현재 운용되고 있는 대형 등부표는 대부분 철소재로 제작되어, 부식과 침식에 취약할 뿐 아니라 중량이 커서 설치 및 유지보수가 어렵다. 또한, 주위를 항해하는 선박과 충돌시 등부표 및 선박의 구조적 피해는 물론 인명피해를 발생시키기도 한다. 이러한 철소재 등 부표의 문제점들을 해결하고자 친환경, 경량화 재질을 사용한 등부표가 주목을 받고 있고, 최근 국내에서도 부체와 상부구조물에 각각 친환경 경량소재인 EPP(Expanded Polypropylene)와 알루미늄 소재를 적용한 경량 등부표가 개발된 바 있다. 등부표가 본연의 기능을 수행하기 위해서는 복원성능 및 파랑중 (동적) 운동성능의 확보가 중요한데, 경량화 등부표는 기존의 철재 등부표와 중량 분포 및 운동특성이 다르기 때문에 이에 관한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 새롭게 개발된 전원일체형 경량 7마일 등부표의 복원성능과 다양한 환경조건(파도, 바람, 조류)하에서의 운동성능을 평가하였다. 계류시스템을 고려한 운동해석에는 ANSYS사의 AQWA를 사용하였으며, 운동성능 추정의 정도 향상을 위하여 상용 CFD SW인 Simens사의 STAR-CCM+를 사용해 추정한 풍하중 및 조류하중을 운동해석에 사용하였다. 추정된 등부표의 유의운동의 최대값을 비교한 결과, 바람보다는 파도와 조류가 운동성능에 상대적으로 큰 영향을 미치며, 해상상태가 나빠질수록(Beaufort No. 3이상) 운동이 급격히 커지는 것으로 예측되었다. 이는 해상상태가 나빠지면서 불규칙 파 에너지 스펙트럼의 최대 주파수가 등부표의 고유주파수에 근접하기 때문으로 추정된다.
현재 운용되고 있는 대형 등부표는 대부분 철소재로 제작되어, 부식과 침식에 취약할 뿐 아니라 중량이 커서 설치 및 유지보수가 어렵다. 또한, 주위를 항해하는 선박과 충돌시 등부표 및 선박의 구조적 피해는 물론 인명피해를 발생시키기도 한다. 이러한 철소재 등 부표의 문제점들을 해결하고자 친환경, 경량화 재질을 사용한 등부표가 주목을 받고 있고, 최근 국내에서도 부체와 상부구조물에 각각 친환경 경량소재인 EPP(Expanded Polypropylene)와 알루미늄 소재를 적용한 경량 등부표가 개발된 바 있다. 등부표가 본연의 기능을 수행하기 위해서는 복원성능 및 파랑중 (동적) 운동성능의 확보가 중요한데, 경량화 등부표는 기존의 철재 등부표와 중량 분포 및 운동특성이 다르기 때문에 이에 관한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 새롭게 개발된 전원일체형 경량 7마일 등부표의 복원성능과 다양한 환경조건(파도, 바람, 조류)하에서의 운동성능을 평가하였다. 계류시스템을 고려한 운동해석에는 ANSYS사의 AQWA를 사용하였으며, 운동성능 추정의 정도 향상을 위하여 상용 CFD SW인 Simens사의 STAR-CCM+를 사용해 추정한 풍하중 및 조류하중을 운동해석에 사용하였다. 추정된 등부표의 유의운동의 최대값을 비교한 결과, 바람보다는 파도와 조류가 운동성능에 상대적으로 큰 영향을 미치며, 해상상태가 나빠질수록(Beaufort No. 3이상) 운동이 급격히 커지는 것으로 예측되었다. 이는 해상상태가 나빠지면서 불규칙 파 에너지 스펙트럼의 최대 주파수가 등부표의 고유주파수에 근접하기 때문으로 추정된다.
Because large buoys are mainly made of steel, they are heavy and vulnerable to corrosion by sea water. This makes buoy installation and maintenance difficult. Moreover, vessel collision accidents with buoys and damage to vessels due to the material of buoys (e.g., steel) are reported every year. Rec...
Because large buoys are mainly made of steel, they are heavy and vulnerable to corrosion by sea water. This makes buoy installation and maintenance difficult. Moreover, vessel collision accidents with buoys and damage to vessels due to the material of buoys (e.g., steel) are reported every year. Recently, light buoys adopting eco-friendly and lightweight materials have come into the spotlight in order to solve the previously-mentioned problems. In Korea, a new lightweight buoy with a 7-Nautical Mile lantern adopting expanded polypropylene (EPP) and aluminum to create a buoyant body and tower structure, respectively, was developed in 2017. When these light buoys are operated in the ocean, the visibility and angle of light from the lantern installed on the light buoys changes, which may cause them to function improperly. Therefore, research on the performance of light buoys is needed since the weight distribution and motion characteristics of these new buoys differ from conventional models. In this study, stability estimation and motion analyses for newly-developed buoys under various environmental conditions considering a mooring line were carried out using ANSYS AQWA. Numerical simulations for the estimation of wind and current loads were performed using commercial CFD software, Siemens STAR-CCM+, to increase the accuracy of motion analysis. By comparing the estimated maximum significant motions of the light buoys, it was found that waves and currents were more influential in the motion of the buoys. And, the estimated motions of the buoys became larger as the sea state became worser, which might be the reason that the peak frequencies of the wave spectra got closer to those of the buoys.
Because large buoys are mainly made of steel, they are heavy and vulnerable to corrosion by sea water. This makes buoy installation and maintenance difficult. Moreover, vessel collision accidents with buoys and damage to vessels due to the material of buoys (e.g., steel) are reported every year. Recently, light buoys adopting eco-friendly and lightweight materials have come into the spotlight in order to solve the previously-mentioned problems. In Korea, a new lightweight buoy with a 7-Nautical Mile lantern adopting expanded polypropylene (EPP) and aluminum to create a buoyant body and tower structure, respectively, was developed in 2017. When these light buoys are operated in the ocean, the visibility and angle of light from the lantern installed on the light buoys changes, which may cause them to function improperly. Therefore, research on the performance of light buoys is needed since the weight distribution and motion characteristics of these new buoys differ from conventional models. In this study, stability estimation and motion analyses for newly-developed buoys under various environmental conditions considering a mooring line were carried out using ANSYS AQWA. Numerical simulations for the estimation of wind and current loads were performed using commercial CFD software, Siemens STAR-CCM+, to increase the accuracy of motion analysis. By comparing the estimated maximum significant motions of the light buoys, it was found that waves and currents were more influential in the motion of the buoys. And, the estimated motions of the buoys became larger as the sea state became worser, which might be the reason that the peak frequencies of the wave spectra got closer to those of the buoys.
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문제 정의
본 연구에서는 새롭게 개발된 전원일체형 7마일 등부표들의 복원성능과 다양한 환경조건(파도, 바람, 조류)하에서의 운동성능을 평가하였다. 계류시스템을 고려한 운동해석에는 ANSYS사의 AQWA를, 운동성능 추정의 정도 향상을 위하여 상용 CFD SW인 Simens사의 STAR-CCM+를 사용해 추정한 풍하중 및 조류하중을 운동해석에 사용하였다.
본 연구에서는 새롭게 개발된 전원일체형 경량 7마일 등명기를 결합한 등부표의 복원성능과 다양한 환경조건(파도, 바람, 조류)하에서의 운동성능을 평가하였다. 계류시스템을 고려한 운동해석에는 ANSYS사의 AQWA를 사용하였으며, 운동성능 추정의 정도 향상을 위하여 상용 CFD SW인 Simens사의 STAR-CCM+를 사용해 추정한 풍하중 및 조류하중을 운동해석에 사용하였다.
제안 방법
054 ton/cm이며, 이를 이용하여 중추의 질량변화에 따른 흘수를 계산하여 Table 2에 보이고 있다. 0.4 ~ 0.5 m의 흘수 조건을 만족하기 위해 필요한 중추 질량은 1000 kg으로 설정하였으며, 이후의 계산과 운동 해석은 중추 질량 1000 kg이 적용된 조건에서 수행하였다.
다양한 환경조건에 대한 등부표의 운동성능을 확인하기 위하여, Fig. 11에 보이는 바와 같이 파도, 바람 및 조류의 입사각을 조합한 13가지 조건에 대해서 Beaufort 1 ~ 4의 해상상태에 대해서 운동해석을 수행하였다.
먼저 복원성능 계산과 운동성능 추정을 위해 2차원 설계도면을 기반으로 하여 상용 CAD 프로그램 Rhinoceros를 사용하여 모델링을 수행하였다. 등부표의 고유주기 추정에 필요한 질량관성 모멘트의 개략적인 산정과, 적정 흘수 확보를 위한 중추질량(Stabilizing weight) 산정을 위해 등부표의 주요 구조물을 그룹화하여 수계산(manual calculation)을 수행하였고, 추정된 관성모멘트의 정확도를 확인하고자 AnsysMechanical의 결과와 비교하였다.
본 연구에서는, 운동 해석의 정도를 높이기 위해 Simense사의 STAR-CCM+를 이용한 CFD 시뮬레이션을 수행하여 풍하중과 조류하중을 추정하고, 이 값을 운동해석에 사용하였다. 시뮬레이션 수행시 흘수를 기준으로 풍하중 영역과 조류하중의 영역을 나누어 따로 계산을 수행했으며, 자유수면은 고려하지 않았다.
본 연구에서는, 운동 해석의 정도를 높이기 위해 Simense사의 STAR-CCM+를 이용한 CFD 시뮬레이션을 수행하여 풍하중과 조류하중을 추정하고, 이 값을 운동해석에 사용하였다. 시뮬레이션 수행시 흘수를 기준으로 풍하중 영역과 조류하중의 영역을 나누어 따로 계산을 수행했으며, 자유수면은 고려하지 않았다. 난류모델은 Two-layer all y+ 처리를 적용한 Realizable k-ε model을 사용하였다.
8에 보이고 있다. 운동에 실제적인 영향을 주는 부분만을 고려하도록 간이화했으며, 상부의 구조물은 전체중량과 질량 관성모멘트를 고려하여 운동해석에 반영하도록 하였다. 등 부표의 설치 예정해역의 수심은 약 20 m로, 계류는 천수 영역에 적합한 체인(Chain)방식이며 등부표 최하단부에 체인으로 연결된 1점 계류 시스템을 고려하였다.
또한, 본 연구의 대상인 등부표의 경우, 등명기의 광달거리가 7마일이므로 상향경사가 발생하면 항공기가 다른 광파설비(표지)로 오인할 우려도 있다. 이와 관련하여 중요한 등부표의 운동은 회전운동인 Pitch와 Roll로서, 운동해석을 수행하여 운동의 경향 및 최대값 변화를 추정하였다.
대상 데이터
2는 그룹화된 구조물과 각 구조물의 재질을 보이고 있으며, 그림에서 K′은 수계산의 편의를 위해 설정한 기준선으로 등부표 부력체의 최하단부를 기준으로 하였다. 본 연구의 대상인 LL-22, 24 및 26형 경량화 등부표(Fig. 3)는 숫자가 클수록 대형으로 설치수심이 깊어진다. 주요 제원의 차이로서는 중추로부터 부력체 최하단까지의 길이가 각각 2.
등 부표의 설치 예정해역의 수심은 약 20 m로, 계류는 천수 영역에 적합한 체인(Chain)방식이며 등부표 최하단부에 체인으로 연결된 1점 계류 시스템을 고려하였다. 사용한 계류선의 물성치를 Table 6에 보이고 있으며, 횡방향 및 종방향 항력계수는 DNV-OS-E301(DNV, 2010)을 참조하였다.
3)는 숫자가 클수록 대형으로 설치수심이 깊어진다. 주요 제원의 차이로서는 중추로부터 부력체 최하단까지의 길이가 각각 2.28 m, 2.58 m, 3.28 m이고, 부력체의직경은 2.2 m, 2.4 m, 2.6 m이다. 단, 부력체의 높이는 1.
데이터처리
먼저 복원성능 계산과 운동성능 추정을 위해 2차원 설계도면을 기반으로 하여 상용 CAD 프로그램 Rhinoceros를 사용하여 모델링을 수행하였다. 등부표의 고유주기 추정에 필요한 질량관성 모멘트의 개략적인 산정과, 적정 흘수 확보를 위한 중추질량(Stabilizing weight) 산정을 위해 등부표의 주요 구조물을 그룹화하여 수계산(manual calculation)을 수행하였고, 추정된 관성모멘트의 정확도를 확인하고자 AnsysMechanical의 결과와 비교하였다. Fig.
산출된 무게중심과 관성모멘트를 ANSYS사의 Mechanical의 계산결과와 비교하여 Table 1에 나타내었다. 좋은 일치를 보임을 알 수 있으며, 이후 계산에서는 ANSYS Mechanical의 결과를 사용하였다.
이론/모형
본 연구에서는 새롭게 개발된 전원일체형 경량 7마일 등명기를 결합한 등부표의 복원성능과 다양한 환경조건(파도, 바람, 조류)하에서의 운동성능을 평가하였다. 계류시스템을 고려한 운동해석에는 ANSYS사의 AQWA를 사용하였으며, 운동성능 추정의 정도 향상을 위하여 상용 CFD SW인 Simens사의 STAR-CCM+를 사용해 추정한 풍하중 및 조류하중을 운동해석에 사용하였다.
본 연구에서는 새롭게 개발된 전원일체형 7마일 등부표들의 복원성능과 다양한 환경조건(파도, 바람, 조류)하에서의 운동성능을 평가하였다. 계류시스템을 고려한 운동해석에는 ANSYS사의 AQWA를, 운동성능 추정의 정도 향상을 위하여 상용 CFD SW인 Simens사의 STAR-CCM+를 사용해 추정한 풍하중 및 조류하중을 운동해석에 사용하였다.
난류모델은 Two-layer all y+ 처리를 적용한 Realizable k-ε model을 사용하였다.
불규칙파를 고려하기 위한 파 스펙트럼은 완전 발달된 해상상태를 나타내기 위해 제안된 Pierson-Moskowitz 스펙트럼식(4)를 이용하였다
성능/효과
6과 7에 보이고 있다. 3가지(LL-22, 24 및 26형) 등부표에 작용하는 항력계수의 차이는 크지 않음을 알 수 있다.
후속연구
최대 pitch 값 등, 등부표의 운동성능에 관한 명확한 기준 및 규정은 없지만, 부가물 개발 등을 통한 운동성능 향상을 위한 연구가 필요하다. 이후, 포텐셜 이론 기반의 운동해석 프로그램에서 제대로 고려되지 않는 점성감쇠계수의 추정 및 운동해석에의 적용에 관한 연구와 운용시 관측예정인 실해역에서의 운동과 비교를 수행할 예정이다.
안정적인 복원 성능은 확보하였으나, Beaufort wind scale 3 이상의 해상상태에서는 운동이 급격히 커지는 것으로 예측되며, 이는 파 스펙트럼의 피크 주파수가 등부표의 고유진동수에 근접하였기 때문으로 보인다. 최대 pitch 값 등, 등부표의 운동성능에 관한 명확한 기준 및 규정은 없지만, 부가물 개발 등을 통한 운동성능 향상을 위한 연구가 필요하다. 이후, 포텐셜 이론 기반의 운동해석 프로그램에서 제대로 고려되지 않는 점성감쇠계수의 추정 및 운동해석에의 적용에 관한 연구와 운용시 관측예정인 실해역에서의 운동과 비교를 수행할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
등부표의 역할은?
등부표는 주간에는 형태나 색으로, 야간에는 상부에 설치된 등명기로, 근처를 항해하는 선박에게 항로 정보를 제공하며, 암초의 유무나 수심이 얕은 지역 등 위해요소를 알리는 기능을 수행한다. 이런 등부표는 항만· 연안 해역 및 내륙수로 등에 설치되며 실해역의 풍랑, 조류, 바람 등의 환경하중에 의한 표류를 방지하기 위해 계류된다.
등부표는 어디에 설치되는가?
등부표는 주간에는 형태나 색으로, 야간에는 상부에 설치된 등명기로, 근처를 항해하는 선박에게 항로 정보를 제공하며, 암초의 유무나 수심이 얕은 지역 등 위해요소를 알리는 기능을 수행한다. 이런 등부표는 항만· 연안 해역 및 내륙수로 등에 설치되며 실해역의 풍랑, 조류, 바람 등의 환경하중에 의한 표류를 방지하기 위해 계류된다.
현재 운용되고 있는 대형 등부표는 어떻게 인명피해를 발생시키는가?
현재 운용되고 있는 대형 등부표는 대부분 철소재로 제작되어, 부식과 침식에 취약할 뿐 아니라 중량이 커서 설치 및 유지보수가 어렵다. 또한, 주위를 항해하는 선박과 충돌시 등부표 및 선박의 구조적 피해는 물론 인명피해를 발생시키기도 한다. 이런 철소재 등부표의 문제점을 해결하기 위하여 최근에는 친환경 경량화 신소재를 사용한 등부표가 주목받고 있다.
참고문헌 (6)
Det Norske Veritas(2010), Offshore Standard DNV-OS-E301 Position Mooring.
Hong, K. Y., C. K. Yang and H. S. Choi(2001), An Experimental Method for Analysis of the Dynamic Behavior of Buoys in Extreme Environment, Journal of Ocean Engineering and Technology, Vol. 15, No. 3, pp. 134-141.
Jeong, D. S., S. M. Jeong, S. S. Jeong and J. H. Yang(2017), Stability Evaluation of a LL-24-type Lightweight Light-Buoy Adopting EPP, Journal of Advanced Engineering and Technology, Vol. 10, No. 2, pp. 297-303.
Keum, D. M., T. W. Kim, D. S. Han, W. B. Lee and J. M. Lee(2009), Design of Oceanography Buoy - Part II: Mooring System, Journal of Ocean Engineering and Technology, Vol. 23, No. 1, pp. 89-95.
Kim, T. W., D. M. Keum, D. S. Han, W. B. Lee and J. M. Lee(2009), Design of Oceanography Buoy - Part I: Structural Integrity of Hull, Journal of Ocean Engineering and Technology, Vol. 23, No. 1, pp. 81-88.
Ryu, Y. C., Y. C. Seong and G.W. Lee(2013), Numerical Simulation for New Marine Instrumentation Buoy, Journal of the Koerean Society of Marine Environment & Safety, Vol. 19, No. 5, pp. 497-502.
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