 인해 바지선의 좌우운동 진폭이 증가하는 경향을 보인다. 또한 예인속도가 증가하게 되면 Slewing distance가 길어지며, 또한 바지선의 좌우운동 진폭이 증가하는 경향을 보인다.
- (3) Cross-flow 모델 기반의 수치해석 기법을 이용할 경우 본 바지선에 대한 예인안정성 특성을 잘 모사할 수 있었다. 다만, 항력계수에 대한 보간법에 따라 수치 시뮬레이션 결과가 달라질 수 있기 때문에 이에 대한 신중한 선택이 요구되어 진다.
- Fig. 3(b)를 보면 스케그가 있을 경우 바지선에 작용하는 좌우방향 측면력(Fy)은 스케그가 없는 경우보다 20%~40%가량 증가하였음을 확인할 수 있다. 이러한 측면력의 증가는 선수동요가 발생했을 때 반작용 모멘트를 발생시키기 때문에 예인 안정성을 향상시키게 된다.
- 7은 항력계수에 대한 보간법에 따라 수치해석 결과를 비교하여 제시하고 있다. Sine 보간법으로 근사했을 경우에는 모형시험 결과와 많은 차이를 보이는 반면, Piecewise-Linear 보간법을 이용한 경우 모형시험과 일치도 높은 결과를 얻을 수 있었다. 이는 앞서의 안정성 파라미터에서 고찰한 바와 유사하게 보간법에 따라 예인안정성 수치 시뮬레이션 결과가 달라질 수 있음을 의미한다.
- 8은 두 가지 예인줄 길이와 예인속도 조건에 대한 바지선의 수평면 운동 결과를 제시하고 있다. 동일한 예인속도 조건에서 예인줄이 길어질수록 부선의 Slewing 운동 주기가 늘어나게 되며, 이로 인해 좌우운동 진폭이 증가하는 경향을 보임을 확인할 수 있다. 이러한 경향은 Fig.
- 11의 수치계산결과에서도 분명히 관찰된다. 수치계산에서는 바지선길이의 1배부터 3.5배까지 예인 줄을 증가시켰을 때, 예인속도나 스케그의 유무와 상관없이 예인줄 장력이 점차 감소하는 경향이 나타났다. 스케그가 있을 경우 바지선 길이의 약 2.
- 보간법에 상관없이 스케그를 부착함에 따라 예인안정성이 향상되었음을 안정성 인자를 통해 확인할 수 있다. 하지만, Sine함수를 이용해 보간했을 때 안정성 인자 값이 Piecewise-Linear 보간법을 이용했을 때보다 다소 크게 산출되었다. 특히 스케그가 있는 경우에는 약 3배가량이 커지게 됨을 볼 수 있다.
후속연구
- 후자의 경우 부선에 대한 운동 모델이 확립이 되면 다양한 환경 조건에 대해 용이하게 예인 안정성을 평가할 수 있는 장점이 있지만, 운동 모델에 필요한 유체력 미정계수 또는 항력 계수들을 정확히 산정할 필요가 있다. 이를 위해서 추가적인 실험 또는 CFD(Computational fluid dynamics) 계산이 보완적으로 수행되어야 한다.
- 즉, 모형시험 결과를 실선으로 확장 적용할 때 주의를 요하게 된다. 후자의 경우 부선에 대한 운동 모델이 확립이 되면 다양한 환경 조건에 대해 용이하게 예인 안정성을 평가할 수 있는 장점이 있지만, 운동 모델에 필요한 유체력 미정계수 또는 항력 계수들을 정확히 산정할 필요가 있다. 이를 위해서 추가적인 실험 또는 CFD(Computational fluid dynamics) 계산이 보완적으로 수행되어야 한다.
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