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문제 정의
- 정수 중 선박의 동요나 운항시 선박의 응답을 구하기 위하여 실험을 수행하는 방법이 가장 적절한 방법이나 현실적인 한계로 CFD를 적용하였다. 따라서 본 연구에서는 CFD 및 포텐셜 프로그램의 장점을 상호 보완하는 하이브리드 방법을 사용하여 기존의 방법들이 가지는 취약점을 개선하고 새로운 내항성능 평가 절차를 개발하고자 하였다. 또한, 개발된 절차를 사용하여 고속 활주정의 내항성능평가를 수행하였다.
- 따라서 본 연구에서는 고속 활주정의 합리적 내항성능 계산 절차를 개발하는 것을 목적으로 하고 있다. 이를 위해 정수 중에서 얻은 초기 동요 감쇠로 고속 운항시 최대 응답을 구하고, 그 응답에서 최종 동요 감쇠를 추정하여 내항성능을 평가하는 방법을 착안하였다.
- 본 연구에서는 CFD 및 포텐셜 프로그램을 상호 보완하는 하이브리드 방법을 활용한 고속 활주정의 합리적인 내항성능 계산 절차를 개발하였다. 또한 제안된 절차를 사용하여 Korean Coast Guard 14m급 연안구조정의 내항성능평가를 수행하였다.
- 4th Stage에서는 최대 응답이 발생한 선속, 조우각 및 주파수에 대하여 다시 CFD 해석을 수행하고, 5th Stage에서는 해당 CFD 결과와 같은 RAO를 갖도록 운항 중 동요 감쇠계수를 다시 조정한다. 이는 두 해석 프로그램의 RAO가 일치하도록 운항 중 동요 감쇠계수를 추정하여 포텐셜 프로그램 결과의 신뢰성을 얻기 위한 것이다. 일반적으로 정수 중 조건에 비해 운항 중 선박은 동요가 커지고 동요감쇠도 정수 중에 비하여 증가하기 때문에, 운항 중 최대응답을 합리적으로 추정하기 위해서는 운항 중 CFD 결과와 비교하여 동요 감쇠계수를 다시 추정해야 한다.
제안 방법
- 4th Stage로 Table 7의 조건하에서 CFD 계산을 수행하여 Figs. 17-19와 같이 횡동요, 종동요 및 상하동요 운동결과를 얻었으며, 5th Stage로 동일한 조건에서 CFD 결과와 일치하도록 포텐셜 프로그램의 감쇠계수값을 조정하였다. Figs.
- 5는 본 연구에서 제안하는 내항성능 평가 절차를 전반적으로 보여준 것이다. 1st Stage에서는 평가하고자 하는 대상 선박의 모형시험 또는 CFD 프로그램을 사용하여 정수 중 자유동요 감쇠 시험을 수행한다. 내항성능 평가를 수행하기 위해 포텐셜 프로그램에서는 감쇠계수가 필요하며, 이는 모형시험이나 CFD 프로그램을 사용하여 구할 수 있다.
- 6th Stage로 Fig. 23을 참고하여 Table 5에 있는 횡동요, 종동요, 수직 가속도 및 수평가속도는 SSA를, 갑판침수와 슬래밍은 시간 당 발생횟수로 국부 내항성능 평가를 수행하였다. 갑판 침수는 파도와 선체의 상대수직변위가 선수부 위치에서 유효건현을 초과할 확률(PDW)을 의미하고, 이는 Ochi and Motter (1974)에 의하여 식 (16)과 같다.
- 고속 운항하는 소형 선박의 동요운동으로 인한 감쇠계수는 횡동요 뿐만 아니라 다른 자유도에서도 반영되어야 하고 임의의 위치에서 선박의 속도와 가속도를 구해야하기 때문에, 선체 6자유도 운동에 대한 감쇠효과를 반영할 수 있고 원하는 위치에서의 속도 및 가속도를 구할 수 있는 로이드 선급의 ‘WAVELOAD-FD’를 사용하여 고속 활주정의 내항성능 해석에 사용하였다.
- 이는 3차원 Panel method를 사용하고 있다. 내항성능 계산을 위하여 대상선박의 자유수면 이하에 패널모델을 생성하였으며, Fig. 2는 해당 모델을 보여준 것이다.
- 5와 같이 포텐셜 프로그램과 CFD 간의 장점을 상호 보완적으로 사용한 절차를 개발하였다. 다시 말해, 3차원 Panel method의 포텐셜 프로그램을 기본적으로 내항성능 해석에 사용하고, CFD 결과로 특정 조건에서 감쇠계수를 비교보정해주는 하이브리드 방법을 사용하였다.
- 6th Stage에서는 새로운 동요 감쇠계수를 적용하여 Table 2의 운항조건 하에서 해석을 재수행하고, 7th Stage에서는 계산된 결과를 Table 5의 고속선의 내항성능 평가기준과 비교하여 만족 여부를 판단한다. 대상선박은 연안구조정으로 구조 활동을 위해서는 15knot이상으로 운항이 가능하나, 본 연구에서는 설계속도 인 15knot에서 Table 5의 Operation조건의 평가기준을 적용하였다.
- 포텐셜 프로그램으로 내항성능에서 필요로 하는 다양한 주파수와 조우각 조건에서의 선체운동 계산을 수행하였으며, 포텐셜 프로그램에 필요한 정수 및 운항 조건에서의 감쇠비를 CFD를 사용하여 구하였다. 따라서 내항성능 해석 결과의 신뢰성을 확보하기 위하여 정수 중에서 CFD로 얻은 초기 동요 감쇠로 고속 운항시 최대 응답을 구하고, 그 응답이 발생하는 주파수에서 최종 동요 감쇠를 CFD로 다시 추정하여 내항성능을 평가하는 방법을 제안하였다.
- 4와 같이 파랑 스펙트럼, S(ω)의 에너지가 보다 더 집중되어 있기 때문이다. 따라서 횡파에 대해서는 동요 감쇠비를 추가적으로 구하였다. 종동요 응답스펙트럼은 Fig.
- 본 연구에서는 CFD 및 포텐셜 프로그램을 상호 보완하는 하이브리드 방법을 활용한 고속 활주정의 합리적인 내항성능 계산 절차를 개발하였다. 또한 제안된 절차를 사용하여 Korean Coast Guard 14m급 연안구조정의 내항성능평가를 수행하였다. 포텐셜 프로그램으로 내항성능에서 필요로 하는 다양한 주파수와 조우각 조건에서의 선체운동 계산을 수행하였으며, 포텐셜 프로그램에 필요한 정수 및 운항 조건에서의 감쇠비를 CFD를 사용하여 구하였다.
- 따라서 본 연구에서는 CFD 및 포텐셜 프로그램의 장점을 상호 보완하는 하이브리드 방법을 사용하여 기존의 방법들이 가지는 취약점을 개선하고 새로운 내항성능 평가 절차를 개발하고자 하였다. 또한, 개발된 절차를 사용하여 고속 활주정의 내항성능평가를 수행하였다.
- 참고문헌에 따라서 기준치의 표현에는 다소 차이가 있으나, 본 연구에서는 횡동요, 종동요, 수직 가속도 및 수평가속도에 대해서는 SSA를, 갑판침수 및 슬래밍은 시간당 발생횟수를 사용하였다. 또한, 횡동요와 종동요의 각도는 무게중심에서, 수직가속도와 수평가속도는 요원의 임무수행의 기준이 되는 위치인 함교에서, Slamming 발생가능성 및 발생빈도는 선수수선(Fore Perpendicular, F.P)으로부터 0.15LBP 위치에서, 갑판침수(deck wetness) 발생가능성 및 발생빈도는 선수 수선위치에서 평가하였다.
- 는 최대만재 흘수이다. 본 연구에서는 Table 1에 있는 draft를 TSC와 TLC로 사용하였다.
- 횡동요 감쇠의 산출에는 횡동요로 소실된 에너지를 고려하는 상대감쇠법과 횡동요 운동의 진폭이 대수적으로 감소한다고 간주하는 대수감쇠법을 주로 사용한다. 본 연구에서는 유도과정이 상대적으로 단순하고, 횡동요 진폭의 비로 간단하게 감쇠를 계산할 수 있는 대수감쇠법을 사용하여 선박의 동요 감쇠를 산출하였다. 대수감쇠법은 선박의 정수 중 자유 횡동요 운동 방정식인 식 (5)로부터 유도된다(Van’t Veer, 2009).
- 본 절에서는 3절에서 제시한 고속선 내항성능 평가 절차에 따라 대상 선박의 내항성능 평가를 수행하였다.
- 따라서 본 연구에서는 고속 활주정의 합리적 내항성능 계산 절차를 개발하는 것을 목적으로 하고 있다. 이를 위해 정수 중에서 얻은 초기 동요 감쇠로 고속 운항시 최대 응답을 구하고, 그 응답에서 최종 동요 감쇠를 추정하여 내항성능을 평가하는 방법을 착안하였다. 정수 중 선박의 동요나 운항시 선박의 응답을 구하기 위하여 실험을 수행하는 방법이 가장 적절한 방법이나 현실적인 한계로 CFD를 적용하였다.
- 이를 위해 정수 중에서 얻은 초기 동요 감쇠로 고속 운항시 최대 응답을 구하고, 그 응답에서 최종 동요 감쇠를 추정하여 내항성능을 평가하는 방법을 착안하였다. 정수 중 선박의 동요나 운항시 선박의 응답을 구하기 위하여 실험을 수행하는 방법이 가장 적절한 방법이나 현실적인 한계로 CFD를 적용하였다. 따라서 본 연구에서는 CFD 및 포텐셜 프로그램의 장점을 상호 보완하는 하이브리드 방법을 사용하여 기존의 방법들이 가지는 취약점을 개선하고 새로운 내항성능 평가 절차를 개발하고자 하였다.
- 내항성능 평가를 수행하기 위해 포텐셜 프로그램에서는 감쇠계수가 필요하며, 이는 모형시험이나 CFD 프로그램을 사용하여 구할 수 있다. 즉, 선박의 동요 진폭 변화를 측정하여 정수 중 초기 동요 감쇠를 추정한다. 2nd Stage에서는 추정한 초기 동요 감쇠계수를 포텐셜 프로그램에 적용하고, Table 2의 운항조건 하에서 운동해석을 수행하여 선박의 6자유도운동에 대한 운동응답함수(Response Amplitude Operator, RAO)를 구한다.
- 내항성능 평가 요소 및 한계값에 대한 기준으로 사용되는 Table 5는 대한민국 해군의 내항성능 기준 설정 지침과 NORDFORSK 및 NATO에서 제안하고 있는 군함의 적용 기준을 참고하였다(Republic of Korea Navy, 2004; NORDFORSK, 1987; NATO, 2000). 참고문헌에 따라서 기준치의 표현에는 다소 차이가 있으나, 본 연구에서는 횡동요, 종동요, 수직 가속도 및 수평가속도에 대해서는 SSA를, 갑판침수 및 슬래밍은 시간당 발생횟수를 사용하였다. 또한, 횡동요와 종동요의 각도는 무게중심에서, 수직가속도와 수평가속도는 요원의 임무수행의 기준이 되는 위치인 함교에서, Slamming 발생가능성 및 발생빈도는 선수수선(Fore Perpendicular, F.
- 또한 제안된 절차를 사용하여 Korean Coast Guard 14m급 연안구조정의 내항성능평가를 수행하였다. 포텐셜 프로그램으로 내항성능에서 필요로 하는 다양한 주파수와 조우각 조건에서의 선체운동 계산을 수행하였으며, 포텐셜 프로그램에 필요한 정수 및 운항 조건에서의 감쇠비를 CFD를 사용하여 구하였다. 따라서 내항성능 해석 결과의 신뢰성을 확보하기 위하여 정수 중에서 CFD로 얻은 초기 동요 감쇠로 고속 운항시 최대 응답을 구하고, 그 응답이 발생하는 주파수에서 최종 동요 감쇠를 CFD로 다시 추정하여 내항성능을 평가하는 방법을 제안하였다.
- 기존의 선박 내항성능 평가는 주로 모형시험, CFD 또는 포텐셜 이론 기반의 상용 프로그램들이 독립적으로 수행되어져 왔다. 하지만 본 연구에서는 Fig. 5와 같이 포텐셜 프로그램과 CFD 간의 장점을 상호 보완적으로 사용한 절차를 개발하였다. 다시 말해, 3차원 Panel method의 포텐셜 프로그램을 기본적으로 내항성능 해석에 사용하고, CFD 결과로 특정 조건에서 감쇠계수를 비교보정해주는 하이브리드 방법을 사용하였다.
대상 데이터
- 5rad/s까지 고려하였다(ABS, 2003). 대상선박은 만재흘수 0.88m에서 선박의 설계속도인 15knot로 운항하는 조건에서 계산을 수행하였다.
- 이 연구는 2018년도 산업통상자원부 및 산업기술평가관리원 하이브리드 방법을 사용한 고속 활주정의 내항성능평가 절차 개발 210 대한조선학회논문집 제56권 제3호 2019년 6월 (KEIT) 연구비 지원에 의한 연구이며(‘10076473’), 특허 출원이 되었음(발명의 명칭 : 응답을 기반으로 한 소형 선박의 안정성 평가 방법 및 시스템, 출원번호 : 10-2018-0136556).
데이터처리
- 초기결과의 적절성을 확인하기 위해 Table 6의 결과로부터 정수 중 동요 감쇠를 적용하여 선속이 없는 상태에서 파의 주파수에 따른 선박의 횡동요 RAO 및 종동요 RAO를 Fig. 9 및 Fig. 10과 같이 얻었으며, 이를 IACS에서 규정하고 있는 선박 동요 주기식인 식 (12)-(15)와 비교하였다(IACS, 2015).
이론/모형
- 내항성능 평가 요소 및 한계값에 대한 기준으로 사용되는 Table 5는 대한민국 해군의 내항성능 기준 설정 지침과 NORDFORSK 및 NATO에서 제안하고 있는 군함의 적용 기준을 참고하였다(Republic of Korea Navy, 2004; NORDFORSK, 1987; NATO, 2000). 참고문헌에 따라서 기준치의 표현에는 다소 차이가 있으나, 본 연구에서는 횡동요, 종동요, 수직 가속도 및 수평가속도에 대해서는 SSA를, 갑판침수 및 슬래밍은 시간당 발생횟수를 사용하였다.
- 선박의 내항성능 해석을 위하여 본 연구에서는 대상선박이 실제로 운용될 해역의 해상조건인 해상상태 4등급(유의파고 2.00m, 피크주기 8.63sec)의 Pierson-Moskowitz 스펙트럼을 적용하였다(Seakeeping committee, 1981). 식 (1)은 해당 파랑 스펙트럼이며, Fig.
- 지배방정식은 연속방정식과 RANS(Reynolds- averaged Navier-Stokes) 방정식이며, 유한체적법에 의해 이산화하였다. 압력해법으로 SIMPLE(Semi-implicit Pressure Linked Equations) 알고리즘을 적용하였으며, 대류항은 3차 MUSCL 기법, 점성항은 2차 중심 차분 기법을 적용하였다. 수치해석에 사용한 격자 시스템 및 물리 모델은 Table 3과 Table 4에 각각 나타내었다.
- 지배방정식은 연속방정식과 RANS(Reynolds- averaged Navier-Stokes) 방정식이며, 유한체적법에 의해 이산화하였다.
- 포텐셜 이론 기반의 프로그램을 보완하는 목적으로 사용하는 CFD 프로그램은 점성의 비압축성 유동장을 시뮬레이션하는 상용 CFD 프로그램인 ‘STAR-CCM+'을 이용하였다.
성능/효과
- 실선 해석 결과, 횡동요, 종동요, 수직가속도, 수평가속도 및 갑판침수는 모든 구간에서 대한민국 해군, NORDFORSK 및 NATO에서 제안하고 있는 군함의 임무수행을 위한 내항성능 기준을 만족하였으며, 슬래밍은 일부 각도에서 기준 값을 상회하는 결과가 나왔다. 하지만 해당 선박은 슬래밍 빈도를 줄이고자 방현대를 비롯한 타 부가물들이 설치되어 있어 이에 대한 고려가 필요하다.
- 96rad/s가 되었다. 이를 비추어볼 때, 선체운동 계산 결과가 실제 선급 식의 결과와 잘 일치하며 신뢰성을 가지는 것을 알 수 있다.
후속연구
- 이후의 연구로는 슬래밍의 빈도 계산식의 개정, CFD해석을 수행하여 Head sea(180°) 조건에서 파랑스펙트럼으로 생성된 무작위 파로 발생한 슬래밍 빈도 검증 그리고 횡파에 대한 고속 활주정의 거동을 CFD로 추가적으로 검증해야 할 필요가 있다. 또한 실제로는 선박의 정적상태와 동적상태의 압력차이가 존재하기 때문에 항주자세의 변화를 고려한 운동계산을 수행하는 것이 현실적이며, 이후의 연구에서는 선박의 항주자세 변화도 고려하여 동적평형상태에서 선박의 RAO를 계산하는 방법에 대해서도 연구할 예정이다. 마지막으로 본 연구 절차에 대한 신뢰성 확보를 위하여 추가적으로 동일 선형에 대한 모형시험 또는 시운전을 수행하여 결과를 비교할 필요가 있을 것으로 사료된다.
- 또한 실제로는 선박의 정적상태와 동적상태의 압력차이가 존재하기 때문에 항주자세의 변화를 고려한 운동계산을 수행하는 것이 현실적이며, 이후의 연구에서는 선박의 항주자세 변화도 고려하여 동적평형상태에서 선박의 RAO를 계산하는 방법에 대해서도 연구할 예정이다. 마지막으로 본 연구 절차에 대한 신뢰성 확보를 위하여 추가적으로 동일 선형에 대한 모형시험 또는 시운전을 수행하여 결과를 비교할 필요가 있을 것으로 사료된다.
- 본 연구에서 제안한 평가 절차는 기존의 방법들이 가지는 취약점을 개선한 새로운 내항성능 평가 절차로 추후 고속선의 내항성능 평가시 크게 무리없이 적용할 수 있을 것으로 판단된다. 이후의 연구로는 슬래밍의 빈도 계산식의 개정, CFD해석을 수행하여 Head sea(180°) 조건에서 파랑스펙트럼으로 생성된 무작위 파로 발생한 슬래밍 빈도 검증 그리고 횡파에 대한 고속 활주정의 거동을 CFD로 추가적으로 검증해야 할 필요가 있다.
- 이러한 결과는 추가적인 CFD해석으로 검증해야 할 필요가 있다. 이러한 검증은 본 연구이외에 추가적인 연구로 수행될 예정이다.
- 이후의 연구로는 슬래밍의 빈도 계산식의 개정, CFD해석을 수행하여 Head sea(180°) 조건에서 파랑스펙트럼으로 생성된 무작위 파로 발생한 슬래밍 빈도 검증 그리고 횡파에 대한 고속 활주정의 거동을 CFD로 추가적으로 검증해야 할 필요가 있다.
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