[논문]수치해석 및 시험을 통한 소형 쌍동선의 종경사 및 저항 연구

김정은; 오우준; 홍춘범; 김도정

doi:10.7837/kosomes.2018.24.5.591

수치해석 및 시험을 통한 소형 쌍동선의 종경사 및 저항 연구
A Study on the Trim and Resistance of Small Catamaran Using Numerical Analysis and a Model Test 원문보기

海洋環境安全學會誌 = Journal of the Korean society of marine environment & safety, v.24 no.5, 2018년, pp.591 - 596

김정은 ((재)한국조선해양기자재연구원) , 오우준 ((재)한국조선해양기자재연구원) , 홍춘범 ((재)한국조선해양기자재연구원) , 김도정 ((재)한국조선해양기자재연구원)

초록
AI-Helper

소형선박 설계에 있어 항주에 따른 설계 종경사 결정은 선체저항 뿐만 아니라 항주 안정성에 많은 영향을 주고 있다. 이는 초기 설계 시 선박의 무게중심 결정을 시작으로 대부분 결정된다. 본 연구는 소형 쌍동선박에 대해 수치해석을 통한 수직방향 무게중심 변화에 따른 종경사 영향을 확인하고, 이를 모형시험에서 결과를 검토하였다. 다양한 수직방향 무게중심 변화에 따른 모형시험 검토는 이뤄지지 못했지만, 향후 신조 소형선박 초기설계시 보다 나은 종경사 자세를 고려한 수직방향 무게중심 위치 제시를 목적으로 연구를 수행하였다. 수치해석 결과의 검증을 위하여 모형시험과 자세 비교를 수행하였다. 무게중심의 변화에 따른 종경사 각도 및 저항성능의 변화가 연구되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In Designing a Small Ship, the Design of the Trim for Sailing has a great influence on the Stability of the Ship as well as Resistance. The Center of Gravity of a Ship is mostly determined during Initial Design. This Study confirms the Effect of Trim on changes in Vertical Center of Gravity by Numerical Analysis for a Small Catamaran. The Results were examined in a Model test. However, No Model tests were conducted while varying the changes in Vertical Center of Gravity. Nonetheless, Investigation was completed for the Purpose of presenting Vertical Center of Gravity results according to plans for the Trim during Initial Design of a Small Ship. In order to verify the Results of Numerical Analysis, a Comparison with Experimental results was carried out. Alternation of Trim angle and Resistance performance according to changes in the Center of Gravity were studied.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 수치해석에서 VCG 변화에 따른 종경사 영향을 확인하고, 이를 모형시험에서 결과를 검토하였다. 다양한 VCG 변화에 따른 모형시험 검토는 이뤄지지 못했지만, 향후 신조 소형선박 초기설계 시 보다 나은 종경사 자세를 고려한 VCG 위치 제시를 목적으로 연구를 수행하였다.
본 연구는 VCGm/Lppm 변화에 따른 선체 종경사 변화 영향을 고찰하였다.
본 연구에서는 수치해석에서 VCG 변화에 따른 종경사 영향을 확인하고, 이를 모형시험에서 결과를 검토하였다. 다양한 VCG 변화에 따른 모형시험 검토는 이뤄지지 못했지만, 향후 신조 소형선박 초기설계 시 보다 나은 종경사 자세를 고려한 VCG 위치 제시를 목적으로 연구를 수행하였다.

제안 방법

VCG의 위치에 따라 실제 쌍동선 종경사의 값이 달라질 것으로 예상되어 먼저 수치해석을 통해 VCG 위치에 따른 종경사 각도의 차이를 확인하였다.
모형시험은 수치해석과 동일한 축척비에서 수행하였으며, Table 4는 수조시험의 선속조건을 나타낸 것이다. 선체의 종경사와 저항 등을 계측하기 위해 선수, 선미에 종경사 계측 센서 및 저항동력계를 설치하였다. 모형시험에서 저항동력계의 설치는 선체의 무게중심(CG)에 설치되어야 한다.
소형 쌍동선에 대해 수치해석과 모형시험 연구로 모형 축적비에서 선속변화에 따른 선체 종경사(Trim)와 전저항(C_T) 을 고찰하였고 세부결과는 다음과 같다.
06 m이며 실선대비 1/10 스케일이다. 주요 제원과 성능을 검토한 후 선박 운항지를 고려하여 설계속도(Design speed)는 10 knots로 정하였다. 해석 모델의 Geometry 형상은 Fig.
해석모델은 축적비(1/10)의 비율로 계산하였고 생성격자는 Volume mesh로 설정하였으며, Surface Re-mesh, Trimmed Cell Mesh, Prism Layer Mesh로 격자계를 구성하였다. 격자수는 약 65만개이다.

대상 데이터

해석모델은 축적비(1/10)의 비율로 계산하였고 생성격자는 Volume mesh로 설정하였으며, Surface Re-mesh, Trimmed Cell Mesh, Prism Layer Mesh로 격자계를 구성하였다. 격자수는 약 65만개이다. Fig.
모형시험은 서일본 유체기술연구소의 회류수조에서 수행되었으며, 시험에 사용된 모형은 Fig. 6에 나타내었다.
1에 보인 바와 같으며, 주요 제원은 Table 1에 정리하였다. 시험 선박의 제원은 길이 약 1.3 m, 폭 0.5 m, 깊이 0.06 m이며 실선대비 1/10 스케일이다. 주요 제원과 성능을 검토한 후 선박 운항지를 고려하여 설계속도(Design speed)는 10 knots로 정하였다.
시험대상인 소형 쌍동선체의 형상은 Fig. 1에 보인 바와 같으며, 주요 제원은 Table 1에 정리하였다. 시험 선박의 제원은 길이 약 1.

데이터처리

사용된 수치시뮬레이션 프로그램은 STAR-CCM+이며, 수치해석 난류모델은 유체에서 레이놀즈 응력의 전달방정식을 풀기위한 Reynolds Stress Turbulence를 적용하였고 계산 조건은 Table 2에 나타내었다. 수치해석 결과 검증은 모형시험을 통해서 확인하였다.
수치해석을 통해 얻어낸 저항(R_T)은 각각 모델 축적비에서 전저항계수(C_T)로 계산하여 상호 비교하였다. 계산된 결과 값은 Table 6에 정리하였고 Fig.

이론/모형

사용된 수치시뮬레이션 프로그램은 STAR-CCM+이며, 수치해석 난류모델은 유체에서 레이놀즈 응력의 전달방정식을 풀기위한 Reynolds Stress Turbulence를 적용하였고 계산 조건은 Table 2에 나타내었다. 수치해석 결과 검증은 모형시험을 통해서 확인하였다.

성능/효과

(1) 연구모델인 소형 쌍동선은 모형시험에서 저항동력계의 설치는 선체의 무게중심(CG)에 설치되어야 하나, 모형시험 계측센서 설치 불가일 경우, 실 선박과의 무게중심 차이에 따라 다른 결과를 얻을 수 있음을 확인하였다.
(2) 대상선박의 수치해석에서 VCG_m/Lpp_m 위치가 높아질수록 종경사가 작아졌으며, 이는 선체의 저항중심점은 수면 하부에 위치가고 무게중심은 수면 상부에 위치하기 때문에 무게 중심이 올라갈수록 선수 트림 모우멘트가 증가하여 경사각이 줄어드는 것을 확인하였다.
비교결과 수치해석 및 모형시험은 오차범위도 ± 0.49 ~ 3.84 % 내외로 유사한 값을 보이고 있으며, 비교 곡선을 통해 관련 유사도를 확인할 수 있었다.
10은 수치해석 결과로 도출한 파형과 모형시험에서 촬영한 선체 주위 유동 모습을 선속별로 비교한 그림이다. 선수부에서 나타나는 수치해석의 어깨파 형상이 모형시험과 유사하게 나타났으며, 선속이 증가할수록 종경사 각도가 증가하는 것을 확인하였다.
VCG_m/Lpp_m위치가 높아질수록 종경사가 작아지는 특징을 보이고 있다. 선체의 저항중심점은 수면 하부에 위치가고 무게중심은 수면 상부에 위치하기 때문에 무게 중심이 올라갈수록 선수 트림 모우멘트가 증가하여 경사각이 줄어드는 것을 확인하였다.
속도가 작은 7 knots(Fn = 0.320)에서는 선수 FP에 근접하여 Station line = 9.75 에서 선수파가 형성되었으며, 속도가 큰 10 knots(Fn = 0.457)에서는 종경사에 의해 낮은 속도에서보다 선수파 발생이 지연되고 파정이 선미 쪽으로 이동되어 형성되 는 것을 확인하였다. 시험선속 조건에 따라 종경사, 파계 형성에 크게 변화된 영향을 주고 있으며, 이는 선수 및 선미의 종방향 체적 분포에 따라 변화되는 것으로 분석되었다(Park et al.
(2016)은 쌍동선 선수 형상의 변화에 따른 저항성능의 영향을 검토하고 CFD와 모형시험 결과를 비교하여 저항과 자유표면 유동특성의 관계를 조사하였다. 수치해석 연구로는 정도 높은 수치해석 결과를 통해 모형시험 검증 연구가 확인되었다. Shi et al.
수치해석 이처럼 모형시험 저항동력계 계측장치가 동일한 VCG_m/Lpp_m = 14.7 %에서 선체 종경사 각도가 수치해석과 모형시험 데이터 비교를 통해 유사한 것을 확인하였고 수치 해석의 유용성을 검증하였다.
8은 선속에 따른 선체 종경사 변화를 그래프로 나타낸 것이다. 저속영역에서는 안정적인 종경사를 보이고 있지만, 고속영역인 10 knots 이상에서는 큰 선미트림 자세가 확인되었다.

후속연구

소형선박 초기 설계 시 항주에 따른 저항 및 종경사 결정을 위한 초기 무게중심 선정에 유용할 것으로 사료되었으며, 다양한 무게중심 변화에 따라 모형시험 결과변화 추가 연구가 요구되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	소형선박 설계에 있어 항주에 따른 설계 종경사 결정은 무엇에 영향을 주는가?	최근 해상에서 해안관리, 탐사 및 레저 낚시 등 소형 쌍동선에 대한 수요가 증가하고 있다. 소형선박 설계에 있어 항주에 따른 설계 종경사 결정은 선체저항 뿐만 아니라 항주 안정성에 많은 영향을 주고 있다. 이는 곧 선박의 용도 부합성과도 연관성이 높아서 점차 관련기술에 대한 연구도 지속적으로 많아지고 있다.
	종경사는 무엇에 의해 결정되는가?	종경사는 부력과 부양력이 선체 중량과 평형을 이룰 때 추력 모멘트와 선체 저항 모멘트로 결정된다. 고속 활주선의 경우에는 부양력에 의해 선체중량이 지지되며, 종경사는 선체 부력, 부양력 및 중량이 중심과 평형을 이루는 과정에서 종경사의 형태로 나타난다(Oh and Yoo, 2013).
	소형 쌍동선에 대해 수치해석과 모형시험 연구에서 종경사의 변화는 어떠하였는가?	(2) 대상선박의 수치해석에서 VCGm/Lppm 위치가 높아질수록 종경사가 작아졌으며, 이는 선체의 저항중심점은 수면 하부에 위치가고 무게중심은 수면 상부에 위치하기 때문에 무게 중심이 올라갈수록 선수 트림 모우멘트가 증가하여 경사각이 줄어드는 것을 확인하였다.

참고문헌 (5)

Jang, H. Y., C. H. Park, H. W. Kim, B. S. Lee and I. W. Lee(2010), A Study on the Sail Force Prediction Method for Hull Hydrodynamic Force Measurement of 30feet Catamaran Sailing Yacht, Journal of the Society of Naval Architects of Korea, Vol. 47, No. 4, pp. 477-483.

원문보기 상세보기
Oh, G. H. and J. H. Yoo(2013), Numerical Prediction of Running Attitude and Resistance of Planing Craft, Journal of the Society of Naval Architects of Korea, Vol. 50, No. 2, pp. 95-103.

원문보기 상세보기
Park, J. W., D. J. Kim, W. J. Oh and U. C. Jeong(2016), A Study on the Development of Low Speed Twin-Hull Form for Seabed Organic Sediment Collection, The Korean Society of Marine Environment & Safety, Vol. 22, No. 2, pp. 246-252.

원문보기 상세보기
Shi, A., M. Wu, B. Yang, X. Wang and Z. Wang(2012), Resistance Calculation and Motions Simulation for Free Surface Ship Based on CFD, Procedia Engineering, Vol. 31, pp. 68-74.

상세보기
Van, S. H. and H. C. Kim(1987), An Experimental Study on Hull Attitude and Resistance Components of a Ship, BULLETIN OF THE SOCIETY OF NAVAL ARCHITECTS OF KOREA, Vol. 24, No. 2, pp. 11-19.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증