[논문]CFD를 이용한 유동제어 띠에 의한 저항감소 효과 조사

박동우; 윤현식; 구본국

doi:10.5394/kinpr.2014.38.4.335

초록
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최근 고유가와 환율변동 등 어려운 시장상황 속에서 해운선사는 선박의 대형화와 고속화를 요구하고 있다. 선사들은 선박의 운용유지비 절감을 우선적으로 요구하고 있으며, 이에 조선소에서는 기술경쟁력 유지를 위한 방안으로 속도성능 향상에 중점을 두고 지속적으로 노력 하고 있다. 본 논문에서는 에너지 절약형 선형개발에 중점을 두고 유동제어 띠를 사용한 선박의 저항성능 향상에 관하여 소개한다. 본 연구는 혹등고래(Humpback Whale)의 배 주위에 있는 기다란 줄 무늬 형상을 응용하여 선체표면에 "오목하고 길게 팬 줄 형상 또는 볼록하고 기다란 줄 형상"(이하, 유동제어 띠라고 함)을 단일로 적용하였다. 현재, 제안된 형상은 특허출원이 되어 있다. 이 형상은 선체표면의 압력분포 변화와 압력강하 현상 등을 효과적으로 제어하는 역할을 한다. 실선 적용 시 장점은 블록조립이 완성된 후에 선체표면에 부가물을 부착하는 종래기술과 비교하여 볼 때 블록제작 단계에서 단면형상을 반영할 수 있다는 점에서 비용을 절약할 수 있다고 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Faced with global agenda of greenhouse abatement program including regulations and $CO_2$ emission trading scheme, shipping companies are enforced to a high level of efficiency in fuel consumption. Accordingly shipbuilding companies worldwide are required to develop fuel-efficient ships w...

Faced with global agenda of greenhouse abatement program including regulations and $CO_2$ emission trading scheme, shipping companies are enforced to a high level of efficiency in fuel consumption. Accordingly shipbuilding companies worldwide are required to develop fuel-efficient ships which otherwise traditionally consume a great amount of fossil fuels. In this dissertation, relevant to the improvement of fuel efficiency for commercial ships, design methodology through the numerical simulations are intensively described. This work consists of derivation of effective hydrodynamic design practice based on the application of longitudinal grooves to effectively improve the pressure distribution around ship hull. The primary objective of the present study is to improve ship resistance performance using longitudinal grooves which originate from long strips on the abdomen of humpback whale. Several groove shapes have been extensively investigated and the proposed shape efficiently controlled the variation of pressure distributions acting on the hull surface.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 유동제어 띠를 사용한 선박저항 감소기술을 소개한다. 본 연구는 혹등고래(humpback whale)의 배 주위에 있는 기다란 줄 무늬 형상을 응용하여 선체표면에 “오목하고 길게 팬 줄 형상 또는 볼록하고 기다란 줄 형상”(이하, 유동제어 띠라고 함)을 단일로 적용하였다.

가설 설정

- 마찰저항 감소 부분은 최대한 유지하고, 압력저항 증가 부분은 형상변화 등을 통해 완화할 수 있는 형상 고안이 필요하다.

제안 방법

적용된 줄 무늬를 유동제어 띠라고 하였으며, 이를 활용하여 선박의 저항감소 유무를 확인하였다. KVLCC에 대하여 홈의 형상은 일정하게 유지하고, 네 가지 각도에 따른 유동현상을 파악하였다.
각도변화에 따른 유동해석 조건은 Table 4에 정리하였다. 격자 수는 140만개, Y_P⁺는 30, 벽함수는 Non-equilibrium, 압력-속도 연성 항은 SIMPLE-C 그리고 이산화는 QUICK으로 고정하였다. 난류모델은 저항 값 변화에 대한 신뢰성 있는 비교를 위해 Realizable k–ε과 SST k–ω 두 가지를 사용하였으며 그 결과를 모두 비교 하였다.
본 연구는 혹등고래(humpback whale)의 배 주위에 있는 기다란 줄 무늬 형상을 응용하여 선체표면에 “오목하고 길게 팬 줄 형상 또는 볼록하고 기다란 줄 형상”(이하, 유동제어 띠라고 함)을 단일로 적용하였다.
수치해석 결과의 불확실성 해석을 위하여, 23차 ITTC에서 추천하는 방법(Wilson et al., 2001)에 따라 KVLCC 이중모형에 대해 Case1, Case2 및 Case3의 세 가지 격자계를 고려하여 R_N = 4.6 X 10⁶ 인 조건에서 총 저항값들을 비교하였다. 세 가지 격자계는 Table 2에 나타낸 바와 같이, 격자수는 일정한 비율 #로 Case1에서 Case3로 갈수록 증가한다.
따라서 본 연구에서 고려한 세 가지 격자계 및 수치해석 방법은 타당하다고 판단된다. 이에, 계산의 시간 및 효율성을 고려하여 중간격자계인 Case 2를 본 연구의 계산에 도입하였다.
연구주제는 혹등고래의 배 주위에 생성된 여러 줄무늬의 형상으로부터 착안하였다. 적용된 줄 무늬를 유동제어 띠라고 하였으며, 이를 활용하여 선박의 저항감소 유무를 확인하였다. KVLCC에 대하여 홈의 형상은 일정하게 유지하고, 네 가지 각도에 따른 유동현상을 파악하였다.

대상 데이터

대상선박은 KVLCC이며, 형상치수인 L, H, B 그리고 Rr는 동일하게 하였다. 형상에 대한 제원은 Table 3에 나타내었다.
5에 도시되어져 있다. 대상선박은 저속비대선으로 조파 저항이 전 저항에 차지하는 비율이 약 5% 내이며, 형상의 위치 또한 자유수면에 거의 영향을 주지 않는 곳에 적용되어 자유수면을 배제한 이중모형(double model)을 고려하였다.

데이터처리

난류모델은 저항 값 변화에 대한 신뢰성 있는 비교를 위해 Realizable k–ε과 SST k–ω 두 가지를 사용하였으며 그 결과를 모두 비교 하였다.

이론/모형

Wilson et al.(2001)이 제안한 이중모형에서 격자의존성 및 수치해석 방법의 검증법에 본 연구에서 고려한 세 가지 격자계에서 얻은 총 저항값들을 대입하였다. 그 결과 Validation uncertainty(U_V)는 2.
유한체적법에 근거한 범용 프로그램인 Fluent (2008)을 사용하여 위의 지배방정식을 계산하였다. 따라서 Fluent (2008) 가 지원하는 SIMPLE법을 기반으로 대류항과 확산항에는 2차상류차분법과 2차 중심차분법을 각각 적용하였다.
본 연구에서는 3차원 정상상태 비압축성 점성유동을 고려하였으며, 난류모델로는 저항 값 변화에 대한 신뢰성 있는 비교를 위해 Realizable k-ε과 SST k-ω 두 가지를 사용하였다.
유한체적법에 근거한 범용 프로그램인 Fluent (2008)을 사용하여 위의 지배방정식을 계산하였다. 따라서 Fluent (2008) 가 지원하는 SIMPLE법을 기반으로 대류항과 확산항에는 2차상류차분법과 2차 중심차분법을 각각 적용하였다.

성능/효과

- 제안된 형상의 작용원리와 구조는 Zone I과 Zone II에서 밝혀진 대로 저항감소에 효과를 주는 것으로 판단된다. 단지, 형상으로 인해 발생되는 부정적인 부분, 즉 Zone III, IV, V를 저항감소 관점에서 어떻게 최소화하는가가 해결해야 할 과제이다.
- 형상의 각도는 타 부가물의 적용과 마찬가지로 유선의 굴절현상을 없애기 위하여 기존선형의 유선각도와 최대한 유사하게 적용되어야 한다는 결론을 얻었다.
(2001)이 제안한 이중모형에서 격자의존성 및 수치해석 방법의 검증법에 본 연구에서 고려한 세 가지 격자계에서 얻은 총 저항값들을 대입하였다. 그 결과 Validation uncertainty(U_V)는 2.1% 이며 시험과 수치계산의 차이인 E는 0.3 % 이다. E<U_V이므로 검증조건과 부합하는 결과를 보여주었다.
15의 한계유선 역시 0도로 부착된 것과 마찬가지로 굴절되는 현상을 보여주었다. 그리고 선미부에서의 Bare-Hull의 압력분포 그리고 한계유선을 유동제어 띠가 적용된 결과와 비교하였을 때 대동소이한 결과를 보여주었다. 즉, 유동제어 띠로 인한 유동의 변화는 선미부에 영향을 주지 않는 것으로 판단된다.
Table 5에서 Table 7은 네 가지 각도변화에 의한 압력저항과 마찰저항의 결과를 비교한 것으로 이산화는 QUICK으로 고정하였다. 압력저항은 Case1에서 Case4까지 네 가지 모두 Bare-Hull 보다 증가하였고, 마찰저항은 모두 감소하였다. 전 저항은 네 가지 경우 모두 Bare-Hull 보다 증가하였다.
선박의 1회 편도 연료비를 간단히 계산해 보면, 13,000 TEU 급 대형 컨테이너 운반선의 경우, 1일 사용되는 벙커C유의 소모량이 400톤 가량이며, 부산에서 LA까지 편도 운항일을 평균 7일로 가정하면, 편도 순수 연료비만 약 17억 정도(벙커C유 톤 당 500$ 기준)의 비용이 든다. 이 계산에 의하면, 선사가 주문한 선박의 설계속도가 계약속도 대비 0.1 노트 향상된다면 1회 편도 연료비가 1천 만원 정도 절감되며, 선박의 수명을 30년 이상으로 볼 때 연료비용만 계산하더라도 150억 이상의 절감을 가져올 수 있다. 선박의 연료 경제성을 높이기 위해서는 일반적으로 선체의 저항을 감소시키는 방법과 프로펠러 면의 유입속도를 개선하여 추진효율을 향상시키는 방법이 있다.

후속연구

- 또한, 향후에는 형상의 길이, 높이, 폭 그리고 홈이 파진 곡면반경 변화에 따른 저항증감 분석이 필요하다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	선형 개발의 경쟁력을 높인다는 것은 무엇을 의미하는가?	선박의 연비 개선 경쟁력을 높이기 위해서는 엔진성능을 향상시키는 방법도 있겠지만, 그 방법에는 한계가 있으며 결국은 에너지 절약형 부가물 적용 등의 선형 개발을 통해서 이루어질 수 있다. 선형 개발의 경쟁력을 높인다는 것은 속도를 더 내지 못하더라도 짐을 더 실을 수 있는 선형 혹은 똑같은 무게의 짐을 선적해도 속도를 더 낼 수 있는 선형을 개발하는 것을 의미한다. 선박의 1회 편도 연료비를 간단히 계산해 보면, 13,000 TEU 급 대형 컨테이너 운반선의 경우, 1일 사용되는 벙커C유의 소모량이 400톤 가량이며, 부산에서 LA까지 편도 운항일을 평균 7일로 가정하면, 편도 순수 연료비만 약 17억 정도(벙커C유 톤 당 500$ 기준)의 비용이 든다.
	13,000 TEU 급 대형 컨테이너 운반선의 경우에 선박의 1회 편도 연료비는 간단하게 어떻게 계산되는가?	선형 개발의 경쟁력을 높인다는 것은 속도를 더 내지 못하더라도 짐을 더 실을 수 있는 선형 혹은 똑같은 무게의 짐을 선적해도 속도를 더 낼 수 있는 선형을 개발하는 것을 의미한다. 선박의 1회 편도 연료비를 간단히 계산해 보면, 13,000 TEU 급 대형 컨테이너 운반선의 경우, 1일 사용되는 벙커C유의 소모량이 400톤 가량이며, 부산에서 LA까지 편도 운항일을 평균 7일로 가정하면, 편도 순수 연료비만 약 17억 정도(벙커C유 톤 당 500$ 기준)의 비용이 든다. 이계산에 의하면, 선사가 주문한 선박의 설계속도가 계약속도 대비 0.
	화석연료의 역기능은?	화석연료는 산업, 수송체 및 난방의 주요 에너지원으로 활용되면서 산업발전의 핵심역할을 주도하였다. 그러나 이산화탄소 가스의 배출이 지속적으로 증가하여 온실효과를 야기하고, 이상 기후 현상에 의한 지구 오존층 파손, 북극 융빙 그리고생태계 변화를 발생시키는 등의 역기능을 초래함으로써 지구의 환경 및 안전을 심각하게 위협하고 있다. G8 확대 정상회의에서는 ‘2050년 세계 전체의 온실가스 50% 감축’ 원칙을 정하기에 이르렀다.

참고문헌 (12)

Baek, C.S., Jin, C.B., Lee, J.K and Ryu, M.C., 2002, "A Study for the Improvement of Propeller Induced Vibration on an AFRAMAX Tanker," Proceedings of the Annual Spring Meeting, SNAK, pp. 234-238.
Cho, Y.R., Lee, C.H., Jeong, S.G. and Choi, Y.D., 2007, "The Optimization of Vortex Generator for MR Class Ship," Proceedings of the Annual Autumn Meeting, SNAK, pp. 1151-1157.
"Fluent 6.3 user's guide", 2008, Fluent Inc.
Hwangbo, S.M., Han, J.M., Seo, J.S. and Lee, K.J., 2004, "Influence of Vortex Generators on the Ship's Hydrodynamic Performances-Cavitation Performances-," Proceedings of the Annual Spring Meeting, SNAK, pp. 889-894.
Jang, Y.H., Park, J.J., Kim, B.G. and Choi, Y.B., 2006, "Notes on the Design and Application of Vortex Generators," Proceeding of the Annual Autumn Meeting, SNAK, pp. 467-472.
Kim, J.J., Rhyu, S.S., Kim, Y.S. and Jang, J.H, 2004, "Effect of Vortex Generator on Ship Hydrodynamic Performance-CFD Simulation-," Proceedings of the Annual Spring Meeting, SNAK, pp. 901-906.
Lee, C.J., Park, I.R., Lee, Y.H. and Byeon, S.H., 2004, "A Study on the Performance Affected by Vortex Generator for DWT 40,000Ton Product Carrier," Proceeding of the Annual Autumn Meeting, SNAK, pp. 257-263.
Lim, C.S. and Park, D.W., b, "A Study on the Speed Effects of Afterbody Appendage for the Container Carrier," Special Issue of SNAK, pp. 32-42.
Lee, P.K., Jeong, Y.J., Byun, T.Y. and Park, N.J., 2008, "A Study on the Stern Flow affected by Vortex Generator for Low Speed Vessel," Proceedings of the Annual Spring Meeting, SNAK, pp. 1193-1199.
Park, I.R., Kim, J. and Van, S.H., 2004, "Analysis of Resistance Performance of Modern Commercial Ship Hull using a Level-set Method" Journal of the Society of Naval Architects of Korea, Vol. 41, No. 2, pp. 79-89.

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Rhyu, S.S., Kim, J.J., Choi, S.H., Jang, J.H, and Kim, S.E, 2004, "Effect of Vortex Generator on Ship Hydrodynamic Performance-Resistance and Propulsion Performance," Proceedings of the Annual Spring Meeting, SNAK, pp. 895-900.
Wilson, R.V., Stern, F., Coleman, H. and Paterson, E., 2001, "Comprehensive Approach to Verification and Validation of CFD Simulations-Part 2: Application for RANS Simulation of a Cargo/Container Ship," ASME Journal of Fluids Engineering, Vol. 123, pp. 803-810.

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