다랑어 선망어선 탑재용 보조 작업선의 추진기 타입 변화에 의한 선형 개선 연구 A Study on the Improvement of Hull-Form Design for Propulsion Type Change of Net Boat Mounted on Tuna Purse Seiner원문보기
우리나라에서 다랑어 선망어업은 국내 원양산업 중 업종별 생산량 1위의 업종으로, 1980년대 중 후반부터 연구가 지속적으로 수행되어왔으며, 기술의 현대화 연구가 활발히 진행되어왔다. 하지만, 어선에 탑재되는 보조작업선들은 원양어업에서 중요한 역할을 맡고 있음에도 관련 연구가 미흡한 실정이다. 이에 본 연구에서는 보조작업선들 중 네트보트의 추진기를 프로펠러에서 워터제트 형태로 변경하고, 그에 따른 선형 변환을 통한 선체 부가저항 감소 및 운항성능을 향상하고자 하였다. 이를 위해 전산수치해석을 통해서 선박의 유체성능 변화를 계산하였으며, 또한 기존 선형 및 추진기 변화 선형에 대해 모형선 수조시험을 수행하여 속도별 저항성능 비교를 수행하였다. 수치해석 및 1/7의 축소모형의 수조시험 결과, 기존의 네트보트 대비 45~58 % 저항성능이 크게 향상되었으며, 이는 철망 제거에 의한 단순 침수표면적 및 선형개선에 의한 저항성능 향상을 확인하였다.
우리나라에서 다랑어 선망어업은 국내 원양산업 중 업종별 생산량 1위의 업종으로, 1980년대 중 후반부터 연구가 지속적으로 수행되어왔으며, 기술의 현대화 연구가 활발히 진행되어왔다. 하지만, 어선에 탑재되는 보조작업선들은 원양어업에서 중요한 역할을 맡고 있음에도 관련 연구가 미흡한 실정이다. 이에 본 연구에서는 보조작업선들 중 네트보트의 추진기를 프로펠러에서 워터제트 형태로 변경하고, 그에 따른 선형 변환을 통한 선체 부가저항 감소 및 운항성능을 향상하고자 하였다. 이를 위해 전산수치해석을 통해서 선박의 유체성능 변화를 계산하였으며, 또한 기존 선형 및 추진기 변화 선형에 대해 모형선 수조시험을 수행하여 속도별 저항성능 비교를 수행하였다. 수치해석 및 1/7의 축소모형의 수조시험 결과, 기존의 네트보트 대비 45~58 % 저항성능이 크게 향상되었으며, 이는 철망 제거에 의한 단순 침수표면적 및 선형개선에 의한 저항성능 향상을 확인하였다.
In Korea, tuna purse seine fishery is the industry with the highest production volume in domestic deep-sea fishery. Research has been continuously carried out since the late 1980s, and research on modernization of technology has been actively conducted. However, while auxiliary works boats on the fi...
In Korea, tuna purse seine fishery is the industry with the highest production volume in domestic deep-sea fishery. Research has been continuously carried out since the late 1980s, and research on modernization of technology has been actively conducted. However, while auxiliary works boats on the fishing vessels play an important role in the purse seine fishing, related research is not sufficient. In this study, we tried to rebuild the propulsion system of the Net-boat from the propeller to the waterjet type and to perform the hull form conversion to improve the resistance performance of the hull part and improve the motion performance. For this, we calculated the change of the fluid performance of the ship through computational numerical analysis. In addition, towing tank tests were carried out to verify the performance of the existing ship and the ship which changed the propulsion system. As a result, resistance performance of the waterjet type compared to the propeller type was improved by approximately 45 %. It was confirmed that this was due to reduction of the wetted surface area by removing net and improvements in hull form.
In Korea, tuna purse seine fishery is the industry with the highest production volume in domestic deep-sea fishery. Research has been continuously carried out since the late 1980s, and research on modernization of technology has been actively conducted. However, while auxiliary works boats on the fishing vessels play an important role in the purse seine fishing, related research is not sufficient. In this study, we tried to rebuild the propulsion system of the Net-boat from the propeller to the waterjet type and to perform the hull form conversion to improve the resistance performance of the hull part and improve the motion performance. For this, we calculated the change of the fluid performance of the ship through computational numerical analysis. In addition, towing tank tests were carried out to verify the performance of the existing ship and the ship which changed the propulsion system. As a result, resistance performance of the waterjet type compared to the propeller type was improved by approximately 45 %. It was confirmed that this was due to reduction of the wetted surface area by removing net and improvements in hull form.
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문제 정의
향후 추가 연구로 시제선을 제작하여 네트보트의 중요한 요소인 예인력 시험 및 낙하시험 그리고 속도시험을 수행할 예정이다. 또한 이를 해상시운전 시험 데이터를 통한 워터제트의 출력 용량 추정에 기초자료로 활용하고자 한다.
본 수치해석에서는 주로 프로펠러타입 기존선형 선체 하부의 부가물이 저항에 미치는 영향과 선형변환을 수행한 워터제트타입 선형의 저항성능 개선효과를 검증하는 해석이다.
가설 설정
3과 같이 수치해석도메인을 설정하였으며 경계조건도 함께 표시하였다. 또한 수면아래의 부가물 형상이 저항에 미치는 영향을 분석하기 위해서 자유수면(free surface)을 배재한 이중모형(double body)으로 가정하였다.
본 연구에서는 3차원 정상상태, 비압축성 및 점성 유동으로 가정하여 계산을 수행하였다. 이에 대응하는 유체의 지배방정식은 연속방정식과 RANS(Reynolds-averaged NavierStokes) 방정식으로 식(1), (2), (3)과 같이 나타낸다.
제안 방법
(2) 추진기를 워터제트로 변경하며 실적선 및 본선에 의한 제한을 바탕으로 선형을 설계하였고, 수치해석 및 1/7의 축소모형의 수조시험을 수행하였다. 그 결과, 기존 네트보트 대비 저항성능이 크게 향상되었으며(45 ~ 48 %), 이는 철망제거에 의한 형상저항 감소 및 선수부 개선을 통한 조파저항 성능 향상의 효과임을 확인하였다.
Fig. 10과 같이 모형선을 제작 후 비교실험을 수행하였으며, 선형에 의한 성능을 비교하기 위하여 기존 및 신형 네트 보트의 저항을 속도별로 측정하여 성능향상을 검토하였다.
, 2016)을 활용하여 기존선형의 철망과 같은 부가물이 저항성능에 미치는 영향 및 수정선형의 저항성능 변화를 계산하였다. 그리고 수정선형의 정확한 저항성능의 비교검토를 위해 1/7의 모형선수조시험을 수행하였다.
다랑어 선망어선에 탑재되는 보조 작업선 중 네트보트의 추진기 변경에 따른 선형개발 및 수치해석을 통한 유체성능 검토, 1/7의 축소모형의 수조시험을 통한 선형 별 저항성능 비교검토를 수행하였고, 다음과 같은 결론을 얻었다.
이를 위한 수치모형의 크기는 실제 선박과 동일한 Full scale로 설정하였다. 또한 부가물의 영향 파악을 위해 프로펠러타입 선형 선체 하부의 부가물을 Fig. 6과 같이 크게 스케 그(skeg)와 철망(net)으로 나눴으며, 부가물의 영향을 알기 위해 Table 3에 나오는 바와 같이 총 3가지의 경우와 워터제트 타입으로 구분하였다. 각각의 선형은 Fig.
본 논문에서는 기존 운용된 네트보트를 바탕으로 추진기를 워터제트 타입으로 변경, 그에 따른 선형변환을 수행하였다. 또한 선형의 성능검토를 위해 활발히 사용되는 CFD(Computational Fluid Dynamics) 해석(Kim et al., 2016)을 활용하여 기존선형의 철망과 같은 부가물이 저항성능에 미치는 영향 및 수정선형의 저항성능 변화를 계산하였다. 그리고 수정선형의 정확한 저항성능의 비교검토를 위해 1/7의 모형선수조시험을 수행하였다.
또한 파랑 중 모형시험결과에 따르면 선저 경사각이 커질수록 파랑 중 선수 상하 가속도가 줄어드는 경향을 보이며, 추진효율이 나빠지는 문제가 발생하는 연구결과(Kihara and Ishii, 1986)를 바탕으로 제안된 선저 경사각 15° ~ 25°에서 추진효율을 높이고 쌍축의 워터제트의 설치 환경을 고려하여 선저 경사각을 16°로 설정하여 설계를 수행하였다(Park et al., 2012).
본 논문에서는 기존 운용된 네트보트를 바탕으로 추진기를 워터제트 타입으로 변경, 그에 따른 선형변환을 수행하였다. 또한 선형의 성능검토를 위해 활발히 사용되는 CFD(Computational Fluid Dynamics) 해석(Kim et al.
본 연구에서 설계하고자 하는 네트보트는 다랑어 선망어업에서 양망을 돕거나 그물을 끌고 다니며, 또한 해수를 수면에 뿌려서 다랑어를 유인하는 역할을 한다. 네트보트를 설계하는 데 있어서, 중요한 점은 본선인 다랑어 선망어선에 탑재되는 부속선이기에 설계에 있어 본선의 탑재공간을 고려하여 주요 치수를 선정하였다.
본 연구에서는 중소조선연구원의 회류수조에서 기존의 프로펠러타입 네트보트의 선형과 신형 워터제트타입 네트 보트의 선형을 1/7으로 축소하여 모형선 시험을 수행하였으며, 해당 회류수조의 제원은 아래의 Table 7과 같다.
선체표면 및 공간격자 생성은 선체 주위의 유동의 정확한 해석을 위해 Fig. 4와 같이 Trimmed mesh를 사용하였으며, 그림에서 보듯이 유동 특성이 복잡한 영역에 격자를 조밀하게 구성하였으며, 선체 표면의 경계층의 표현을 위해 Fig. 5와 같이 Prism layer를 사용하였다. 수치해석을 위해 약 77만개의 격자를 사용하였으며, 계산의 속도조건은 6 ~ 12 kts의 4가지 경우이며, Fn의 범위는 0.
선형별로 5 ~ 10 knot의 속도범위에서 모형시험을 수행하였으며 프로펠러 타입의 경우 9 kts 이상에서 뭉뚝한 선수부의 특성 때문에 파를 가르지 못하고 큰 파도를 생성시켜 선수부의 상갑판으로 넘어오는 현상을 보여 10 kts에서 모형시험을 수행하지 못하였다. 워터젯 타입은 9 kts에 파를 잘 가르는 활주형 형태를 보이고 있으며 Fig.
대상 데이터
본 연구에서 설계하고자 하는 네트보트는 다랑어 선망어업에서 양망을 돕거나 그물을 끌고 다니며, 또한 해수를 수면에 뿌려서 다랑어를 유인하는 역할을 한다. 네트보트를 설계하는 데 있어서, 중요한 점은 본선인 다랑어 선망어선에 탑재되는 부속선이기에 설계에 있어 본선의 탑재공간을 고려하여 주요 치수를 선정하였다.
수치해석을 위해 약 77만개의 격자를 사용하였으며, 계산의 속도조건은 6 ~ 12 kts의 4가지 경우이며, Fn의 범위는 0.388 ~ 0.777, Rn은 1.672 × 107~3.344 × 107 범위에서 수치해석을 수행하였다.
이를 위한 수치모형의 크기는 실제 선박과 동일한 Full scale로 설정하였다. 또한 부가물의 영향 파악을 위해 프로펠러타입 선형 선체 하부의 부가물을 Fig.
이를 해결하기 위한 추진기 변경 네트보트 설계를 위해 국내 다랑어 선망어선에서 사용중인 프로펠러 타입의 네트보트 및 미국의 Reynolds Marine사, Marvik Marine사의 알루미늄 워터제트 작업선 등 5 ~ 7 m급 유사실적선 17여종의 주요 요목을 바탕으로 중량추정 및 주요요목을 도출하였다.
데이터처리
수치해석을 수행하기 위해 상용코드인 STAR-CCM+를 사용하였다. 수치해석을 위한 계산영역 및 격자의 크기는 모두 실선을 기준으로 하였으며, 좌표계는 Fig.
이론/모형
난류모델은 그동안 선박의 반류 추정을 위해 흔히 사용되었던 가장 보편적인 모델인 Realizable k-ε model(RKE)을 사용하였다(Yang et al., 2010).
유동장의 크기 및 경계조건은 ITTC(2011)의 권장 기준에 따라 선체의 길이를 기준으로 하여 Fig. 3과 같이 수치해석도메인을 설정하였으며 경계조건도 함께 표시하였다. 또한 수면아래의 부가물 형상이 저항에 미치는 영향을 분석하기 위해서 자유수면(free surface)을 배재한 이중모형(double body)으로 가정하였다.
성능/효과
(3) 기존 프로펠러타입 네트보트의 한계점인 보호용 철망 장착을 탈피한 신형 워터제트타입 네트보트의 성능향상을 도모하였다. 향후 추가 연구로 시제선을 제작하여 네트보트의 중요한 요소인 예인력 시험 및 낙하시험 그리고 속도시험을 수행할 예정이다.
모형시험 결과, 프로펠러 타입 대비 워터제트 타입에 걸리는 저항이 약 50 % 정도로 크게 줄어들었음을 확인 하였 으며, 이 차이는 높은 속도영역에서 커졌다. 각 선형의 잉여 저항계수를 비교하면 총 저항계수와 마찬가지로 워터제트 타입이 크게 감소하는 것을 볼 수 있는데, 이는 철망의 제거를 통한 선형 변환으로 부가물에 의한 형상저항 및 조파저항의 감소로 인하여 저항성능이 충분히 개선되었음을 확인하였다.
(2) 추진기를 워터제트로 변경하며 실적선 및 본선에 의한 제한을 바탕으로 선형을 설계하였고, 수치해석 및 1/7의 축소모형의 수조시험을 수행하였다. 그 결과, 기존 네트보트 대비 저항성능이 크게 향상되었으며(45 ~ 48 %), 이는 철망제거에 의한 형상저항 감소 및 선수부 개선을 통한 조파저항 성능 향상의 효과임을 확인하였다.
기존의 속도와 예인력을 맞추기 위해서 엔진의 마력을 참조하여 워터제트의 치수를 고려한 결과, 엔진과 워터제트의 길이가 기존보다 길어짐으로 인해 단축으로는 중량의 배분을 맞추기가 어려워 쌍축에 적합한 설계를 수행하였다.
모형시험 결과, 프로펠러 타입 대비 워터제트 타입에 걸리는 저항이 약 50 % 정도로 크게 줄어들었음을 확인 하였 으며, 이 차이는 높은 속도영역에서 커졌다. 각 선형의 잉여 저항계수를 비교하면 총 저항계수와 마찬가지로 워터제트 타입이 크게 감소하는 것을 볼 수 있는데, 이는 철망의 제거를 통한 선형 변환으로 부가물에 의한 형상저항 및 조파저항의 감소로 인하여 저항성능이 충분히 개선되었음을 확인하였다.
설계 결과, 추진기 타입 변화에 맞추어 선형 변화를 수행하였으며, 기존의 프로펠러타입 선형 대비 침수표면적을 42 % 가량 감소시켜 선형 변화에 의한 단순 표면적 개선효과를 볼 수 있었다. 각 선형을 Fig.
(1) 기존 프로펠러 추진 네트보트의 경우, 작업 시 다랑어의 충돌로 인해 다랑어 및 프로펠러 손상의 문제점이 있다. 이를 방지하기 위해 프로펠러 주위를 감싸는 형태로 철망이 설치되어 있으며, 이는 수치해석을 통한 부가물 저항해석 결과 저항성능에 매우 큰 영향을 주는 것을 확인하였다.
이상의 결과로부터 선체 하부의 부가물, 특히 철망이 네트보트의 저항성능에 악영향을 일으키고 있으며, 선형변환을 통한 제거로 저항성능이 개선될 것으로 판단된다.
이상의 수치해석 결과를 통해 추진기 타입 변화에 따른 선형 변환이 저항성능을 크게 개선시켰으며, 이는 단순 침수표면적 감소 및 선형개선에 의한 총 저항 감소에 따른 것으로 판단하였다.
0 %로 절반이 넘는 영향을 보이고 있다. 특히 부가물 중 철망이 차지하는 비중은 최대 36.9 % 정도로 프로펠러 타입 네트보트의 총저항에 스케그의 2배 이상의 영향을 주고 있음을 확인하였다.
해석 결과, Case 1-3 대비 Case 2의 RT값이 최대 45.6 % 감소함이 확인되었다. 거의 절반에 가까운 RT 감소치를 보이고 있으며, 그 이유로 앞서 나온 바와 같이 Case 2의 침수표면적이 Case 1-3의 절반에 가깝기에 RT값 감소에 영향을 끼치고 있다고 사료된다.
프로펠러타입의 선형에서 부가물이 저항에 미치는 영향에 대한 수치해석 결과를 속도별로 정리하여 Table 4에 나타내었다. 해석 결과, 총저항에서 부가물이 차지하는 비중은 최대 54.0 %로 절반이 넘는 영향을 보이고 있다. 특히 부가물 중 철망이 차지하는 비중은 최대 36.
후속연구
(3) 기존 프로펠러타입 네트보트의 한계점인 보호용 철망 장착을 탈피한 신형 워터제트타입 네트보트의 성능향상을 도모하였다. 향후 추가 연구로 시제선을 제작하여 네트보트의 중요한 요소인 예인력 시험 및 낙하시험 그리고 속도시험을 수행할 예정이다. 또한 이를 해상시운전 시험 데이터를 통한 워터제트의 출력 용량 추정에 기초자료로 활용하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
우리나라 다랑어 선망어업의 원양산업 중 업종별 생산량 순위는?
우리나라에서 다랑어 선망어업은 국내 원양산업 중 업종별 생산량 1위의 업종으로, 1980년대 중 후반부터 연구가 지속적으로 수행되어왔으며, 기술의 현대화 연구가 활발히 진행되어왔다. 하지만, 어선에 탑재되는 보조작업선들은 원양어업에서 중요한 역할을 맡고 있음에도 관련 연구가 미흡한 실정이다.
수치해석 및 1/7의 축소모형의 수조시험 결과는?
이를 위해 전산수치해석을 통해서 선박의 유체성능 변화를 계산하였으며, 또한 기존 선형 및 추진기 변화 선형에 대해 모형선 수조시험을 수행하여 속도별 저항성능 비교를 수행하였다. 수치해석 및 1/7의 축소모형의 수조시험 결과, 기존의 네트보트 대비 45~58 % 저항성능이 크게 향상되었으며, 이는 철망 제거에 의한 단순 침수표면적 및 선형개선에 의한 저항성능 향상을 확인하였다.
다랑어 선망어업의 한계는 무엇인가?
우리나라에서 다랑어 선망어업은 국내 원양산업 중 업종별 생산량 1위의 업종으로, 1980년대 중 후반부터 연구가 지속적으로 수행되어왔으며, 기술의 현대화 연구가 활발히 진행되어왔다. 하지만, 어선에 탑재되는 보조작업선들은 원양어업에서 중요한 역할을 맡고 있음에도 관련 연구가 미흡한 실정이다. 이에 본 연구에서는 보조작업선들 중 네트보트의 추진기를 프로펠러에서 워터제트 형태로 변경하고, 그에 따른 선형 변환을 통한 선체 부가저항 감소 및 운항성능을 향상하고자 하였다.
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