[논문]접촉식 센서를 이용한 고속 활주선 선미부 압력 계측 시험

박세용; 박종열; 이신형; 김동진

doi:10.3744/snak.2018.55.5.431

접촉식 센서를 이용한 고속 활주선 선미부 압력 계측 시험
Pressure Measurement of Planing Hull Stern Bottom by Tactile Sensors 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.55 no.5, 2018년, pp.431 - 437

박세용 (서울대학교 조선해양공학과) , 박종열 (서울대학교 조선해양공학과) , 이신형 (서울대학교 조선해양공학과) , 김동진 (선박해양플랜트연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

The running attitude of a planing hull is determined by the pressure distribution on the hull bottom, and it significantly affects hydrodynamic performance of the ship, i.e., resistance, maneuverability, and seakeeping ability. Therefore, it is essential to investigate pressure distribution on the hull bottom in order to improve hull design. In the present study, a novel pressure measurement system using tactile sensors was introduced for a planing hull. The test model was a 23 m-class planing hull with a hard chine. The pressure measurement showed that the pressure at the transom was lower than the atmospheric pressure, owing to flow separation at the transom.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

4에 나타내었다. 본 연구는 선미쪽 선저의 정확한 압력 분포를 얻어내는 것을 주된 목표로 하였다. 한번에 10개의 압력계를 이용하도록 선미에 10개의 홈을 내었고, 여기에 센서 계측부를 통과시켜 선체에 붙인 다음 홈을 메워 방수처리를 하였다.
본 연구에서는 고속예인전차를 이용한 압력 계측 시스템을 구성하고 고속 활주선 선미에 대한 압력 계측 실험을 수행하였다. 압력 계측 시스템에 기존 선행연구들과 달리 접촉식 압력계를 차용하였다.
본 연구에서는 활주선 선미 선저면 압력 계측을 위하여 선행 연구들에서 압력 계측을 위하여 사용한 차압계나 전자식 압력계가 아닌 접촉식 센서라는 새로운 형식의 압력계를 도입하였다. 또한 반복 실험을 통하여 접촉식 센서에 대한 불확실성을 계산하고 유체성능 실험에 적용 가능성을 검토하였으며, 활주선 선미 선저면의 압력 계측 실험을 수행하여 활주선형의 선저 압력 분포의 특징을 얻어내었다.

제안 방법

7은 실험 결과의 예시이다. 계측 시스템의 특성 상, 정지 상태에서의 모형선 자세를 함께 계측하고, 점선으로 나타낸 등속 구간에서의 압력을 평균내어 압력 계측 결과를 얻었다.
계통 오차의 각 구성 성분의 민감도는 압력계의 성능표, 온도 계측과 ITTC가 제공하는 밀도표 그리고 예인전차 속도 계측 결과를 이용하여 획득하였다. 계통 오차를 구성하는 각 오차들은 압력 단위인 파스칼(Pa)로 나타냈었으며, 그 결과는 Table 3과 같다.
고속예인전차는 경량화를 위해 트러스 방식으로 설계되었다. 고속예인전차의 예인방식은 Wire-Drum 방식으로 전차에 연결된 와이어를 회전하는 드럼으로 감으며 전차를 끌도록 설계되었다. 대상 시스템의 상세한 구성은 Kim (2012)에 서술되어 있다.
본 연구에서는 활주선 선미 선저면 압력 계측을 위하여 선행 연구들에서 압력 계측을 위하여 사용한 차압계나 전자식 압력계가 아닌 접촉식 센서라는 새로운 형식의 압력계를 도입하였다. 또한 반복 실험을 통하여 접촉식 센서에 대한 불확실성을 계산하고 유체성능 실험에 적용 가능성을 검토하였으며, 활주선 선미 선저면의 압력 계측 실험을 수행하여 활주선형의 선저 압력 분포의 특징을 얻어내었다.
모형시험은 서울대학교 선형예인수조에서 수행하였다. 서울대학교 선형예인수조의 길이, 폭, 수심은 110 m, 8 m, 3.
본 연구가 활주선형을 대상으로 한 것이므로, 활주 현상을 고려하여 실험 조건을 선정하였다. 활주조건의 정의는 Savitsky(1992)를 따라 프루드 수(F_n, #)가 1.
본 연구를 통하여 새로운 방식의 압력계를 실험에 적용하고 실험을 수행하였다. 또한 고속 활주선의 트랜섬 선미에서 대기압 보다 낮은 압력이 발생하는 것을 확인하였다.
실험 이전에 압력계의 전압 출력 값에 대한 압력 계측 값을 획득하기 위하여 Fig. 5와 같이 압력계의 감지부에 무게를 올리는 방식으로 교정시험을 수행하였다. 총 10개의 센서에 대하여 각각 수행하여 교정 값을 획득하였으며 선형적인 응답을 확인하였다.
본 연구에서는 고속예인전차를 이용한 압력 계측 시스템을 구성하고 고속 활주선 선미에 대한 압력 계측 실험을 수행하였다. 압력 계측 시스템에 기존 선행연구들과 달리 접촉식 압력계를 차용하였다. 불확실성 계산을 통하여 접촉식 압력계가 고속 예인 실험에서 발생하는 진동에 강건함을 확인하고 차압계나 전자식 압력계와 달리 설치되는 장비가 적어서 경량식 고속 예인전차를 이용한 선저면 압력 계측 실험에 적합함을 확인하였다.
5와 같이 압력계의 감지부에 무게를 올리는 방식으로 교정시험을 수행하였다. 총 10개의 센서에 대하여 각각 수행하여 교정 값을 획득하였으며 선형적인 응답을 확인하였다.
본 연구는 선미쪽 선저의 정확한 압력 분포를 얻어내는 것을 주된 목표로 하였다. 한번에 10개의 압력계를 이용하도록 선미에 10개의 홈을 내었고, 여기에 센서 계측부를 통과시켜 선체에 붙인 다음 홈을 메워 방수처리를 하였다.

대상 데이터

좌측의 동그란 부분이 압력 계측부이고, 우측의 회로는 구동 전압의 입력, 계측값의 출력을 맡는다. 계측부의 지름은 8 mm이고, 두께는 0.35 mm이다. 이 센서는 계측면 전체에 걸친 힘을 계측할 수 있는데, 계측된 힘을 센서부의 면적으로 나누어 계측면의 평균 압력을 얻을 수 있다.
접촉식 센서에서 나오는 전압 신호를 기록하기 위해 NI(National Instrument)사의 NI USB-6210과 Labview 프로그램을 이용하였다. 데이터 취득 주파수는 사전 실험을 통해 순간 압력의 변동을 얻어낼 수 있는 최소 주파수로 확인된 1000 Hz로 고정하였다.
모형선의 압력 계측 실험을 수행하기 위하여 1/15.46 축적비로 축소한 활주선 모형을 제작하였다. 본 연구에서 이용된 선형은 여객선 ‘Olive’를 모선으로 하는 23m class 활주선형으로, 주요 제원은 Table 1에 기술하였다.
본 연구에서 이용된 선형은 여객선 ‘Olive’를 모선으로 하는 23m class 활주선형으로, 주요 제원은 Table 1에 기술하였다.
모형시험은 서울대학교 선형예인수조에서 수행하였다. 서울대학교 선형예인수조의 길이, 폭, 수심은 110 m, 8 m, 3.5 m이고 중저속에서 운용되는 예인전차와 고속에서 운용되는 고속예인전차 등의 장비가 설치되어 있는데, 고속선의 모형시험을 위해 최대속도 15 m/s의 고속예인전차를 이용하였다.
대상 선형은 선저 양 끝에 하드차인(hard chine)이 설치되었으며, 선미로 갈수록 선저경사각(deadrise)이 작아지는 일반적인 활주선형의 형상을 가지고 있다. 실험 모형은 FRP(Fiber Reinforced Plastic)으로 제작되었다.

데이터처리

접촉식 센서에서 나오는 전압 신호를 기록하기 위해 NI(National Instrument)사의 NI USB-6210과 Labview 프로그램을 이용하였다. 데이터 취득 주파수는 사전 실험을 통해 순간 압력의 변동을 얻어낼 수 있는 최소 주파수로 확인된 1000 Hz로 고정하였다.

이론/모형

실험 불확실성은 실험 결과와 함께 제공되어 계측 대상의 참값이 위치할 확률이 일정 이상 되는 구간을 나타낸다. 본 연구에서는 미국기계학회의 표준 절차에 따라서 불확실성 구간을 해석하였다 (Dieck et al., 2005).
고속예인전차는 경량화에 중점을 두고 설계되어서 실험 장비를 배치할 공간이 부족하고 구동 방식의 특성 상 전차 구조물 전체에 걸쳐 일정한 진동이 발생하기 때문에 Kim (2015), 공간을 최소한으로 차지하면서 외부 진동에 영향을 받지 않는 실험 시스템이 요구된다. 본 연구에서는 위와 같은 제한 조건을 만족하기 위해 SingleTact의 접촉식 센서인 CS8-1N을 이용하였다. Fig.

성능/효과

본 연구를 통하여 새로운 방식의 압력계를 실험에 적용하고 실험을 수행하였다. 또한 고속 활주선의 트랜섬 선미에서 대기압 보다 낮은 압력이 발생하는 것을 확인하였다.
압력 계측 시스템에 기존 선행연구들과 달리 접촉식 압력계를 차용하였다. 불확실성 계산을 통하여 접촉식 압력계가 고속 예인 실험에서 발생하는 진동에 강건함을 확인하고 차압계나 전자식 압력계와 달리 설치되는 장비가 적어서 경량식 고속 예인전차를 이용한 선저면 압력 계측 실험에 적합함을 확인하였다.
선미 압력 계측을 통하여 고속 활주선의 선미에서 대기압보다 낮은 압력이 발생함을 확인하였다. 이는 고속 활주선 선미의 트랜섬 형상으로 인하여 선저 유동이 급격한 곡률 변화를 따르지 못하고 강제로 박리되어 나가기 때문이다.
실험 결과를 보면 활주선 선미에서 전체적으로 기준압인 정수중 압력보다 낮은 압력이 발생하는 것을 알 수 있다. 이는 동압력이 정수 중 압력 보다 훨씬 낮음을 의미한다.
실험의 결과 선미에서 대기압보다 낮은 압력이 발생하였으며, 차인으로 진행하며 대기압에 가까워지는 것을 확인하였다. 그러나 선미에 가까운 쪽에서는 유체가 빠져나가며 이러한 경향을 유지하지 못하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고속 활주선은 무엇인가	고속 활주선은 고속에서 항주 시에 선체의 중량의 대부분을 선저에서 발생하는 양력이 지지하는 방식의 선형으로, 운용속도가 높아서 임무 수행 능력이 뛰어나기 때문에 국내외에서 군사적 목적으로 많이 채택되고 있다. 활주선형은 속도에 따라 선저 압력 분포가 크게 달라지면서 항주자세를 변화시키는데, 이에 따른 선형의 유체성능 변화가 크다.
	활주선의 성능 분석을 위해 속도에 따른 선저 압력 분포에 대한 이해가 필요한 이유는 무엇인가	고속 활주선은 고속에서 항주 시에 선체의 중량의 대부분을 선저에서 발생하는 양력이 지지하는 방식의 선형으로, 운용속도가 높아서 임무 수행 능력이 뛰어나기 때문에 국내외에서 군사적 목적으로 많이 채택되고 있다. 활주선형은 속도에 따라 선저 압력 분포가 크게 달라지면서 항주자세를 변화시키는데, 이에 따른 선형의 유체성능 변화가 크다. 따라서 활주선의 성능 분석을 위해서 속도에 따른 선저 압력 분포에 대한 이해가 선행되어야 한다.
	일반적으로 사용되는 차압계 시스 템의 한계는 무엇인가	선저 압력의 계측에 대한 연구들에서 확인된 바로는 정체선 주위의 급격한 압력 변동이나 파랑 중 운동으로 인한 순간 최대압력의 발생 등의 특징이 나타났다. 일반적으로 사용되는 차압계 시스 템은 선체 표면에 구멍을 내어 예인전차 상에 설치된 차압계와 연결하는 방식이므로 압력관 내의 댐핑과 응답 지연으로 인해 수 ms 영역의 급격한 압력 변화를 제대로 계측하는데 한계가 있다 (Kawata & Obi, 2014). 따라서 선체 표면에 바로 부착되어 압력을 계측할 수 있는 방식의 센서가 적용되어야 한다.

참고문헌 (11)

Allen, R.G., Jones, R.R. & Taylor, D.W., 1978. A simplified method for determining structural design-limit pressures on high performance marine vehicles. In Advanced Marine Vehicles Conference, San Diego, California, 17-19 April 1978.
Dieck, R.H., W.G. Steele & Osolsobe, G. 2005. Test Uncertainty. ASME PTC 19.1-2005. American Society of Mechanical Engineers.
Garme, K., Rosen, A. & Kuttenkeuler, J., 2010. In detail investigation of planing pressure. In Proceedings of Hydralab III Joint Transnational Access User Meeting, Hannover, Germany, Febuary, 2010.
Grigoropoulos, G.J. & Damala, D.P., 2001. Measurement of bottom pressures on planing craft. WIT Transactions on Modeling and simulation, 30.
Kapryan, W.J. & Boyd Jr, G. M., 1955. Hydrodynamic pressure distributions obtained during a planing investigation of five related prismatic surfaces. NACA Technical Note No.3477.
Kawata, T. & Obi, S., 2014. Velocity-pressure measurement based on planar PIV and miniature static pressure probes. Experiments in Fluids, 55(7), Article No. 1776.
Kim, D.J., 2012. A study on the running attitude and dynamic stability of a semi-displacement round bilge vessel at high speed. Ph.D. Thesis. Seoul National University.
Kim, Y.M., 2015. System modeling and control of wire-driven high-speed towing carrage for uniform speed. Master Thesis. Seoul National University.
Sanotoro, N., Begovic, E., Bertorello, C., Bove, A., De Rosa. & Franco, F., 2014. Experimental study of the hydrodynamic loads on high speed planing craft. Procedia Engineering, 88, pp.186-193.

상세보기
Savitsky, D., 1992. Overview of planing hull developments. In High Performance Marine Vehicle Conference and Exhibit, Arlington, Texas, June 1992.
Sottorf, W. 1934. Experimental with planing surfaces. NACA Technical Note No.739.

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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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