파랑중을 항행하는 선박에는 저항증가와 함께 파랑에 의한 횡력 및 회두모멘트가 정수중과 다르게 작용하여 선박의 조종성능에 영향을 미치게 된다. 따라서 파랑에 의해 발생하는 횡력 및 회두모멘트를 추정하는 것이 중요하므로 본 연구에서는 이와 같은 문제를 해결할 수 있는 수치계산을 이행하였다. 본 연구에서는 CFD를 이용하여 정수중 및 파랑중에서 부선에 작용하는 유체력 계산을 위한 수치시뮬레이션을 수행하였으며, 이 결과를 토대로 최종적으로 파랑중 부선의 침로안정성 특성에 대하여 조사 및 분석하였다. 정수중보다는 파랑중에서 부선에 작용하는 유체력이 강해지고 있으며, 파랑중에서도 파장이 길어질수록 유체력이 커지고 있는 모습을 확인할 수 있다. 장파장 영역에서는 yaw damping lever의 (-) 값이 정수중보다 커지고 있으나, 단파장 영역과 파장이 선박길이와 일치하는 영역에서는 각각 작아지고 있어서 이 영역에서는 침로안정성이 향상되고 있다고 추정할 수 있다. 즉 장파장 영역에서는 침로안정성이 정수중 및 단파장 영역보다 상대적으로 나빠지고 있으므로 항행시 주의가 필요하다고 할 수 있다.
파랑중을 항행하는 선박에는 저항증가와 함께 파랑에 의한 횡력 및 회두모멘트가 정수중과 다르게 작용하여 선박의 조종성능에 영향을 미치게 된다. 따라서 파랑에 의해 발생하는 횡력 및 회두모멘트를 추정하는 것이 중요하므로 본 연구에서는 이와 같은 문제를 해결할 수 있는 수치계산을 이행하였다. 본 연구에서는 CFD를 이용하여 정수중 및 파랑중에서 부선에 작용하는 유체력 계산을 위한 수치시뮬레이션을 수행하였으며, 이 결과를 토대로 최종적으로 파랑중 부선의 침로안정성 특성에 대하여 조사 및 분석하였다. 정수중보다는 파랑중에서 부선에 작용하는 유체력이 강해지고 있으며, 파랑중에서도 파장이 길어질수록 유체력이 커지고 있는 모습을 확인할 수 있다. 장파장 영역에서는 yaw damping lever의 (-) 값이 정수중보다 커지고 있으나, 단파장 영역과 파장이 선박길이와 일치하는 영역에서는 각각 작아지고 있어서 이 영역에서는 침로안정성이 향상되고 있다고 추정할 수 있다. 즉 장파장 영역에서는 침로안정성이 정수중 및 단파장 영역보다 상대적으로 나빠지고 있으므로 항행시 주의가 필요하다고 할 수 있다.
For a ship navigating in waves, added resistance, sway force and yaw moment due to waves differ from still water conditions, which affects the maneuverability of the ship. Therefore, it is important to estimate the sway force and yaw moment generated by waves. In this study, numerical simulations we...
For a ship navigating in waves, added resistance, sway force and yaw moment due to waves differ from still water conditions, which affects the maneuverability of the ship. Therefore, it is important to estimate the sway force and yaw moment generated by waves. In this study, numerical simulations were carried out to calculate the hydrodynamic forces acting on a barge in still water and waves using CFD. Based on the results, the characteristics of course stability of a barge were investigated and analyzed. The hydrodynamic forces acting on the barge in waves were stronger than in still water, and it was confirmed that hydrodynamic forces become greater as wavelength becomes longer. In long wavelength regions, the (-) value of the yaw damping lever was larger than in still water. However, in short wavelength regions and when wavelength coincided with the length of the ship, values were smaller than in still water. In this region, it can be assumed that course stability improved. In other words, in long wavelength regions, the course stability of the barge was worse than in still water and short wavelength regions. Therefore, attention is required for safe navigation in long wavelength regions.
For a ship navigating in waves, added resistance, sway force and yaw moment due to waves differ from still water conditions, which affects the maneuverability of the ship. Therefore, it is important to estimate the sway force and yaw moment generated by waves. In this study, numerical simulations were carried out to calculate the hydrodynamic forces acting on a barge in still water and waves using CFD. Based on the results, the characteristics of course stability of a barge were investigated and analyzed. The hydrodynamic forces acting on the barge in waves were stronger than in still water, and it was confirmed that hydrodynamic forces become greater as wavelength becomes longer. In long wavelength regions, the (-) value of the yaw damping lever was larger than in still water. However, in short wavelength regions and when wavelength coincided with the length of the ship, values were smaller than in still water. In this region, it can be assumed that course stability improved. In other words, in long wavelength regions, the course stability of the barge was worse than in still water and short wavelength regions. Therefore, attention is required for safe navigation in long wavelength regions.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
부선의 조종성능 관점에서 살펴보면, 부선의 선미 쪽에 부가물이 부착되는 경우, 사항 상태 및 파랑과 같은 외력의 영향이 불규칙하게 작용하기 때문에 부선에 작용하는 횡력 및 선수요 모멘트 등을 계산하기 위해서는 일반적 선박과는 다른 비선형적인 요소들을 반드시 고려해야 한다. 따라서 본연구에서는 실해역에서의 부선의 안전 운항을 목적으로, CFD를 이용하여 정수중 및 파랑중에서 부선에 작용하는 유체력 계산을 위한 수치시뮬레이션을 수행하였으며, 이 결과를 토대로 최종적으로 파랑중 부선의 침로안정성 특성에 대하여 조사 및 분석하였다.
그러나 실제 예부선이 항행하고 있는 해상은 파도가 존재하는 파랑중에서의 운항이 대부분이며, 파랑중을 항행하는 선박에는 저항증가와 함께 파랑에 의한 횡력 및 회두모멘트가 정수중과 다르게 작용하여 선박의 조종 성능에 영향을 미치게 된다. 따라서 파랑에 의해 발생하는 횡력 및 회두모멘트를 추정하는 것이 중요하므로 본 연구에서는 이와 같은 문제를 해결할 수 있는 수치계산을 이행하였다.
본 연구에서는 CFD를 이용하여 정수중 및 정선수 규칙파 1미터 상태의 파랑중에서 부선에 작용하는 유체력 계산을 위한 수치 시뮬레이션을 수행하였다. 이 수치 시뮬레이션 결과를 토대로 파랑중 부선의 침로안정성 특성에 대하여 조사 및 분석하였으며, 결론은 다음과 같다.
제안 방법
침로안정성을 평가하기 위한 유체력 미계수 값을 취득하기 위해 본 연구에서는 구속모형시험인 PMM(planar motion mechanism) 시험을 시뮬레이션 하였다. PMM 시험중 동적 시험인 순수 선수동요 시험(pure yaw test)을 실시하여 조종 유 체력 미계수인 Yr과 Nr 값을 산출하였다. 수치해석을 위한 PMM 시험 절차와 해석방법은 Kim et al.
계산영역은 FP에서 선수방향으로 1.5 L, AP에서 선미방향으로 2.5 L, 선수미선에서 좌우 횡방향으로 2.0 L, 수면에서 상방향으로 3.0 T, 정수면에서 해저면까지 10.0 T의 거리를 선정하여 수치해석을 수행하였다. 선수방향을 +x축, 좌현방향을 +y축, 중력의 반대방향을 +z축으로 하는 직교좌표계를 사용하고 있으며, Fig.
본 연구에서는 회전운동시 선체에 작용하는 힘의 작용점과 무게중심과의 거리를 나타내는 yaw damping lever (lr)를 대상으로 비교·분석하였다.
1에 기본적인 제원과 형상을 보여주고 있다. 부선의 속도는 7노트를 기준으로 하여 정수중 및 파랑중 수치계산을 실행하였다.
부선의 조종 유체력 미계수 값을 구하기 위해 본 연구에서는 PMM 실험을 모사하기 위하여 CFD를 이용한 수치 시뮬레이션을 실행하였으며 그 결과는 다음과 같다.
자유수면은 VOF(Volume of Fluid)법을 이용하였으며, 파랑의 반사와 간섭현상을 억제하기 위하여 wave damping 기능을 유출경계면에 적용하여 수치계산을 수행하였다. 선체운동은 DFBI(Dynamic Fluid Body Interaction) 기능을 이용하여 종운동인 상하동요와 종동요만을 자유운동 상태에서 계산되도록 하였다.
본 연구에서는 CFD를 이용하여 정수중 및 정선수 규칙파 1미터 상태의 파랑중에서 부선에 작용하는 유체력 계산을 위한 수치 시뮬레이션을 수행하였다. 이 수치 시뮬레이션 결과를 토대로 파랑중 부선의 침로안정성 특성에 대하여 조사 및 분석하였으며, 결론은 다음과 같다.
침로안정성을 평가하기 위한 유체력 미계수 값을 취득하기 위해 본 연구에서는 구속모형시험인 PMM(planar motion mechanism) 시험을 시뮬레이션 하였다. PMM 시험중 동적 시험인 순수 선수동요 시험(pure yaw test)을 실시하여 조종 유 체력 미계수인 Yr과 Nr 값을 산출하였다.
파고 1미터의 정선수 방향 규칙 파를 대상으로 하였으며, 파장은 0.5 L, 1.0 L, 1.5 L로 구분하여 파장별 침로안정성 특성을 정수중에서의 값과 상호 비교·분석하였다.
파랑중 부선의 침로안정성 특성을 분석하기 위하여 본 연구에서는 Finite Volume Method를 기본으로 하는 CFD 상용프로그램인 STAR-CCM+를 사용하여 유체력을 계산하였다. 본 연구에서 사용된 기본적인 수치해석 기법 및 격자 생성은 Lee and Hong(2017)과 Lee(2017)의 연구를 참조하여 실행하였다.
대상 데이터
정수중 및 파랑중 부선에 작용하는 유체력 특성을 수치 시뮬레이션 하기 위하여 본 연구에서는 실제 실무에서 운항 중인 너클형 스케그가 부착된 90미터급 실선 크기의 대형부선을 대상 선박으로 선택하였으며, Table 1과 Fig. 1에 기본적인 제원과 형상을 보여주고 있다. 부선의 속도는 7노트를 기준으로 하여 정수중 및 파랑중 수치계산을 실행하였다.
이론/모형
수치해석을 위한 PMM 시험 절차와 해석방법은 Kim et al.(2015)의 연구를 참조하였다.
난류모델은 Realizable k-ε 모델을 사용하였으며 wall function을 적용하였다.
파랑중 부선의 침로안정성 특성을 분석하기 위하여 본 연구에서는 Finite Volume Method를 기본으로 하는 CFD 상용프로그램인 STAR-CCM+를 사용하여 유체력을 계산하였다. 본 연구에서 사용된 기본적인 수치해석 기법 및 격자 생성은 Lee and Hong(2017)과 Lee(2017)의 연구를 참조하여 실행하였다.
수치해석에 사용된 파랑은 fifth-order Stokes wave를 선택하여 수치계산을 실행하였다. 파고 1미터의 정선수 방향 규칙 파를 대상으로 하였으며, 파장은 0.
시간 이산화는 1차 음해법을 채택하였고, 속도-압력 연성은 SIMPLE 방법을 사용하였다. 난류모델은 Realizable k-ε 모델을 사용하였으며 wall function을 적용하였다.
난류모델은 Realizable k-ε 모델을 사용하였으며 wall function을 적용하였다. 자유수면은 VOF(Volume of Fluid)법을 이용하였으며, 파랑의 반사와 간섭현상을 억제하기 위하여 wave damping 기능을 유출경계면에 적용하여 수치계산을 수행하였다. 선체운동은 DFBI(Dynamic Fluid Body Interaction) 기능을 이용하여 종운동인 상하동요와 종동요만을 자유운동 상태에서 계산되도록 하였다.
성능/효과
\(\lambda\)는 파장을, r′는 선속과 선박길이를 이용하여 무차원화시킨 각속도(r′ = \(r \over U/L\))를 의미한다. 계산 결과를 살펴보면, 정수중보다는 파랑중에서 부선에 작용하는 유체력이 강해지고 있으며, 파랑중에서도 파장이 길어질수록 유체력이 커지고 있는 모습을 확인할 수 있다.
정수중보다는 파랑중에서 부선에 작용하는 유체력이 강해지고 있으며, 파랑중에서도 파장이 길어질수록 유체력이 커지고 있는 모습을 확인할 수 있었다.
후속연구
본 연구에서는 동적 시험인 순수 선수동요 시험(pure yaw test)만을 대상으로 수치 시뮬레이션을 실시하였는데, 향후 정적 편류각 시험(static drift test)을 실행하여 편류각에 따른 조종 유체력 미계수 값을 추정하고, 또한 다방향파에서의 파표류력을 함께 추산하여 종합적인 파랑중 선박의 조종안정성에 대한 연구가 필요하다고 판단된다.
즉 장파장 영역에서 흡입면쪽 스케그 압력이 선체중앙부쪽으로 작용하고 있기 때문에 침로안정성이 더 나쁘게 나타나고 있는 원인이라고 추정된다. 이와 같이 파장별 부선에 작용하는 유체력이 스케그에 의해 영향을 받고 있는 것으로 보여지며, 향후 스케그가 설치되지 않은 부선에 대한 연구가 실시되어 상호 비교 분석할 필요가 있다고 판단된다. 장파장 영역에서의 부선의 선저부분을 살펴보면, 다른 파장에서의 압력 분포와는 다르게 압력변화가 비교적 크게 나타나고 있는 모습을 확인 할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
파랑중 부선의 침로안정성 특성을 분석하기 위하여 어떻게 유체력를 계산했는가?
파랑중 부선의 침로안정성 특성을 분석하기 위하여 본 연구에서는 Finite Volume Method를 기본으로 하는 CFD 상용프로그램인 STAR-CCM+를 사용하여 유체력을 계산하였다. 본 연구에서 사용된 기본적인 수치해석 기법 및 격자 생성은 Lee and Hong(2017)과 Lee(2017)의 연구를 참조하여 실행하였다.
부선의 침로안정성이 확보되지 않는다면 어떤일이 발생할 가능성이 높은가?
선미예인 방식에 의해 예인되고 있는 부선의 침로안정성은 예부선 운항에 있어서 매우 중요한 요소 중 하나이다. 부선의 침로안정성이 확보되지 않은 채 해상에서의 예인 업무를 이행하게 될 경우 해양사고를 발생시킬 위험성이 매우 높다.
선속과 자유수면의 영향을 고려해야 하는 이유는?
, 2008; Yasukawa and Yohshimura, 2015). 그러나 실제 예부선이 항행하고 있는 해상은 파도가 존재하는 파랑중에서의 운항이 대부분이며, 파랑중을 항행하는 선박에는 저항증가와 함께 파랑에 의한 횡력 및 회두모멘트가 정수중과 다르게 작용하여 선박의 조종 성능에 영향을 미치게 된다. 따라서 파랑에 의해 발생하는 횡력 및 회두모멘트를 추정하는 것이 중요하므로 본 연구에서는 이와 같은 문제를 해결할 수 있는 수치계산을 이행하였다.
참고문헌 (16)
Fang, M. C., J. H. Luo and M. L. Lee(2005), A nonlinear mathematical model for ship turning circle simulation in waves, Journal of Ship Research, Vol. 49, No. 2, pp. 69-79.
Hirano, M., J. Takashina, K. Takeshi and T. Saruta(1980), Ship turning trajectory in regular waves, Transactions of West-Japan Society of Naval Architects, No. 60, pp. 17-31.
Im, N. K., S. M. Lee and C. K. Lee(2015), The influence of skegs on course stability of a barge with a different configuration, Ocean Engineering, Vol. 97, pp. 165-174.
Kim, H., H. Akimoto and H. Islam(2015), Estimation of the hydrodynamic derivatives by RaNS simulation of planar motion mechanism test, Ocean Engineering, Vol. 108, pp. 129-139.
Lee, S. and S. M. Lee(2016), Experimental study on the towing stability of barges based on bow shape, Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety, Vol. 22, No. 7, pp. 800-806.
Lee, S. M.(2017), Study on hydrodynamic forces acting on a very large container vessel at lower depths in both still water and waves, Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety, Vol. 23, No. 6, pp. 613-619.
Lee, S. M. and C. B. Hong(2017), Study on the course stability of very large vessels in shallow water using CFD, Ocean Engineering, Vol. 145, pp. 395-405.
Lin, W. M., S. Zhang, K. Weems and D. Liut(2006), Numerical simulations of ship maneuvering in waves, Proceeding of the 26th Symposium on Naval Hydrodynamics, pp. 17-22.
Miyazaki, H., Y. Tsukada and M. Ueno(2008), Numerical study of hydrodynamic force of manoeuvring motion about different stern form, Proceedings of the Japan Society of Naval Architects and Ocean Engineering, pp. 17-18.
Seo, M. G. and Y. Kim(2011), Numerical analysis on ship maneuvering coupled with ship motion in waves, Ocean Engineering, Vol. 38, pp. 1934-1945.
Skejic, R. and O. M. Faltinsen(2008), A unified seakeeping and maneuvering analysis of ships in regular waves, Journal of Marine Science and Technology, Vol. 13, No. 4, pp. 371-394.
Van Oers, B. and S. Toxopeus(2006), On the relation between flow behaviour and the lateral force distribution acting on a ship in oblique motion, World Maritime Technology Conference (WMTC 2006).
Yasukawa, H.(2006), Simulation of ship maneuvering in waves (1st report : turning motion), Journal of the Japan Society of Naval Architects and Ocean Engineering, Vol. 4, pp. 127-136.
Yasukawa, H.(2008), Simulation of ship maneuvering in waves (2nd report : zig-zag and stopping maneuvers), Journal of the Japan Society of Naval Architects and Ocean Engineering, Vol. 7, pp. 163-170.
Yasukawa, H. and Y. Yoshimura(2015), Introduction of MMG standard method for ship maneuvering predictions, Journal of Marine Science and Technology, Vol. 20, pp. 37-52.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.