[논문]정수중 및 파랑중 저수심에서의 초대형 컨테이너선에 작용하는 유체력 특성에 관한 연구

이상민

doi:10.7837/kosomes.2017.23.6.613

초록
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최근의 초대형 컨테이너선들은 점차 거대화되고 있으며, 흘수의 증가로 인한 연안해역 및 항만 등과 같은 저수심 수역에서의 안전항해에 많은 주의가 필요하다. 이러한 저수심 해역을 항행하는 초대형 컨테이너선은 정수중 뿐만 아니라 파랑중에서의 선박 운동 특성을 파악하여야 할 필요가 있다. 저수심 해역에서는 특히 선박의 상하운동에 의한 스쿼트 현상이 안전 항해의 중요한 평가 요소가 될 수 있으며, 수평방향으로 작용하는 파표류력은 선박의 조종성능에 미치는 영향이 매우 크다고 할 수 있다. 본 연구에서는 저수심 해역을 항행하는 초대형 컨테이너선을 대상으로 선박에 수직방향으로 작용하는 파랑강제력과 수평방향으로 작용하는 파표류력에 대하여 전산유체역학에 의한 수치시뮬레이션을 실시하였다. 그 결과 천수역에서 정수중 전저항 값이 큰 폭으로 증가하고 있는 것을 알 수 있었다. 파랑중 단파장 영역보다는 장파장 영역이 될수록 수심과 관계없이 파표류력은 작아지고 있는 모습을 보여주고 있다. 또한 파랑강제력은 천수역에서 다른 수심의 유체력 값에 비해 상당히 크게 작용하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 선체중앙 부분의 파고는 낮아지고 선미쪽 파고는 더욱 높아지는 현상을 파악할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, the size of container ships has been progressively increasing, and much attention is required for safe navigation in shallow areas such as coastal waters and ports due to increases in draft. It is necessary to understand the characteristics of ship motion not only in still waters but also ...

Recently, the size of container ships has been progressively increasing, and much attention is required for safe navigation in shallow areas such as coastal waters and ports due to increases in draft. It is necessary to understand the characteristics of ship motion not only in still waters but also with waves. Especially in shallow regions, squat due to the vertical movement of the ship can be an important evaluation factor for the safe navigation, and wave drift force acting in the horizontal direction can have a great influence on the maneuverability of a ship. In this study, a numerical simulation using computational fluid dynamics has been performed for the wave exciting force acting in the vertical direction and the wave drift force acting in the horizontal direction for a very large container vessel sailing in shallow zone. As a result, it was found that total resistance in still waters greatly increased in shallow water. Wave drift force was shown to decrease given longer wavelengths regardless of water depth. It was observed that the wave exciting force in shallow water was considerably larger than at other water depths. As wave height against the central part of the ship lowered, the aft side rose.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

저수심 해역에서는 특히 선박의 상하운동에 의한 스쿼트 현상이 안전항해의 중요한 평가 요소가 될 수 있으며, 수평방향으로 작용하는 파표류력은 선박의 조종성능에 미치는 영향이 매우 크다고 할 수 있다. 본 연구에서는 저수심 해역을 항행하는 초대형 컨테이너선을 대상으로 정수중 전저항 및 파랑중 선박에 수직방향으로 작용하는 파랑강제력과 수평방향으로 작용하는 파표류력에 대하여 CFD에 의한 수치시뮬레이션을 실시하였으며, 그 특성에 대하여 조사 및 분석하였다.

제안 방법

천수역과 관련된 기존 대부분의 연구는 정수중을 대상으로 선박의 스쿼트와 저항특성에 관한 분야가 대부분이었지만, 본 연구에서는 정수중 뿐만 아니라 파랑중에서의 초대형 컨테이너선 주위 유동장 및 압력분포 등을 해석함으로써 선박의 안전운항과 관련된 유체력들의 영향을 정량적으로조사·분석하였다.

대상 데이터

심수역과 천수역에서 선박에 작용하는 유체력 특성을 수치시뮬레이션 하기 위하여 본 연구에서는 14,000TEU급 실선크기의 초대형 컨테이너선(Duisburg Test Case, DTC)을 대상선박으로 선택하였으며, 기본적인 제원과 형상은 Table 2와 Fig. 2에 나타내고 있다. 보다 상세한 내용은 El Moctar etal.

이론/모형

난류모델은 Realizable k-ε 모델을 사용하였으며 wall function을 적용하였다. k-ε모델은 산업 응용 분야에서 광범위하게 사용되고 있고 CPU 계산 시간의 경제성 등에 있어서 장점이 있으며(Tezdogan et al.
수치해석에 사용된 해양파 모델은 Tezdogan et al.(2016b)의 연구를 참고하여 프로그램에서 해당되는 모델을 선택하여 수치계산을 수행하였다. 즉 무차원화된 τ(period number)를 먼저 구하고 (τ = T_w(g/h)^1/2), τ>8인 경우에는 first-order Stokeswave를 사용하고 이외의 경우에는 fifth-order Stokes wave를 선택하여 수치계산을 실행하였다.
시간 이산화는 1차 음해법을 채택하였고, 속도-압력 연성은 SIMPLE 방법을 사용하였다. 난류모델은 Realizable k-ε 모델을 사용하였으며 wall function을 적용하였다.
자유수면은 VOF(Volume of Fluid)법을 적용하여 해결하였다. 본 연구에서는 파랑의 반사와 간섭현상을 억제하기 위하여 wave damping 기능을 이용하였으며, 선박길이에 해당하는 범위를 유출영역과 횡방향 측면쪽에 적용하여 수치계산을 수행하였다.

성능/효과

0을 제외하고 거의 유사한 경향을 보여주고 있다. 단파장 영역보다는 장파장 영역이 될수록 파표류력은 더욱 작아지고 있는 것을 알 수 있다. 이와 같은 이유는 λ/L = 2.
정수중에서의 유체력 특성을 살펴보면, 심수역(H/T = 5.0)에 비해서 H/T = 2.0인 경우 전저항 계수 값이 8.95% 증가하고 있으며, 천수역(H/T = 1.5)의 경우 전저항 계수 값의 증가율은37.41 %로서 매우 큰 폭으로 저항이 커지고 있는 것을 확인 하였다. 선박에 작용하는 압력분포는 수심이 낮아질수록 선수쪽 압력이 높아지고 있으며, 선체중앙부의 압력은 점차 감소되어 천수역에서의 선체침하를 발생시키는 원인이라고 판단된다.
5의 경우에는 단파장 영역에서 수직방향의 유체력 값이 다른 수심의 유체력 값에 비해 상당히 크게 분포되어 있다. 천수역이 될수록 선체중앙부분의 파형과 선미 뒤쪽 파형의 진폭 차이가 더욱 크게 나타나고 있는 현황을 확인할 수 있었다.

후속연구

41%로서 매우 큰 폭으로 저항이 커지고 있는 모습을 보여주고 있다. 이러한 천수역에서의 저항 증가는 선회권의 크기와 같은 선박 조종성능과 연관성이 있을 것으로 판단되며, 천수역에서의 선회성 및 침로안정성에 관한 후속연구가 필요하다고 할 수 있다.
향후 Reynolds Stress Model(RSM)과 같은 다른 난류모델을 이용한 수치해석을 실시하여 난류모델의 선택에 의한 수치계산 결과의 차이 등에 대하여 연구가 지속되어야 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	저수심 해역을 항행하는 초대형 컨테이너선에서 파악해야 하는 것은?	이러한 초대형 컨테이너선들은 점차 거대화되고 있으며, 흘수의 증가로 인한 연안해역 및 항만 등과 같은 저수심 수역에서의 안전항해에 많은 주의가 필요하다. 이러한 저수심 해역을 항행하는 초대형 컨테이너선은 정수중 뿐만 아니라 파랑중에서의 선박의 운동 특성을 파악하여야 할 필요가 있다.
	일반적으로 파도가 존재하는 해역에서 파랑이 선박에 미치는 영향의 구분은?	일반적으로 파도가 존재하는 해역에서 파랑이 선박에 미치는 영향은 선체운동의 발생, 선속의 저하, 파표류력의 작용 등으로 구분되어 질 수 있다(Ruiz et al., 2015).
	초대형 컨테이너선이 저수심 해역에서 안전한 항해를 위해 특히 중요하게 평가해야 하는 것은?	이러한 저수심 해역을 항행하는 초대형 컨테이너선은 정수중 뿐만 아니라 파랑중에서의 선박 운동 특성을 파악하여야 할 필요가 있다. 저수심 해역에서는 특히 선박의 상하운동에 의한 스쿼트 현상이 안전 항해의 중요한 평가 요소가 될 수 있으며, 수평방향으로 작용하는 파표류력은 선박의 조종성능에 미치는 영향이 매우 크다고 할 수 있다. 본 연구에서는 저수심 해역을 항행하는 초대형 컨테이너선을 대상으로 선박에 수직방향으로 작용하는 파랑강제력과 수평방향으로 작용하는 파표류력에 대하여 전산유체역학에 의한 수치시뮬레이션을 실시하였다.

참고문헌 (14)

El Moctar, O., V. Shigunov and T. Zorn(2012), Duisburg Test Case: Post-Panamax Container Ship for Benchmarking, Ship Technology, Res 59(3), pp. 50-64.
Faltinsen, O. M.(1998), Sea Loads on Ships and Offshore Structure, Cambridge University Press, p. 145.
Gourlay, T.(2008), Slender-Body Methods for Predicting Ship Squat, Ocean Engineering, Vol. 35, No. 2, pp. 191-200.

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Jachowski, J.(2008), Assessment of Ship Squat in Shallow Water Using CFD, Archives of Civil and Mechanical Engineering, Vol. 8, No. 1, pp. 27-36.

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Kijima, K., R. Tanaka, Y. Furukawa and T. Kaneko(2001), Simple Prediction Method on Squat, Transactions of the West-Japan Society of Naval Architects, No. 103, pp. 101-110.
Lee, S. W.(2015), A Study on the Manoeuvrability as Function of Stern Hull Form in Shallow Water, Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety, Vol. 21, No. 5, pp. 552-557.

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PIANC(1992), Capability of Ship Manoeuvring Simulation Models for Approach Channels and Fairways in Harbours. Report of Working Group No. 20 of Permanent Technical Committee , Supplement to PIANC Bulletin No. 77.
Ruiz, M. T., S. De Caluwe, T. Van Zwijusvooorde, G. Delefortrie and M. Vantorre(2015), Wave Effects in 6DOF on a Ship in Shallow Water, MARSIM 2015.
Sung, Y. J. and S. H. Park(2015), Prediction of Ship Manoeuvring Performance Based on Virtual Captive Model Tests, Journal of the Society of Naval Architects of Korea, Vol. 52, No. 5, pp. 407-417.

원문보기 상세보기
Tezdogan, T., A. Incecik and O. Turan(2016a), A Numerical Investigation of the Squat and Resistance of Ships Advancing through a Canal Using CFD, Journal of Marine Science and Technology, Vol. 21, No. 1, pp. 86-101.

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Tezdogan, T., A. Incecik and O. Turan(2016b), Full-scale Unsteady RANS Simulations of Vertical Ship Motions in Shallow Water, Ocean Engineering, Vol. 123, pp. 131-145.

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Yao, J. X. and Z. J. Zou(2010), Calculation of Ship Squat in Restricted Waterways by Using a 3D Panel Method, 9th International Conference on Hydrodynamics, pp. 489-493.
Yun, K. H., B. J. Park and D. J. Yeo(2014), Experimental Study of Ship Squat for KCS in Shallow Water, Journal of the Society of Naval Architects of Korea, Vol. 51, No. 1, pp. 34-41.

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