[논문]중량 및 높이변화에 따른 쐐기형 구조물 주위의 슬래밍 충격에 관한 실험적 연구

오승진; 조대환

doi:10.5394/kinpr.2015.39.1.77

중량 및 높이변화에 따른 쐐기형 구조물 주위의 슬래밍 충격에 관한 실험적 연구
An Experimental Study on the Slamming impact around Wedged type structure in accordance with the Weight and Height of the change 원문보기

한국항해항만학회지 = Journal of navigation and port research, v.39 no.1, 2015년, pp.77 - 82

오승진 (목포해양대학교 실습선 새누리호) , 조대환 (목포해양대학교 기관공학부)

초록
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슬래밍은 선체가 파도와 부딪히며 선수, 선미에서 강한 충격압력을 받아 급격한 진동이 발생되는 현상이다. 이러한 슬래밍은 사람에게는 승선감의 불쾌감을 주고, 선체에는 구조적인 위험을 주며 화물의 안전과도 깊은 관계가 있다. 따라서 선박 설계기준에는 슬래밍에 의한 충격압력을 충분히 고려한 구조설계를 해야 한다. 본 연구에서는 자유낙하 하는 쐐기형 구조물의 중량 및 낙하높이의 변화에 따른 슬래밍 충격 압력 및 유동장의 유동특성을 알아보고자 실험을 수행하였다. 유동장의 계측은 2-프레임 그레이레벨 상호상관 PIV기법을 이용해 접수와 이수로 구분하여 실험하였으며, 충격압력의 계측은 압력계측장비인 Dewetron System을 이용하였다. 실험에서 모델과 자유수면간 이루는 각도는 $15^{\circ}$를 적용하였으며 이때, 중량의 변화는 1.5, 1.8 및 2.0kg이고 자유낙하높이는 100, 200 및 300mm로 하여 실험하였다. 실험값을 통한 중량의 변화에 따른 충격압력은 중량의 증가하는 것에 비례하여 충격압력 또한 증가했으며, 이러한 경향은 자유낙하 높이가 높을수록 영향을 많이 받았다.

Abstract ▼ AI-Helper

Slamming means that the hull hits the waves and receives impact pressure. This slamming effect may cause harm to people and when you put the hull at risk. so it is very harmful for cargo safety. Therefor slamming impact pressure should be fully considered in ship designing. In this study the model of wedged type structure are produced aimed to simulate a free fall that the experiments were carried out on different weight and free fall height. The flow field has been obtained by 2-frame grey level cross correlation PIV(Particle Image Velocimetry) method and experiment was divided into water entry and water exit. The impact pressure of free fall structure by a pressure acquisition system apply to dewetron system. The angles between a model and the water surface are adapted $15^{\circ}$ respectively. The weight change of models was given as 1.5, 1.8 and 2.0kg. To study slamming phenomenon for free fall height the experiments were carried out by the free fall height of 100, 200 and 300mm. The experimental value of the impact pressure according to the changes in weight was increase impact pressure in proportion to the increase in weight and higher free falling height has also influenced the increase in impact pressures.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

0kg)과 자유낙하높이(100mm, 200mm 및 300mm)의 변화를 기반으로 모델을 자유낙하(free fall) 시켜 충격압력을 실험을 통해 분석하였다. 또한, 충격압력의 결과를 기초로 충격압력으로 형성되는 유동장(flow field)의 순간속도분포 특성을 고찰하여 압력발생에 따른 유동장을 연구함으로서 서로의 상관관계를 알아보고자 하였다.
본 연구에서는 모형의 중량과 자유낙하높이의 변화에 따른 충격압력과 유동특성을 알아보고자 하였다. 본 연구의 결과는 선박 및 해양구조물에 요구되는 설계기준에 요구되는 기초자료 이며, 추후 각도의 변화와 다양한 해양파의 유입에 따른 유체 동역학적 충격하중에 대한 단계적인 추가 연구가 필요하다.

제안 방법

수치해석에 의한 연구로는 Park et al.(2000)이 파랑 중에서 슬래밍 충격에 대한 동적 탄성응답 해석법을 개발하여 검증을 위해 V형 단면 선박과 선형 모델을 대상으로 수치해석을 수행하여 비교분석 결과를 제시하였다. 슬래밍 현상은 구조물과 파랑의 상대운동에 따라 복잡한 유체력을 갖기 때문에 거동특성 파악이 어렵다.
따라서 본 연구에서는 자유수면(water surface)과 접하는 쐐기형 모델의 입수각도가 15°인 모델을 대상으로 모델의 중량(1.5kg, 1.8kg 및 2.0kg)과 자유낙하높이(100mm, 200mm 및 300mm)의 변화를 기반으로 모델을 자유낙하(free fall) 시켜 충격압력을 실험을 통해 분석하였다.
3과 같다. 또한, 유동장 실험에서 사용한 광원은 직진성과 반사성이 우수한 500㎽의 광다이오드를 집적화한 2차원 광원을 계측영역에 조사하여 수행하였으며, 해상도는 초당 125프레임으로 촬영하여 유동정보를 계측하였고 유동장계측을 위한 실험조건은 Table 3과 같다.
본 실험에서는 충격압력계측과 병행하여 고속카메라를 이용해 유동장을 조사하였으며, Fig. 14 ∼ Fig. 15는 자유낙하 높이가 300mm일 때 모형의 중량변화에 따라 나타난 실험을 고속카메라로 획득한 영상을 P.I.V 해석 프로그램을 통해 속도성분을 벡터성분으로 나타낸 그림이다.
수면과 접하는 각도가 15°인 쐐기형 모델의 중량은 2.0kg이며, 자유낙하높이가 100mm에서 100mm씩 변화했을 때 나타난 충격압력을 측정한 압력 데이터를 기초로 정리하여 나타내었다.
슬래밍 현상의 기초연구로 자유수면과 접하는 쐐기형 모델의 입수각도가 15°인 모델을 대상으로 모델의 중량 변화는 1.5kg, 1.8kg 및 2.0kg으로 하였고, 자유낙하높이는 100mm, 200mm 및 300mm의 변화를 기반으로 모델을 자유낙하 시켜 충격압력 및 유동장의 순간속도분포 특성을 계측하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
12는 같은 중량에서 자유낙하높이의 변화에 따른 충격압력을 분석한 그림이다. 슬래밍 현상이 발생될 때 파고의 높이변화에 따라 구조물에 가해지는 압력의 변화를 알아보기 위해 자유낙하높이의 변화를 주어 슬래밍 실험을 재현했다. 모형과 수면이 제일 먼저 접촉하는 P-1의 위치에서 모형의 다른 위치보다 가장 높은 압력값이 나타났으며, 2.
0kg의 변화를 주었다. 실험에서 자유낙하 시 모델이 흔들리지 않고 정확한 입수각도로 수면에 낙하하도록 레일을 설치하는 방법을 사용하지 않고 평균 10회 이상의 자유낙하 실험을 하면서 고속카메라로 촬영한 후 영상을 확인하여 이때 정확히 수직으로 낙하한 실험결과의 데이터를 결과 값으로 분석하였다. Table 2는 압력 계측장비의 제원으로서 초당 10,000개의 샘플링이 가능하며 압력은 5bar까지 계측이 가능하며 압력센서에서 획득한 데이터는 변환기를 통하여 출력 시 전압차를 시계열로 획득할 수 있다.
V 해석 프로그램을 통해 속도성분을 벡터성분으로 나타낸 그림이다. 영상의 획득은 모델이 자유낙하 후 수면과 접촉했을 때부터 수면 아래로 진행하다 정지한 상태까지의 영상을 기초로 해석하였다.
입수각도 θ는 15°의 모형을 채택하였으며, 모델의 자유낙하 높이는 100mm, 200mm 및 300mm에서 수행하였고 이때 모델의 중량은 1.5kg, 1.8kg 및 2.0kg의 변화를 주었다.

대상 데이터

1과 같다. 모델은 투명 아크릴로 폭(318mm), 높이(118mm), 길이(300mm)의 재원으로 제작되었으며, 충격압력의 획득은 모형의 길이방향 끝단 모서리로부터 50mm 간격으로 중앙으로부터 P1, P2, P3 및 P4의 센서를 설치하여 자유낙하 시 충격압력을 계측할 수 있도록 하였으며, 모델의 자유낙하실험은 1,000mm x 1,000mm x 1,500mm의 수조에서 실험을 실시하여 충격압력 및 유동장을 획득하였다.

성능/효과

슬래밍 현상이 발생될 때 파고의 높이변화에 따라 구조물에 가해지는 압력의 변화를 알아보기 위해 자유낙하높이의 변화를 주어 슬래밍 실험을 재현했다. 모형과 수면이 제일 먼저 접촉하는 P-1의 위치에서 모형의 다른 위치보다 가장 높은 압력값이 나타났으며, 2.0kg의 중량을 갖는 모형을 300mm에서 자유낙하 시켰을 때 가장 높게 나타났고 가장 낮은 압력의 결과는 1.8kg의 중량의 모형을 100mm에서 자유낙하 시켰을 때 나타났으며 압력감소율은 약 61.8%로 나타났다. 대체적으로 자유낙하높이가 높고 중량이 무거울수록 충격압력이 높게 나타났지만 P-3의 위치에서는 1.
슬래밍 현상의 재현실험을 통해 구조물의 중량과 자유낙하높이의 변화에 따른 충격압력은 쐐기형 구조물의 중량변화에는 큰 영향이 없지만, 구조물과 자유 수면이 접하는 위치에 따라 영향이 있음을 알 수 있었고 자유낙하높이가 높을수록 충격압력 또한 높게 나타나지만 구조물이 수면과 접촉하는 위치에 따라 이러한 규칙이 다르게 나타남을 알 수 있었다. 이를 바탕으로 이러한 원인을 분석하기 위해 유동특성을 조사하였으며, Fig.
자유낙하높이가 200mm인 실험에서 나타난 압력분포는 1.8kg의 중량을 갖는 모형에서 가장 높은 압력분포의 결과를 나타냈으며 특히, 1.5kg의 모형에서는 P-4에서의 압력이 P-3에서의 압력 보다 높게 나타나고 있다. 이러한 이유는 구조물이 수면과 접촉할 때 형성되는 에어포켓의 영향으로 사료된다.
자유낙하높이가 높을수록 충격압력이 높게 나타나지만 구조물의 중량과 관계가 있으며 모형의 다른 위치보다 가장 높은 압력값이 나타났으며, 실험에서 가장 높은 압력값의 결과와 가장 낮은 압력값의 압력감소율은 약 61.8%로 나타났다. 특히, 자유수면과 쐐기형구조물이 접촉할 때 구조물이 접촉하는 위치에 따라 이러한 규칙이 다르게 나타남을 알 수 있다.

후속연구

본 연구에서는 모형의 중량과 자유낙하높이의 변화에 따른 충격압력과 유동특성을 알아보고자 하였다. 본 연구의 결과는 선박 및 해양구조물에 요구되는 설계기준에 요구되는 기초자료 이며, 추후 각도의 변화와 다양한 해양파의 유입에 따른 유체 동역학적 충격하중에 대한 단계적인 추가 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	구조물과 파랑의 상대운동에 따른 유체력을 파악하기 위해 본 연구에서 한 것은?	슬래밍 현상은 구조물과 파랑의 상대운동에 따라 복잡한 유체력을 갖기 때문에 거동특성 파악이 어렵다. 따라서 본 연구에서는 자유수면(water surface)과 접하는 쐐기형 모델의 입수각도가 15°인 모델을 대상으로 모델의 중량(1.5kg, 1.8kg 및 2.0kg)과 자유낙하높이(100mm, 200mm 및 300mm)의 변화를 기반으로 모델을 자유낙하(free fall) 시켜 충격압력을 실험을 통해 분석하였다. 또한, 충격압력의 결과를 기초로 충격압력으로 형성되는 유동장(flow field)의 순간속도분포 특성을 고찰하여 압력발생에 따른 유 동장을 연구함으로서 서로의 상관관계를 알아보고자 하였다.
	슬래밍의 악영향은?	슬래밍은 선체가 파도와 부딪히며 선수, 선미에서 강한 충격압력을 받아 급격한 진동이 발생되는 현상이다. 이러한 슬래밍은 사람에게는 승선감의 불쾌감을 주고, 선체에는 구조적인 위험을 주며 화물의 안전과도 깊은 관계가 있다. 따라서 선박 설계기준에는 슬래밍에 의한 충격압력을 충분히 고려한 구조설계를 해야 한다.
	슬래밍이란?	슬래밍은 선체가 파도와 부딪히며 선수, 선미에서 강한 충격압력을 받아 급격한 진동이 발생되는 현상이다. 이러한 슬래밍은 사람에게는 승선감의 불쾌감을 주고, 선체에는 구조적인 위험을 주며 화물의 안전과도 깊은 관계가 있다.

참고문헌 (10)

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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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