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문제 정의
- 본 연구에서는 유빙 얼음 환경 특성을 분석하였고, 이를 바탕으로 선행 연구를 통해 개발 되었던 I-RES 프로그램의 적용 범위를 유빙 얼음까지 확장할 수 있는 방법론을 제시하였다. 유빙얼음의 빙저항은 전체 빙저항(RT)에서 쇄빙저항(RBr)을 제외한 빙 부력저항(RBu)과 빙 제거저항(RCL)의 합으로 표현 할 수 있고, 선속에 따른 상관 계수를 도출하여 빙저항 및 도달 속도를 추정하였다.
- 본 연구의 목적은 기존 연구에서 평탄빙을 대상으로 개발되었던 빙저항 및 도달 속도 추정 프로그램 (이하에서 “I-RES”라 명명함.)의 적용 범위를 유빙 얼음까지 확장하여 빙저항을 추정하고 추정된 빙저항 값으로부터 엔진의 출력을 추정하고, 엔진과추진기의 관계로부터 나오는 특성곡선으로부터 정해진 엔진 출력에서 선박이 낼 수 있는 도달 속도(attainable speed)를 추정하는 과정을 정리하였다.
- 본 연구의 목적은 평탄빙을 대상으로 개발 되었던 빙저항 추정 프로그램의 적용 범위를 유빙 얼음까지 확장하는 것이다. 평탄빙의 빙저항 추정 방법을 유빙 얼음 환경으로 확장하기 위해유빙 얼음은 빙편 얼음 환경과 같이 전체 빙저항(RT)에서 쇄빙저항(RBr)을 제외한 값을 사용하였다.
제안 방법
- 세 번째 단계는 얼음 환경 조건을 정의(ice condition)하는 단계로 얼음 환경 조건에 따른 상관 계수를 정의 한다. I-RES 프로그램에서 제공하는 GUI(Graphical User Interface)를 이용해 평탄빙, 미리 자른 얼음, 빙편 얼음, 빙맥, 유빙 얼음과 같은 얼음의 환경 조건을 선택한 뒤 얼음 상태 파일을 생성한다.
- 유빙 얼음의 빙저항 추정은 유빙 얼음의 환경 특성 분석을 통하여 유빙 얼음 빙저항 추정 알고리즘을 개발하였으며, 모형 시험과 비교를 통하여 경험식을 이용한 유빙 얼음 하에서 선박의속도 추정 알고리즘을 검증하였다. 검증된 알고리즘을 반영하여 보완 개발된 I-RES 프로그램으로 북극항로를 운항하는 선박의 최대 엔진 출력의 결정할 수 있고, 해당 선박들의 쇄빙 성능을 고려하여 정해진 출력에서 도달 속도 추정 및 최적 항로의 결정과 운항 시간의 결정 등 북극항로를 운항하는 선박에 다양한 정보를 제공할 수 있도록 하였다.
- 빙편 얼음의 경우는 미리 자른 얼음과 마찬가지로 전체 빙저항(RT)에서 쇄빙저항(RBr)을 제외한 값으로 나타내었다. 그리고 빙편 얼음의 모형 시험 결과는 도달 속도(Attainable speed)를 구하기 위해 편의상 17 knots까지 확장하였고, 빙 집적도와 선속의 관계에 따라 Fig. 7와 같이 상관 계수를 도출하여 적용하였다.
- 둘째, 설계된 프로펠러 단독시험(Propeller Open Water test, POW) 결과를 사용하여 임의의 회전수(rpm) 혹은 전진비에서 추력과 토크(torque) 곡선 및 선박에 장착되는 엔진의 특성 곡선을 준비한다.
- 하지만 이 방법들은 선박과 얼음의 형상과 특성을 정의하는데 많은 시간이 소모 된다. 따라서 본 연구에서는 빙저항 추정을 위해 빠른 시간 안에 빙저항을 추정할 수 있는 경험식을 이용한 방법을 사용하였다.
- 먼저 평탄빙을 목표 값까지 성장 시키고, 필요한 얼음 양을 계산한다. 그리고 3개의 얼음 푸셔(ice pusher)를 이용하여 평탄빙을 부순다.
- 모형 시험은 실선 속도 1, 3, 5 knots, 유빙 얼음의 두께0.86m, 1B 환경에서 수행하였다. Fig.
- 0 m를 사용한다. 본 연구에서는 시험 방법의 확보와 시스템 전체에 대한 검증을 수행하는 목적으로 0.86m에 대해 모형 시험을 수행하였으며, 유빙 얼음의 채널을 만드는 과정은 절차에 따라 Fig. 11에 정리하였으며, 다음과 같다 (Kim et al.,2015).
- 본 연구에서는 위와 같이 수학적인 방법을 적용하여 빙 제거저항 계산 시 발생하는 𝜃의 발산 문제를 해결하였으며, 각 빙저항 요소에 대한 추정 식을 식 (3)~(5)에 나타내었다. 식 (3)~(5)에 따르면 쇄빙저항은 선수의 형상 및 각도에 의해서 영향을 받지만, 식 (3) Shimansky의 쇄빙저항은 속도에 영향 없이 순수하게 얼음이 전단에 의해서 파괴되는 저항값을 정의하고 있다.
- ‘I-RES’ 프로그램의 정확성을 판단하기 위해 평탄빙, 빙편 얼음, 미리 자른 얼음에 대해 검증을 진행하였다. 본 연구에서는I-RES 프로그램 검증을 위해 국내 최초 쇄빙 연구선 아라온을 바탕으로 모형 시험을 실시하였다. Table 1은 아라온의 선형 정보를 나타내고 있다 (Kim et al.
- 빙편 얼음의 경우 빙 강도 1157 KPa, 빙 두께 1.06 m, 선속1, 3, 5 knots, 빙 집적도 60, 80, 90%에서 실험을 실시하였고, 모형 시험 결과와 I-RES 프로그램을 통해 추정된 빙저항 결과를Table 3에 나타내었다. 빙편 얼음의 경우는 미리 자른 얼음과 마찬가지로 전체 빙저항(RT)에서 쇄빙저항(RBr)을 제외한 값으로 나타내었다.
- )의 적용 범위를 유빙 얼음까지 확장하여 빙저항을 추정하고 추정된 빙저항 값으로부터 엔진의 출력을 추정하고, 엔진과추진기의 관계로부터 나오는 특성곡선으로부터 정해진 엔진 출력에서 선박이 낼 수 있는 도달 속도(attainable speed)를 추정하는 과정을 정리하였다. 선행 연구에서 진행 되었던 연구 결과의 정확성과 타당성을 검증하기 위해 평탄빙, 미리 자른 얼음(pre-swan), 빙편 얼음 환경에서의 모형 시험 결과와 I-RES 프로그램 결과를 비교하였다.
- 셋째, 프로펠러 단독시험, 자항시험 결과, 엔진 특성 곡선, 일반 해역(open sea) 상태에서 선박의 저항과 자항요소인 반류계류(w), 추력감소계류(t), 프로펠러 정보 등을 사용하여 빙저항을 위해 사용할 수 있는 여유 추력 혹은 속도별 발생 추력에서 유체저항을 극복하는데 필요한 추력을 제외한 나머지 추력(available net thrust)을 계산한다.
- Spencer 분류 방법으로 여러 학자들이 경험식을 제한하였고 본 연구에 적용된 방법은 다음과 같다. 쇄빙저항은 Shimansky(1938) 쇄빙저항 추정방법을 보완 없이 그대로 적용하였고, 빙부력 저항은 Enkvist (1972)가 평균 수심을 사용한 부력저항을 사용한 반면 본 연구에서는 계산의 정도를 높이기 위해 빙편 각각의 부력중심을 사용하여 부력저항을 계산하는 방법을 적용하였다. 빙 제거저항의 경우 Poznyak and Ionov( 1981) 빙 제거저항추정방법을 보완하여 사용하였다.
- 유빙 얼음 검증에 앞서 평탄빙, 미리 자른 얼음, 빙편 얼음 환경에서의 아라온 모형 시험과 I-RES 프로그램의 계산 결과 비교를 통해 I-RES 프로그램의 정도와 타당성에 대한 검증을 수행하였다. 같은 과정으로 유빙 얼음에 대한 검증을 수행한 결과 최대오차율 약 5% 이내로 일치 하는 결과를 확인하였다.
- 유빙 얼음에 대한 모형 시험은 실선 속도 1, 3, 5 knots, 유빙얼음의 두께 0.86 m, IB 환경에서 수행되었고, 유빙 얼음 환경에서 아라온이 최대 파워로 운항 시 가능한 도달 속도를 추정하기 위해 모형 시험 결과를 바탕으로 실선 속도를 17 knots 까지 확장하여 Fig. 12에 나타내었다. 확장된 유빙 얼음 저항을 바탕으로 I-RES 프로그램 결과와 비교하여 선속, 유빙 얼음 두께에 따른 상관 계수를 도출하였으며 이를 Fig.
- 유빙 얼음의 경우 현재까지 진행된 모형 시험은 동일한 두께에서 선속의 변화에 따라 진행되어 유빙 얼음 두께에 따른 상관계수 도출은 I-RES의 결과를 바탕으로 상관 계수 도출이 이루어졌다. 따라서 추후 유빙 얼음 두께와 선속에 다른 추가 적인 실험을 통해 검증이 요구되며, 이를 바탕으로 상관계수를 도출하면유빙 얼음에 대한 정확도를 향상 시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 유빙 얼음의 빙저항 추정은 유빙 얼음의 환경 특성 분석을 통하여 유빙 얼음 빙저항 추정 알고리즘을 개발하였으며, 모형 시험과 비교를 통하여 경험식을 이용한 유빙 얼음 하에서 선박의속도 추정 알고리즘을 검증하였다. 검증된 알고리즘을 반영하여 보완 개발된 I-RES 프로그램으로 북극항로를 운항하는 선박의 최대 엔진 출력의 결정할 수 있고, 해당 선박들의 쇄빙 성능을 고려하여 정해진 출력에서 도달 속도 추정 및 최적 항로의 결정과 운항 시간의 결정 등 북극항로를 운항하는 선박에 다양한 정보를 제공할 수 있도록 하였다.
- 본 연구에서는 유빙 얼음 환경 특성을 분석하였고, 이를 바탕으로 선행 연구를 통해 개발 되었던 I-RES 프로그램의 적용 범위를 유빙 얼음까지 확장할 수 있는 방법론을 제시하였다. 유빙얼음의 빙저항은 전체 빙저항(RT)에서 쇄빙저항(RBr)을 제외한 빙 부력저항(RBu)과 빙 제거저항(RCL)의 합으로 표현 할 수 있고, 선속에 따른 상관 계수를 도출하여 빙저항 및 도달 속도를 추정하였다.
- 두 번째 단계는 평탄빙 저항을 추정하는 단계이다. 첫 번째 단계와 같은 선형의 기하학적 정보와 얼음 정보를 바탕으로 경험식에 의거하여 평탄빙에 대한 빙저항을 추정한다.
- 첫째, 빙 등급 별(IA super, IA, IB, IC)로 규정에서 정의하는 두께 별로 속도를 5 knots로 고정한 상태에서 유빙 얼음 패널(channel)을 만들고 빙저항을 계측하는 모형시험을 수행한다.
- 평탄빙과 미리 자른 얼음의 경우 빙 강도 746 KPa, 빙 두께0.56 m, 선속 1, 3, 5 konts에서 실험을 실시하였고, 모형 시험결과와 I-RES 프로그램을 통해 추정된 빙저항 결과를 Fig. 6과 Table 2에 나타내었다. 평탄빙은 전체 빙저항(RT)으로 미리 자른 얼음의 경우는 전체 빙저항(RT)에서 쇄빙저항(RBr)을 제외한 값으로 나타내었다.
대상 데이터
- 본 연구의 목적은 평탄빙을 대상으로 개발 되었던 빙저항 추정 프로그램의 적용 범위를 유빙 얼음까지 확장하는 것이다. 평탄빙의 빙저항 추정 방법을 유빙 얼음 환경으로 확장하기 위해유빙 얼음은 빙편 얼음 환경과 같이 전체 빙저항(RT)에서 쇄빙저항(RBr)을 제외한 값을 사용하였다.
데이터처리
- ‘I-RES’ 프로그램의 정확성을 판단하기 위해 평탄빙, 빙편 얼음, 미리 자른 얼음에 대해 검증을 진행하였다.
성능/효과
- 14에 나타내었다. I-RES 프로그램 해석 결과와의 최대 오차율은 약 5.6%이고, IA 환경 조건에서 도달 속도는 10.2 knots이다.
- 평탄빙의 경우 선속이 3 knots 이상일 경우 오차율 증가하는 경향을 보이며, 미리 자른 얼음의 경우는 모형 시험과 비슷한 경향을 보여준다. I-RES 프로그램의 최대 오차율은 평탄빙 선속 5knots에서 약 12% 내외로 발생했으며, 선속 및 얼음 두께에 대한 영향을 함께 고려하여 I-RES에 대한 타당성을 확보하였다.
- 유빙 얼음 검증에 앞서 평탄빙, 미리 자른 얼음, 빙편 얼음 환경에서의 아라온 모형 시험과 I-RES 프로그램의 계산 결과 비교를 통해 I-RES 프로그램의 정도와 타당성에 대한 검증을 수행하였다. 같은 과정으로 유빙 얼음에 대한 검증을 수행한 결과 최대오차율 약 5% 이내로 일치 하는 결과를 확인하였다. 또한, 아라온의 경우 유빙 얼음 IA 환경 조건에서 5 knots 이상을 만족한다.
- 빙 집적도 80%, 90%에서 I-RES의 결과는 모형 시험 결과보다 작은 저항 값을 나타내며, 최대 오차율은 약 20%이다. 이는 제한된 실험 조건에서 빙 집적도와 선속을 확장시켜 상관계수를 도출하였기 때문에 나타나는 오차율로 판단된다.
- 빙저항을 추정하는 방법은 시뮬레이션을 이용한 방법, 경험식을 이용한 방법이 있다. 시뮬레이션을 이용한 방법은 비교적 정확한 결과를 얻을 수 있고, 결과 분석 또한 용이하다는 장점이 있다. 하지만 이 방법들은 선박과 얼음의 형상과 특성을 정의하는데 많은 시간이 소모 된다.
후속연구
- 유빙 얼음의 경우 현재까지 진행된 모형 시험은 동일한 두께에서 선속의 변화에 따라 진행되어 유빙 얼음 두께에 따른 상관계수 도출은 I-RES의 결과를 바탕으로 상관 계수 도출이 이루어졌다. 따라서 추후 유빙 얼음 두께와 선속에 다른 추가 적인 실험을 통해 검증이 요구되며, 이를 바탕으로 상관계수를 도출하면유빙 얼음에 대한 정확도를 향상 시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 하지만 본 연구에서 상관 계수 도출은 유빙 얼음의 두께 변화를 반영하지 않았으므로 추가 적인 모형 시험을 통해 정확한 검증이 요구되며, 추후 유빙 얼음 두께와 선속에 변화에 따른 모형시험과 상관 계수 도출을 통해 I-RES 프로그램의 정확도를 향상시키고 활용성을 증대 시킬 예정이다.
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