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문제 정의
- 본 논문에서는 KCS 모형선의 횡경사상태에서의 조종성능 변화를 확인하기 위하여 세 가지 상태(횡경사각 0도, -10도, -20도)에서 자유항주모형시험을 수행하고, 선회시험과 지그재그시험 결과를 분석하였다.
- 본 연구에서는 선박의 세 방향 무게중심 변화 중 횡방향 무게중심 변화에 의한 선박의 조종성능 변화를 연구하였다. 횡경사상태에 놓인 선박의 조종성능 변화를 실험적으로 규명하기 위하여 KCS 선형에 대하여 자유항주모형시험을 수행하였다.
제안 방법
- 횡경사상태 선박의 변화된 조종성능을 확인하기 위하여 자유항주모형시험을 수행하였다. 1/65.83 크기의 KCS 모형선에 대하여 20노트의 대응속도로 좌우현 35도 선회시험, 20/20 지그재그 시험을 수행하였다. 이를 위한 KCS 모형선과 사용된 시험장비, 상세 시험항목은 아래와 같다.
- 횡경사상태에 놓인 선박의 조종성능 변화를 실험적으로 규명하기 위하여 KCS 선형에 대하여 자유항주모형시험을 수행하였다. KCS 모형선의 무게중심을 좌현방향으로 이동시켜 0도, -10도, -20도의 세 가지 횡경사각에 대한 선회시험, 지그재그시험을 수행하여 횡경사에 의한 선박조종성능 변화를 확인하였고, 이를 다른 연구에서 비교검증용 데이터로 사용할 수 있도록 그 값을 정량적으로 제시하였다.
- 선박의 조종성능을 확인하기 위한 일반적인 표준시험항목(IMO, 2002) 중, Table 2와 같은 항목에 대하여 자유항주모형시험을 수행하였다.
- 세 가지 횡경사상태에 대하여 KCS 선형의 속도, 선회, 지그재그 자유항주모형시험을 수행하였고, 다음과 같은 운항궤적 및 운항데이터를 취득하여 분석하였다.
- 속도시험에서는 각 항목의 상관관계가 명확하게 드러날 때까지 그 시험횟수가 반복되었고, 선회시험과 지그재그시험에서는 고정된 설정값에 따라 3회 이상의 반복시험을 수행하였다. 특히 시험 결과에 많은 영향을 줄 수 있는 초기 선수동요각속도와 초기 속도는 분석 시 그 범위를 한정하였다(Yun et al.
- 특히 본 연구에서는 KCS 선형에 대하여 20노트 대응속도에서의 자유항주모형시험을 통하여 정량적인 조종특성 수치를 획득하고 제시하였다. 이러한 정량적 수치는 손상선박 등 횡경사 상황에서 운항해야하는 선박의 조종특성을 이해하는데 도움이 될 것이며, 시뮬레이션 결과 검증 등에 중요한 기초자료로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 횡경사상태 선박의 변화된 조종성능을 확인하기 위하여 자유항주모형시험을 수행하였다. 1/65.
- 본 연구에서는 선박의 세 방향 무게중심 변화 중 횡방향 무게중심 변화에 의한 선박의 조종성능 변화를 연구하였다. 횡경사상태에 놓인 선박의 조종성능 변화를 실험적으로 규명하기 위하여 KCS 선형에 대하여 자유항주모형시험을 수행하였다. KCS 모형선의 무게중심을 좌현방향으로 이동시켜 0도, -10도, -20도의 세 가지 횡경사각에 대한 선회시험, 지그재그시험을 수행하여 횡경사에 의한 선박조종성능 변화를 확인하였고, 이를 다른 연구에서 비교검증용 데이터로 사용할 수 있도록 그 값을 정량적으로 제시하였다.
성능/효과
- 그 결과, 선박이 좌현 횡경사상태에서 운항될 경우 우현 선회 직경이 선형적으로 작아지고, 우현 지그재그 1차 오버슈트각이 선형적으로 커지는 결과를 확인하였다. 또한 좌현 선회직경이 커지고, 좌현 지그재그 1차 오버슈트각이 작아지는 것을 확인하였으나, 우현방향과 달리 그 선형성은 유지되지 않았다.
- 그래프에서와 같이 35도 우현선회 결과는 좌현 횡경사가 커질수록 선형적으로 전진거리와 선회직경이 작아지는 것을 확인할 수 있고, 선회 중 선수동요각속도 역시 선형적으로 증가하고 있는 것을 볼 수 있다. 또한 전진거리보다 선회직경의 변화 기울기 가 더 큰 것을 볼 수 있는데, 이는 모형선의 선회가 어느 정도 진행된 시점, 즉 선수동요각속도 증가 및 전진속도 감소에 의한 영향이 누적되어 선회궤적으로 잘 드러나는 시점이 선수동요각 90도가 아닌 180도인 시점이기 때문이다.
- 그 결과, 선박이 좌현 횡경사상태에서 운항될 경우 우현 선회 직경이 선형적으로 작아지고, 우현 지그재그 1차 오버슈트각이 선형적으로 커지는 결과를 확인하였다. 또한 좌현 선회직경이 커지고, 좌현 지그재그 1차 오버슈트각이 작아지는 것을 확인하였으나, 우현방향과 달리 그 선형성은 유지되지 않았다.
- 6 m로 다른 선형에 비하여 그 값이 상대적으로 작아 운항 중 횡동요 등이 더 크게 발생할 가능성이 높고, 무게중심 위치 변화 시 모형선이 더 큰 초기 횡경사상태에 놓일 수 있다. 모형선의 크기와 시험속도는 시험장소(선박해양플랜트연구소 내 해양공학수조)와 탑재 시험장비의 크기, 무게를 고려하여 각각 1/65.83 비와 실선기준 20노트의 대응속도인 1.268 m/s로 결정되었다. 표의 왼쪽 실선 값은 설계값이고, 오른쪽 모형선 값 중, GM, Kzz, Kxx는 시험 준비상태에서 계측된 값이다.
- 선회시험 결과에서 언급된 바와 같이 횡경사에 따른 선회특성, 즉 좌현 횡경사 시 우현선회가 더 작게, 더 빨리 이루어지고, 좌현선회는 어려워지는 특성이 지그재그시험에서 좌우 반복적으로 나타나고 있으며, 이는 세번째 타각명령 시점 및 선수동요각 변화로부터 확인할 수 있다.
- 그림에서와 같이 좌현방향으로의 횡경사각이 발생하면, 모형선은 우현방향으로의 선수동요각속도가 발생하고, 그에 따라 중립타각 역시 좌현방향으로 결정되는 것을 확인할 수 있다. 중립 타각을 결정함에 있어 시험에서 관측되는 특이한 사항은 KCS 모형선의 좌현 횡경사각에 따라 그 중립타각이 선형적으로 증가하지 않고 다시 감소하는 경향을 보였다는 것이다. Fig.
- 268 m/s에 대응하는 프로펠러 회전속도와, 고정된 동일 프로펠러 회전수에서 횡경사 –10도, -20도에서의 모형선 속도이다. 표에서와 같이 모형선의 횡경사각이 커질수록 그 속도가 작아지는 것을 확인할 수 있고, -20도 횡경사상태에서는 속도가 약 6.6% 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는 모형선의 경사에 의한 선체저항 증가, 중립타각 및 타 제어사용량 증가에 따른 타에 의한 저항 증가 등을 그 이유로 볼 수 있다.
후속연구
- 향후 연구사항으로, KCS 선형의 각 횡경사상태에 대한 전산유체역학 해석을 통하여, 특히 좌현 횡경사 시 좌현선회에서 나타난 결과에 대한 추가 분석 및 재해석이 필요하다. 또한 본 연구에서 다루고 있는 횡방향 무게중심 변화 뿐만 아니라, 종방향 및 상하방향 무게중심 변화에 따른 KCS 선형의 조종성능 변화를 관찰하여, 세 가지 방향의 무게중심 변화에 대한 조종특성 변화를 규명할 예정이다. 마지막으로 쌍축선형에 대하여 상하 및 횡방향 무게중심 변화를 가지는 자유항주모형시험을 수행하고, 프로펠러 비대칭력에 의해 발생 가능한 조종성능 변화에 대한 후속 연구를 수행할 예정이다.
- 또한 본 연구에서 다루고 있는 횡방향 무게중심 변화 뿐만 아니라, 종방향 및 상하방향 무게중심 변화에 따른 KCS 선형의 조종성능 변화를 관찰하여, 세 가지 방향의 무게중심 변화에 대한 조종특성 변화를 규명할 예정이다. 마지막으로 쌍축선형에 대하여 상하 및 횡방향 무게중심 변화를 가지는 자유항주모형시험을 수행하고, 프로펠러 비대칭력에 의해 발생 가능한 조종성능 변화에 대한 후속 연구를 수행할 예정이다.
- 특히 본 연구에서는 KCS 선형에 대하여 20노트 대응속도에서의 자유항주모형시험을 통하여 정량적인 조종특성 수치를 획득하고 제시하였다. 이러한 정량적 수치는 손상선박 등 횡경사 상황에서 운항해야하는 선박의 조종특성을 이해하는데 도움이 될 것이며, 시뮬레이션 결과 검증 등에 중요한 기초자료로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 또한 좌현 선수 수선하단부가 물에 잠기게 되면서 좌현선수부의 형상변화에 의한 저항이 커질 것임을 유추할 수 있다. 이에 대한 자세한 해석은 전산유체역학 해석 등을 통하여 횡경사별 모형선의 국부 압력변화를 추가적으로 살펴보아야 할 필요가 있을 것으로 판단된다.
- 따라서, 자유항주모형시험에서 얻은 이와 같은 결과는 본 선형의 좌현방향 횡경사에 따른 좌현방향 선회 특성으로 파악된다. 향후 구속모형시험과 관련하여, 계측된 힘과 모멘트의 관계에서부터 횡경사에 따른 직진안정성을 추가적인 시뮬레이션을 통하여 서로 비교해볼 필요가 있으며, 앞서 언급한 바와 같이 횡경사상태 및 유체의 흐름방향에 따른 압력장 및 선체에 작용하는 모멘트 변화를 전산유체역학 해석 등을 통하여 추가적으로 해석할 필요가 있다.
- 향후 연구사항으로, KCS 선형의 각 횡경사상태에 대한 전산유체역학 해석을 통하여, 특히 좌현 횡경사 시 좌현선회에서 나타난 결과에 대한 추가 분석 및 재해석이 필요하다. 또한 본 연구에서 다루고 있는 횡방향 무게중심 변화 뿐만 아니라, 종방향 및 상하방향 무게중심 변화에 따른 KCS 선형의 조종성능 변화를 관찰하여, 세 가지 방향의 무게중심 변화에 대한 조종특성 변화를 규명할 예정이다.
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