[논문]강제동요를 이용한 원형실린더 점성 롤댐핑 연구

양승호

doi:10.5762/kais.2017.18.2.71

강제동요를 이용한 원형실린더 점성 롤댐핑 연구
Study on the Viscous Roll Damping around Circular Cylinder Using Forced Oscillations 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.18 no.2, 2017년, pp.71 - 76

초록
AI-Helper

선박 및 해양구조물 설계에 있어 롤댐핑에 관한 문제는 유체점성과 현상자체의 비선형성으로 인해 공학자들에게 있어 난제로 남아있다. 본 연구에서는 강제동요방법을 이용하여 원형실린더의 점성 롤감쇠에 관한 연구를 수행하였다. 토크 센서를 이용하여 강제동요 시 발생하는 롤모멘트(roll moment)를 강제동요 주기별로 계측하였고 이를 실험식(empirical formula)과 비교 검토 하였다. 점성에 의한 전단력으로부터 계측된 토크의 크기가 상대적으로 작은 값임에도 불구하고 실험식으로부터 얻어진 계산값들과 정성적으로 유사한 결과를 보였고, 일부 주기에서는 정량적으로도 잘 일치하는 결과를 보였다. 또한, PIV 계측기법을 통해 원형실린더 벽면주위의 유동을 면밀히 관찰하였으며, 유체점성으로 인해 원형실린더 벽면근처에서 경계층이 형성되고 자유수면에서 원형실린더의 주기적인 강제회전동요로 인해 미소한 크기의 파가 생성(wave making)됨을 PIV 계측결과의 분석을 통해 확인하였다. 본 연구에서는 점성 롤감쇠로 인한 실험식의 적합성을 모형시험을 통해 확인하였고, PIV 계측기법을 통해 벽면주위의 유체점성으로 인한 조파현상을 입증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The roll damping problem in the design of ships and offshore structures remains a challenge to many researchers due to the fluid viscosity and nonlinearity of the phenomenon itself. In this paper, the study on viscous roll damping of a circular cylinder was carried out using forced oscillations. The roll moment generated by forced oscillation using a torque sensor was measured for each forced oscillation period and compared with the empirical formula. Although the magnitude of the measured torque from the shear force was relatively small, the results were qualitatively similar to those obtained from the empirical formula, and showed good agreement with the quantitative results in some oscillation periods. In addition, the flow around the circular cylinder wall was observed closely through the PIV measurements. Owing to the fluid viscosity, a boundary layer was formed near the wall of the circular cylinder, and a minute wave was generated by periodical forced oscillations at the free surface through the PIV measurement. In this study, the suitability of the empirical formula for the roll moment caused by viscous roll damping was verified by model tests. The wave making phenomenon due to the fluid viscosity around the wall of a circular cylinder was testified by PIV measurements.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

계측된 토크 값은 기존의 실험식과 비교·검토하여 추정법의 타당성 및 정확도를 확인하고자 하였다.
본 연구에서는 롤댐핑에 기여하는 여러 댐핑들 중, 마찰 댐핑에 대해 최신의 모형시험 장비와 계측기법들을 통해 그 값을 추출해 보고 기존에 알려진 전단응력에 관한 실험식으로부터 유도된 롤모멘트식의 적합성 및 정확도를 확인해 보고자 하였다. 또한, 롤댐핑 성분들 중 상대적으로 작은 값으로 인해 무시해 왔던 유체점성으로 인한 조파 댐핑 기여분을 확인해 보고자 하였다. 이를 통해, 현대적 관점에서 롤댐핑에 관한 제안된 롤모멘트식의 정확도와 선박 및 해양구조물 초기설계 적용 타당성을 살펴보고자 하였다.
본 연구에서는 강제동요방법을 이용하여 원형실린더의 점성 롤댐핑에 대한 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 롤댐핑에 기여하는 여러 댐핑들 중, 마찰 댐핑에 대해 최신의 모형시험 장비와 계측기법들을 통해 그 값을 추출해 보고 기존에 알려진 전단응력에 관한 실험식으로부터 유도된 롤모멘트식의 적합성 및 정확도를 확인해 보고자 하였다. 또한, 롤댐핑 성분들 중 상대적으로 작은 값으로 인해 무시해 왔던 유체점성으로 인한 조파 댐핑 기여분을 확인해 보고자 하였다.
본 연구에서는 부산대학교(Pusan National University, 이하 PNU)에 있는 모형시험용 수조시설을 활용하여 원형실린더 강제동요방법을 이용한 롤댐핑 모형시험을 수행하고자 한다. 현재까지 원형실린더 형태의 물체에 대해 순수전단력(pure shear)에 의한 토크(torque)를 직접 적으로 계측한 사례는 거의 없는 것으로 알려져 있다.
이를 통해, 현대적 관점에서 롤댐핑에 관한 제안된 롤모멘트식의 정확도와 선박 및 해양구조물 초기설계 적용 타당성을 살펴보고자 하였다. 뿐만 아니라, 강제동요를 이용한 롤댐핑 값의 추정에 있어 PIV(Particle Image Velocity, 이하 PIV)계측기법을 통해 대상물체 주변 유동장을 면밀히 살펴보고 유체점성으로 인한 조파현상을 규명하고자 하였다.
원형실린더 모델에 대한 강제동요 모형시험을 실시하여 롤운동에 의한 토크값을 얻고자 하였다.
또한, 롤댐핑 성분들 중 상대적으로 작은 값으로 인해 무시해 왔던 유체점성으로 인한 조파 댐핑 기여분을 확인해 보고자 하였다. 이를 통해, 현대적 관점에서 롤댐핑에 관한 제안된 롤모멘트식의 정확도와 선박 및 해양구조물 초기설계 적용 타당성을 살펴보고자 하였다. 뿐만 아니라, 강제동요를 이용한 롤댐핑 값의 추정에 있어 PIV(Particle Image Velocity, 이하 PIV)계측기법을 통해 대상물체 주변 유동장을 면밀히 살펴보고 유체점성으로 인한 조파현상을 규명하고자 하였다.

제안 방법

강제동요를 이용한 롤모멘트 계측 모형시험 결과와 PIV기법을 이용한 원형실린더 주변 유동장 계측 모형시험 결과를 3.1과 3.2에 각각 요약하였다.
강제회전동요 시의 원형실린더 롤모멘트를 직접 계측하고 실험식과 비교·검토하여 그 적합성을 검토하였다. 회전동요 주기별 롤모멘트 계측결과가 실험식과 정성적 경향과 정량적 크기면에서 비교적 잘 일치하였다.
현재까지 원형실린더 형태의 물체에 대해 순수전단력(pure shear)에 의한 토크(torque)를 직접 적으로 계측한 사례는 거의 없는 것으로 알려져 있다. 따라서, 모형시험 중 수조 내에 대상모델 주변의 마찰 댐핑으로 인한 토크를 계측하고 이와함께 모델 주변의 조파 현상이 함께 관찰되도록 PIV 계측기법을 이용한 원형실린더 주변 유동계측을 동시에 수행하였다. 계측된 토크 값은 기존의 실험식과 비교·검토하여 추정법의 타당성 및 정확도를 확인하고자 하였다.
또한, PIV 계측기법을 이용하여 원형실린더 벽면근처의 유동장 형태를 관찰하였고, 점성으로 인한 원형실린더 주변 자유수면파의 생성현상을 파악하였다.
근래에 와서 PIV 계측기법을 이용하여 대상 유동장을 정밀하게 계측하는 연구방법이 일반화되고 있다. 본 연구에서도 원형실린더 주변 유동장의 변화를 가시화하고 이를 분석하기 위하여 PNU에서 보유중인 PIV 계측 시스템을 모형시험 수행 시 이용하였다[12]. Fig.
는 수조내에 설치된 원형실린더 모델을 보여준다. 지그(jig)를 이용하여 모델을 수조 내에 고정하였고 원형실린더 내부공간을 활용하여 모델의 구동에 필요한 장치들을 구성하였다.

성능/효과

둘째, PIV 계측결과를 토대로 볼 때, 원형실린더 벽면 자유수면 근처에서 국소적으로 와가 형성되고 미소자유 수면파가 생성되어 주변으로 퍼져나가는 현상을 실험적으로 확인 할 수 있다.
모형시험 결과를 이론식과 비교해 볼 때, 특정주기에서는 정량적으로 잘 일치하는 결과를 보였고 일부주기(T=1.1s)에서는 다소 큰 값을, 일부주기(T=1.2∼1.6s)에서는 근소하게 크거나 작은 값을 보였다.
셋째, 강제동요로 인한 방사파(radiation wave)의 발생현상이 있음에도 불구하고 그 크기가 극히 작은 것으로 관찰되는 바, 점성으로 인한 순수전단력에 의한 방사 파는 무시할 수 있다.
첫째, 실험식에 기초한 원형실린더 롤모멘트식을 이용하여 유체점성에 의한 롤모멘트를 계측값과 유사한 수준으로 추정할 수 있다.
강제회전동요 시의 원형실린더 롤모멘트를 직접 계측하고 실험식과 비교·검토하여 그 적합성을 검토하였다. 회전동요 주기별 롤모멘트 계측결과가 실험식과 정성적 경향과 정량적 크기면에서 비교적 잘 일치하였다.

후속연구

또한, 계측된 데이터들의 기울기가 이론식에 비해 약간 크게 나타났다. 그러나, 점성에 의한 롤모멘트 값 자체가 다른 감쇠값들에 비해 상대적으로 아주 작은 값이기 때문에 차이가 나는 주기에 대해 향후 CFD 등을 통한 추가적인 연구가 필요할 것을 사료된다.
본 연구에서 수행된 원형실린더 주변 순수 점성 감쇠력 계측 및 실험식과의 비교· 평가가 향후 실제 선박 및 해양구조물 롤감쇠력(roll damping force) 추정을 위한 기본토대가 될 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	롤댐핑의 근본적인 평가법은 무엇인가?	과거부터 현재에 이르기까지 롤댐핑에 관한 근본적인 평가법은 모형시험을 통한 감쇠시험을 통해 직접 롤댐핑 값을 얻어내는 방법이다. 대상 선박 혹은 대상 해양구조 물에 대한 모형을 제작하여 롤감쇠 시험(roll decay test) 을 통해 롤댐핑 값을 산정하고 있으며, 근래에 이르러서는 컴퓨터의 급속한 발전과 더불어 전산유체역학 (Computational Fluid Dynamics, 이하 CFD)을 이용한 수치해석적 방법을 통해 롤댐핑 값을 추정하기 위한 시도들이 이어지고 있다[7,8].
	롤댐핑은 어떻게 구분할 수 있는가?	Himeno, Ikeda, Tanaka 등의 연구에 따르면 롤댐핑은 마찰 댐핑(friction damping), 에디 댐핑(eddy damping), 리프트 댐핑(lift damping), 조파 댐핑(wave making damping) 등으로 구분할 수 있으며, 빌지킬이 부착된 선박의 경우 빌지킬로 인한 부가적인 댐핑항들이 발생하게 된다. 각각의 항들은 간략화된 공식이나 수치해석을 통해서 구할 수 있으며 전체 롤댐핑의 각 부분으로서 선박의 롤댐핑에 기여하게 된다[3-6].
	모형시험 중 PIV 계측기법을 이용한 유동계측을 동시 수행한 이유는?	본 연구에서는 부산대학교(Pusan National University, 이하 PNU)에 있는 모형시험용 수조시설을 활용하여 원형실린더 강제동요방법을 이용한 롤댐핑 모형시험을 수행하고자 한다. 현재까지 원형실린더 형태의 물체에 대해 순수전단력(pure shear)에 의한 토크(torque)를 직접 적으로 계측한 사례는 거의 없는 것으로 알려져 있다. 따라서, 모형시험 중 수조 내에 대상모델 주변의 마찰 댐핑으로 인한 토크를 계측하고 이와함께 모델 주변의 조파 현상이 함께 관찰되도록 PIV 계측기법을 이용한 원형실린더 주변 유동계측을 동시에 수행하였다.

참고문헌 (12)

J.M.J. Journee, W.W. Massie, Offshore Hydrodynamics, 1st edition, pp. 298-304, Delft University of Technology, Jan. 2001.
Himeno, Y, Prediction of Ship Roll Damping - A State of the Art, report no. 239, Department of Naval Architecture and Marine Engineering, University of Michigan, Sep. 1981.
Ikeda, Y., Himeno, Y., Tanaka, N., "On Roll Damping Force of Ship - Effects of Friction of Hull and Normal Force of Bilge Keels", Journal of the Kansai Society of Naval Architects, Japan no. 161, pp. 41-49, 1976.
Ikeda, Y., Komatsu, K., Himeno, Y., Tanaka, N., "On Roll Damping Force of Ship - Effects of Hull Surface Pressure Created by Bilge Keels", Journal of the Kansai Society of Naval Architects, Japan no. 165, pp. 31-40, 1977.
Ikeda, Y., Himeno, Y., Tanaka, N., "On Eddy Making Component of Roll Damping Force on Naked Hull", Journal of the Society of Naval Architects, Japan no. 142, pp. 59-69, 1977.
Ikeda, Y., Komatsu, K., Himeno, Y., Tanaka, N., "Components of Roll Damping of Ship at Forward Speed", Journal of the Society of Naval Architects, Japan no. 143, pp. 121-133, 1978.
Bonfiglio L.U.C.A, Brizzolara S.T.E.F.A.N.O, Chryssostomidis C.H.R.Y.S.S.O.S.T.O.M.O.S, "Added Mass and Damping of Oscillating Bodies: a fully viscous numerical approach", Recent Advances in Fluid Mechanics, Heat & Mass Transfer and Biology, pp. 210-215, 2011.
Min Gu, Jiang Lu, Shuxia Bu, Chengsheng Wu, Gengyao Qiu, "Numerical Simulation of the Ship Roll Damping", Proc. of 12nd International Conference on the Stability of Ships and Ocean Vehicles, Jun. 14-19. 2015.
B.L. Jensen, B.M. Sumer, J. Fredsoe, "Turbulent Oscillatory Boundary Layers at High Reynolds Number", Journal of Fluid Mechanics, 206, pp. 265-297, 1989 DOI: https://doi.org/10.1017/S0022112089002302

상세보기
L. Lu, X.B. Chen, "Dissipation in the Gap Resonance between Tow Bodies", Proc. of 27nd IWWWFB Conference, Apr. 22-25. 2012.
S.H. Kwon, B.J. Kim, S.Y. Han, Y.J. Kim, K.S. Ahn, D.Ren, L.Lu, S.C. Jiang, X.B. Chen, "Study on Roll Damping around Circular Cylinder", Proc. of 29nd IWWWFB Conference, Mar. 30-Apr. 2. 2014.
S.J. Park, Hydrodynamic Characteristics of Moonpool Shapes, Mater Thesis, Pusan National University, 2009.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증