[논문]능동형 횡동요 저감 장치를 이용한 선박운동제어 시뮬레이션

김경성; 이병혁

doi:10.26748/ksoe.2018.32.6.440

능동형 횡동요 저감 장치를 이용한 선박운동제어 시뮬레이션
Simulation of Vessel Motion Control by Anti-Rolling Tank 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.32 no.6, 2018년, pp.440 - 446

김경성 (동명대학교 조선해양공학부) , 이병혁 (현대중공업(주))

Abstract ▼ AI-Helper

The effects of an anti-rolling tank (ART) on vessel motions were numerically investigated. The potential-based BEM vessel motion simulation program and particle-based computational fluid dynamics program were dynamically coupled and used to perform a simulation of vessel motions with ART. From the time domain simulation results, the response amplitude operators for sway and roll motions were obtained and compared with the corresponding experimental and numerical results. Because the main purpose of ART was only to reduce roll motions, it was important to show that the natural properties of a floating vessel were not changed by the effects of ART. Various ART filling ratios and several ART positions were considered. In conclusion, ART only reduced the roll motion regardless of its filling ratio and position.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 부유체 운동 프로그램과 입자기반 전산유체역학 프로그램을 동적 연성하여 부유체 운동에 ART가 미치는 영향에 대해 연구를 수행하였다. 선박의 운동은 포텐셜 기반의 BEM을 이용하였으며, ART 내부 유동의 시뮬레이션은 MPS법을 이용하였다.
(2014b)에서 연구된 내용을 바탕으로 내부 유동이 부유체 운동에 영향을 끼침을 알 수 있었다. 본 연구에서는 이러한 현상을 재해석하여 내부 유동을 이용하여 부유체 운동 특성을 변화시키는 즉 운동을 저감시키기 위한 연구를 수행하였다. 연구 수행을 위한 부유체는 Kim et al.

가설 설정

본 연구에서는 외력으로써의 내부유체의 영향을 운동방정식에 적용하였으며, 운동방정식의 질량행렬에 대한 무게중심의 이동 및 관성모멘트 변화는 반영하지 않았다. 또한 충전율이 50%가 넘는 경우 내부 유동이 단산유동이 아닌 2상 유동으로 변화될 수 있으나, 본 연구의 목적에는 그 변화가 큰 비중을 차지하고 있지 않다고 판단하여 단상 유동으로 가정하였다.

제안 방법

본 연구에서는 Kim et al.(2011)이 수행한 연구를 기초로 하여 ART의 유무가 부유체 운동에 미치는 영향뿐만 아니라 ART의 설치 위치 및 탱크 내부 적재율에 따른 영향을 평가하였다.
ART를 탑재한 선박의 운동 시뮬레이션에 앞서 격벽의 효과를 확인하기 위해 ART의 단독 운동 시뮬레이션을 수행하였다. 탱크는 Table 3에 나타나 있는 탱크를 사용하였으며 격벽이 있는 경우와 없는 경우에 대해 각각 시뮬레이션을 수행하였다.
3t)]으로 강제 운동한다. ART의 단독 운동 시뮬레이션은 적재량이 50%가 넘어 2상유동이 발생할 수 있는 범위를 제외한 43% 적재된 경우에 대해 시뮬레이션을 수행하였다. 탱크의 강제 운동 주기는 고유주기에 인접한 값으로 식 (9)에 의해 1.
ART의 위치가 부유체 운동에 미치는 영향을 확인하기 위해 Table 3에서 나타난 것과 같이 선수, 선체중앙, 선미에 ART를 배치하고 시뮬레이션을 수행하였다. Fig.
2(b)에 나타난 것과 같이 사각 형태로 내부에 닫히지 않은 격벽을 포함하며 부유체 운동의 위상(Phase angle)을 변화시키는 역할을 한다. 격벽의 길이는 ART 길이 방향의 25%를 사용하고 있으며 본 연구에서는 4개의 격벽을 일정한 간격으로 배치하였다. 탱크 제원과 적재량에 따른 탱크 고유주기는 다음 식으로 구할 수 있다.
3s로 설정하였다. 격벽의 유무에 따른 ART의 고유주기의 변화를 확인하기 위해 ART의 벽면에 가해는 압력을 측정하였으며, 측정 방식은 3차원 ART의 좌측면의 바닥으로부터 1.2m 위에 위치한 지점에서의 값을 평균화 하였다. 이는 전체 벽면의 압력을 측정하였을 시 설정한 바닥면으로부터 1.
MPS법은 연속유체를 이산화된 입자로 모사하고 입자 하나하나가 물리량을 가지고 이동하기 때문에 연속체 가정을 만족시키지 못할 가능성이 있다. 따라서 이를 극복하기 위한 방법으로 가중치 함수를 도입하였다. 가중치 함수는 식 (7)에 있는 입자상호작용 모델의 기초가 된다.
단, 격벽 효과의 확인을 위해 고유주기는 격벽 효과를 고려하지 않고 계산하였으며 그 값은 Table 3에 나타나있다. 또한 ART의 위치에 의한 영향을 평가하기 위해 x축 방향으로 3가지 경우를 설정하였으며, 그 위치는 선수부, 선체 중앙, 그리고 선미부로 설정하였다.
여기서 L은 탱크 길이, h는 적재량, n은 운동 모드 수, g는 중력 가속도이다. 본 연구에서 탱크 내부의 격벽은 탱크 적재량에 영향을 주지 않는 형태로 탱크의 고유주기를 유지하면서 위상각을 변화시키는 장치로 사용되었다. ART의 제원과 적재량 및 그에 따른 고유주기는 Table 3에 나타나있다.
본 연구에서는 단상 유동형 입자기반 전산유체역학 프로그램인 PNU-MPS법을 사용하여 격벽이 추가된 내부 유체 탱크 단독실험을 수행하였다. 측정된 압력의 시계열을 이용하여 주파수계열에서의 시계열을 확보하였으며, 확보된 주파수계열의 데이터를 통해 고유주기의 변화를 관찰하였다.
입자법의 경우는 각각의 입자가 물리량을 가지고 운동하기 때문에 절대좌표계에서의 위치가 주어지면 이를 이용한 질량의 이동 및 자유표면의 운동에 의한 관성모멘트는 쉽게 구해질 수 있다. 본 연구에서는 외력으로써의 내부유체의 영향을 운동방정식에 적용하였으며, 운동방정식의 질량행렬에 대한 무게중심의 이동 및 관성모멘트 변화는 반영하지 않았다. 또한 충전율이 50%가 넘는 경우 내부 유동이 단산유동이 아닌 2상 유동으로 변화될 수 있으나, 본 연구의 목적에는 그 변화가 큰 비중을 차지하고 있지 않다고 판단하여 단상 유동으로 가정하였다.
ART가 부유체 운동에 미치는 영향을 평가하기 위해 환경조건은 MARIN에서 수행한 실험과 동일하며, Table 2에 나타나있다. 부유체의 운동은 ART의 성능에 직접적인 영향을 미칠 것으로 판단되는 좌우동요와 횡동요만을 고려하였다. 시뮬레이션에 사용된 유체 입자는 적재율이 43%인 경우 69,056개, 57%인 경우 77,592개, 71%인 경우 86,128개이며, 초기 입자간 거리는 모두 0.
본 연구에서는 단상 유동형 입자기반 전산유체역학 프로그램인 PNU-MPS법을 사용하여 격벽이 추가된 내부 유체 탱크 단독실험을 수행하였다. 측정된 압력의 시계열을 이용하여 주파수계열에서의 시계열을 확보하였으며, 확보된 주파수계열의 데이터를 통해 고유주기의 변화를 관찰하였다. 그 결과 격벽의 유무에 따라 탱크의 고유주기는 위상의 변화로 인해 변화가 발생함을 알 수 있었다.

대상 데이터

연구 수행을 위한 부유체는 Kim et al.(2014b)에서 사용된 MARIN(Maritime Research Institute Netherlands)의 Box-bargeFPSO를 사용하였으며(Fig. 2(a)) 선체에 Anti-rolling tank(ART)를 탑재하고 있다.
부유체의 운동은 ART의 성능에 직접적인 영향을 미칠 것으로 판단되는 좌우동요와 횡동요만을 고려하였다. 시뮬레이션에 사용된 유체 입자는 적재율이 43%인 경우 69,056개, 57%인 경우 77,592개, 71%인 경우 86,128개이며, 초기 입자간 거리는 모두 0.5m이다. 중력가속도는 9.
ART를 탑재한 선박의 운동 시뮬레이션에 앞서 격벽의 효과를 확인하기 위해 ART의 단독 운동 시뮬레이션을 수행하였다. 탱크는 Table 3에 나타나 있는 탱크를 사용하였으며 격벽이 있는 경우와 없는 경우에 대해 각각 시뮬레이션을 수행하였다. 탱크는 부유체의 좌우동요 및 횡동요 운동의 영향이 지배적이기 때문에 y축 상에서 y=0.

이론/모형

ART의 내부에 작용하는 유체력을 계산하기 본 연구에서 사용된 방법은 MPS이다. MPS법의 지배방정식은 연속방정식과 Navier-stokes 방정식으로 아래 식과 같다.
본 연구에서는 ART 내부 유동을 시뮬레이션하기 위해 입자법을 사용하였다. 대표적인 입자법으로는 SPH(Smoothed particle hydrodynamic)(Monaghan, 1994)와 MPS(Moving particle semi-implicit)(Koshizuka and Oka, 1996)법이 있으며, iSPH(Incompressible SPH)(Xu et al.
, 2009)법이 MPS법과 같은 방식의 압력 해법을 사용하면서 두 방법의 차이가 많이 줄어들었다. 본 연구에서는 압력진동제어 능력이 더 우수하다고 판단되는 MPS법을 사용하였다. MPS법은 Koshizuka and Oka(1996)가 처음 제안되었으며, 이 후 Tanaka and Masunaga(2010)가 포아송 방정식의 소스항을 입자 속도의 발산으로 정의하면서 압력의 안정화를 시도하였다.
본 연구에서는 부유체 운동 프로그램과 입자기반 전산유체역학 프로그램을 동적 연성하여 부유체 운동에 ART가 미치는 영향에 대해 연구를 수행하였다. 선박의 운동은 포텐셜 기반의 BEM을 이용하였으며, ART 내부 유동의 시뮬레이션은 MPS법을 이용하였다.
선체 운동 해석에 관한 연구는 Yang and Kim(2011)이 Boundary element method(BEM)법을 사용하여 허리케인과 같은 극한 환경에서의 Tension leg platform(TLP)의 거동에 관한 연구를 수행하였으며, Lee et al.(2010)은 이를 확장하여 내부 유동에 따른 부유체의 운동 모사에 관한 연구를 수행하였다.

성능/효과

측정된 압력의 시계열을 이용하여 주파수계열에서의 시계열을 확보하였으며, 확보된 주파수계열의 데이터를 통해 고유주기의 변화를 관찰하였다. 그 결과 격벽의 유무에 따라 탱크의 고유주기는 위상의 변화로 인해 변화가 발생함을 알 수 있었다.
본 연구에서 고안된 ART는 좌우동요에는 영향을 미치지 않고, 횡동요에 대해 진폭 응답 함수의 값(진폭)을 감소시키면서도 고유주기의 변화는 없음이 확인되었다. 이는 ART 추가로 인해 횡동요 운동은 저감되며, 설계 시 고유주기의 변화에 따른 영향을 고려할 필요가 없음을 의미한다.

후속연구

본 연구는 ART를 이용한 부유체 운동 제어의 기반이 될 것으로 사료되며, 향후 ART 내 격벽의 크기 및 개수 등이 선박의 운동에 미치는 영향에 대해 연구할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	빌지킬이란 무엇인가?	빌지킬은 저(선저)에 기다란 판 형태의 부가구조물로 형상 저항과 점성 저항을 증가시켜 선박의 횡동요를 저감하는 대표적인 방법이다. U-tube 또는 Horizon-tube는 화물창 주변 혹은Deck(갑판) 상부에 액체가 저장된 Tube를 탑재하여 선박의 횡동요를 저감하는 Passive anti-rolling tank(PART)로서 Tube 내부유동의 주기는 선박의 횡동요 주가와 Anti-phase이어야 한다.
	AART의 장단점은 무엇인가?	Marzoukand Nayfeh(2009)에서 제안한 AART는 기존의 U-tube 형태에서 중앙에 펌프를 이용하여 내부 유동을 능동적으로 관리하여 내부 유동으로 인해 복원력을 증가시킬 수 있도록 고안된 장치이다. 이러한 AART는 기존의 수동(Passive) 형태의 ART에 비해다양한 방향에서 입사되는 파에 대해 대처할 수 있다는 장점이 있으나 탑재비용 및 유지관리 비용이 높다는 단점이 있다.
	연구를 통해 알게된 부유체 운동에 ART가 미치는 영향은 무엇인가?	본 연구에서 고안된 ART는 좌우동요에는 영향을 미치지 않고, 횡동요에 대해 진폭 응답 함수의 값(진폭)을 감소시키면서도 고유주기의 변화는 없음이 확인되었다. 이는 ART 추가로 인해 횡동요 운동은 저감되며, 설계 시 고유주기의 변화에 따른영 향을 고려할 필요가 없음을 의미한다.

참고문헌 (16)

Sloshing Reduction in a Swaying Rectangular Tank by an Horizontal Porous Baffle Cho 23 2017
Simulation Effect on Vessel Motions by Using MPS(Moving Particle Simulation) Kim 201 2011
Development of Moving Particle Simulation Method for Multiliquid-Layer Sloshing Kim 350165 2014a
Dynamic Coupling Between Ship Motion and Three-Layer-Liquid Separator by Using Moving Particle Simulation Kim 122 2014b
A Study of Anti-Rolling Tank on Floating Vessel Kim 2016 10.1115/OMAE2016-54964
Experimental Study on Sloshing Reduction Effects of Baffles Linked to a Spring System Kim 136 2018
Moving-particle Semi-implicit Method for Fragmentation of Incompressible Fluid Koshizuka 421 1996
Step-by-step Improvement of MPS Method in Simulating Violent Free-surface Motions and Impact-loads Lee 1113 2011
Second-order wave loads on a stationary body. Lee 1991
The Effects of Inner Liquid Motion on LNG Vessel Responses Lee 021101 2010
Control of Ship Roll Using Passive and Active Anti-roll Tanks Marzouk 661 2009
Simulating Free Surface Flows with SPH Monaghan 399 1994
Numerical Analysis of Droplet Breakup Behavior Using Particle Method Nomura 1057 2001
Stabilization and Smoothing of Pressure in MPS Method by Quasi-compressibility Tanaka 4279 2010
Accuracy and Stability in Incompressible SPH (ISPH) Based on the Projection Method and a New Approach Xu 6703 2009
Yang 263 2011

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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].

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