[논문]파랑 표류력을 고려한 선박의 파랑 중 선회성능 해석

서민국; 남보우; 김연규

doi:10.3744/snak.2018.55.2.103

파랑 표류력을 고려한 선박의 파랑 중 선회성능 해석
Numerical Analysis of Turning Performance in Waves by Considering Wave Drift Forces 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.55 no.2, 2018년, pp.103 - 115

서민국 (선박해양플랜트연구소) , 남보우 (선박해양플랜트연구소) , 김연규 (선박해양플랜트연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper performs a numerical computation of ship maneuvering performance in waves. For this purpose, modular-type model (MMG (Mathematical Modeling Group) model) is adopted for maneuvering simulation and wave drift force is included in the equation of maneuvering motion. In order to compute wave drift force, two different seakeeping programs are used: AdFLOW based on Wave Green function method and SWAN based on Rankine panel method. When wave drift force is calculated using SWAN program, not only ship forward speed but also ship lateral speed are considered. By doing this, effects of lateral speed on wave drift force and maneuvering performance in waves are confirmed. The developed method is validated by comparing turning test results in regular waves with existing experimental data. Sensitivities of wave drift force on maneuvering performance are, also, checked.

주제어

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문제 정의

파랑 표류력을 계산하기 위해서 AdFLOW와 SWAN의 두 가지 기법을 사용하였으며, SWAN 프로그램의 경우 전진방향의 속도뿐만 아니라 y방향의 속도를 포함하여 파랑 표류력을 계산하였으며, y방향 속도가 파랑 표류력 및 선회성능에 미치는 영향을 비교하였다. 또한 민감도 해석을 통해서 파랑 표류력이 선회 궤적 및 선회 파라미터에 미치는 영향에 대해서 살펴보았다. 이러한 연구를 통해서 아래와 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구는 한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소에서 주요사업으로 수행중인 “선박의 조종-운동 통합 성능 해석 기술 개발(PES8900)” 과제에 대한 연구결과의 일부이다.

제안 방법

(a)~(c)는 AdFLOW 계산 결과이며, y방향 속도가 0인 경우이며, (d)~(l)은 SWAN 계산 결과이다. SWAN 계산 결과는 y방향 속도가 0 m/s, 0.8 m/s, -0.8 m/s 인 경우에 대해서 결과를 나타내었으며, y방향 속도에 의한 변화를 살펴보았다. 먼저 전반적인 경향을 살펴보면, surge 방향 파랑표류력의 경우 선수파 및 선수사파에서 입사파의 파장이 선박의 길이와 비슷한 영역에서 큰 값을 보여주고 있으며, sway 방향 파랑표류력은 선수사파의 단파장 영역에서 큰 값을 보여주고 있다.
9, 10은 각각 선박이 좌현선회를 할 때 파도가 선수쪽, 측면쪽에서 입사하는 경우의 선회궤적을 비교한 것이며, 각각의 그래프에는 실험결과와 SWAN 및 AdFLOW를 사용하여 계산한 파랑 표류력을 적용한 경우가 나타나 있다. SWAN 계산결과는 파랑 표류력 계산 시 y방향 속도를 고려하지 않은 경우(SWAN w/oV_Y)와 y방향 속도를 고려한 경우(SWAN w/ V_Y) 두 가지 결과를 포함하였다. 그림에서 확인할 수 있듯이 실험결과와 계산결과 모두 파도의 진행방향 뿐만 아니라 파도의 진행방향과 수직한 방향으로 선회궤적이 표류하는 것을 알 수 있다.
파랑 표류력 을 계산하기 위해서 파랑그린함수법 기반의 AdFLOW와 랜킨패널법 기반의 SWAN 프로그램을 사용하였으며, 전진속도, 파향 및 파장에 따른 파랑 표류력을 미리 계산하여 시뮬레이션 상황에 맞는 값을 추출하여 적용하였다. SWAN 프로그램의 경우, 선박의 전진속도 뿐만 아니라, y방향 속도도 고려하여 파랑 표류력을 계산하였으며, 이를 통해서 y방향 속도가 파랑 표류력 및 선박의 선회성능에 미치는 영향을 확인하였다. 또한 파랑 표류력 민감도 해석을 통해서 파랑 표류력이 선회 궤적 및 선회 파라미터에 미치는 영향에 대해서 확인하였다.
본 장에서는 파랑 표류력 변화에 따른 선회궤적 변화 정도를 확인하는 민감도 해석을 수행하였으며, surge, sway방향 파랑표류력 및 yaw 방향 파랑 표류 모멘트의 값의 변화에 따른 선회 파라미터의 변화를 살펴보았다. 각각의 파랑 표류력 및 파랑 표류 모멘트를 0.25~2.0배로 변화시켜가면서, 선회 궤적 및 선회 파라미터가 어떻게 변하는지를 살펴보았다. Fig.
반면 SWAN의 경우 랜킨패널법 기반의 프로그램으로 double body 가정을 통해서 더 정확하게 전진속도를 반영할 수 있다. 또한 SWAN 프로그램을 사용하는 경우 선박의 y 방향 속도를 고려하여 파랑 표류력을 계산할 수 있도록 확장하였으며, 이를 통해서 선박의 y방향 속도가 파랑 표류력 및 선박의 선회성능에 미치는 영향을 확인하였다.
SWAN 프로그램의 경우, 선박의 전진속도 뿐만 아니라, y방향 속도도 고려하여 파랑 표류력을 계산하였으며, 이를 통해서 y방향 속도가 파랑 표류력 및 선박의 선회성능에 미치는 영향을 확인하였다. 또한 파랑 표류력 민감도 해석을 통해서 파랑 표류력이 선회 궤적 및 선회 파라미터에 미치는 영향에 대해서 확인하였다.
본 논문은 대한조선학회 공동학술대회에서 발표한 논문을 기반으로 하고 있으며 (Seo et al., 2017), 조종운동방정식에 파랑 표류력을 외항으로 대입하는 비교적 단순한 방법을 통해서 선박의 선회성능에 미치는 파도의 영향을 평가하였다. 파랑 표류력 을 계산하기 위해서 파랑그린함수법 기반의 AdFLOW와 랜킨패널법 기반의 SWAN 프로그램을 사용하였으며, 전진속도, 파향 및 파장에 따른 파랑 표류력을 미리 계산하여 시뮬레이션 상황에 맞는 값을 추출하여 적용하였다.
본 연구에서 파랑 표류력을 계산하기 위해서 두 가지 다른 수치해석 프로그램을 적용하였다. 첫 번째는 선박해양플랜트연구소에서 개발된 AdFLOW(Advanced analysis system for FLOatingbody in Waves using higher-order element method)이며, 두 번째는 MIT에서 개발된 SWAN1 이다.
본 연구에서는 파랑 중 조종성능을 평가하기 위해서 Fig. 1과 같이 공간에 고정된 O-XYZ 좌표계와 선박에 고정된 o-xyz 좌표계를 사용하였다. 선박은 x축, y축 방향의 속도, u₀, v₀와 선수각 속도(yaw velocity), r₀를 포함하고 있다.
본 연구에서는 파랑 표류력이 선박의 조종성능 평가에 미치는 영향에 대해서 살펴보았으며, 이를 위해서 조종운동방정식에 파랑 표류력을 외력항으로 대입하는 비교적 단순한 방법을 사용하였다. 파랑 표류력을 계산하기 위해서 AdFLOW와 SWAN의 두 가지 기법을 사용하였으며, SWAN 프로그램의 경우 전진방향의 속도뿐만 아니라 y방향의 속도를 포함하여 파랑 표류력을 계산하였으며, y방향 속도가 파랑 표류력 및 선회성능에 미치는 영향을 비교하였다.
본 장에서는 파랑 표류력 변화에 따른 선회궤적 변화 정도를 확인하는 민감도 해석을 수행하였으며, surge, sway방향 파랑표류력 및 yaw 방향 파랑 표류 모멘트의 값의 변화에 따른 선회 파라미터의 변화를 살펴보았다. 각각의 파랑 표류력 및 파랑 표류 모멘트를 0.
선박의 조종운동을 해석하기 위해서 3자유도 조종운동방정식을 도입하였으며, 선체, 프로펠러, 타 및 파도에 의한 힘으로 구분된 모듈형 타입의 운동방정식을 적용하였다.
AdFLOW의 경우 파랑 그린함수법을 사용하기 때문에 물체표면에만 패널을 분포시킨 반면, SWAN은 랜킨패널법을 사용하기 때문에 물체표면 뿐만 아니라 자유표면에도 패널을 분포 시켰다. 자유표면의 크기는 입사파 파장의 5배 정도로 분포 시켰으며, 방사조건을 만족시키기 위한 수치소파구간은 자유표면 바깥쪽에 입사파 파장의 2배 구간에 존재하도록 구성하였다.
, 2017), 조종운동방정식에 파랑 표류력을 외항으로 대입하는 비교적 단순한 방법을 통해서 선박의 선회성능에 미치는 파도의 영향을 평가하였다. 파랑 표류력 을 계산하기 위해서 파랑그린함수법 기반의 AdFLOW와 랜킨패널법 기반의 SWAN 프로그램을 사용하였으며, 전진속도, 파향 및 파장에 따른 파랑 표류력을 미리 계산하여 시뮬레이션 상황에 맞는 값을 추출하여 적용하였다. SWAN 프로그램의 경우, 선박의 전진속도 뿐만 아니라, y방향 속도도 고려하여 파랑 표류력을 계산하였으며, 이를 통해서 y방향 속도가 파랑 표류력 및 선박의 선회성능에 미치는 영향을 확인하였다.
파랑 표류력은 선박의 속도, 파의 방향 및 파장의 함수이며, 3개의 변수에 대해서 파랑 표류력을 미리 계산하였으며, 조종 운동 시뮬레이션을 하는 경우, 조건에 해당하는 파랑 표류력을 추출하여 적용하였다.
본 연구에서는 파랑 표류력이 선박의 조종성능 평가에 미치는 영향에 대해서 살펴보았으며, 이를 위해서 조종운동방정식에 파랑 표류력을 외력항으로 대입하는 비교적 단순한 방법을 사용하였다. 파랑 표류력을 계산하기 위해서 AdFLOW와 SWAN의 두 가지 기법을 사용하였으며, SWAN 프로그램의 경우 전진방향의 속도뿐만 아니라 y방향의 속도를 포함하여 파랑 표류력을 계산하였으며, y방향 속도가 파랑 표류력 및 선회성능에 미치는 영향을 비교하였다. 또한 민감도 해석을 통해서 파랑 표류력이 선회 궤적 및 선회 파라미터에 미치는 영향에 대해서 살펴보았다.

대상 데이터

규칙파 중에서의 선회시험은 선박이 좌현선회를 하며, 선박의 길이에 대한 파장의 비(λ/L)가 0.7,1.0, 1.2인 파도가 선박의 정면 및 측면으로 입사하는 경우를 고려하였으며, 시뮬레이션에 사용된 파고는 3.5 m이다.
본 연구에서 수치해석에 사용하는 모델은 S175 컨테이너선이며, 주요 제원은 아래의 Table 2와 같이 나타낼 수 있다. Fig.

데이터처리

본 장에서는 대상선박에 대해서 규칙파 중에서의 선회 시뮬레이션을 수행하였으며, 계산 결과를 모형시험 결과와 비교하였다(Yasukawa, 2006a, 2006b). 규칙파 중에서의 선회시험은 선박이 좌현선회를 하며, 선박의 길이에 대한 파장의 비(λ/L)가 0.

이론/모형

규칙파 중에서의 선박의 선회 성능을 수치적으로 확인하기 위해서, Fig. 8과 같이 Uenoet et al. (2003)에 의해 정의된 표류거리(drift distance, HD)와 표류각도(drift angle, μD)를 도입하였다.
선체에 의한 힘은 3차 다항식 형태로 표현하였으며, 다항식의 계수에 해당하는 유체력 미계수는 일반적으로 실험 및 회귀식을 통해서 도출할 수 있다. 본 연구에서는 유체력 미계수 값을 Yasukawa (2006a, 2006b)에 나타난 값을 적용하였다.
본 연구에서는 조종운동방정식의 우변에 해당하는 선체, 프로펠러 및 타에 의한 힘을 계산하기 위해서 필요한 각종 계수는 Yasukawa (2006a, 2006b)에 나타난 값을 사용하였다.
선회 파라미터는 일반적인 선회시험에서 사용되는 전진거리(Advance, AD)와 전술직경(Tactical Diameter, TD), 그리고 Fig. 8과 같이 Uenoet et al. (2003)에 의해 정의된 표류 거리(drift distance, HD)와 표류 각도(drift angle, μD)를 사용하였다.

성능/효과

- 조종운동방정식에 파랑 표류력을 외력항으로 추가하는 방법을 통해서 파랑 중 선회시험에 관한 수치 시뮬레이션을 수행하였으며, 선회 궤적 및 선회 파라미터에 대하여 본 수치해석 결과가 실험과 유사한 경향을 보여 줄 수 있음을 확인하였음.
- 파랑 표류력 계산 시 y방향 속도를 고려함에 따라 선박의 선회가 잘 일어나며 선회궤적이 안쪽으로 모이는 경향을 보였으며, 이러한 선회 운동 결과는 y방향의 속도를 고려하지 않은 경우보다 실험결과에 더 근접함을 확인하였음. 즉, 파랑 표류력 계산 시 물리적인 현상을 더 정확하게 반영함으로 인해서 계산의 정확도를 높일 수 있음을 확인함.
그림에는 각각 실험결과, AdFLOW 결과, SWAN y방향 속도를 고려하지 않은 경우(SWAN w/o V_Y) 및 y방향 속도를 고려한 경우(SWAN w/ V_Y)의 네 가지 결과를 나타내었다. 그림에서 확인할 수 있듯이, AdFLOW, SWAN y방향 속도 고려하지 않은 경우, SWAN y방향 속도 고려한 경우 순으로 계산 결과의 정확도가 높아지는 것을 알 수 있으며, 파랑 표류력 계산 방법의 정도가 높아짐에 따라서 최종적인 선회궤적의 계산 정확도도 높아지는 것을 확인할 수 있다.
다음으로 수치계산 간의 결과를 비교해 보면, AdFLOW의 계산 결과에 비해서 SWAN 계산 결과가 미소하게나마 실험값과 더 유사한 경향을 보인다. 이는 SWAN 프로그램이 선박의 전진속도를 더 정밀하게 반영할 수 있는 방법이기 때문인 것으로 생각된다.
먼저 전반적인 경향을 살펴보면, surge 방향 파랑표류력의 경우 선수파 및 선수사파에서 입사파의 파장이 선박의 길이와 비슷한 영역에서 큰 값을 보여주고 있으며, sway 방향 파랑표류력은 선수사파의 단파장 영역에서 큰 값을 보여주고 있다. 두 프로그램간의 계산 결과를 비교하면, surge 방향의 파랑 표류력은 AdFLOW가 큰 값을 보여주고 있으며, sway 방향 파랑 표류력 및 yaw 방향 파랑 표류 모멘트는 SWAN이 큰 값을 보여주고 있다. 두 프로그램의 계산 결과에서 절대적인 크기의 차이는 있지만 최고점이 나타나는 위치나 전반적인 경향은 유사하게 나타나고 있는 것을 확인할 수 있다.
두 프로그램간의 계산 결과를 비교하면, surge 방향의 파랑 표류력은 AdFLOW가 큰 값을 보여주고 있으며, sway 방향 파랑 표류력 및 yaw 방향 파랑 표류 모멘트는 SWAN이 큰 값을 보여주고 있다. 두 프로그램의 계산 결과에서 절대적인 크기의 차이는 있지만 최고점이 나타나는 위치나 전반적인 경향은 유사하게 나타나고 있는 것을 확인할 수 있다. 마지막으로 y방향 속도에 의한 결과를 비교해보면, y방향 속도에 의해서 surge 방향 파랑 표류력은 크게 변화가 없지만, sway 방향 파랑 표류력과 yaw 방향 파랑 표류 모멘트는 크기가 다소 변화하고 있는 것을 확인할 수 있다.
이는 SWAN 프로그램이 선박의 전진속도를 더 정밀하게 반영할 수 있는 방법이기 때문인 것으로 생각된다. 마지막으로 y방향 속도에 대한 영향을 살펴보면, SWAN 프로그램에서 y방향 속도를 추가하여 파랑 표류력을 계산한 경우 선회궤적이 실험과 더 유사한 경향을 보여주는 것을 확인할 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이 y방향 속도를 고려함으로서 sway 방향 파랑 표류력과 yaw 방향 파랑 표류 모멘트가 변화하게 되며, 이로 인해서 전체적으로 선박의 선회가 잘 일어나며 선회궤적이 선회반경 안쪽으로 모이게 된다.
두 프로그램의 계산 결과에서 절대적인 크기의 차이는 있지만 최고점이 나타나는 위치나 전반적인 경향은 유사하게 나타나고 있는 것을 확인할 수 있다. 마지막으로 y방향 속도에 의한 결과를 비교해보면, y방향 속도에 의해서 surge 방향 파랑 표류력은 크게 변화가 없지만, sway 방향 파랑 표류력과 yaw 방향 파랑 표류 모멘트는 크기가 다소 변화하고 있는 것을 확인할 수 있다. y방향 속도가 양인 경우(우현방향으로 속도 존재) 선수 사파에서의 sway 방향 파랑 표류력의 크기 및 yaw 방향 파랑 표류 모멘트가 증가함을 알 수 있으며, y방향의 속도가 음인 경우(좌현방 향으로 속도 존재) 선수 사파에서 반대의 경향이 나타나는 것을 알 수 있다.

후속연구

- Surge 방향 파랑 표류력의 경우 표류거리에 큰 영향을 미치며, yaw 방향 파랑 표류 모멘트의 경우 선회궤적의 모양 및 표류 각도에 큰 영향을 미치는 것을 수치적으로 확인하였음. 수치계산의 정도 향상을 위해서 각 요소들의 민감도 결과를 활용할 수 있을 것으로 판단됨.
Sway 방향 파랑 표류력은 표류거리에만 어느 정도 영향을 끼치고 있는 것을 알 수 있다. 이러한 민감도 테스트를 통해서 각 파랑 표류력 성분이 선회 파라미터에 어떤 영향을 끼치는 지를 파악할 수 있으며, 수치계산을 더 정확하게 수행하기 위해서 어떤 성분의 계산 정도가 향상되어야 하는지에 대해서 파악이 가능할 것으로 생각된다.
현재의 계산 방법이 단지 파랑 표류력만을 조종 운동방정식에 도입한 단순한 방법이기 때문인 것으로 생각되며, 고차원적인 방법이 필요할 것으로 판단된다. 일반적으로 조종운동방정식의 선형 항의 경우 파도에 의한 영향을 받으며, 이를 반영하기 위해서 선형 항을 조우주파수 의존하는 값을 적용하는 방법 및 컨볼루션 적분을 사용한 메모리 효과까지 적용하는 방법 등이 제시되어 있으며, 이에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수치기법을 활용하여 파랑 중 선박의 조종성능을 추 정하는 다양한 연구들은 무엇이 있는가?	파에 의항 영향을 평가하기 위한 또 다른 방법은 수치기법을 사용하는 것이며, 이를 사용하여 파랑 중 선박의 조종성능을 추 정하는 다양한 연구가 진행되어 오고 있다. Ottosson and Bystrom (1991)은 고정된 부가 질량(added mass)과 감쇠계수 (damping coefficient)를 사용하여 파랑 중 조종운동을 계산하였 으며, Fang et al. (2005)은 조우주파수에 따른 선형 유체력 미계수를 반영하였으며, 발전된 형태의 해석 모델을 제시하였다. 앞서 언급한 방법들은 실시간 시뮬레이션에 중점을 둔 방법이며, 파에 의한 기억효과(memory effect)를 고려하지 않는다.
	SHOPERA 프로젝트는 어떤 시험을 수행하였는가?	이러한 국제적인 이슈로 인해서 파랑 중 조종성능에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있으며, 유럽연합의 공동 프로젝트인 SHOPERA(Energy Efficient Safe SHip OPERAtion), 일본의 JASNAOE 주도의 연구가 대표적으로 진행되고 있다. SHOPERA 프로젝트에서는 benchmark study를 통해서 탱커와 컨테이너선 에 대한 파랑 표류력 및 파랑 중 조종 시험을 수행하였으며, 파 랑 중 조종성능을 계산할 수 있는 프로그램을 평가하기도 하였다 (SHOPERA, 2016).
	선박의 효율을 추구하다보니 생긴 반대 급부는 무엇인가?	최근 국제적으로 친환경에 대한 관심이 증가하고, 국제해사기 구(International Maritime Organization, IMO) 산하의 해양환경보 전위원회(Marine Environmental Protection Committee, MEPC) 에서 선박의 온실가스 방출을 규제하기 위해서 EEDI(Energy Efficiency Design Index)를 도입하면서 선박의 효율에 대한 연구 가 활발히 진행되었다. 하지만 선박의 효율을 추구하다 보니 반대 급부로 해상환경조건이 좋지 않은 상황에서의 선박의 안정성 및 조종성이 문제가 되었으며, 이러한 문제를 예방하기 위해서 2013년에 MEPC에서는 황천시 선박의 조종성능을 유지하기 위 한 최소 마력에 대한 가이드라인을 제안하였다 (MEPC, 2013). 이러한 국제적인 이슈로 인해서 파랑 중 조종성능에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있으며, 유럽연합의 공동 프로젝트인 SHOPERA(Energy Efficient Safe SHip OPERAtion), 일본의 JASNAOE 주도의 연구가 대표적으로 진행되고 있다.

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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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