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문제 정의
- , 2010)을 수행하여 확인하였다. 기존 여객선형과 거위목 벌브 적용 선형의 저항성능 변화 결과들을 비교․분석하여, 중형 여객선의 저항성능이 향상될 수 있는 선수선형설계에 관한 기초적 자료를 마련하고자 한다.
- 본 연구에서는 현재 국내를 기점으로 단거리 국제 항로를 운항하고 있는 여객선을 대상으로 거위목 벌브를 적용하고 저항성능의 변화를 파악한다. 거위목 벌브를 적용하여 저항성능이 개선된 선수 선형을 개발하기 위한 공개된 참고자료가 매우 부족하여, Heiman (2005)과 Yu, et al.
가설 설정
- 수치시뮬레이션의 결과로 얻어진 압력저항계수(CP)와 ITTC 1957 Line을 통한 마찰저항계수(CF)로 기준선형의 유효마력을 추정하였다. 기준선형에 탑재되어있는 주기관으로부터 추진효율(0.65)과 Sea margin(10%)을 가정하여 유효마력을 산출하였다. 수치시뮬레이션, 모형시험 그리고 주기관으로부터 역산출한 유효마력 결과가 서로 근접한 결과를 보이고 있으며, 설계속력에서 기준선형이 받는 전체 저항 중에서 조파저항의 비율이 약 40%정도 차지하는 것으로 파악된다.
제안 방법
- GB는 거위목 벌브 형상(gooseneck bulbous bow type)를 의미하여, 벌브 폭이 변화된 선형의 명명법과 유사하게 벌브 폭 비에 대한 정보를 기호와 숫자로 첨부하였다. 각 설계선형들은 벌브 체적의 변화량만큼 선수부의 체적을 변화시켜, 선박 전체의 배수용적의 변화를 최소화하였다. 설계선형들의 형상을 Fig.
- 본 연구에서는 현재 국내를 기점으로 단거리 국제 항로를 운항하고 있는 여객선을 대상으로 거위목 벌브를 적용하고 저항성능의 변화를 파악한다. 거위목 벌브를 적용하여 저항성능이 개선된 선수 선형을 개발하기 위한 공개된 참고자료가 매우 부족하여, Heiman (2005)과 Yu, et al. (2010)이 연구한 거위목 벌브 형상을 본 연구의 대상 여객선에 적용하여 저항성능을 파악한 후, 여객선의 주 선체와 거위목 벌브의 상호작용 효과가 효율적으로 나타날 수 있도록 거위목 벌브의 국부적인 형상을 개선하였다 (Yu, et al., 2013). 저항성능은 수정된 밀도함수법(modified marker-density method)을 이용하여 작성된 전산프로그램으로 선체 주위 유동에 대한 수치시뮬레이션 (Lee, 2008; Jeong, et al.
- 기준선형과 벌브 폭이 변화된 선형들의 9 station 이후 형상이 동일하므로, 격자의 수와 계산에 소요되는 시간을 줄이기 위하여 계산 영역에서 선체 후류 부분을 제외하여, 약 1,800,000개의 격자를 사용하여 계산하였다. 선수부 조파저항계수만 고려한 Tahara, et al.
- 333)에서 계산을 수행하였다. 모형시험은 축적비 1/75의 크기로 제작된 모형선을 사용하여 인하대학교 선형시험수조에서 수행하였다.
- 벌브의 최대 폭을 크게 변화시키지 않고 저항성능을 향상시키기 위하여, 유럽을 중심으로 운항하는 크루즈선, 페리선 등과 같은 선박의 구상선수로 주로 적용되고 있는 거위목 벌브를 기준선형에 적용하였다.
- 선미부의 저항성능은 기 수행된 기준선형에 대한 수치시뮬레이션의 선미부 계산 결과를 활용하였다. 선체 중앙 이후 부분부터 선미끝단까지 단면형상을 동일한 형상으로 처리하여 x방향 힘의 성분이 걸리지 않게 하였다. 그 외 다른 계산 조건은 기준선형의 저항성능을 파악하기 위하여 수행한 계산의 조건과 동일하다.
- 수치시뮬레이션과 모형시험을 수행하여 기준선형의 저항성능을 파악하였다. 수치시뮬레이션은 수정된 밀도함수법을 이용한 직사격형 격자계에서 약 3,600,000개의 격자를 사용하여 계산하였다.
- 설계속력에서 추정한 기준선형의 유효마력(effective horsepower; EHP) 결과를 Table 2에 나타내었다. 수치시뮬레이션의 결과로 얻어진 압력저항계수(CP)와 ITTC 1957 Line을 통한 마찰저항계수(CF)로 기준선형의 유효마력을 추정하였다. 기준선형에 탑재되어있는 주기관으로부터 추진효율(0.
- 앞선 수치시뮬레이션과 동일한 계산조건을 가지고, 벌브의 단면형상이 보정된 거위목 벌브 선형들의 선체 전반부에 대한 수치 시뮬레이션을 수행하였다. Fig.
- (2010)에서 연구되어진 유럽 페리선형이 기준선형과 선속 및 선형의 차이가 충분히 반영되지 못하고, 주 선체의 길이, 폭, 흘수 차이만 보정된 거위목 벌브를 기준선형에 적용하여 나타난 결과로 사료된다. 이에 따라 기준선형에 적합한 거위목 벌브를 도출하기 위하여 앞서 설계된 선형의 거위목 벌브 형상을 보정하였다. 파도의 상쇄효과를 극대화하기 위하여 체적을 수선면 근처로 분포시키는 거위목 벌브의 특성을 고려하여, 앞서 설계된 거위목 벌브 선형들의 벌브 단면형상을 O타입에서 ∇타입으로 보정하였다.
- 따라서 벌브의 폭 변화가 크지 않은 상태에서 저항성능의 효과가 극대화 될 수 있는 벌브의 설계가 필요하다. 이에 따라 기준선형을 대상으로 벌브 폭을 변화시켜 저항성능의 변화를 파악하였다.
- 저항성능 개선 효과가 가장 큰 KF(GB-B12M)을 기준으로 벌브의 높이방향 중심위치와 길이를 변화시켜 저항성능의 변화를 파악하였다. 높이방향 중심위치를 변화시켜 설계한 선형들은 높이방향 중심위치 비(CBT=높이방향 중심위치/흘수)에 대한 정보를 가지고 명명하였고, 벌브 길이를 변화시켜 설계한 선형들은 높이 방향 중심위치 변화시켜 설계한 선형들과 구분될 수 있도록 벌브 길이비(CBL=벌브 최대길이/LBP)에 대한 정보를 이용하여 명명하였다.
- 파도의 상쇄효과를 극대화하기 위하여 체적을 수선면 근처로 분포시키는 거위목 벌브의 특성을 고려하여, 앞서 설계된 거위목 벌브 선형들의 벌브 단면형상을 O타입에서 ∇타입으로 보정하였다.
대상 데이터
- 국내 항구를 기점으로 운항 중인 여객선을 대상으로 본 연구를 진행하기 위하여, 단거리 국제항로를 정기적으로 운항하며 운송 서비스를 제공하는 국내 여객선사의 여객선들에 관한 자료를 수집하였다. 그 중 주요요목 및 운항속력이 국내를 기점으로 운항하는 여객선들의 평균값에 속하는 여객선(선명 : oriental pearl VI)을 본 연구의 기준선형(KF(original))으로 선정하였다.
- 기준선형은 인천(대한민국)과 단동(중국)을 정기적으로 운항하는 페리선이며, 기준선형에 관한 자료는 단동국제항운 유한공사(Dandong int' ferry Co.,Ltd)로부터 제공받았다.
- 수치시뮬레이션과 모형시험을 수행하여 기준선형의 저항성능을 파악하였다. 수치시뮬레이션은 수정된 밀도함수법을 이용한 직사격형 격자계에서 약 3,600,000개의 격자를 사용하여 계산하였다. 기본 좌표계는 FP를 원점으로 선체 길이방향을 x축, 선체 중심면으로부터 폭 방향을 y축, 수선면을 기준으로 연직 상방향을 z축으로 사용하였다.
이론/모형
- 거위목 벌브 형상은 Heiman (2005)과 Yu, et al. (2010)이 연구한 결과를 참고하여 설계하였다. Yu, et al.
- 국내 항구를 기점으로 운항 중인 여객선을 대상으로 본 연구를 진행하기 위하여, 단거리 국제항로를 정기적으로 운항하며 운송 서비스를 제공하는 국내 여객선사의 여객선들에 관한 자료를 수집하였다. 그 중 주요요목 및 운항속력이 국내를 기점으로 운항하는 여객선들의 평균값에 속하는 여객선(선명 : oriental pearl VI)을 본 연구의 기준선형(KF(original))으로 선정하였다. 기준선형은 인천(대한민국)과 단동(중국)을 정기적으로 운항하는 페리선이며, 기준선형에 관한 자료는 단동국제항운 유한공사(Dandong int' ferry Co.
- (2003)의 연구에서와 같이, 벌브와 선수 일부분만을 제외하고 기준선형과 벌브 폭이 변화된 선형들의 주 선체 형상이 거의 동일하므로 선미 부분의 압력저항 변화가 거의 없을 것으로 판단된다. 선미부의 저항성능은 기 수행된 기준선형에 대한 수치시뮬레이션의 선미부 계산 결과를 활용하였다. 선체 중앙 이후 부분부터 선미끝단까지 단면형상을 동일한 형상으로 처리하여 x방향 힘의 성분이 걸리지 않게 하였다.
- , 2013). 저항성능은 수정된 밀도함수법(modified marker-density method)을 이용하여 작성된 전산프로그램으로 선체 주위 유동에 대한 수치시뮬레이션 (Lee, 2008; Jeong, et al., 2010)을 수행하여 확인하였다. 기존 여객선형과 거위목 벌브 적용 선형의 저항성능 변화 결과들을 비교․분석하여, 중형 여객선의 저항성능이 향상될 수 있는 선수선형설계에 관한 기초적 자료를 마련하고자 한다.
성능/효과
- 거위목 벌브 최대 폭 및 단면형상에 따른 저항성능의 개선효과가 가장 큰 선형을 기준으로, 벌브를 정지 시의 수선면 위로 좀더 올릴 경우에는 압력저항이 증가하였고, 벌브의 높이를 낮추면 벌브에 의한 선수파의 상쇄효과가 줄어드는 경향을 보였다. 거위목 벌브 선형들이 기준선형에 비하여 압력저항이 감소하였지만, 높이방향 중심위치 변화와 저항성능은 뚜렷한 상관관계를 보이고 있지 않다.
- 높이방향 중심위치 변화와 저항성능은 뚜렷한 상관관계를 보이지는 않는다. 거위목 벌브의 높이방향 중심위치 변화에 따른 저항성능을 비교하여 보면, KF(GB-B12M)보다 벌브의 높이 위치가 낮은 KF(GB-B12MH68) 은 주선체에 걸리는 양압력의 분포가 증가하고 있어, 벌브에 의한 선수파의 상쇄효과가 감소하는 것으로 사료된다. 벌브의 높이 위치가 높은 경우에는 주선체에 걸리는 양압력의 분포는 감소하였지만, FP부근에서 양압력는 증가하였다.
- 거위목 벌브의 폭을 변화시켜 몇 가지 선형을 설계하여 저항성 능을 파악한 결과, 벌브의 최대 폭이 클수록 수면 높이의 감소로 주 선체가 받는 저항과 발산파가 감소하지만, 벌브 부분에서의 압력저항이 증가하는 경향이 나타났다. 파도의 상쇄효과를 극대화하기 위하여 체적을 수선면 근처로 분포시키는 거위목 벌브의 특성을 고려하여, 거위목 벌브의 단면형상을 O타입에서 ∇타입으로 보정하면, 일부 선형에서 거위목 벌브 적용을 통한 저항성능 개선 효과와 더불어 단면형상 보정에 따른 국부적인 벌브 폭 변화 등의 효과가 압력저항 감소에 크게 작용하는 결과가 나타났다.
- 국내를 기점으로 단거리 국제항로를 운항하는 중형여객선을 대상으로 벌브 형상에 따른 수치시뮬레이션을 수행하였고, 기존 여객선에 적용되어 있는 일반벌브 형상보다 거위목 벌브 형상이 기준선형의 저항성능 개선에 좀 더 유리한 결과를 보이고 있다.
- 기준선형과 벌브 폭을 변화시킨 선형들의 압력저항(pressure resistance)을 비교하여 보면, 기준선형 보다 벌브 폭이 큰 경우 압력저항이 증가하였고, 벌브 폭이 줄어든 경우 압력저항이 감소하는 경향을 보였다. 하지만 폭이 가장 작은 KF(NB-B10)의 압력 저항 감소율은 약 2% 정도로 저항성능의 개선 정도는 미비하다.
- 그 외 다른 계산 조건은 기준선형의 저항성능을 파악하기 위하여 수행한 계산의 조건과 동일하다. 기준선형에 대해서 선체 후류 부분을 포함하여 전선체를 계산한 경우(gird 1)와 선수부의 압력저항만을 계산한 경우(grid 2)의 station별 압력저항을 Fig. 1에 표시한 바와 같이 두 경우의 계산 결과에 큰 차이가 없음을 확인하였다.
- 기본 좌표계는 FP를 원점으로 선체 길이방향을 x축, 선체 중심면으로부터 폭 방향을 y축, 수선면을 기준으로 연직 상방향을 z축으로 사용하였다. 선체주위 격자의 크기를 작게 하고, 벌브 근처의 X 방향 격자수와 자유수면 근처와 선체의 곡률이 큰 위치에 Z 방향 격자의 수를 집중시켜 계산의 정도를 높였다. 선박의 항주자세가 고려되지 않은 만재 even keel 상태와 설계속력(Fn=0.
- 65)과 Sea margin(10%)을 가정하여 유효마력을 산출하였다. 수치시뮬레이션, 모형시험 그리고 주기관으로부터 역산출한 유효마력 결과가 서로 근접한 결과를 보이고 있으며, 설계속력에서 기준선형이 받는 전체 저항 중에서 조파저항의 비율이 약 40%정도 차지하는 것으로 파악된다.
- 파도의 상쇄효과를 극대화하기 위하여 체적을 수선면 근처로 분포시키는 거위목 벌브의 특성을 고려하여, 거위목 벌브의 단면형상을 O타입에서 ∇타입으로 보정하면, 일부 선형에서 거위목 벌브 적용을 통한 저항성능 개선 효과와 더불어 단면형상 보정에 따른 국부적인 벌브 폭 변화 등의 효과가 압력저항 감소에 크게 작용하는 결과가 나타났다. 이와 같은 거위목 벌브의 폭과 단면형상에 따라 기준선형에 비하여 압력저항이 최대 약 11%(전 저항 약 4.5%) 정도 감소하였다.
- 파도의 상쇄효과를 극대화하기 위하여 체적을 수선면 근처로 분포시키는 거위목 벌브의 특성을 고려하여, 거위목 벌브의 단면형상을 O타입에서 ∇타입으로 보정하면, 일부 선형에서 거위목 벌브 적용을 통한 저항성능 개선 효과와 더불어 단면형상 보정에 따른 국부적인 벌브 폭 변화 등의 효과가 압력저항 감소에 크게 작용하는 결과가 나타났다.
후속연구
- 거위목 벌브 선형들이 기준선형에 비하여 압력저항이 감소하였지만, 높이방향 중심위치 변화와 저항성능은 뚜렷한 상관관계를 보이고 있지 않다. 실제 거위목 벌브 적용하는데 있어, 벌브의 높이방향 중심위치의 최적점을 탐색하기위한 추가적인 연구가 필요하겠다.
- 추후 여객선에 거위목 벌브를 효율적으로 적용할 수 있는 참고자료를 마련하고자 한다. 이를 위하여 저항성능에 영향을 미치는 거위목 벌브의 선형요소를 추가적으로 파악하고, 거위목 벌브의 선형요소와 저항성능에 대한 회귀방정식의 도출 및 최적 요소 산출을 위한 추가 연구를 진행할 예정이다.
- 추후 여객선에 거위목 벌브를 효율적으로 적용할 수 있는 참고자료를 마련하고자 한다. 이를 위하여 저항성능에 영향을 미치는 거위목 벌브의 선형요소를 추가적으로 파악하고, 거위목 벌브의 선형요소와 저항성능에 대한 회귀방정식의 도출 및 최적 요소 산출을 위한 추가 연구를 진행할 예정이다.
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