본 연구에서는 카누 선체 재료를 탄소섬유복합재료로 선정하였으며, 선형설계는 선박 설계 상용프로그램인 SOLIDWORKS를 이용하여 수행하였다. 카누의 유동해석은 상용프로그램인 STAR-CCM+를 이용하여 자유수면의 파형을 살펴보고 수치해석 결과를 통하여 저항성능을 확인하였다. 그 결과, 흘수가 0.09 m일 경우에 4 m/s 미만의 선속으로, 흘수가 0.24 m인 경우에는 2 m/s 미만으로 운항하면 안전하다고 판단되며, 두 명의 성인이 속도를 내는 데에도 무리가 없음을 확인하였다. 또한, 해석결과를 적용하고 CFRP를 이용하여, 기존의 재료보다 20 % 가볍게 제작된 카누에 대해서도 간략히 소개하였다.
본 연구에서는 카누 선체 재료를 탄소섬유복합재료로 선정하였으며, 선형설계는 선박 설계 상용프로그램인 SOLIDWORKS를 이용하여 수행하였다. 카누의 유동해석은 상용프로그램인 STAR-CCM+를 이용하여 자유수면의 파형을 살펴보고 수치해석 결과를 통하여 저항성능을 확인하였다. 그 결과, 흘수가 0.09 m일 경우에 4 m/s 미만의 선속으로, 흘수가 0.24 m인 경우에는 2 m/s 미만으로 운항하면 안전하다고 판단되며, 두 명의 성인이 속도를 내는 데에도 무리가 없음을 확인하였다. 또한, 해석결과를 적용하고 CFRP를 이용하여, 기존의 재료보다 20 % 가볍게 제작된 카누에 대해서도 간략히 소개하였다.
In this study, we selected CFRP to construct a canoe hull. A ship design was made using a commercial ship design program, SOLIDWORKS, and a flow analysis of the canoe on a free surface was calculated using STAR-CCM+. A flow field and waveform were obtained in this way. These results were used to che...
In this study, we selected CFRP to construct a canoe hull. A ship design was made using a commercial ship design program, SOLIDWORKS, and a flow analysis of the canoe on a free surface was calculated using STAR-CCM+. A flow field and waveform were obtained in this way. These results were used to check the resistant performance of the canoe. Results showed that if the draft is 0.09 m, it is safe to run at less than 4 m/s, and if draft is 0.24 m, it is safe to run at less than 2 m/s. Moreover, it was confirmed that those speeds can be made by two adults. The developed canoe, which is 20 % lighter in comparison with conventional FRP models, was briefly introduced in this paper.
In this study, we selected CFRP to construct a canoe hull. A ship design was made using a commercial ship design program, SOLIDWORKS, and a flow analysis of the canoe on a free surface was calculated using STAR-CCM+. A flow field and waveform were obtained in this way. These results were used to check the resistant performance of the canoe. Results showed that if the draft is 0.09 m, it is safe to run at less than 4 m/s, and if draft is 0.24 m, it is safe to run at less than 2 m/s. Moreover, it was confirmed that those speeds can be made by two adults. The developed canoe, which is 20 % lighter in comparison with conventional FRP models, was briefly introduced in this paper.
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문제 정의
본 연구에서는 탄소섬유복합재료를 적용한 카누의 설계 및 유동해석에 관한 연구를 수행하였으며 세부적인 연구내용은 다음과 같다.
본 연구에서는 CFRP를 적용한 다목적 카누에 대하여 상용코드를 이용하여 수치해석을 수행하여, 흘수에 따른 저항 특성 및 파형을 분석하였고, 이를 토대로 제작한 카누를 소개하였다.
가설 설정
본 논문에서는 카누의 저항성능 수치해석을 수행하기 위해 상용코드인 STAR-CCM+를 사용하였다. STAR-CCM+는 유한체적법에 근거한 상용 CFD 코드로, 본 연구에서는 3차원 비정상상태 비압축성 점성 유동으로 가정해 계산하였다.
5 m/s,4 m/s의 11가지 경우에 대해 수치해석을 수행하였다. 흘수마다 배수량(displacement)이 다르기에 적재할 수 있는 중량이 다르므로 활동의 목적에 따라 몸무게가 80 kg인 성인 2인이 승선하였을 경우(흘수 0.09 m)를 비롯하여 다양한 레저활동의 상황에서는 흘수가 0.24 m까지 될 것이라고 가정하여, 총3가지 흘수를 선정하고 배수량을 계산하였으며, Table 2에 나타내었다.
제안 방법
이에 정부에서는 우리나라 해양레저산업을 육성하기 위해 2008년 ‘해양레저산업 비전 및 발전전략’을 공표하고 해양레저산업을 3단계로 나누어 육성하는 정책을 정해 2020년까지 발전시키려는 의지를 표명하였다. 또한 마리나 항만법을 통해 2010년부터 2019년까지 전국 10권역 43개소의 마리나 산업을 개발하는 계획을 발표하였다.
첫째, 4.64 m급 2인승 카누를 기본치수에 맞춰 SOLIDWORKS 를 이용하여 설계하였다.
둘째, 설계된 파일을 상용 CFD 코드인 STAR-CCM+를 이용하여 자유 수면에서의 파형을 확인하였으며, 저항성능을 평가하였다. 안전성이 유지되는 흘수를 결정해 적정무게를 산정하였다.
둘째, 설계된 파일을 상용 CFD 코드인 STAR-CCM+를 이용하여 자유 수면에서의 파형을 확인하였으며, 저항성능을 평가하였다. 안전성이 유지되는 흘수를 결정해 적정무게를 산정하였다.
결과물을 기반으로 실제 탄소섬유복합재료를 적용하여 카누를 제작하였다.
카누의 초기 설계단계에서는 승선 인원 수, 재료, 사용 목적등과 같은 설계변수를 고려하여 선형 설계를 하였다. 특히, 속도를 즐기는 목적보다는 다양한 수상레저활동을 목적으로, Fig. 1과 같이 2척 또는 그 이상으로 선체를 결합하고 연결부에는 그물망을 설치하여 레저용품 및 수하물들을 탑재할 수 있는 카누를 대상으로 설계하였다. 따라서 안정성을 높일 수 있는 U자형 선형을 채택하였으며, 운반이 수월할 수 있도록 탄소섬유를 이용하여 무게를 줄이고, 기존 카누보다 선형의 길이-폭(L/B) 비를 상대적으로 작게 하였다.
5배이다. 선체에서 발생한 자유수면(free-surface)이 충분히 발달할 수 있으며 왜곡이 발생하지 않도록 설정하였다.
계산은 각기 다른 흘수에 따른 속도 분포를 보여 주여 다양한 상황을 고려하였다. 또한 흘수에 따른 적정 속도 및 안전성을 확인하였다. 흘수는 0.
또한 흘수에 따른 적정 속도 및 안전성을 확인하였다. 흘수는 0.09 m, 0.18 m, 0.24 m의 3가지, 유입속도는 0.3 m/s, 0.6 m/s,0.9 m/s, 1 m/s, 1.2 m/s, 1.5 m/s, 2 m/s, 2.5 m/s, 3 m/s, 3.5 m/s,4 m/s의 11가지 경우에 대해 수치해석을 수행하였다. 흘수마다 배수량(displacement)이 다르기에 적재할 수 있는 중량이 다르므로 활동의 목적에 따라 몸무게가 80 kg인 성인 2인이 승선하였을 경우(흘수 0.
대상선박 운항 시 프루드 수에 따른 저항성능을 확인하기 위해서 각 저항계수를 계산하였다. 저항계수는 해석된 저항값을 이용하여 식(3) ~ (5)를 이용하여 계산하였다.
마스터 플러그를 완성 후, 플러그에 매트와 로빙을 적층하여 몰드를 생성하였다. 몰드 탈형 후 탄소섬유를 배열 한 후 진공성형 공법을 이용하여 선형을 완성하였다. 완성된 선형은 기존 FRP 대비 약 20 % 이상의 경량화를 실현하였고, 군산의 비응항 및 새만금 내수면에서 시운전을 하였다.
수치해석을 통하여 설계한 CFRP 카누의 성능을 확인한 후, 시제품을 만들었으며 시운전까지 완료하였다.
대상 데이터
또한, 식(2)의 #는 Reynolds Stress로 본 연구에서는 Reynolds Stress에 대한 난류 종결을 위해 Park et al.(2013a)이 유사한 선종인 카약에 적용한 Realizablek-∊을 사용하였다.
격자는 트리머(trimmed mesh)를 사용하였으며 Fig. 6에서 카누 주위의 격자를 보이고 있다. 트리머 격자의 경우 적은 수의 격자를 사용하여 선체 주변의 자유수면 해석에 유리하다(Park et al.
이론/모형
본 논문에서는 카누의 저항성능 수치해석을 수행하기 위해 상용코드인 STAR-CCM+를 사용하였다. STAR-CCM+는 유한체적법에 근거한 상용 CFD 코드로, 본 연구에서는 3차원 비정상상태 비압축성 점성 유동으로 가정해 계산하였다.
이에 대응하는 지배방정식으로 연속방정식과 Reynolds Averaged Navier-Stokes(RANS)방정식을 사용하여 계산한다.
성능/효과
1과 같이 2척 또는 그 이상으로 선체를 결합하고 연결부에는 그물망을 설치하여 레저용품 및 수하물들을 탑재할 수 있는 카누를 대상으로 설계하였다. 따라서 안정성을 높일 수 있는 U자형 선형을 채택하였으며, 운반이 수월할 수 있도록 탄소섬유를 이용하여 무게를 줄이고, 기존 카누보다 선형의 길이-폭(L/B) 비를 상대적으로 작게 하였다.
8 m/s, 4 m/s로 추정된다. 따라서 설계한 CFRP 카누의 성능은 스피드를 즐기는 경우에도 적합한 속도이며 2척 이상의 카누를 연결하여 다목적 레저 활동을 즐기기에도 적합한 속도라고 판단된다.
몰드 탈형 후 탄소섬유를 배열 한 후 진공성형 공법을 이용하여 선형을 완성하였다. 완성된 선형은 기존 FRP 대비 약 20 % 이상의 경량화를 실현하였고, 군산의 비응항 및 새만금 내수면에서 시운전을 하였다. 완성된 최종선형은 Fig.
본 연구의 대상체인 CFRP 카누의 흘수가 0.24 m인 경우에는 2 m/s 미만으로, 흘수가 0.18 m인 경우에는 2.5 m/s 미만으로, 그리고 흘수가 0.09 m인 경우에는 4 m/s 미만으로 운항하면 선수부 방향에서 선내로 유입되는 파가 없을 것으로 분석되어 안전한 운항속도를 알 수 있었으며, 전체저항을 기준으로 살펴보면 성인 두 명이 노를 저을 때 충분한 속도가 나올 수 있음을 확인하였다.
CFRP를 적용한 카누를 제작되어 흘수가 같은 크기의 FRP 재질인 카누보다 낮게 되고, 이로 인해 선체에 적재할 수 있는 중량이 증가하게 되어 카누에서 다양한 목적을 가지고 레저 활동을 할 수 있다는 점을 해석을 통하여 간접적으로 확인할 수 있었다.
후속연구
추후 수조모형시험 및 Particle Image velocimetry(PIV) 시험을 통해 CFD 해석결과에 대한 검증을 수행할 예정이며, 자세변화에 따른 저항 성능에 대한 추가적인 연구도 예정하고 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
일반적으로 카누 제작에 사용되는 재료는 어떤 문제가 있는가?
, 2009). 카누는 일반적으로 목재나 FRP 등으로 제작되고 있으나, 이러한 재료들은 인화성으로 인한 화재 위험, 폐기물 처리 문제 등 다양한 환경 문제와 안전문제가 대두되고 있다. 이에 탄소섬유복합재료(CFRP)는 경량, 높은 강도 및 강성도, 내부식성, 내충격성, 친환경성등 다양한 장점이 있는 재료로 현재 카누의 주재료로 사용되는 목재나 FRP 등이 가지는 환경문제와 안전 문제를 해결할 수 있다.
정부에서 우리나라 해양레저산업 육성을 위해 추진한 것은?
소득수준의 향상과 여가시간의 증가에 따라 점차적으로사람들이 레저스포츠에 관심을 가지기 시작했고, 레저스포츠에 대한 관심은 수상에서 즐길 수 있는 수상레저스포츠로 확대되고 있다. 이에 정부에서는 우리나라 해양레저산업을 육성하기 위해 2008년 ‘해양레저산업 비전 및 발전전략’을 공표하고 해양레저산업을 3단계로 나누어 육성하는 정책을 정해 2020년까지 발전시키려는 의지를 표명하였다. 또한 마리나 항만법을 통해 2010년부터 2019년까지 전국 10권역 43개소의 마리나 산업을 개발하는 계획을 발표하였다.
CFRP 카누의 흘수에 따른 저항 특성 및 파형을 분석한 결과는 무엇인가?
본 연구의 대상체인 CFRP 카누의 흘수가 0.24 m인 경우에는 2 m/s 미만으로, 흘수가 0.18 m인 경우에는 2.5 m/s 미만으로, 그리고 흘수가 0.09 m인 경우에는 4 m/s 미만으로 운항하면 선수부 방향에서 선내로 유입되는 파가 없을 것으로 분석되어 안전한 운항속도를 알 수 있었으며, 전체저항을 기준으로 살펴보면 성인 두 명이 노를 저을 때 충분한 속도가 나올 수 있음을 확인하였다.
참고문헌 (7)
Kim, H. J., S. H. Kim and J. H. Jeng(2009), A Study on the Development of Ship Building for the Wooden Canoe by Piling-up Laminated Wooden Plates Kit [1]-A Design for canoe hull and laminating wooden plates for piling-up kit, Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol. 33, No. 5, pp. 762-769.
Oh, D. K., C. W. Lee and U. C. Jung(2013), A Study on the Basic Design and its Characteristics of 50ft-class CFRP Cruise Boat, Journal of The Korean Society of Marine Environment & Safety, Vol. 19, No. 6, pp. 674-680.
Park, C. H., B. H. Park and J. D. Park(2013a), Manufacture of Portable Inflatable Kayak Using Ultra High Pressure Drop Stitch, Korean Institute of Navigation and Port Research, Vol. 37, No. 5, pp. 551-558.
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Park, D. W. and G. M. Park(2014), An Analysis on the Design and Speed Performance of a One-man Boat, Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety, Vol. 20, No. 5, pp. 552-557.
Park, D. W., S. B. Lee, S. B. Chung, H. W. Seo and J. W. Kwon(2013b), Effects of Trim on Resistance Performance of a ship, Journal of the Society of Naval Architects of Korea, Vol. 50, No. 2, pp. 88-94.
Park, S. Y., H. H. Choi and C. B. Park(1999), A Study of Comparison on the Isometric and Isokinetic Muscular Strength in Collegiate Students, The Journal of Physical Education, Vol. 27, pp. 273-286.
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