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문제 정의
- 본 연구에서는 LiDAR가 탑재된 기상 부이 개발을 목표로 설계를 진행하였으며, 논문의 구성은 다음과 같다. 먼저 2장에서는 설계된 기상 부이의 특징과 제원, 해양 환경조건을 소개하였다.
제안 방법
- 계류선의 길이 변화에 따른 계류선에 작용하는 장력을 계산하기 위하여 계류시스템을 포함한 FMDMS의 시간영역 해석을 진행하였다. 1년 재현주기에 해당하는 Table 2의 환경조건을 적용하였으며, 보다 안전한 계류시스템 설계를 위하여 조류와 바람의 진행방향을 파랑의 진행 방향과 동일하게 설정하였다. 이때 가장 큰장력이 발생하는 계류선은 기상 부이의 전면부에 위치한 ML1이다.
- FMDMS의 계류 방법으로 3점 계류방식을 채택하였으며, 3개의 외부 기둥 바닥에서 앵커 블록까지 현수선으로 연결하였다(Fig. 6a, Fig.6b). 각 계류선은 Grade R3 Studlink 타입의 체인으로 구성되어 있으며 체인의 두께는 40mm, 단위 길이당 수중 중량은 30.
- FMDMS의 부가질량, 방사 감쇠계수 그리고 파기진력을 계산하기 위하여 상용 프로그램인 WAMIT을 사용하였다. FMDMS의 계류시스템 설계는 1년 재현주기에 해당하는 극한환경조건(HS =5.74m, TP =10.81s)에서 수행되었고, ABS 설계 기준(안전계수=2.0)에 따라 안전성을 평가하였다. 부유체-계류시스템 상호작용 해석 프로그램인 OrcaFlex을 이용한 시간영역 해석을 수행한 결과, 앵커 블록의 중량과 안전성을 고려하여 계류선의 길이를 110m로 결정하였다.
- FMDMS의 운동 실험은 1/10의 축척비를 갖는 모형을 제작하여 중소조선연구원 조파수조에서 실시하였다. 이때 오프셋 시험을 통하여 모형과 실물의 계류 로프의 강성계수를 같게 맞추었다.
- 2에 제시하였다. FMDMS의 주요 구성요소를 살펴보면 부력을 주는 3개의 플라스틱 폰툰(Pontoon)이 정삼각형 모양으로 배열되어 있고, 중심부에 위치한 주 기둥(Main column)과 폰툰 하단부에 위치한 외부 기둥(Outer column)이 다수의 브레이스(Brace)로 연결되어 구조적 안정성을 갖도록 하였다. 폰툰 위에 놓인 데크(Deck)에는 타워(Tower)와 LiDAR 계측장비 그리고 계측장비 운용에 필요한 배터리와 데이터 송·수신 장치가 탑재된 컨테이너 박스가 있다.
- 본 연구에서 제시된 부유식 해상 기상 부이(FMDMS)는 일반적으로 사용되는 원반형이나 스파형 부이가 아닌 3개의 폰툰을 삼각형으로 배열된 새로운 형태이며, 갑판 위에 높은 고도의 바람 자료를 취득하기 위해 LiDAR 장비가 탑재된다. LiDAR 장비의 정확도는 FMDMS의 종 운동에 큰 영향을 받으므로 종 운동 저감에 초점을 맞춰 수치해석과 모형실험 결과를 살펴보았다. FMDMS의 부가질량, 방사 감쇠계수 그리고 파기진력을 계산하기 위하여 상용 프로그램인 WAMIT을 사용하였다.
- LiDAR 탑재된 기상 부이를 개발하기 위하여 일반적인 부유식 해상 구조물의 설계 절차에 따라 설계를 진행하였다. 본 연구에서 제시된 부유식 해상 기상 부이(FMDMS)는 일반적으로 사용되는 원반형이나 스파형 부이가 아닌 3개의 폰툰을 삼각형으로 배열된 새로운 형태이며, 갑판 위에 높은 고도의 바람 자료를 취득하기 위해 LiDAR 장비가 탑재된다.
- 부가 질량, 방사 감쇠계수 그리고 파기진력은 WAMIT 상용코드를 이용하여 구하였다. WAMIT은 Green 함수법에 기초를 둔 수치해석 방법으로 이를 적용하기 위하여 FMDMS의 수면아래 형상을 Fig. 4와 같이 17,000개의 요소(Panel)로 분할하였다. LiDAR의 측정 오차를 발생시키는 주요 원인은 부유체의 종 운동(Pitchmotion)이다.
- 0)를 곱해준 값이 계류선의 MBL을 초과하지 않아야 한다. 계류선의 길이 변화에 따른 계류선에 작용하는 장력을 계산하기 위하여 계류시스템을 포함한 FMDMS의 시간영역 해석을 진행하였다. 1년 재현주기에 해당하는 Table 2의 환경조건을 적용하였으며, 보다 안전한 계류시스템 설계를 위하여 조류와 바람의 진행방향을 파랑의 진행 방향과 동일하게 설정하였다.
- 47kg중/m, 최소 파단강도(Minimum breaking level, MBL)는 1,280kN이다(Table 3). 계류선의 적절한 길이 선정을 위하여 55m, 110m, 150m에 대해 OrcaFlex를 이용하여 수치해석을 수행하였으며, 계류라인의 길이 110m에 대한 배치형태를 Fig. 6c와 Fig. 6d에 ML1과 ML3(=ML2)에 대해서 나타내었다. 그리고 계류라인의 길이 55m와 150m에 대한 좌표 값은 Table 4에 표로 나타내었다.
- 규칙파 실험은 모든 케이스에 대하여 60초 동안 파를 생성하여 실험을 진행하였으며, 모형의 수직운동과 종 운동 변위를 반사파의 영향이 미치기 전까지 계측하였다. Fig.
- 설계파 산정은 부유체의 수명을 좌우하기 때문에 일반적으로 설계파 조건을 50년 또는 100년 재현 주기를 갖는 극한 조건으로 선정한다. 그러나 실증 실험을 목표로 한 현 설계/제작을 고려할 때 1년 재현 주기에 해당하는 외력 조건을 적용하였다. 1년 재현주기에 해당하는 파랑, 조류, 바람에 대한 대푯값으로 제주도 서쪽 차귀도 해역에서 오랜 기간 측정한 데이터를 통해 얻은 값을 사용하였다(Kim et al, 2015) (Table 2 참조).
- 부유식 해상 구조물은 운용 목적과 설치 해역의 환경조건에 따라 전체 크기와 주요 제원들을 결정한다. 그리고 정적 해석(Static analysis)을 통하여 구조물의 안정성을 평가하고 정유체 복원력 계수를 구한다. 다음 단계로 파랑 중 동적 해석을 주파수영역 해석과 시간 영역 해석으로 구분하여 실시한다.
- 모형실험을 통하여 얻은 실험 결과와 수치해석 결과를 서로 비교함으로써 수치모델에서 간과된 비선형 효과와 점성의 영향을 고려할 수 있다. 끝으로 축척비로 인한 모형실험 결과의 오차를 보정하기 위하여 실해역 실증 실험을 수행한다. 본 논문은 Fig.
- 그리고 정적 해석(Static analysis)을 통하여 구조물의 안정성을 평가하고 정유체 복원력 계수를 구한다. 다음 단계로 파랑 중 동적 해석을 주파수영역 해석과 시간 영역 해석으로 구분하여 실시한다. 이를 위하여 WAMIT, OrcaFlex와 같은 상용 코드를 이용하여 동유체력과 파기 진력을 구하고 필요에 따라 조류 하중(Current force)과 풍하중(Wind force)을 포함시킨다.
- LiDAR의 측정 오차를 발생시키는 주요 원인은 부유체의 종 운동(Pitchmotion)이다. 따라서 6자유도 운동 중에서 주로 종 운동에 초점을 맞추어 결과를 살펴보았다. Fig.
- 모형과 실선의 계류선 강성계수를 동일하게 맞춰주기 위하여 오프셋 시험을 실시하였고, 파랑중 운동 응답은 규칙파와 불규칙파 조건에서 살펴보았다. 오프셋 시험에서는 모형의 무게중심에 가는 와이어를 연결하여 일정 무게의 추를 순차적으로 증가시켜가며 x축 방향으로 이동하는 모형의 이동 변위를 측정하였다.
- 끝으로 축척비로 인한 모형실험 결과의 오차를 보정하기 위하여 실해역 실증 실험을 수행한다. 본 논문은 Fig. 1에 제시한 설계 절차에 따라 부유식 해상 기상 부이에 대한 개념 설계와 모형실험까지의 설계 과정을 다루었으며, 구조 및 피로해석은 제외하였다.
- 모형실험은 수치해석 결과의 검증 및 해석적으로 고려할 수 없는 비선형 특성들을 파악하기 위해 수행되는 매우 중요한 설계 단계 중 하나이다. 본 연구에서는 축척비 1/10을 갖는 실험모형을 제작하여 중소조선연구원의 사각형 조파수조에서 Froude 축척법에 따라 파랑중 운동실험을 실시하였다. Fig.
- i,j=1,2,3은 병진운동 모드, 그리고 i,j=4,5,6 은 회전운동 모드를 나타낸다. 부가 질량, 방사 감쇠계수 그리고 파기진력은 WAMIT 상용코드를 이용하여 구하였다. WAMIT은 Green 함수법에 기초를 둔 수치해석 방법으로 이를 적용하기 위하여 FMDMS의 수면아래 형상을 Fig.
- 3의 제주도 월정 해역의 파랑조건을 1/10으로 축소하여 총 5 케이스(Case 101~105)를 선택하였다. 불규칙파 생성을 위하여 JONSWAP 스펙트럼을 사용하였으며, Case101과 Case 102의 경우, 중소조선연구원 조파기의 과부하를 고려하여 기하학적 상사성을 만족하는 유의파고(0.167m, 0.102m)보다 낮은 유의파고 0.1m로 실험을 실시하였다. 그리고 모형실험에서는 조류 및 바람의 영향은 고려하지 않았다.
- 모형과 실선의 계류선 강성계수를 동일하게 맞춰주기 위하여 오프셋 시험을 실시하였고, 파랑중 운동 응답은 규칙파와 불규칙파 조건에서 살펴보았다. 오프셋 시험에서는 모형의 무게중심에 가는 와이어를 연결하여 일정 무게의 추를 순차적으로 증가시켜가며 x축 방향으로 이동하는 모형의 이동 변위를 측정하였다. 오프셋 시험 결과는 수치해석 결과와 비교하였다.
- 3장에서는 WAMIT과 OrcaFlex 상용 코드를 이용하여 주파수영역 해석과 계류 시스템을 포함한 시간 영역 해석을 다루었다. 이때 1년 재현 주기를 갖는 파랑 조건을 설계파로 잡아 계류 시스템의 안전성을 평가하였다. 그리고 4장에서는 계류 시스템을 포함한 축척비 1/10 실험 모형을 제작하여 사각형 조파 수조에서 파랑 중 규칙파, 불규칙 파 운동 실험을 수행하였다.
- 운동방정식을 풀어 부유식 구조물의 6자 유도 운동 응답을 구한다. 이때 환경 외력 조건을 운용 조건(Operating condition)과 극한 조건(Extreme condition)으로 나눠 운동 해석을 실시한다. 특히, 극한 조건에서는 부유식 구조물의 운용 기간과 관련 있는 특정 재현주기(Return period)에 해당되는 설계 환경에서 최대 하중을 구하고 구조물의 안전성과 계류 시스템의 파손 여부를 판단한다.
- 다음 단계로 파랑 중 동적 해석을 주파수영역 해석과 시간 영역 해석으로 구분하여 실시한다. 이를 위하여 WAMIT, OrcaFlex와 같은 상용 코드를 이용하여 동유체력과 파기 진력을 구하고 필요에 따라 조류 하중(Current force)과 풍하중(Wind force)을 포함시킨다. 운동방정식을 풀어 부유식 구조물의 6자 유도 운동 응답을 구한다.
- 이때 환경 외력 조건을 운용 조건(Operating condition)과 극한 조건(Extreme condition)으로 나눠 운동 해석을 실시한다. 특히, 극한 조건에서는 부유식 구조물의 운용 기간과 관련 있는 특정 재현주기(Return period)에 해당되는 설계 환경에서 최대 하중을 구하고 구조물의 안전성과 계류 시스템의 파손 여부를 판단한다. 이 단계에서 구조물의 안전성이 확보되고 계류 시스템에 큰 문제가 발생하지 않는다고 판단되면 축소모형을 제작하여 모형실험을 실시한다.
- 한편, 계류시스템의 한 축을 담당하는 앵커 블록은 콘크리트 블록으로 설계하였다. 공기 중 콘크리트 블록의 필요 최소 중량은 #이다.
대상 데이터
- 그러나 실증 실험을 목표로 한 현 설계/제작을 고려할 때 1년 재현 주기에 해당하는 외력 조건을 적용하였다. 1년 재현주기에 해당하는 파랑, 조류, 바람에 대한 대푯값으로 제주도 서쪽 차귀도 해역에서 오랜 기간 측정한 데이터를 통해 얻은 값을 사용하였다(Kim et al, 2015) (Table 2 참조).
- Table 7과 Table 8은 규칙파와 불규칙파에 대한 입사파 조건들을 나타내었다. FMDMS의 공진 특성을 살펴보기 위하여 규칙파 실험에서는 모형의 수직과 종 운동의 고유주파수를 포함한 범위 내에서 총 13개의 주파수(Case 01~13)를 선정하였다. 불규칙파 조건은 Fig.
- 본 논문에서 제안된 기상 부이는 제주도 동쪽 월정리 부근 수심 30m 해역에서 실증 실험을 계획하고 있다. Fig.
- LiDAR 탑재된 기상 부이를 개발하기 위하여 일반적인 부유식 해상 구조물의 설계 절차에 따라 설계를 진행하였다. 본 연구에서 제시된 부유식 해상 기상 부이(FMDMS)는 일반적으로 사용되는 원반형이나 스파형 부이가 아닌 3개의 폰툰을 삼각형으로 배열된 새로운 형태이며, 갑판 위에 높은 고도의 바람 자료를 취득하기 위해 LiDAR 장비가 탑재된다. LiDAR 장비의 정확도는 FMDMS의 종 운동에 큰 영향을 받으므로 종 운동 저감에 초점을 맞춰 수치해석과 모형실험 결과를 살펴보았다.
- 계류선의 길이를 너무 길게 또는 너무짧게 설계하면 그에 따른 계류선과 앵커블록 제작비용이 증가할 뿐만 아니라 선박 운항의 지장과 이송·설치에 따른 어려움이 발생한다. 본 연구에서는 제작 및 안전성 측면을 종합적으로 고려하여 계류선의 길이를 110m로 선정하였다.
- FMDMS의 공진 특성을 살펴보기 위하여 규칙파 실험에서는 모형의 수직과 종 운동의 고유주파수를 포함한 범위 내에서 총 13개의 주파수(Case 01~13)를 선정하였다. 불규칙파 조건은 Fig. 3의 제주도 월정 해역의 파랑조건을 1/10으로 축소하여 총 5 케이스(Case 101~105)를 선택하였다. 불규칙파 생성을 위하여 JONSWAP 스펙트럼을 사용하였으며, Case101과 Case 102의 경우, 중소조선연구원 조파기의 과부하를 고려하여 기하학적 상사성을 만족하는 유의파고(0.
- 중소조선연구원에서 보유하고 있는 조파수조의 조파기는 피스톤 타입이며 조파기 반대편에는 반사파를 줄여주기 위한 비치형 소파장치가 설치되어 있다. 실험모형은 조파기로부터 약 10.8m에 위치하며, 3점 계류방식으로 계류선의 양 끝단은 모형과 수조 바닥면에 고정되었다. 앵커에서 모형 중심까지의 직선거리는 9.
데이터처리
- 각 계류선 길이에 따른 복원력 특성을 살펴보고자 오프셋 수치 시험(Offset numerical test)을 실시하였고, 그 결과를 Fig. 7에 나타내었다. 일반적으로 부이의 수평 이동거리가 증가함에 따라 선형적으로 장력이 증가하다가 일정 거리 이상으로 부이가 이동하면 계류선이 팽팽하게 당겨져 계류 장력이 비선형적으로 급격히 증가하는 경향을 보인다.
- 오프셋 시험에서는 모형의 무게중심에 가는 와이어를 연결하여 일정 무게의 추를 순차적으로 증가시켜가며 x축 방향으로 이동하는 모형의 이동 변위를 측정하였다. 오프셋 시험 결과는 수치해석 결과와 비교하였다. Fig.
이론/모형
- LiDAR 장비의 정확도는 FMDMS의 종 운동에 큰 영향을 받으므로 종 운동 저감에 초점을 맞춰 수치해석과 모형실험 결과를 살펴보았다. FMDMS의 부가질량, 방사 감쇠계수 그리고 파기진력을 계산하기 위하여 상용 프로그램인 WAMIT을 사용하였다. FMDMS의 계류시스템 설계는 1년 재현주기에 해당하는 극한환경조건(HS =5.
- 안전한 계류시스템 설계를 위해서는 계류 장력의 최댓값이 계류선의 최소파단강도(MBL)보다 낮아야 하며 설계기준에 적합한 안전계수를 확보하여야 한다. 본 연구에서는 ABS(AmericanBureau of Shipping)의 설계 기준을 따랐다(API, 2005; ABS, 2013). ABS 설계 기준에 따르면 계류선에 작용하는 장력에 안전계수(2.
- )를 산출하여 나타내었다. 파랑 스펙트럼과 FMDMS의 수직 및 종 운동 스펙트럼은 계측된 시계열 데이터를 FFT(Fast fourier transform)을 사용하여 구하였다. 실선은 파랑 스펙트럼, 짧은 파선은 수직운동 스펙트럼, 긴 파선은 종 운동 스펙트럼을 나타낸다(Fig.
성능/효과
- 계류선에 작용하는 장력의 최댓값은Rayleigh 3-hour most probable extreme과 3-hour extreme with 1% risk factor를 적용하여 계산된 값이다. 각 계류선 길이 변화에 따른 계산 결과를 살펴보면, 계류선의 양 끝단에 작용하는 장력은 ABS 설계 기준(안전계수:2.0)을 모두 만족하였으며, 계류선의 길이가 길어질수록 안전계수는 증가하는 것을 확인할 수 있다.
- 일반적으로 부이의 수평 이동거리가 증가함에 따라 선형적으로 장력이 증가하다가 일정 거리 이상으로 부이가 이동하면 계류선이 팽팽하게 당겨져 계류 장력이 비선형적으로 급격히 증가하는 경향을 보인다. 또한 이동거리와 장력 간에 선형관계를 보이는 구간은 계류선의 길이가 길어질수록 증가하였다.
- 0)에 따라 안전성을 평가하였다. 부유체-계류시스템 상호작용 해석 프로그램인 OrcaFlex을 이용한 시간영역 해석을 수행한 결과, 앵커 블록의 중량과 안전성을 고려하여 계류선의 길이를 110m로 결정하였다.
- 불규칙파 실험 결과는 스펙트럼 분석과 Zero-crossing 방법을 적용한 파의 유의파고 및 모형의 유의 운동고(=(2ξ5)1/3 )를 산출하여 나타내었다.
- 11에서 보듯이 선형 구간에서 비교적 잘 일치하는 결과를 얻었다. 수치해석 결과의 계류 강성계수는 25.087N/m이며, 실험 결과는 20.768N/m이다.
- 44ton이다. 앵커중량은 계류선의 길이가 짧을수록 증가하는 것을 확인하였다.
- 이상의 결과로부터, 계류선의 길이가 길어질수록 안전성 측면에서 유리하며 앵커 중량은 계류선의 길이가 증가할수록 감소하는 것을 확인하였다. 계류선의 길이를 너무 길게 또는 너무짧게 설계하면 그에 따른 계류선과 앵커블록 제작비용이 증가할 뿐만 아니라 선박 운항의 지장과 이송·설치에 따른 어려움이 발생한다.
- (1999)이 수중 소음을 측정하여 그 결과로부터 해상풍의 정보를 얻는 연구를 수행하여 수중 소음과 지상 기상관측소에서 측정된 풍속과의 상관관계식을 유도하였다. 측정 결과, 풍속의 오차 범위는 1m/s 수준으로 만족할만한 성과를 얻었다. Moon et al.
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