원양어선 제501 오룡호는 황천 중인 베링해에서 조업 후 피항하던 중 개구부를 통한 침수로 인하여 침몰하였으며 많은 선원들이 사망하고 실종되었다. 본 연구에서는 유체-구조 연성(Fluid-Structure Interaction, FSI) 해석기법의 고도 정밀 M&S(highly advanced Modeling & Simulation) 시스템을 사용하여 실선 침수 침몰 시뮬레이션을 수행하여 침몰사고의 과정을 정확하고 과학적으로 분석하고자 하였다. 베링해 침몰사고 시의 기상 및 해상상태를 객관적으로 확보하기 위하여 침몰사고 지역의 시간대별 기상 및 해상 시뮬레이션을 수행하여 침몰사고 당시 파랑과 강풍 등을 분석하고, 불규칙 파랑과 강풍 스펙트럼을 사용하여 구현하였다. 사고선박의 선체 도면 등을 통하여 선박의 선형, 배치 및 중량 분포와 외부 해수 침수 개구부 및 선내 침수 경로를 분석하고 주요 탱크들의 용적과 그들의 중량 분포를 추정하여 침수 침몰 시뮬레이션을 위한 시나리오를 작성하고, 사고선박의 전선과 유체(공기 및 해수)를 상세 모델링을 하였다. 본 연구를 통하여 침수 침몰사고는 단순한 복원성의 부족으로 인한 일반적인 전복 침몰사고와는 다소 차이가 있다는 것도 확인할 수 있었다.
원양어선 제501 오룡호는 황천 중인 베링해에서 조업 후 피항하던 중 개구부를 통한 침수로 인하여 침몰하였으며 많은 선원들이 사망하고 실종되었다. 본 연구에서는 유체-구조 연성(Fluid-Structure Interaction, FSI) 해석기법의 고도 정밀 M&S(highly advanced Modeling & Simulation) 시스템을 사용하여 실선 침수 침몰 시뮬레이션을 수행하여 침몰사고의 과정을 정확하고 과학적으로 분석하고자 하였다. 베링해 침몰사고 시의 기상 및 해상상태를 객관적으로 확보하기 위하여 침몰사고 지역의 시간대별 기상 및 해상 시뮬레이션을 수행하여 침몰사고 당시 파랑과 강풍 등을 분석하고, 불규칙 파랑과 강풍 스펙트럼을 사용하여 구현하였다. 사고선박의 선체 도면 등을 통하여 선박의 선형, 배치 및 중량 분포와 외부 해수 침수 개구부 및 선내 침수 경로를 분석하고 주요 탱크들의 용적과 그들의 중량 분포를 추정하여 침수 침몰 시뮬레이션을 위한 시나리오를 작성하고, 사고선박의 전선과 유체(공기 및 해수)를 상세 모델링을 하였다. 본 연구를 통하여 침수 침몰사고는 단순한 복원성의 부족으로 인한 일반적인 전복 침몰사고와는 다소 차이가 있다는 것도 확인할 수 있었다.
Deep-sea fishing vessel No. 501 Oryong was fully flooded through its openings and sunk to the bottom of the sea due to the very rough sea weather on the way of evasion after a fishing operation in the Bearing Sea. As a result, many crew members died and/or were missing. In this study, a full-scale s...
Deep-sea fishing vessel No. 501 Oryong was fully flooded through its openings and sunk to the bottom of the sea due to the very rough sea weather on the way of evasion after a fishing operation in the Bearing Sea. As a result, many crew members died and/or were missing. In this study, a full-scale ship flooding sinking simulation was conducted, and the sinking process was analyzed for the precise and scientific investigation of the sinking accident using highly advanced Modeling & Simulation (M&S) system of Fluid-Structure Interaction (FSI) analysis technique. To objectively secure the weather and sea states during the sinking accident in the Bering Sea, time-based wind and wave simulation at the region of the sinking accident was carried out and analyzed, and the weather and sea states were realized by simulating the irregular strong wave and wind spectrums. Simulation scenarios were developed and full-scale ship and fluid (air & seawater) modeling was performed for the flooding sinking simulation, by investigating the hull form, structural arrangement & weight distribution, and exterior inflow openings and interior flooding paths through its drawings, and by estimating the main tank capacities and their loading status. It was confirmed that the flooding and sinking accident was slightly different from a general capsize and sinking accident according to the simple loss of stability.
Deep-sea fishing vessel No. 501 Oryong was fully flooded through its openings and sunk to the bottom of the sea due to the very rough sea weather on the way of evasion after a fishing operation in the Bearing Sea. As a result, many crew members died and/or were missing. In this study, a full-scale ship flooding sinking simulation was conducted, and the sinking process was analyzed for the precise and scientific investigation of the sinking accident using highly advanced Modeling & Simulation (M&S) system of Fluid-Structure Interaction (FSI) analysis technique. To objectively secure the weather and sea states during the sinking accident in the Bering Sea, time-based wind and wave simulation at the region of the sinking accident was carried out and analyzed, and the weather and sea states were realized by simulating the irregular strong wave and wind spectrums. Simulation scenarios were developed and full-scale ship and fluid (air & seawater) modeling was performed for the flooding sinking simulation, by investigating the hull form, structural arrangement & weight distribution, and exterior inflow openings and interior flooding paths through its drawings, and by estimating the main tank capacities and their loading status. It was confirmed that the flooding and sinking accident was slightly different from a general capsize and sinking accident according to the simple loss of stability.
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문제 정의
본 논문에서는 그 중에서 침수⋅침몰 시뮬레이션 부분만 소개하고자 한다. 또한 용역을 수행할 당시에는 해양안전심판의 특별조사부가 제공한 조사 자료를 기반으로 수행하였으며 원인분석을 위해 수행한 시뮬레이션 결과를 소개하고자 한다.
본 논문에서는 그 중에서 침수⋅침몰 시뮬레이션 부분만 소개하고자 한다.
본 연구용역에서는 LS-DYNA 코드(LSTC, 2013)의 유체구조 연성(Fluid-Structure Interaction, FSI) 해석기법의 고도정밀 M&S(highly advanced Modeling & Simulation) 시스템을 사용하여 실선(full-scale ship) 침수⋅침몰 시뮬레이션을 수행하여 침몰사고의 경과 과정을 합리적으로 재현하여 사고원인을 분석하고자 하였다.
제안 방법
FSI 해석기법의 고도 정밀 M&S 시스템을 이용한 사고선박의 침수⋅침몰 시뮬레이션은 방대한 계산시간과 용량이 요구되므로 어획물을 투하한 후 피항 시의 과정과 어획물과 연료유를 좌현으로 이동시킨 후 침몰 시까지의 과정으로 크게 2가지 시나리오를 설정하고 각 단계별로 어획물처리실 뿐만 아니라 기관실과 어창에도 해수가 유입되어 침몰하는 과정을 구체적으로 세분화하였다.
각 시나리오에 따른 실선 침수⋅침몰 시뮬레이션의 결과들을 거친 해상상태에서와 사고선박에 발생한 횡종요 운동에 따른 선박의 거동과 선내에서의 해수 유입에 따른 구획별 침수과정과 유동을 동영상을 제작하여 실제와 같이 현실감 있게 구현하였다.
각 시나리오의 단계 별 사고선박의 선체 거동에 따른 자세인 선수미 흘수(종경사), 횡경사, 전체 배수량, 선내 해수의 구획별 침수량 등을 Fig. 3과 Table 1에서와 같이 FSI 해석기법을 사용한 부양 시뮬레이션과 유체정역학적 특성치 프로그램 계산 결과를 비교 검토하여 정확히 추정하였다. 여기서 선체의 횡경사와 종경사 등은 선체 중앙부와 종단면 상의 각 위치를 정확히 추정하여 구하였다.
또한 사고선박의 선형, 선체 구조도 및 일반배치도 등의 도면과 선박복원성 계산서 등(SIP of BRMST, 2015b)을 통하여선박의 선형과 중량 분포를 분석하고, 외부 침수 유입구 및 선내 침수경로, 어획량 및 연료유 등의 중량분포를 파악하여, 이를 기반으로 FSI 해석기법을 이용한 실선 침수⋅침몰 시뮬레이션을 위한 사고선박의 전선과 유체(공기 및 해수)를 상세하게 모델링 하였다.
본 연구용역에서 제안한 침수⋅침몰 시뮬레이션 시나리오는 해양안전심판원의 특별조사부의 조사 자료를 참조하여 실선 침수⋅침몰 시뮬레이션과 비손상 및 손상 복원성 계산 등을 수행한 후 여러 가지 고려할 인자들과 원인분석을 위한 과정을 분석 검토한 후 타당성 있게 수정 보완하여 시뮬레이션과 복원성 계산을 여러 번 반복 수행한 후 최종적으로 설정한 것이다.
본 연구용역에서는 러시아 베링해 침몰사고 지역의 기상 및 해상상태를 객관적으로 확보하기 위하여 침몰사고 지역의 시간대별 해상 시뮬레이션을 수행하여 침몰사고 당시의 파랑과 강풍 등을 분석하였고, Bretschneider & Mitsuyasu 스펙트럼(Bretschneider, 1968, Mitsuyasu, 1970)과 von Karman 모델(Mucke, T. et al., 2012)을 이용하여 FSI 해석기법으로 불규칙 파랑과 강풍을 구현하였다.
사고선박 실선 모델링을 정확히 수행하기 위해 도면들과 복원성 계산서 등을 참조하는 이외에 유사선 Mys Yeakteriny과 자매선인 Orion-505를 방선하여 선체구조 및 배치를 철저히 확인하였다. Fig.
서론에서 언급한 바와 같이 실선 침수⋅침몰 시뮬레이션을 위한 시나리오는 여러 번의 시뮬레이션과 복원성 계산을 통해 사고선박의 선체의 자세와 해수 침수량 등을 검증하여 최종적으로 다음과 같이 설정하였다.
서론에서 언급한 바와 같이 침몰사고 지역의 기상 및 해상 상태를 객관적으로 분석하고 FSI 해석기법을 이용하여 침몰 사고 당시의 해상상태를 구현하였다. Fig.
3과 Table 1에서와 같이 FSI 해석기법을 사용한 부양 시뮬레이션과 유체정역학적 특성치 프로그램 계산 결과를 비교 검토하여 정확히 추정하였다. 여기서 선체의 횡경사와 종경사 등은 선체 중앙부와 종단면 상의 각 위치를 정확히 추정하여 구하였다. 본 연구용역에서 제안한 침수⋅침몰 시뮬레이션 시나리오는 해양안전심판원의 특별조사부의 조사 자료를 참조하여 실선 침수⋅침몰 시뮬레이션과 비손상 및 손상 복원성 계산 등을 수행한 후 여러 가지 고려할 인자들과 원인분석을 위한 과정을 분석 검토한 후 타당성 있게 수정 보완하여 시뮬레이션과 복원성 계산을 여러 번 반복 수행한 후 최종적으로 설정한 것이다.
이를 검증하기 위하여 Fig. 15에서와 같이 좌현 선미각도 각각 45° , 60° 및 80°의 강풍과 파도를 받는 해상상태에서의 실선 표류(drifting) 시뮬레이션을 수행하였다.
이를 위하여, 어획물을 피쉬벙커에 투하하면서 다량의 해수가 유입된 상황에서 해치커버를 불완전하게 폐쇄하고 피항 하던 중 크게 우현으로 급경사가 발생하였고 어획물과 연료유를 좌현으로 이동시킨 후 파도를 좌현에서 우현으로 받으면서 또다시 좌현으로 급경사하고 선미가 수면에 잠기면서 침몰하는 과정을 크게 2가지 시나리오로 나누어 실선 침수⋅침몰 시뮬레이션을 수행하였다.
대상 데이터
2014년 12월 1일 17:06경(현지시각), 북태평양 러시아 베링해에서 조업 중이던 Fig. 1의 원양어선 제501 오룡호(총톤수 1,753톤, 길이 76.17m, 너비 13.00m, 깊이 8.40m, 1978월 1월 1일 건조)이 기상악화로 어획물처리실(processing & working space), 어창(fish hold) 등에 다량의 해수가 유입되어 침몰되고 승선원 60명 중 선원 53명이 사망 및 실종되었다.
본 연구에서는 제501 오룡호 사고의 침몰⋅침몰 시뮬레이션을 수행하였다.
이론/모형
(a)에서와 같이 파주기 8.0s, 유의파고 4.5m의 Bretschneider & Mitsuyasu 스펙트럼을, 불규칙 강풍은 15m/s의 불규칙 강풍 von Karman 모델을 사용하였다.
본 연구용역에서는 LS-DYNA 코드의 MMALE(MultiMaterial Arbitrary Lagrangian Eulerian) 기법과 Fig. 2와 같은 Euler-Lagrange 연성 알고리즘(coupling algorithm)을 이용하는 FSI 해석기법을 사용하였다. 이 기법은 유한요소 격자를 이동시키는 알고리즘(moving mesh algorithm)과 유체격자(fluid grid)와 구조물 격자(structure mesh)를 겹치게 하여 복잡한 구조물과의 유체를 연성하는 것을 편리하게 시뮬레이션할 수 있다.
본 연구진은 해양안전심판원 특별조사부의 사고선박의 관련 조사 자료와 도면 등(SIP ofBRMST, 2015a & 2015b)을 토대로 침몰사고의 명확한 사고의 원인을 규명하기 위하여 침수⋅침몰 시뮬레이션(flooding⋅sinking simulation)과 비손상 및 손상 복원성 계산을 통하여 침몰사고 과정을 분석하는 연구용역(Lee and Lee, 2015)을 수행하였다.
성능/효과
Fig. 23의 Case 1-1과 Fig. 27의 횡요응답과 Fig. 28의 침수⋅침몰 시뮬레이션의 거동에서와 같이 사고선박이 횡요 운동이 반복되고 선미 우현이 해수면에 주기적으로 일부 잠기고 파도가 선미 갑판부를 덮치면서 불완전하게 폐쇄된 해치커버를 통하여 해수가 침수되었고 파도가 좌현 선측을 스쳐 지나가면서 부딪쳐서 오물배출구를 통해서도 일부 해수가 유입되었으며 횡요도 점점 증가하여 선체가 약 5 정도 우현으로 경사하고 있음을 알 수 있다.
무게중심보다 위에 있는 어획물처리실에만 해수가 유입되었다면 선미부의 선미트림이나 선미부의 수면 아래로의 침하가 그렇게 크게 증가하지는 않았을 것으로사료되고 횡경사가 전진됨에 따라 선박의 복원성은 훨씬 더 빨리 악화되었을 것으로 사료된다. 사고선박의 경우 급격하게 횡경사가 크게 진행되어도 선미부가 수면 아래로 침수되면서 기관실과 어창에 유입된 다량의 해수로 인하여 무게중심이 다소 아래로 내려가므로 일반적인 복원성 부족으로 인한 전복에 의한 침몰사고이라기 보다는 선미의 침수가 병행한 대각도의 횡경사로 이어진 전복으로 침몰되었다는 것을 본 수치 시뮬레이션의 거동으로 확인할 수 있었다.
침몰사고 당일 주변 해상은 약 4.0∼4.5m의 유의파고가 약 110° 정도의 파향에, 파도주기는 약 8.0s를 유지하고 있었고, 풍속은 약 15.0m/s 정도에 약 75° 정도 전후의 풍향을 유지하고 있음을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
충돌, 좌초, 접촉 등의 해난사고의 수치 시뮬레이션을 일반적으로 어떻게 실행하나요?
본 연구용역에서는 LS-DYNA 코드(LSTC, 2013)의 유체구조 연성(Fluid-Structure Interaction, FSI) 해석기법의 고도정밀 M&S(highly advanced Modeling & Simulation) 시스템을 사용하여 실선(full-scale ship) 침수⋅침몰 시뮬레이션을 수행하여 침몰사고의 경과 과정을 합리적으로 재현하여 사고원인을 분석하고자 하였다. 일반적으로 충돌, 좌초, 접촉 등의 해난사고의 수치 시뮬레이션을 육상의 자동차 충돌 시뮬레이션과 같이 해수(유체)를 무시하고 공기 중의 무중력 상태에서 수행하는 것이 일반적이다. 공기 밀도의 약 1,000배인 해수 중에서 거동하는 선박을 육상과 같이 지면에 올려놓거나 공중의무중력 상태에 둔다면 실제적이고 정확한 시뮬레이션 결과를 얻을 수가 없다는 것은 당연하다.
이 논문의 실선(full-scale ship) 침수⋅침몰 시뮬레이션은 어떤 시스템을 사용하였나요?
본 연구용역에서는 LS-DYNA 코드(LSTC, 2013)의 유체구조 연성(Fluid-Structure Interaction, FSI) 해석기법의 고도정밀 M&S(highly advanced Modeling & Simulation) 시스템을 사용하여 실선(full-scale ship) 침수⋅침몰 시뮬레이션을 수행하여 침몰사고의 경과 과정을 합리적으로 재현하여 사고원인을 분석하고자 하였다. 일반적으로 충돌, 좌초, 접촉 등의 해난사고의 수치 시뮬레이션을 육상의 자동차 충돌 시뮬레이션과 같이 해수(유체)를 무시하고 공기 중의 무중력 상태에서 수행하는 것이 일반적이다.
선박이 바다에 있을 때 해수가 가져야 할 연성효과는 무엇인가?
선박이 해수 중에서 거동하는 경우에는 해수와 다음과 같은 여러 가지 연성효과(coupling effect)들을 고려하여야 할 것이다. 먼저 해수 중에 부양(floating)되어야 하고, 6자유도 운동(motion)을 할 수 있어야 하고, 운항 중일 경우 파도(wave)를 생성하거나 영향을 받아야 하고, 선내로 해수가 침수(flooding)될 수 있어야 하고, 해수 중에서 두 물체가 다가가면 공기 중과는 달리 큰 압착압력(squeezing pressure)이 발생하고, 스쳐 지나가면 압력저하(bank effect)가 발생할 것이다.
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