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문제 정의
- 본 연구에서는 174K 쌍축 LNG 운반선에 선미관 유닛을 적용할 수 있는지 검토하기 위해 선미 변형량을 계산하였다. 선미 변형량 계산을 위해 선박의 조종성능으로부터 해석 조건을 선정하고, CFD를 활용하여 반류 분포를 추정하였다.
- 본 연구의 목적은 상대적으로 선미부가 약한 174K 쌍축 LNG 운반선에 선미관 유닛을 적용할 수 있는가를 판단하기 위함이며 적용 가능하면 실선에 장착하고자 한다.
제안 방법
- Vartdal, et al. (2009)과 Shin (2015)의 연구를 통해 선회 시 프로펠러의 수평 방향 하중이 상당히 크게 작용한다는 사실을 확인하였으며, 그 결과를 토대로 본 연구에서는 선박의 운항 중 선미변형을 가장 크게 일으키는 경우를 선회 시로 선정하여 선박의 선회 성능을 평가하였다.
- 또한, 해석을 통해 얻은 쌍축 LNG 운반선의 변형량에 대한 안정성 평가를 위해 선미관 유닛을 기 적용하고 있는 19,000 TEU급 대형 컨테이너 운반선의 변형량 평가와 비교하여 적용 가능성을 확인하였다.
- 모든 조건에 대한 해석은 캐비테이션을 고려하지 않은 비정상 조건에서 수행하였으며 쌍축 프로펠러의 회전 방향은 좌현 위치는 시계방향, 우현 위치는 반시계 방향인 안쪽회전(inward rotation)을 적용하였다.
- 반류 추정은 CFD 상용 프로그램인 STAR-CCM+로 수행하였고, 편심 하중 추정은 Shin (2015)의 연구에서 적용한 바와 같이 프로펠러 양력면 해석코드 (MPUF3A)로 수행하였다.
- 변형량을 프로펠러 직경으로 나눈 이유는 보수적인 관점에서 선미관 유닛의 적용가능성을 허용하기 위함이며, 19,000 TEU급 대형 컨테이너 운반선에 같은 방법을 적용하여 직경 대비 최대 변형량이 0.075%보다 작은 값이 산출되면 174K 쌍축 LNG 운반선에서는 선미관 유닛의 적용을 허용하지 않는 안전여유의 개념으로 도입하였다
- 본 연구에서는 174K 쌍축 LNG 운반선에 선미관 유닛을 적용할 수 있는지 검토하기 위해 선미 변형량을 계산하였다. 선미 변형량 계산을 위해 선박의 조종성능으로부터 해석 조건을 선정하고, CFD를 활용하여 반류 분포를 추정하였다. 계산된 추력 편심과 하중을 적용하여 선미에서의 변형량을 계산한 바 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 선회 시 프로펠러 편심 하중 추정을 수행하고, 편심 하중 작용에 따른 선미 변형량 평가를 수행하였다.
- 축계 모델을 보요소로 별도로 구성하였고, 프로펠러 하중을 선미관 베어링 위치의 반력으로 치환하기 위해 선미관 베어링을 10개의 구간으로 나누어 상하좌우에 총 40개의 gap 요소 (상용유한요소해석 solver인 NASTRAN의 접촉 요소)를 배치하였다.
- 축계의 프로펠러 위치에 프로펠러 하중을 입력하여 비선형 구조해석을 수행하고 그 결과를 전선 유한요소모델에 적용하여 선체 변형량 계산을 수행하였다.
대상 데이터
- 본 해석은 쌍축 LNG 운반선을 대상으로 하고 있어, 좌우의 프로펠러면 모두를 확인하였다. 직진 시 나타나는 반류 분포에 대해 Fig.
- 유동장 구성을 위해 사용된 격자는 물체 표면의 프리즘 격자와 육면체 격자(trimmer mesh)가 사용되었다. 사용된 격자 수는 3,194,760개, 격자 점은 3,374,648개이다. 한편 해석에 사용된 수치기법은 Table 2에 나타내었다.
데이터처리
- CFD로 계산된 반류 분포를 이용하여 프로펠러 면에서의 모멘트와 프로펠러 회전축으로부터의 추력 편심을 계산하였다. 본 해석은 앞서 쌍축 LNG 운반선과는 다르게 단축이기 때문에 좌현과 우현 선회 모두를 고려해야 하며 이는 Table 6에 나타내었다.
- LNG 운반선과 동일한 방법으로 반류 분포 추정, 추력 편심 계산, 변형량 계산을 수행하였다. 해석 결과, 쌍축 LNG 운반선과 동일하게 최대 선수 동요 속도를 가지는 Case 1에서 가장 큰 변형이 나타났으며, 이 때의 반류 분포는 Fig.
- 수치해석을 통해 계산된 편심 하중을 이용하여 선미 변형량을 추정하였다. 계산에 사용된 해석 모델과 경계 조건은 Fig.
- 쌍축 LNG 운반선의 직진 및 선회 운동에 대한 수치해석을 위해 상용 수치해석 프로그램인 STAR-CCM+를 활용하였다. 수치해석은 실선 축척(full scale)으로 수행하였다.
- 축계의 프로펠러 위치에 프로펠러 하중을 적용하여 비선형 구조해석을 수행하면 축과 베어링이 접촉하는 요소에만 반력이 나타나며, 그 반력 값을 전선 유한요소모델에 적용하여 선체 변형량 계산을 수행하였다.
- 해석을 통해 얻은 쌍축 LNG 운반선의 변형량에 대한 안정성 평가를 위해 선미관 유닛을 기 적용하고 있는 19,000 TEU급 대형 컨테이너 운반선과 비교하였다.
이론/모형
- 따라서 2.2절에서 언급된 방법을 통해 CFD로 추정한 실선 스케일의 프로펠러 유입면 3차원 반류 분포에 대하여 조화해석(harmonic analysis)을 수행하여 반경 별로 축방향, 반경방향, 접선방향의 유동 성분에 대한 조화계수를 추정하고 이를 와류 격자법 해석 코드(MPUF3A)의 입력 자료로 사용하였다.
- 본 연구에서는 프로펠러 하중 추정을 위해서 프로펠러 설계 및 성능 추정에 있어 실용적으로 많이 사용되는 양력면 이론에 의한 와류 격자법 해석 코드(MPUF3A)를 적용하였다.
- 쌍축 LNG 운반선의 직진 및 선회 운동에 대한 수치해석을 위해 상용 수치해석 프로그램인 STAR-CCM+를 활용하였다. 수치해석은 실선 축척(full scale)으로 수행하였다. 자유수면은 STAR-CCM+에서 제공하는 VOF(Volume Of Fluid) 기반의 다상혼합(multiphase mixture) 모델을 적용해 구현하였으며, 난류 모형으로는 레이놀즈 스트레스 난류 모델이 적용되었다.
- 수치해석은 실선 축척(full scale)으로 수행하였다. 자유수면은 STAR-CCM+에서 제공하는 VOF(Volume Of Fluid) 기반의 다상혼합(multiphase mixture) 모델을 적용해 구현하였으며, 난류 모형으로는 레이놀즈 스트레스 난류 모델이 적용되었다. 표면에 과도한 프리즘 격자 생성을 방지하기 위해 High y+ wall treatment모델이 적용되었으며, 시간 전진을 위해 1차 정확도의 내재적 방법을 활용하였다.
- 자유수면은 STAR-CCM+에서 제공하는 VOF(Volume Of Fluid) 기반의 다상혼합(multiphase mixture) 모델을 적용해 구현하였으며, 난류 모형으로는 레이놀즈 스트레스 난류 모델이 적용되었다. 표면에 과도한 프리즘 격자 생성을 방지하기 위해 High y+ wall treatment모델이 적용되었으며, 시간 전진을 위해 1차 정확도의 내재적 방법을 활용하였다. 유동장 구성을 위해 사용된 격자는 물체 표면의 프리즘 격자와 육면체 격자(trimmer mesh)가 사용되었다.
- 프로펠러 하중을 선체에 적용하기 위해 Shin & Choe (2004)가 축계 해석 시 사용한 방법을 도입하였다.
- 선박의 운항 중 선미변형을 가장 크게 일으키는 경우는 선회 시로 판단하여 선회 성능을 평가하였다. 해당 선박에 대한 선회 성능은 SSPA에서 수행된 설계흘수에서의 자유항주 시험 결과를 바탕으로 평가하였다 (Oh, 2014). 초기 진입 속도를 바탕으로 선회 성능은 Fig.
성능/효과
- 174K 쌍축 LNG 운반선의 경우 최대 선수 동요 속도를 가질 때 최대 선미 변형률은 프로펠러 직경 대비 0.075%로 나타났으며, 이는 단축의 19,000 TEU 급 컨테이너 운반선 최대 선미 변형률인 0.079%보다 작은 수치이므로 174K 쌍축 LNG 운반선에 선미관 유닛 적용이 가능하다고 판단된다.
- 174K 쌍축 LNG 운반선의 프로펠러 하중이 19,000 TEU급 대형 컨테이너 운반선의 프로펠러 하중보다 상당히 작은 값임을 확인하였다.
후속연구
- 선미 변형량 분석 결과, 174K 쌍축 LNG 운반선에 선미관 유닛 적용이 가능하다고 판단되며, 이를 실제 호선에 적용할 예정이다.
- 이 결과를 토대로 추후 수주되는 174K 쌍축 LNG 운반선에 선미관 유닛을 장착할 예정이다.
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