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문제 정의
- 본 연구에서는 6,800TEU 컨테이너선에 대해 운항기록을 검토하여 가장 운항빈도가 높은 엔진출력을 선정하고, 그에 상응하는 속도영역(저속)에서 수치 해석적 접근방법을 통해 트림변화에 따른 저항특성을 분석하였다. 또한 선박의 트림이 점성저항 및 형상저항에 미치는 영향을 파악하기 위하여, 저항요소를 분리시키기 위한 추가적인 수치계산을 통해 저항요소별 변화를 조사하였다.
제안 방법
- 앞선 3장에서 해석한 방식으로는 트림에 따른 전저항의 변화 분석은 가능하지만 해석 결과를 설계자가 초기 선형개발에 활용하기에는 다소 부족함이 있다. 따라서, 본 장에서는 Hughes의 저항분류대로 모형선의 전저항을 조파저항과 점성저항으로 분리하는 해석을 추가적으로 수행하였다. 먼저 조파저항과 점성저항을 분리해 내기 위해서 Fig.
- 본 연구에서는 6,800TEU 컨테이너선에 대해 운항기록을 검토하여 가장 운항빈도가 높은 엔진출력을 선정하고, 그에 상응하는 속도영역(저속)에서 수치 해석적 접근방법을 통해 트림변화에 따른 저항특성을 분석하였다. 또한 선박의 트림이 점성저항 및 형상저항에 미치는 영향을 파악하기 위하여, 저항요소를 분리시키기 위한 추가적인 수치계산을 통해 저항요소별 변화를 조사하였다.
- 이러한 문제점을 보완하기 위해, Park et al(2014)은 자유수면 아래부분을 4개의 영역으로 나누어 트림에 따른 압력저항과 마찰저항의 상관관계를 찾고자 노력하였으며, Seo et al(2015)은 저속영역에서 트림의 변화로 인한 점성저항 변화 또는 점성저항 중 형상압력저항의 변화가 있을 것으로 추정하였다. 본 연구에서는 트림으로 인한 저항요소 변화를 보다 정확히 파악하기 위해, 전저항을 조파저항과 점성저항으로 분리하고자 추가적인 수치계산을 수행하였다.
- 위에서 언급한 바와 같이 격자 및 선정된 난류모형의 적정성은 이전연구(Seo et al., 2015)를 통해 이미 수행하였으며, 본 절에서는 대상 선박에 대해 모형시험 값이 존재하는 속도조건에서 추가로 수치계산을 수행하였다. 대상 선형의 주요제원은Table 1과 같이 수선간장이(Lpp) 292m, 폭(B) 40m, 흘수(T)는 12m이며, 침수표면적(WSA, wetted surface area)은 13,673m2, LCB는 선체중앙부에서 선수방향으로 수선간장의 1.
- Table 5는 수치계산을 수행할 선속, 모형시험과 동일한 트림 및 흘수 조건을 보여주고 있다. 이때, 트림은 설계흘수인 선수미 흘수가 동일한 12m 조건을 기준으로 선수와 선미트림이 각각 ±1m, ±2m인 5개의 트림변화를 고려하여 총 20가지의 수치계산을 수행하였다. 이때 배수량은 해석구속조건으로 설정하였으며, 각각의 트림조건에서 선·수미 흘수를 계산하였다.
- 대부분의 컨테이너선사들은 경기불황과 국제해사기구의 대기 오염물질 배출규제 강화로 인해 현재까지 의도적 저속운항(Slow steaming)을 하고 있는 것으로 조사되었으며, 본 연구의 대상선박인 6,800TEU 컨테이너선의 경우 DMCR의 40% 엔진출력 범위에서 운항빈도가 약 40% 정도인 것으로 나타났다. 이러한 실질적인 운항정보를 바탕으로, 본 연구에서는 저속과 고속영역에서의 트림변화에 따른 저항성능의 변화를 수치계산을 통해 추정하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
대상 데이터
- , 2015)를 통해 이미 수행하였으며, 본 절에서는 대상 선박에 대해 모형시험 값이 존재하는 속도조건에서 추가로 수치계산을 수행하였다. 대상 선형의 주요제원은Table 1과 같이 수선간장이(Lpp) 292m, 폭(B) 40m, 흘수(T)는 12m이며, 침수표면적(WSA, wetted surface area)은 13,673m2, LCB는 선체중앙부에서 선수방향으로 수선간장의 1.82%에 위치한다.
- 본 연구의 대상선박은 2006년에 인도된 6,800TEU 컨테이너선이며, 약 26knots (Fn : 0.25; 13.4m/s)의 설계선속 하에 선형이 개발되어 초기 운항에서는 DMCR(Derated maximum continuous rating)의 90%의 엔진출력을 사용하여 운항을 해오다 2008년 연료비 절감을 위하여 DMCR의 40%정도의 엔진 출력을 사용하여 현재까지 의도적인 저속운항(Slow steaming) 상태로 운항 빈도가 높은 선박이다. 하지만 기존 선박트림 영향에 따른 저항성능의 변화에 대한 연구들은 주로 고속영역(Fn : 0.
데이터처리
- DFBI 기법은 선체의 자세 변화에 따라 계산 영역 전체가 이동 및 회전하는 방법으로, 선체의 침하는 계산 영역 전체의 Z 방향 수직 이동으로 나타나며 트림은 계산 영역 전체의 Y 방향 회전으로 나타난다. 또한 전체 수치계산 시간을 단축시키기 위해 모든 운동이 구속된 Fixed 조건을 추가 고려하여 Free 조건의 저항수치와의 차이를 비교하였다.
이론/모형
- 격자생성 및 수치계산은 상용프로그램인 STAR-CCM+ Version 6을 사용하였다. STAR-CCM+의 트리머 격자(Trimmed mesh)기법은 유동 특성에 따라 격자의 구성 조밀도를 달리하여, 복잡한 유동영역에 대해서는 격자를 비교적 작게 설정하고, 단순한 유동영역에서는 격자의 크기를 크게 설정하여 전체 격자수를 감소시킬 수 있는 장점을 가지고 있다.
- 자유수면 위치는 Z=0이며, 계산 영역의 측면은 대칭조건, 선체표면에서는 벽조건을 주었다. 또한 자유수면을 고려하기 위해서 VOF(Volume of fluid)방법을 사용하였으며, 비교적 해의 정확성을 위해 고차의 난류모형인 Reynolds stress turbulent model을 사용하였고, 수치계산의 보다 자세한 사항은 이전 연구결과(Seo et al., 2015)를 참고한다.
- 수치계산 결과와 비교를 위한 모형시험의 조건과 결과는Table 2와 같다. 수치계산 조건은 모형시험과 같은 조건을 구현하기 위해 6자유도 운동 중 Pitch와 Heave 동적운동 구현이 가능한 STAR-CCM+에서 제공하는 DFBI(Dynamic fluid body interaction) 기법을 적용하여 트림과 침하가 가능한 비구속조건(Free)을 설정 하였다. DFBI 기법은 선체의 자세 변화에 따라 계산 영역 전체가 이동 및 회전하는 방법으로, 선체의 침하는 계산 영역 전체의 Z 방향 수직 이동으로 나타나며 트림은 계산 영역 전체의 Y 방향 회전으로 나타난다.
- 8과 같이 자유수면을 무시한 격자계를 구성하여 추가적인 수치계산을 수행하였다. 자유수면 윗부분을 고려하지 않는 격자에서는 자유수면을 대칭조건으로 처리한 이중모형 기법을 사용하였다.
- 자유수면을 고려한 전저항으로부터 자유수면을 고려하지 않은 저항값을 빼 이 값을 조파저항으로 간주하여 점성저항과 조파저항을 분류하였다. 조파저항 및 점성저항성분의 분류 목적은 좀 더 정확한 실선의 유효마력을 추정하기 위함이며, 저항성분의 분류는 식 (1)과 같이 ITTC(International Towing Tank Conference) 1978년 3차원 선속 추정방법을 사용하여, 모형선 전저항을 분류하였다.
- 트리머 격자에 따라 만들어진 다면체 격자에서는 물리량의 공간 구배(Spatial gradient)를 계산함에 있어 2차 정확도를 위해 최소 자승법(Least square method)을 사용한다. 또한 추가적으로 선체표면의 경계층 유동을 비교적 정확하게 모사하기 위해 경계층 격자(Prism layer)기법을 사용하여, 선체 표면으로부터 6개의 격자 층을 생성시켜 약 130만개의 격자로 Fig.
성능/효과
- 대부분의 컨테이너선사들은 경기불황과 국제해사기구의 대기 오염물질 배출규제 강화로 인해 현재까지 의도적 저속운항(Slow steaming)을 하고 있는 것으로 조사되었으며, 본 연구의 대상선박인 6,800TEU 컨테이너선의 경우 DMCR의 40% 엔진출력 범위에서 운항빈도가 약 40% 정도인 것으로 나타났다. 이러한 실질적인 운항정보를 바탕으로, 본 연구에서는 저속과 고속영역에서의 트림변화에 따른 저항성능의 변화를 수치계산을 통해 추정하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
- 이러한 전저항의 감소요인으로는 점성저항 감소로 파악된다. 따라서 본 선박의 경우, 통상항해 조건으로, 선미트림보다는 +1m 선수트림 조건을 유지하는 것이 유리한 것으로 판단된다.
- 255)에서 조파저항이 차지하는 비율은 12%에서 최대 18%로 나타났다. 또한, 고속과 저속 양쪽 모두 선수미 트림 변화에 따라 조파저항은 증가하고 점성저항은 감소하는 것으로 나타났다.
- 본 연구의 대상선박의 경우 트림조건에 따른 모형선 전저항의 변화는 고속 해석조건(Fn : 0.255)에서는 선수트림이 증가하더라도 Even keel 상태와 뚜렷한 차이가 없는 것으로 나타났으며, −1m, −2m 선미트림(Fn:0.17.)에서는 약 1.3%, 4.0% 가량 저항이 증가하였다. 저항증가의 대부분은 선미부의 조파저항에서 기인하는 것으로 나타났다.
- 실선의 유효마력 추정 결과 저속영역에서 +1m 선수트림 조건에서 4.8%로 최대 감소하였으며, 고속영역에서는 +1m 선수트림 조건에서 약 0.9% 로 최대 감소하였다. 이러한 전저항의 감소요인으로는 점성저항 감소로 파악된다.
- 8% 저항이 증가하였다. 저속 및 고속해석 양쪽 다 −2m 선미트림 조건에서 급격한 저항증가는 조파저항의 영향이 큰 것으로 나타났다.
- 저속(Fn: 0.163~0.183)과 고속(Fn: 0.255)의 동적운동특성 차이로 인한 트림, 침하 변화량을 검토하기 위하여 Free와 Fixed 조건에서 수치계산을 수행했으며, 그 결과 모형선 전저항 기준으로 저속에서는 약 0.3% 고속에서는 약 2.2%의 차이를 보였다. 따라서, 고속 해석조건에서 선형개발이 이뤄질 경우 동적운동 특성 변화를 고려할 수 있는 격자 및 수치계산 설정이 필수적인 것으로 보인다.
- 저속영역에서는 +1m, +2m의 선수트림 조건에서 약 2.6%, 1.9% 저항이 감소했으며 −1m, −2m 선미트림 조건에서는 약 0.1%, 4.8% 저항이 증가하였다. 저속 및 고속해석 양쪽 다 −2m 선미트림 조건에서 급격한 저항증가는 조파저항의 영향이 큰 것으로 나타났다.
- 0% 가량 저항이 증가하였다. 저항증가의 대부분은 선미부의 조파저항에서 기인하는 것으로 나타났다.
- 형상계수를 도입하여, 모형선 전저항에서 조파저항과 점성저항이 차지하는 비율을 조사하였으며, 그 결과 저속영역(Fn : 0.173)에서는 트림변화에 따라 조파저항이 차지하는 비율은 6%에서 최대 13%이며, 고속영역(Fn : 0.255)에서 조파저항이 차지하는 비율은 12%에서 최대 18%로 나타났다. 또한, 고속과 저속 양쪽 모두 선수미 트림 변화에 따라 조파저항은 증가하고 점성저항은 감소하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 2%의 차이를 보였다. 따라서, 고속 해석조건에서 선형개발이 이뤄질 경우 동적운동 특성 변화를 고려할 수 있는 격자 및 수치계산 설정이 필수적인 것으로 보인다.
- 본 연구결과는 한척의 대상선박에 대해 동일한 흘수에서 트림변화에 따른 전저항의 차이를 조사한 것으로, 향후 다양한 선종 및 속도조건으로 해석의 범위를 넓혀 실제 운항패턴 및 선수형상 개조에 적용시키기는 연구가 필요할 것으로 보인다.
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