[논문]탱크 내 격벽에 의한 간극 변화가 선박 운동에 미치는 영향 연구

김경성; 유선진

doi:10.7837/kosomes.2018.24.6.796

초록
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선박의 유체 저장 탱크 내부의 적재용량에 의한 선박 운동 고유 특성의 변화는 많은 실험 과 연구를 통해 밝혀졌다. 또한 이러한 현상에 의한 선박 운동 특성 변화를 최소화하기 위한 장치는 지속적으로 연구 및 개발되고 있으며, 특히 횡동요 운동에 대한 저감효과에 대한 부분이 주를 이루고 있다. 본 연구에서는 이러한 장치 중 하나인 저장탱크 내부의 격벽에 의한 횡동요 저감장치의 길이 변화에 따른 간극의 변화에 의한 선박 운동의 변화를 수치 시뮬레이션 하였다. 본 연구를 위해 경계요소법 기반의 부유체 운동 프로그램과 입자법 기반의 전산유체역학 프로그램이 동적 연성된 프로그램을 사용하였으며, 동적 연성된 프로그램은 동일 실험과의 비교를 통해 검증하였다. 검증된 프로그램은 격벽의 길이를 달리하여 간극에 변화를 준 다양한 경우에 대해 수치 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과 액체 저장률의 변화 및 액체 탱크 내부의 격벽에 의한 간극의 차이에 의해 선박 운동 특성이 변화함을 응답 진폭 함수의 비교를 통해 확인하였다. 주목할 만한 결과로써 적재용량에 따라 변화하는 선박의 운동 특성이 간극을 조정함으로써 동일한 선박 특성을 가지게 됨을 확인하였으며, 이는 격벽에 의한 간극의 조종을 통한 선박 운동 제어가 가능함을 보여준다. 추후 격벽의 수 및 각기 다른 길이를 가진 격벽에 의한 연구를 수행하여 격벽 길이 조정을 통한 선박 운동 특성 제어에 대한 연구를 수행할 계획이다.

Abstract ▼ AI-Helper

The effects of inner liquid sloshing on vessel motions are a well-known factor. It was investigated experimentally and numerically. In this regard, the study of many efforts to reduce natural phenomena of vessel motions by adopting special devices especially for roll motions. Among many devices, ins...

The effects of inner liquid sloshing on vessel motions are a well-known factor. It was investigated experimentally and numerically. In this regard, the study of many efforts to reduce natural phenomena of vessel motions by adopting special devices especially for roll motions. Among many devices, inserting baffles in the inner liquid tank is very common. In this study, one investigated the vessel motions with inner sloshing tanks with baffles inside. For the numerical simulation, one employed a dynamically coupled program between boundary-element-method-based vessel motion analysis program and a particle-based computational fluid dynamics program. Comparing corresponding experimental results validated the dynamically coupled program. The validated coupled program was used to simulate vessel motions, including sloshing effects with various lengths of inner baffles. The simulation results show that not only the filling ratio of inner liquid, but also the length of clearance due to baffles influenced the vessel motions. The significant point of this study was that the natural frequency of vessel motions can be maintained irrespective of the amount of filling ratio through adjustment of the clearance. In a future study, the effects of various numbers of baffles with various clearances would be conducted to percuss the possibility of vessel motion control with inner liquid sloshing effects.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 Cho and Kim(2016)에서 제안한 격벽을 가지는 슬로싱 탱크의 특성의 변화로부터 착안하여, Liquified Natural Gas(LNG)선에 내부 유체 적재 탱크에 격벽을 설치하여 선박 운동에 영향을 미치는 유체력에 대한 연구를 수행하였다. 또한 격벽과 탱크 바닥과의 간극의 변화에 다른 내부 유동 변화와 그에 따른 선박 운동의 변화에 대한 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 Cho and Kim(2016)에서 제안한 격벽을 가지는 슬로싱 탱크의 특성의 변화로부터 착안하여, Liquified Natural Gas(LNG)선에 내부 유체 적재 탱크에 격벽을 설치하여 선박 운동에 영향을 미치는 유체력에 대한 연구를 수행하였다. 또한 격벽과 탱크 바닥과의 간극의 변화에 다른 내부 유동 변화와 그에 따른 선박 운동의 변화에 대한 연구를 수행하였다.

제안 방법

따라서 내부 유체저장 탱크를 포함한 선박의 경우 이러한 변수에 대한 고려를 반드시 해주어야 할 필요가 있음을 보여주고 있다. 본 시뮬레이션에서는 계산의 편리성과 연산속도확보를 위해 3차원이 아닌 2차원 탱크로 시뮬레이션을 수행하였으며, 슬로싱 연산을 위해 사용된 입자는 22,476개이다.

대상 데이터

(2004)에서는 사각형 바아지선에 두 개의 슬로싱 탱크를 설치한 뒤 탱크 내부 유량을 변경하여 불규칙파랑 중의 선박의 응답 실험을 수행하였다. 수치 해석을 위해 Fig. 1과 같이 Gaillarde et al.(2004)에서 수행하였던 실험과 같은 형태인 Box-Barge 형태의 FPSO(Floating Production Storage Offloading)를 선정하였다. Gaillarde et al.

이론/모형

본 연구에 앞서 검증 및 격벽 효과와의 비교를 위해 Kim et al.(2011)에서 수행한 시뮬레이션을 기반으로 동일한 시뮬레이션 수행하였다. 선박운동 프로그램과 슬로싱 해석을 위한 전산유체역학 프로그램은 동적으로 연동되었다.

성능/효과

주목할 부분은 격벽과 바닥간의 간극에 따라 선박의 RAO는 변화함을 파악하였으며, 특정 고유주기를 간극을 조절함으로써 조정이 가능함을 발견하였다. 따라서 적재량의 크기에 관계없이 간극의 조절만으로도 선박의 고유주기를 일정하게 유지할 수 있음을 관찰하였다.
이 후 동일 선박에 격벽이 추가된 내부탱크를 설치하고 격벽과 탱크바닥간의 간극을 0 m ~ 9 m까지 변화시켜 격벽에 의해 변화된 내부 유동이 선박 운동에 미치는 영향에 대해 시뮬레이션을 수행하였다. 주목할 부분은 격벽과 바닥간의 간극에 따라 선박의 RAO는 변화함을 파악하였으며, 특정 고유주기를 간극을 조절함으로써 조정이 가능함을 발견하였다. 따라서 적재량의 크기에 관계없이 간극의 조절만으로도 선박의 고유주기를 일정하게 유지할 수 있음을 관찰하였다.

후속연구

본 연구에서 격벽효과를 이용한 선박의 운동 예측 및 제어의 기반이 될 것으로 사료되며, 향후 격벽의 형태 및 개수 등이 선박의 운동에 미치는 영향에 대해 연구할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	빌지-킬 방식이란?	횡동요 운동을 저감하는 가장 대표적인 방식은 빌지-킬(bilge-Keel) 방식으로 기다란 판 형태의 부가구조물을 선저에부착하여 횡동요시의 형상저항 및 점성저항을 증가시켜 횡 동요 운동을 저감하는 방식이다. 또 다른 방식으로는 화물창 주변 혹은 상부에 U-Tube 혹은 Horizon-Tube를 장착하여 tube 내부의 유체 운동에 의한 복원력 증가로 횡동요를 저감하는 방식도 있다.
	제안한 능동형 횡동요 저감 탱크 방식의 장단점은?	이러한 Passive 방식 이외에도 Mazrouk and Nayfeh(2009)에서 제안한 능동형 횡동요 저감 탱크 역시 주목을 받고 있다. 이러한 Tube나 Tank 형태는 내부 유동효과가 선박의 운동과 다른 위상을 가지게 하는 방식을 이용한다는 점에서 그 효과는 높으나 초기 설치비용 증가 및 적재용량이 줄어드는 단점이 존재한다.
	SPH법의 장단점은?	격렬한 운동을 가지는 내부 유동을 위한 입자기반 전산유체역학 프로그램은 대표적으로 Smoothed Particle Hydrodynamics(SPH)(Monaghan, 1988)와 Moving Particle Semi-Implicit(MPS)법(Koshisuka and Oka, 1996)이 있다. SPH법의 경우 압력해법에상태방정식을 이용하여 빠른 계산이 가능하지만 정확도가 MPS법에 비해 떨어지는 단점이 있었다. 그러나 현재는iSPH(Incompressible SPH)법(Xu et al.

참고문헌 (14)

Cho, I. H. and M. H. Kim(2016), Effect of dual vertical porous baffles on sloshing reduction in a swaying rectangular tank, Ocean Engineering, Vol. 126, pp. 364-373.

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Gaillarde, G., A. Ledoux and M. Lynch(2004), Coupling between liquefied gas and vessel's motion for partially filled tanks: Effect on seakeeping, Design & Operation of Gas Carriers, The Royal Institution of Naval Architects, London, UK.
Kim, K. S., B. H. Lee, M. H. Kim and J. C. Park(2011), Simulation of Sloshing Effect on Vessel Motions by using MPS (Moving Particle Simulation), Computer Modeling in Engineering and Sciences, Vol. 79, No. 3, pp. 201-221.

상세보기
Kim, K. S., M. H. Kim and J. C. Park(2014), Development of Moving Particle Simulation Method for Multiliquid-Layer Sloshing, Mathematical Problems in Engineering, Vol. 2014, 350165.
Koshizuka, S. and Y. Oka(1996), Moving-Particle semi-implicit method for fragmentation of incompressible fluid, Numerical science and Engineering, Vol. 123, pp. 421-434.
Lee, B. H., J. C. Park and M. H. Kim(2010), Numerical simulation of impact loads using a particle method, Ocean Engineering, Vol. 37, pp. 164-173.

상세보기
Lee, C. H., J. Newman, M. H. Kim and D. K. Yue(1991), The computation of second-order wave loads, 10th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, Stavanger, Norway, pp. 113-123.
Lee, S. J. and M. H. Kim(2010), The effects of inner liquid motion on LNG vessel responses, J. of Offshore Mechanics and Arctic Engineering, Vol. 132, No. 2, doi:10.1115/1.4000391.

상세보기
Marzouk, M. and A. H. Nayfeh(2009), Control of ship roll using passive and active anti-roll tanks, Ocean Engineering, Vol. 36, No. 9, pp. 661-671.

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Monaghan, J. J.(1988), An Introduction to SPH, Computer Physics Communications, Vol. 48, pp. 89-99.

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Nomura, K., S. Koshizuka, A. Oka and H. Obata(2001), Numerical Analysis of Droplet Breakup Behavior Using Particle Method, J Nucl Sci Technol, 38(12), pp. 1057-1064.

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Tanaka, M. and T. Masunaga(2010), Stabilization and Smoothing of Pressure in MPS Method by Quasi-compressibility, Journal of Computational Physics, Vol. 229, No. 11, pp. 4279-4290.

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Xu, R., P. Stansby and D. Laurence(2009), Accuracy and Stability in Incompressible SPH (ISPH) Based on the Projection Method and a New Approach, Journal of Computational Physics, Vol. 228, No. 18, pp. 6703-6725.

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Yang, C. K. and M. H. Kim(2011), The Structural safety assessment of a tie-down system on a tension leg platform during hurricane events, Ocean Systems Engineering, An International Journal Vol. 1, No. 4, pp. 263-293.

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