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문제 정의
- 이는 많은 시간이 소요되는 매우 방대한 작업이다. 따라서 본 논문에서는 가능한 한 정밀도는 유지하면서도 보다 빠른 시간 내에 추정할 수 있도록 하기 위해, 사전에 지정한 범위 값에 대해 저항 및 추진 계수를 계산하여 데이터베이스로 만들어 놓은 후, 이를 이용하여 보다 빠르게 실해역에서의 추진성능을 추정하는 방법을 개발하고 이를 전산화하였다.
- 의 변화를 고려하는 경우, 선박 운항 중 증가하게 되는 프로펠러 표면 거칠기에 대한 영향을 고려해 주어야 하는데, ISO 15016 해석법에서는 그 필요성만 언급했을 뿐, 계산 방법에 대해서는 제안된 것이 없다. 따라서 본 논문에서는 프로펠러 표면 거칠기에 따른 효율 변화를 1978년 ITTC 추진성능 해석법을 이용하여 계산할 수 있도록 하였다(ITTC, 1978).
- 본 논문을 통해 선박 최적운항시스템에 사용될 추진성능 데이터베이스 생성 방법을 개발하였다. 최적운항 항로를 정도 높게 찾아내면서도 계산 시간을 단축하기 위해, 최적의 추진 성능 데이터베이스를 설계하고 구현하였다.
제안 방법
- 또한 두 번째 과정에서는 천수효과를 계산하여 선속을 보정해 주기도 한다. 두번째 과정 계산은 비교적 간단한 것으로서, 이는 최적운항시스템에서 직접 계산하도록 하였다.
- 선박의 최적 항로를 선정하기 위해서는 항로 주변 전체에 대한 각종 외력에 대한 영향을 반복 계산해야 하는데, 이는 많은 시간이 소요된다. 따라서 많은 시간이 소요되는 계산 내용을 사전에 미리 계산해 두고, 본 계산에서는 이 결과를 간단하게 불러와서 활용하기 위해 Fig. 1과 같이 전체 내용을 두 개의 과정으로 나누어 계산하기로 하였다.
- 그러나 이식은 단지 두 개의 곡선으로 모든 형태의 선박에 대한 바람저항을 계산해야 하므로 정확한 값을 얻기는 쉽지 않다고 본다. 따라서 본 논문에서는 풍동시험 결과 입력값이나 JTTC 곡선 외에, Blendermann 이 발표한 여러 가지 선종 및 흘수상태에 대한 바람저항계수 CX 곡선 중에서 가장 적절한 것을 택하여 식 (3)과 같이 계산하도록 하였다. Blendermann 곡선은 22척의 선박에 대해 각각의 풍동시험 결과를 CX로 나타낸 것이다 (Blendermann, 1990-1991).
- 파랑에 의한 부가저항 계산을 위해서는 파입사각과 파고와 파주기가 필요한데, 이 세 가지 변수에 대해 각각의 부가저항을 계산해 두고 이를 사용하려면 많은 시간이 소요되고 데이터의 양도 너무 많으므로, 파고와 파주기는 Pierson-Moskowitz 해양파 스펙트럼을 적용하여, 연동되는 것으로 간주하고 파고만을 대표값으로 사용하여 계산해 두도록 하였다 (Department of National Defence of Canada, 2016). 따라서 파입사각은 0도에서 180도까지 10도 간격으로 19개, 파고는 임의로 13개로 나누어 정하였다.
- 는 ISO 15016;2002 해석법에 따라 두 단계로 계산하게 된다. 먼저 사전 계산으로서 규칙파 중 부가저항의 응답함수를 계산해 둔 후, 본 계산에서는 이를 이용하여 실해역의 파랑 상태에 대한 불규칙파에서의 부가저항을 계산하게 된다. 파랑에 의한 선체 운동에 따른 부가저항은 Maruo 방법을 사용하고, 단파에 의한 반사파 영향은 Faltinsen 방법이나 Kwon 방법이나 Fujii-Takahashi 방법 중에 택하도록 하였다.
- 바람에 의한 부가저항 계산을 위한 풍향은 0도에서 180도까지 10도 간격으로 19개, 표류각 변화에 따른 부가저항 계산을 위한 표류각도 또한 0도에서 180도까지 10도 간격으로 19개로 나누어 정하였다.
- 본 논문을 통해 개발된 추진성능 데이터베이스 프로그램을 쇄빙 연구선 아라온 호에 적용하여 계산해 보았다. 아라온 호의 제원은 Table 4와 같다.
- 생성된 데이터베이스는 선박의 최적운항시스템의 추진성능 계산에 사용하기 위한 모든 자료를 망라하기 위해, 흘수 상태별 그리고 선속별로, 정수 중 저항계수와 각종 부가저항 그리고 축동력 산출에 필요한 각종 추진계수들로 구성되어 있다. 부가저항에는 파랑, 바람, 표류 및 선체 표면 거칠기 영향이 포함되어 있다.
- 선체 표면 거칠기 변화에 따른 부가저항 계산을 위한 표면 거칠기는 0mm 에서 2mm 까지 0.05mm 간격으로 21개로 나누어 정하였다.
- 파랑에 의한 부가저항은 선체 운동에 의한 부가저항과 반사파에 의한 부가저항으로 각각 나누었으며, 파랑은 또다시 풍파와 너울로 나누어 계산하도록 하였다. 이들 추정 방법들을 종합하여 일련의 전산프로그램으로 만들었다.
- 파랑에 의한 선체 운동에 따른 부가저항은 Maruo 방법을 사용하고, 단파에 의한 반사파 영향은 Faltinsen 방법이나 Kwon 방법이나 Fujii-Takahashi 방법 중에 택하도록 하였다. 이들 파랑에 의한 부가저항 계산은 파랑을 풍파 (wind wave)와 너울 (swell)로 구분하여 양쪽 모두를 각각 계산하여 합산하도록 하였다.
- 첫 번째 과정 (Phase I)에서는 모형시험 또는 통계해석을 통해, 흘수 상태별로 정수 중 저항계수와 각종 추진계수를 찾아내어 데이터베이스에 포함시키도록 하였다. 첫 번째 과정에서 계산해 둘 부가저항은 파랑, 바람, 표류각 및 선체 표면 거칠기 영향으로서, 각각의 계산에서 미리 계산해 둘 변수의 내용과 범위는 Table 2와 같다.
- 첫 번째 과정 (Phase I)에서는 흘수 상태별로, 정수 중 저항 계수와 추진계수 그리고 여러 가지 해상 상태에 대한 파랑 및 바람 등에 의한 부가저항을 미리 계산해서 데이터베이스로 만들어 놓고, 두 번째 과정 (Phase II)에서는 임의의 선박 및 해상 상태에 대해서, 각종 정수중 저항 및 부가저항 그리고 추진계수 값을 데이터베이스로부터 불러와서 선박의 축동력을 구하도록 하였다.
- 첫 번째 과정 (Phase I)으로서 아라온 호의 최적운항시스템을 구축하기 위한 추진성능 데이터베이스를 만들기 위해 3개의 흘수 상태에 대해, 선속 2노트부터 17노트까지 1노트 간격으로 16개 속력에 대해 계산해 두었다.
- 본 논문을 통해 선박 최적운항시스템에 사용될 추진성능 데이터베이스 생성 방법을 개발하였다. 최적운항 항로를 정도 높게 찾아내면서도 계산 시간을 단축하기 위해, 최적의 추진 성능 데이터베이스를 설계하고 구현하였다.
- 추진성능 추정을 위한 각종 부가저항 계산은 Table 1과 같이 ISO 15016:2002 해석법을 근간으로 하여 계산하고, ISO 15016:2002 해석법에 없거나 부족한 내용은 여러 가지 해석법을 검토하여 적절한 방법을 추가하였다. ISO 해석법은 당초 선박 건조 후 실선 시운전 결과로부터 각종 외력의 영향을 배제하고 정수중 기본 저항을 추정하기 위한 방법으로서, 본 논문에서 다루고자 하는 계산과는 반대의 과정이다.
- 파랑에 의한 부가저항 계산은 파랑을 풍파와 너울로 구분하여, 각각 선체 운동에 의한 저항 증가와 반사파에 의한 저항 증가를 계산해 두도록 하였다. 파랑에 의한 부가저항 계산을 위해서는 파입사각과 파고와 파주기가 필요한데, 이 세 가지 변수에 대해 각각의 부가저항을 계산해 두고 이를 사용하려면 많은 시간이 소요되고 데이터의 양도 너무 많으므로, 파고와 파주기는 Pierson-Moskowitz 해양파 스펙트럼을 적용하여, 연동되는 것으로 간주하고 파고만을 대표값으로 사용하여 계산해 두도록 하였다 (Department of National Defence of Canada, 2016).
- 부가저항에는 파랑, 바람, 표류 및 선체 표면 거칠기 영향이 포함되어 있다. 파랑에 의한 부가저항은 선체 운동에 의한 부가저항과 반사파에 의한 부가저항으로 각각 나누었으며, 파랑은 또다시 풍파와 너울로 나누어 계산하도록 하였다. 이들 추정 방법들을 종합하여 일련의 전산프로그램으로 만들었다.
대상 데이터
- 본 논문은 해양수산부 “북극항로 운항선박의 항해안전지원시스템 개발(2/5) (PMS3190)”과제의 일환으로 작성되었다.
이론/모형
- IMO에서 제정한 선박의 에너지효율에 관한 규칙 가운데 신조선의 에너지 효율 설계지수 (EEDI, Energy Efficiency Design Index) 검증을 위한 기준식에서 선속은 실선시운전 결과로부터 얻어지는 값을 사용하는데, 이 선속은 속력시운전 결과를 ISO 15016:2002 해석법 (ISO, 2002)으로 계산하도록 하였다 (IMO, 2009, IMO, 2012). 이는 현재 전 세계적으로 발표된 실해역 성능 해석법 가운데에서는 ISO 15016 해석법이 가장 정확하다고 판단한 결과라고 볼 수 있다.
- 더구나 실해역을 장기간 운항하는 선박의 경우 이 영향이 무시할 수 없을 만큼 크다고 판단된다. 따라서 본 논문에서는 선체 표면 거칠기에 따른 부가 저항 RAR을 1978년 ITTC 추진성능 해석법을 이용하여 식 (4)와 같이 계산할 수 있도록 하였다 (ITTC, 1978).
- 선체가 일정 표류각을 가지고 운항하는 경우, SR208 방법으로 부가저항을 계산하도록 하였다 (ISO, 2002).
- 파랑에 의한 부가저항 RAW는 ISO 15016;2002 해석법에 따라 두 단계로 계산하게 된다. 먼저 사전 계산으로서 규칙파 중 부가저항의 응답함수를 계산해 둔 후, 본 계산에서는 이를 이용하여 실해역의 파랑 상태에 대한 불규칙파에서의 부가저항을 계산하게 된다.
- 파랑에 의한 부가저항 계산은 파랑을 풍파와 너울로 구분하여, 각각 선체 운동에 의한 저항 증가와 반사파에 의한 저항 증가를 계산해 두도록 하였다. 파랑에 의한 부가저항 계산을 위해서는 파입사각과 파고와 파주기가 필요한데, 이 세 가지 변수에 대해 각각의 부가저항을 계산해 두고 이를 사용하려면 많은 시간이 소요되고 데이터의 양도 너무 많으므로, 파고와 파주기는 Pierson-Moskowitz 해양파 스펙트럼을 적용하여, 연동되는 것으로 간주하고 파고만을 대표값으로 사용하여 계산해 두도록 하였다 (Department of National Defence of Canada, 2016). 따라서 파입사각은 0도에서 180도까지 10도 간격으로 19개, 파고는 임의로 13개로 나누어 정하였다.
- 먼저 사전 계산으로서 규칙파 중 부가저항의 응답함수를 계산해 둔 후, 본 계산에서는 이를 이용하여 실해역의 파랑 상태에 대한 불규칙파에서의 부가저항을 계산하게 된다. 파랑에 의한 선체 운동에 따른 부가저항은 Maruo 방법을 사용하고, 단파에 의한 반사파 영향은 Faltinsen 방법이나 Kwon 방법이나 Fujii-Takahashi 방법 중에 택하도록 하였다. 이들 파랑에 의한 부가저항 계산은 파랑을 풍파 (wind wave)와 너울 (swell)로 구분하여 양쪽 모두를 각각 계산하여 합산하도록 하였다.
성능/효과
- Fig. 5의 결과를 보면, Beaufort 5에 해당하는 유의파고 2.44m의 풍파가 선수로부터 오는 경우, 선체 운동에 의한 부가저항은 정수중 기본 저항의 약 5%이며, 반사파에 의한 부가 저항은 정수 중 기본 저항의 약 10% 정도임을 알 수 있다. 또한 선속과 동일한 속력의 바람을 선수로부터 받을 경우, 바람에 의한 부가저항은 정수 중 기본 저항의 약 3%임을 알 수 있다.
후속연구
- 쇄빙연구선 아라온 호에 대해서 계산이 수행되었으며 생성된 데이터베이스는 앞으로 아라온 호의 최적 운항 시스템에 활용될 예정이다. 이 데이터베이스 생성 프로그램은 선박 운항시스템의 항로 최적화 계산에 유용하게 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 쇄빙연구선 아라온 호에 대해서 계산이 수행되었으며 생성된 데이터베이스는 앞으로 아라온 호의 최적 운항 시스템에 활용될 예정이다. 이 데이터베이스 생성 프로그램은 선박 운항시스템의 항로 최적화 계산에 유용하게 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
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