[논문]풍력 레저선박의 돛 받음각과 횡력에 대한 복원력 특성

강경주; 문병영

doi:10.5916/jkosme.2015.39.1.13

[국내논문] 풍력 레저선박의 돛 받음각과 횡력에 대한 복원력 특성
Restoring Characteristics of Windy Leisure Boat Associated to Sailing Angle of Attack and Effet of Side Force 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.39 no.1, 2015년, pp.13 - 18

강경주 (Department of Naval Architecture, Kunsan National University) , 문병영 (Division of Naval Architecture, Kunsan National University)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 ANSIS Workbench CFX-Mesh와 같은 기존의 컴퓨터 연산제어 기법과 수학적 공식을 적용하여 풍력 레저선박에 대한 복원력 특성을 검토하였다. 본 연구의 목적은 선박이 풍력을 받아 운항하고 있을 때 복원력과 힐모멘트를 구하는 것이다. 받음각의 조건은 5도에서 90도 범위로 설정하였다. 일반적으로 횡력은 받음각이 클 경우 상대적으로 크다고 알려져 있으나, 선박이 풍력을 받아 안전 운항을 하기 위해서는 임계각의 경우, 60도 범위에서 제한하는 것이 유리하다고 사료된다. 비항해시 대비, 항해시에 보다 큰 힐모멘트가 얻어지며, 이와 같이 우세한 힐모멘트로부터 보다 큰 받음각이 유기된다는 자연스러운 시험 결과물이 도출되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Characteristics of restoring force for the wind-powered leisure boat was investigated using mathematical formulation and commercial computational method such as the ANSYS Workbench CFX-Mesh. The objective is to find the restoring moment and heel moment while boat is sailing in windy power. Conditions for angle of attack were given from $5^{\circ}$ to $90^{\circ}$. It is known that side force is larger in terms of angle of attack is higher, however critical angle is suggested to limit before over of $60^{\circ}$ for safe navigation for boat in wind. Natural results are found that stronger heel moment is observed when sail is used than no sail, and higher angle of attack is induced stronger heel moment.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

횡력은 풍력선박의 안정성에 중요한 영향을 준다. 따라서, 본 논문에서는 풍력선박에 대해서 받음각과 횡력에 의한 선박의 복원성을 평가하였다. 받음각에 따른 힘을 유체해석을 통해서 구하였고 복원성 평가를 위한 추력과 횡력식을 유도하였다.

가설 설정

1) 돛은 평면이고 바람은 일정하게 불어온다.
왜냐하면 돛의 모양, 돛을 다는 방법 등 여러 요소가 복원력에 영향을 주기 때문이다. 따라서, 본 논문에서는 복원성을 평가하기 위해 다음과 같이 간단한 상태를 가정 하였다.
4에 단순화된 선박의 도면을 나타내었다. 본 연구에서는 돛의 마스트에 연결된 선박이 해석 결과에 영향을 미치지 않는다고 가정하여 폭 0.6m, 길이 1.25m인 돛에 대한 유체 해석을 진행하였다.
추력과 횡력의 일반식은 Equation (3), Equation (4)와 같으며, 본 연구에서는 예시를 위하여 풍향이 일정하고 풍향과 추력방향사이의 각(β )이 일정하다고 가정하였다.

제안 방법

격자 품질을 향상시키기 위하여 벽 근처의 격자는 삼각기둥(prism) 형태로 설정 하였으며, 블레이드 표면의 격자 크기를 조절하여 실험 모델 주위의 밀집도를 향상시켰다. Figure 5에 보인 바와 같이 격자생성은 ANSYS Workbench CFX-Mesh를 이용하였으며, 전체 격자점은 대략 670,000개 가 생성되었다.
돛을 단 레저선박에 풍하중이 작용하였을 때 선박의 안정성을 평가하기 위해 복원력을 평가하였다. 복원력 평가를 위해 받음각과 고려한 횡력과 추력을 수식화 하였고, 횡력에 의한 횡경사모멘트, 복원모멘트를 유도하였다.
받음각에 따른 힘을 유체해석을 통해서 구하였고 복원성 평가를 위한 추력과 횡력식을 유도하였다. 돛의 영향 및 받음각에 따른 복원성을 평가하였다.
돛이 선박의 복원력에 주는 영향을 평가하기 위해 돛이 없는 경우와 있는 경우의 복원력을 비교하였다. 먼저 돛이 없는 경우, 풍압은 선박의 측면에 작용하여 횡경사가 발생한다.
받음각 별로 선박의 복원력을 평가하기 위해, 받음각 30°, 60°, 90°일 때의 횡경사 모멘트 Mw와 복원모멘트 MΦ를 계산하였다.
따라서, 본 논문에서는 풍력선박에 대해서 받음각과 횡력에 의한 선박의 복원성을 평가하였다. 받음각에 따른 힘을 유체해석을 통해서 구하였고 복원성 평가를 위한 추력과 횡력식을 유도하였다. 돛의 영향 및 받음각에 따른 복원성을 평가하였다.
확인 결과, 비대칭적인 계산 영역에도 불구하고 유동 입사 각도가 후류에서 잘 유지되며, 평균 입사 속도 또한 5 m/s로 고정되고 있음을 알 수 있었다. 받음각은 30~90도로 변동시키면서 공력 계수 값을 관찰하였다. Figure 8에서 돛은 위아래가 좌우보다 긴, 홀쭉한 형태이기 때문에 깃 끝와류(wing-tip vortex)가 세로로 배열된 형태를 보여준다.
돛을 단 레저선박에 풍하중이 작용하였을 때 선박의 안정성을 평가하기 위해 복원력을 평가하였다. 복원력 평가를 위해 받음각과 고려한 횡력과 추력을 수식화 하였고, 횡력에 의한 횡경사모멘트, 복원모멘트를 유도하였다. 유동해석을 이용해 구한 횡력값을 사용하여 복원력을 평가하였고 다음과 같은 사실을 알 수 있었다.
복원력 평가를 위해 받음각과 고려한 횡력과 추력을 수식화 하였고, 횡력에 의한 횡경사모멘트, 복원모멘트를 유도하였다. 유동해석을 이용해 구한 횡력값을 사용하여 복원력을 평가하였고 다음과 같은 사실을 알 수 있었다.
입구에서의 풍향조건은 균일 속도로 5 m/s를 각도에 따라 유입하고 나갈 수 있도록 열린(opening) 조건을 설정하였으며, 출구 조건은 평균 정압(average static pressure)을 대기압과 같게 놓았다. 점성 유동의 해석이므로, Sail 표면에서는 점착 조건(no-slip condition)으로 처리하였다.
입구에서의 풍향조건은 균일 속도로 5 m/s를 각도에 따라 유입하고 나갈 수 있도록 열린(opening) 조건을 설정하였으며, 출구 조건은 평균 정압(average static pressure)을 대기압과 같게 놓았다. 점성 유동의 해석이므로, Sail 표면에서는 점착 조건(no-slip condition)으로 처리하였다. Figure 7는 이러한 경계 조건이 원방에서 잘 적용되고 있는지 확인하기 위하여 유선과 속도를 도시하였다(θ = 30^o)

대상 데이터

해석에 사용된 선박 모델은 소형 레저선박으로 Table 1에 주요제원을 정리하였으며 Fig. 4에 단순화된 선박의 도면을 나타내었다. 본 연구에서는 돛의 마스트에 연결된 선박이 해석 결과에 영향을 미치지 않는다고 가정하여 폭 0.

데이터처리

를 계산하였다. 횡경사 모멘트의 식은 Equation (9)을 사용 하였고, 받음각별 횡력 S.F는 Fig. 9의 ANSYS해석결과를 사용하였다. 복원 모멘트 M_Φ의 식은 경사각 10° 미만, 10°이상인 경우, 각각 Equation (10), Equation (11)을 사용하였다.

이론/모형

격자 품질을 향상시키기 위하여 벽 근처의 격자는 삼각기둥(prism) 형태로 설정 하였으며, 블레이드 표면의 격자 크기를 조절하여 실험 모델 주위의 밀집도를 향상시켰다. Figure 5에 보인 바와 같이 격자생성은 ANSYS Workbench CFX-Mesh를 이용하였으며, 전체 격자점은 대략 670,000개 가 생성되었다.
유체해석을 위한 지배방정식은 Equation (1)과 Navier’s Stocks Equation (2)를 사용하였다.

성능/효과

또한 풍력 레져선박의 횡경사시 복원력 특성을 조사한 결과, 전반적으로 GM은 0.151로 산정되었으며 한계경사각은 약 35°로 나타났다
확인 결과, 비대칭적인 계산 영역에도 불구하고 유동 입사 각도가 후류에서 잘 유지되며, 평균 입사 속도 또한 5 m/s로 고정되고 있음을 알 수 있었다. 받음각은 30~90도로 변동시키면서 공력 계수 값을 관찰하였다.

후속연구

이 한계 경사각 이상으로 풍력 레져선박이 바람 등의 외력에 의해 경사지게 되면 선박은 복원력을 상실하여서 전복하게 되므로 설계시에 주의하여야한다. 본 연구의 결과는 돛을 단 레저선박의 설계에 반영할 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	풍력을 이용한 레저선박의 특징은?	해양레저 인구가 늘어나면서 저비용으로 운용가능한 태양광, 풍력을 이용한 레저선박의 필요성이 부각되고 있다. 특히 풍력을 이용한 레저선박은 제작비용이 낮고 무한히 공급되는 풍력을 이용하기 때문에 운용상의 비용이 들지 않는 반면 안정성에 대한 문제점을 안고 있다. 따라서 풍력 레저선박의 안정성은 인명과 직결되므로 반드시 확보되어야 한다.
	태양광, 풍력을 이용한 레저선박의 필요성이 부각되고 있는 이유는?	해양레저 인구가 늘어나면서 저비용으로 운용가능한 태양광, 풍력을 이용한 레저선박의 필요성이 부각되고 있다. 특히 풍력을 이용한 레저선박은 제작비용이 낮고 무한히 공급되는 풍력을 이용하기 때문에 운용상의 비용이 들지 않는 반면 안정성에 대한 문제점을 안고 있다.
	풍력선박의 받음각 및 횡력과 돛의 방향의 관계는?	그러나 선행연구에서는 선박의 복원성과 횡요감소에 대한 연구가 일부 수행되었으나, 풍력선박의 받음각 및 횡력에 의한 안정성에 대해서는 거의 연구되지 않았다. 풍력을 이용한 레저선박의 경우, 돛의 방향을 변경함으로써, 돛의 받음각이 변경되고, 이것은 항력과 양력의 변화뿐만 아니라, 추력과 횡력도 변하게 된다. 횡력은 풍력선박의 안정성에 중요한 영향을 준다. 따라서, 본 논문에서는 풍력선박에 대해서 받음각과 횡력에 의한 선박의 복원성을 평가하였다.

참고문헌 (7)

Y. Yoshimura, T. Kuroda, M. Kikumoto, and Y. Igarashi, "Roll-damping control by sail-angle," Journal of the Society of Naval Architects of Japan Symposium Proceeding 2, pp. 85-86, 2003 (in Japanese).
Y. Masuyama, I. Nakamura, H. Tatano, K. Takagi, and T. Miyakawa, "Sailing performance of ocean cruising yacht by full-scale sea test Part 1 : Steady sailing performance and dynamic performance in waves," Journal of the Society of Naval Architects of Japan, vol. 172, pp. 349-364, 1992 (in Japanese).
G. H. Chae and Y. B. Kim, "An experimental study on the rolling motion control of a ship based on LMI approach," Journal of the Korea Society of Ocean Engineers, vol. 17, no. 2, pp. 60-66, 2003 (in Korean).
U. C. Jeong, S. H. Jeong, and H. W. Chun, "A study on the hull form development and resistance performance of a high-speed coastal patrol boat," Journal of Ocean Engineering and Technology, vol. 18, no. 3, pp. 44-49, 2004.
Y. B. Kim, K. S. Lee, J. H. Kim, and G. H. Chae, "A study on development of an anti-rolling system for the ship stability improvement," Journal of Korean Society of Marine Environment & Safety, vol. 11, no. 1, pp. 23-28, 2005 (in Korean).
S. G. Lee, J. M. You, H. H. Lee, S. H. Rhee, and K. P. Rhee, "Experimental study on free roll decay motions of a damaged ship for CFD validation database," Journal of the Society of Naval Architects of Korea, vol. 45, no. 1, pp. 52-59, 2012 (in Korean).

원문보기 상세보기
D. Y. Jeong, Ship Design, Korea : Myungjin books, 2012 (in Korean).

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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