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문제 정의
- 속도시운전은 대마도 근처에서 수행되었으며, 수중음향 센서들을 설치한 부표를 띄우고 수행한 수중방사소음 계측은 마산 앞바다에서 수행하였다. 실선 캐비테이션 관찰 및 변동압력 계측은 두 경우 모두 수행하였으나 속도시운전이 새벽에 수행되면서 태양광을 이용하는 고속카메라 촬영에 선명도가 떨어지는 문제가 있어, 본 논문에서는 수중방사소음 계측과 동시에 수행된 결고만 언급하고자 한다. 실선 캐비테이션 시험을 위한 대상선 운항조건은 Table 1에 정리되어 있다.
제안 방법
- 실선 캐비테이션 시험을 위한 대상선 운항조건은 Table 1에 정리되어 있다. MCR, 84% MCR(NCR), 75% MCR 조건에서 캐비테이션 관찰, 변동압력 및 소음 계측을 수행하였으며, 조류에 의한 영향을 고려하고자 같은 운항조건에서 항로를 옹복하면서 계측을 수행하였다. 왕복 운항시 프로펠러 회전수는 동일하였으며, 소요동력도 큰 차이를 보이지는 않지만, MCR 조건에서만 선속의 차이가 나타났다.
- MR Tanker선을 대상으로 실선 캐비테이션 관찰, 변동압력 계측 및 수중방사소음으로 구성되는 종합적인 실선 캐비테이션시 험을 수행하였다. 또한 모형선을 제작히여 LCT에서 모형시험을 수행하여 모형선-실선 상관관계를 모든 시험 항목에 대하여 검토하여 모형시험의 실선 예측정도를 평가해 보았다.
- 실선 캐비테이션 형상 및 거동 관찰은 태양광을 이용하여 고속카메라로 촬영을 수행하였다. Table 1에 나타난 운항조건이 안정적으로 유지되었을 때 카메라 촬영을 수행하였는데, 초당 500장 영상을 취득하는 속도(500 frames/sec)로 촬영을 수행하였다. 촬영시간은 3초 정도이며 영상의 일부를 약 5° 간격으로 정리하여 Fig.
- MR Tanker선을 대상으로 실선 캐비테이션 관찰, 변동압력 계측 및 수중방사소음으로 구성되는 종합적인 실선 캐비테이션시 험을 수행하였다. 또한 모형선을 제작히여 LCT에서 모형시험을 수행하여 모형선-실선 상관관계를 모든 시험 항목에 대하여 검토하여 모형시험의 실선 예측정도를 평가해 보았다. 기존에 컨테이너선이나 LNG 선 등에 대하여 변동압력에 대한 모형선-실선 상관관계를 추정하여 LCT 실험의 실선성능 예측 정도가 우수하다는 평가를 한 바 있으나, 실선에서 캐비테이션 거동 및 발생량 등의 관찰이 수행되지 않아 종합적인 평가에 제한이 있었다
- 모형선-실선 상관관계 정립을 위해 컨테이너선 및 LNG선 외에 다른 선종의 실선 캐비테이션 시험 자료 확보가 요구된 바 국내 조선소에서 건조 중이었던 MR Tanker선을 대상으로 실선 캐비테이션관찰, 변동압력 계측 및 수중방사소음을 계측하였다 실선프로펠러 캐비테이션 시험을 위한 관련 기술인 관측창 선정을 위한 3차원 선체형상 분석기술, 관련 치구 설계 및 제작기술, 캐비테이션 촬영 및 변동압력 계측기술 등은 함정 프로펠러를 대상으로 개발이 된 봐 있으며(Ahn et al. 2012), 개발된 기술을 대상선에 적용하여 일련의 실선 캐비테이션 실험을 수행히였다, 또한 모형선을 제작하여 LCT에 설치하고 실선 캐비테이션 시험을 수행한 운항조건에서 모형시험을 수행하여, 모형선-실선 상관관 계 도출을 위한 연구를 수행하였다
- 실선프로펠러 캐비테이션 시험은 대상선의 시운전 시험과 동시에 수행하였다. 속도시운전은 대마도 근처에서 수행되었으며, 수중음향 센서들을 설치한 부표를 띄우고 수행한 수중방사소음 계측은 마산 앞바다에서 수행하였다. 실선 캐비테이션 관찰 및 변동압력 계측은 두 경우 모두 수행하였으나 속도시운전이 새벽에 수행되면서 태양광을 이용하는 고속카메라 촬영에 선명도가 떨어지는 문제가 있어, 본 논문에서는 수중방사소음 계측과 동시에 수행된 결고만 언급하고자 한다.
- 실선 캐비테이션 형상 및 거동 관찰은 태양광을 이용하여 고속카메라로 촬영을 수행하였다. Table 1에 나타난 운항조건이 안정적으로 유지되었을 때 카메라 촬영을 수행하였는데, 초당 500장 영상을 취득하는 속도(500 frames/sec)로 촬영을 수행하였다.
- 실선프로펠러 캐비테이션 시험 대상 선박인 MR Tanker선의 모형선을 Fig. 10과 같이 제작하여 LCT에서 캐비테이션 시험을 수행하였다 모형선-실선 상관관계를 조사하기 위하여 실선 캐비테이션 시험을 수행한 운항조건에서 시험조건을 Table 2와 같이 도출하여 모형시험을 수행하였다.
- 추진기 소음 모형시험 시 활용할 수 있는 계측 시스템을 고안, 설치하여 실선 추진기 캐비테이션 수중방사 소음 계측 결과와 비교하였다 소음 센서는 Fig.18에 나타난 것처럼 대형터널 시험부 바닥에 설치되어 우레탄으로 몰딩된 system1(H1 & H2)과 외부로 돌출된 날개형상 스트럿에 설치된 system2(H3)등 두 가지 형태로 설치 구성하여 소음계측에 활용히였다. MCR 조건에서 계측된 모형시험 결과를 ITTC 방법에 따라 실선 확장 후 실선 계측 결과와 비교히였다.
- 3에 나타난 것과 같이 관찰창 및 센서 설치 위치를 결정히였다. 프로펠러 캐비테이션 관찰창 2개(W1, W2), 변동압력 센서 설치치 구 8개(F1, F2, P1, P2, C0, S1, S2, A1) 및 소음센서(H3)를 캐비테이션 관찰 가능 범위, 구조도, 작겁가능 영역 등을 고려하여 배치하몄다. 따라서, 센서 위치는 모형시험과 정확하게 일치하기는 어려웠다.
- 프로펠러 캐비테이션에 의하여 유기된 변동압력은 캐비테이션 관찰과 동시에 계측이 수행되었다. Fig.
데이터처리
- 18에 나타난 것처럼 대형터널 시험부 바닥에 설치되어 우레탄으로 몰딩된 system1(H1 & H2)과 외부로 돌출된 날개형상 스트럿에 설치된 system2(H3)등 두 가지 형태로 설치 구성하여 소음계측에 활용히였다. MCR 조건에서 계측된 모형시험 결과를 ITTC 방법에 따라 실선 확장 후 실선 계측 결과와 비교히였다. 모형 시험 결과의 실선 확장법은 ITTC'87 방법에 의한 것으로 이 기법은 아래 식과 같다.
이론/모형
- MCR 조건에서 계측된 모형시험 결과를 ITTC 방법에 따라 실선 확장 후 실선 계측 결과와 비교히였다. 모형 시험 결과의 실선 확장법은 ITTC'87 방법에 의한 것으로 이 기법은 아래 식과 같다.
성능/효과
- 8은 각각 84% MCR(NCR)과 75% MCR 조건에서 관찰된 캐비테이션 거동을 보여준다. MCR 조건에서 캐비테이션 발생량이 NCR 조건보다 약간 증가한 것으로 보여지는데, 캐비테이션의 발생량이 적고 프로펠러 회전 수 차이가 작아 큰 차이는 보이지 않는다 74% MCR 조건에서도 84% MCR 보다 캐비테이션 양이 줄었지만 전체적인 거동 등은 유사하며, 앞서 언급한 바와 같이 발생량 변화는 작다. 방위각 변화에 따른 왕복 운항은 캐비테이션 발생량 및 거동에 차이가 거의 없어 한 개의 방향만 정리해도 문제가 없었다.
- 7kHz의 소음 피크는 모형 추진기의 명음에 의한 것으로 판단된다. 명음은 추진기 날개 후류의 흘림 주파수(shedding frequency)와 날개으I 공진 주파수가 일치하여 발생하는 현상으로 추진기 소음 모형 시험 중 모형 추진기 날개 흘림 주 파수를 바꾸기 우히여 모형 추진기 회전수를 변화시켰을 때 이러한 현상이 사라지는 것을 확인하였다 그러므로 모형 시험 결과의 실선 확장 시 0.7kHz 대역 음압 피크는 명음에 의한 것이며 명음은 추진기 날개의 구조와 유동 현상의 상호 작용에 의해 발생하는 현상이기에 모형-실선 상관관계가 없어 이를 무시할 수 있다
- 실선 캐비테이션 관찰시험에서 나타나는 캐비테이션 거동 및 발생량은 날개끝 보오텍스 캐비테이션 거동에서 약간의 차이가 있었지만 모형시험과 거의 유사한 것으로 보인다. 실선 수 중방사소음과 LCT에서 수행한 여러가지 프로펠러 소음 시험결과는 100Hz 이상의 고주파 영역에서 잘 일치하는 것으로 나타났다.
- MCR, 84% MCR(NCR), 75% MCR 조건에서 캐비테이션 관찰, 변동압력 및 소음 계측을 수행하였으며, 조류에 의한 영향을 고려하고자 같은 운항조건에서 항로를 옹복하면서 계측을 수행하였다. 왕복 운항시 프로펠러 회전수는 동일하였으며, 소요동력도 큰 차이를 보이지는 않지만, MCR 조건에서만 선속의 차이가 나타났다.
- 19에서 보이는 것처럼 100Hz 이상의 대역에서 모형 시험 결과가 실선 계측 결과와 잘 일치함을 볼 수 있다. 추진기 소음 모형 시험의 실선 확장 결과 주파수 대역 0.7kHz의 소음 피크는 모형 추진기의 명음에 의한 것으로 판단된다. 명음은 추진기 날개 후류의 흘림 주파수(shedding frequency)와 날개으I 공진 주파수가 일치하여 발생하는 현상으로 추진기 소음 모형 시험 중 모형 추진기 날개 흘림 주 파수를 바꾸기 우히여 모형 추진기 회전수를 변화시켰을 때 이러한 현상이 사라지는 것을 확인하였다 그러므로 모형 시험 결과의 실선 확장 시 0.
- 함정을 대상으로 개발된 실선 캐비테이션시험 기법을 상선에 적용하여 성공적인 결고를 얻었으며, 모형선-실선 상관관계 추정 결과 모든 시험항목에서 모형시험 예측정도가 우수함을 알 수 있었다 변동압력은 모형시험에서 실선보다 약간 큰 값이 계측되었지만 센서 위치별 경향이 거의 일치한다. 모형시험 조건 도출시 소요 동력의 여유분을 감안하면 변동압력 차이는 타당한 결과라고 사료된다.
- 현재의 연구결고를 바탕으로 최근 증가추세에 있는 중형 Tanker급 선박에 모형시험의 실선 예측정도가 우수함을 혹인할 수 있었다. 앞으로도 다양한 선형에 실선시험을 통하여 모형선실선 상관관계를 연구하여 모형시험에 예측정도를 높일 수 있는 선종별 시험법 개발이 계속 추진되어야 한다.
후속연구
- 정도 높은 실선 예측을 위하여는 다양한 DB 구축을 통한 상관관계 정립 및 모형시험 정도 향상 연구를 계속 수행하여야 할 것으로 사료된다. 또한 운항성능 추정을 위한 예인수조 시험의 고도화도 함께 수행되어야 할 것이다.
- 현재의 연구결고를 바탕으로 최근 증가추세에 있는 중형 Tanker급 선박에 모형시험의 실선 예측정도가 우수함을 혹인할 수 있었다. 앞으로도 다양한 선형에 실선시험을 통하여 모형선실선 상관관계를 연구하여 모형시험에 예측정도를 높일 수 있는 선종별 시험법 개발이 계속 추진되어야 한다.
- 모형 시험 결과의 실선 확장결과와 실선 계측결과를 비교해보면 100Hz 이하의 대역에서는 모형 시험 결과가 실선결고!에 비해 크게 추정되었는데 이는 모형 시험이 이루어지는 환경과 실해 역고으 계측 환경 차이에 의한 것으로 판단되며 저주파 대역결과 해석에 대한 추적 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 모형시험에서 예측된 변동압력은 캐비테이션 발생형태에 영향을 받기 때문에 실선과의 차이는 캐비테이션 발생 상시성의 차이라고 사료된다. 정도 높은 실선 예측을 위하여는 다양한 DB 구축을 통한 상관관계 정립 및 모형시험 정도 향상 연구를 계속 수행하여야 할 것으로 사료된다. 또한 운항성능 추정을 위한 예인수조 시험의 고도화도 함께 수행되어야 할 것이다.
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