[논문]LNG 벙커링 바지의 정수 중 예인안정성에 관한 수치연구

오승훈; 정동호; 정재환; 황성철; 조석규; 성홍근

doi:10.5394/kinpr.2019.43.3.143

LNG 벙커링 바지의 정수 중 예인안정성에 관한 수치연구
Numerical Study on Towing Stability of LNG Bunkering Barge in Calm Water 원문보기

한국항해항만학회지 = Journal of navigation and port research, v.43 no.3, 2019년, pp.143 - 152

오승훈 (한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소) , 정동호 (한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소) , 정재환 (한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소) , 황성철 (한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소) , 조석규 (한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소) , 성홍근 (한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소)

초록
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본 논문에서는 LNG 벙커링 바지에 대한 예인안정성을 평가하였다. 친환경 에너지원인 LNG(액화천연가스)의 전환을 위한 인프라로 LNG 벙커링 바지가 개발되고 있다. LNG 벙커링 바지는 예인줄에 연결되어 이동하는 부선의 형태이기 때문에 LNG 공급용 부선의 예인안정성의 확보는 LNG 벙커링 바지 뿐 만아니라 주변 항해 선박의 안전을 위해 매우 중요하다. LNG 벙커링 바지의 예인안정성을 초기설계 단계에서 추정하기 위해 예인시뮬레이션을 위한 수치코드를 개발하였다. 초기설계 단계에서 활용 가능하도록 운동방정식에는 조종수학그룹 모델이 적용되었고 조종미계수에는 경험식이 적용되었다. 개발된 수치코드의 유효성을 확인하기 위해 발표된 계산 및 모형시험 결과와 비교하였다. 개발된 수치코드를 이용하여 LNG 벙커링 바지의 선미 스케그 면적과 예인 위치의 변화에 따른 예인시뮬레이션을 수행하였다. 수행된 시뮬레이션을 통해 설계된 선미 스케그 면적의 적정성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the towing stability of the LNG bunker barge was estimated. Currently, LNG bunkering barge is being developed for the bunkering of LNG (Liquefied Natural Gas), an eco-friendly energy source. Since the LNG bunkering barge assumes the form of a towed ship connected to the tow line, the towing stability of the LNG bunker barge is crucial f not only for the safety of the LNG bunker barge but also the neighboring sailing vessels. In the initial stages, a numerical code for towing simulation was developed to estimate the towing stability of the LNG bunkering barge. The MMG (Maneuvering Mathematical modeling Group) model was applied to the equations of motion while the empirical formula was applied to the maneuvering coefficients for use in the initial design stage. To validate the developed numerical code, it was compared with published calculation and model test results. Towing simulations were done based on the changing skeg area and the towing position of the LNG bunkering barge using the developed numerical codes. As a result, the suitability of the designed stern skeg area was confirmed.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1 Mathematical model for towing barge
그림 Fig. 2 Towing stability criteria
그림 Fig. 3 Comparison of time histories for 1B
표 Table 1 Principal dimensions for Yasukawa's barge (Yasukawa et al., 2006)
그림 Fig. 4 Comparison of time histories for 2B without skeg
그림 Fig. 5 Three dimensional geometry of hull
표 Table 2 Particulars of LNG bunkering barge
그림 Fig. 6 Calm water resistance model of LNG bunkering barge
그림 Fig. 7 Section model for 2D added mass calculation
그림 Fig. 8 Trajectory of LNG bunkering barge(W/O skeg)
그림 Fig. 9 Time histories for LNG bunkering barge(W/O skeg)
그림 Fig. 10 Capable space for the stern skeg
그림 Fig. 11 Time histories of heading angle according to variation of stern skeg area
그림 Fig. 12 Schematic diagram for towline and bridle
그림 Fig. 13 Time histories of heading angle according to variation of Bridle length
그림 Fig. 14 Stern skeg for LNG bunkering barge
그림 Fig. 15 Trajectory of LNG bunkering barge(W/ skeg)
그림 Fig. 16 Time histories for LNG bunkering barge(W/ skeg)

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 침로안정성을 향상시킬 방안이 필요하며 선미 스케그는 부족한 침로안정성을 향상시키는 방안 중 하나이다. 따라서 본 연구에서는 선미 스케그가 없는 LNG 벙커링 바지의 정수 중 예인 안정성의 특성을 확인하고 선미 스케그의 면적 변화에 따른 예인안정성 변화를 통해 설계된 면적의 적정성을 확인하는 것이 목표이다. 추가로 브라이들(bridle)에 의한 예인 지점의 변화를 통해 안전한 예인을 위한 예인 지점을 파악하였다.
본 논문에서는 Ship to Ship LNG 벙커링에 활용될 LNG 벙커링 바지에 대한 정수 중 예인안정성을 추정하기 위하여 정수 중 예인해석을 수행하였다. 예인해석을 위한 수치코드를 MATLAB 환경에서 개발하였으며 기 발표된 계산과 모형시 험의 결과를 통해 유효성을 확인하였다.
본 연구에서는 LNG 벙커링 바지의 예인안정성에 관한 수 치해석을 수행하기 위하여 MMG모델 기반의 조종운동방정식을 고려하였다. 예인되는 바지의 모델을 Fig.
본 연구에서는 Ship to Ship LNG 벙커링에 활용될 LNG 벙커링 바지에 대한 정수 중 예인안정성을 상기 연구들을 바탕으로한 수치해석을 통하여 평가하였다. LNG 벙커링 바지의 정수 중 예인안정성을 추정하기 위해 예인시뮬레이션을 위한 수치코드를 개발하였다.
본 연구에서는 상기 서술한 수학모델을 기반으로 MATLAB 기반의 바지 평면의 예인 시뮬레이션 수치코드를 개발하였다. 수치코드의 유효성을 검증하기 위하여 Yasukawa et al.

가설 설정

LNG 벙커링 바지는 연해구역을 운항하기 때문에 예인선은 부선과 동일한 길이로 가정하면 182.6 m ((45.65+45.65)×2) 이 상의 예인삭을 확보해야 하며 계산에 편의를 위해 200m로 예인삭의 길이를 설정하였다.
본 연구에서는 브라이들을 모사하기 위하여 브라이들이 강체처럼 움직이지 않는다는 가정을 하고 예인삭의 길이와 예인 지점을 식(31)과 (32)로 수정하였다. 본 가정은 브라이들의 거동이 무시되지만 브라이들의 특성 상 블라이들을 제외한 예인삭의 거동보다 작아서 제한적이지만 유용할 것으로 판단된다.
본 연구에서는 브라이들을 모사하기 위하여 브라이들이 강체처럼 움직이지 않는다는 가정을 하고 예인삭의 길이와 예인 지점을 식(31)과 (32)로 수정하였다. 본 가정은 브라이들의 거동이 무시되지만 브라이들의 특성 상 블라이들을 제외한 예인삭의 거동보다 작아서 제한적이지만 유용할 것으로 판단된다.
본 예인삭은 20% 신장 시 파단되며 파단력은 49톤이다. 이를 이용하여 EA를 산출하 면 약 2,403 kN이며 감쇠계수 C는 0으로 가정하였다.

제안 방법

본 연구에서 개발된 수치모델이 Yasukawa et al.(2006)에 의해 수행된 계산과 모형시험과 비교하여 유사한 결과를 제공함을 확인하였으며 개발된 수치모델을 통하여 LNG 벙커링 바지의 예인안정성을 확인하였다.
조종 미계수는 Yasukawa et al.(2006)에 제시된 값을 이용하였으며 제시된 조종미계수에 대응되도록 유체력 수식은 수정하여 계산하였다. 예인산의 길이 역시 Yasukawa et al.
(2013)은 Yasukawa et al.(2006)에서 제시한 유체력 계수를 기반하여 MMG(Manoeuvring Mathematical modeling Group) 모델과 Cross-flow 모델에 대한 비교해석을 수행하였고 MMG 모델이 더욱 모형시험에 근접함을 확인하였다. Kwon(2015)은 전산유체역학을 이용하여 예인시스템의 안정성 판별식, 평형점, 시간영역해석을 통해 초기 단계의 예인안정성을 예측하는 방법을 제안하였다.
본 연구에서는 Ship to Ship LNG 벙커링에 활용될 LNG 벙커링 바지에 대한 정수 중 예인안정성을 상기 연구들을 바탕으로한 수치해석을 통하여 평가하였다. LNG 벙커링 바지의 정수 중 예인안정성을 추정하기 위해 예인시뮬레이션을 위한 수치코드를 개발하였다. 개발된 수치코드는 Nam et al.
LNG 벙커링 바지의 정수 중 저항은 CFD 계산 결과를 활용하였다. CFD 계산은 상용코드인 STAR-CCM+을 이용하였고 계산은 실선 scale에서 수행되었다.
(2006)의 계산 및 모형시험의 결과 비교 검증하였다. 개발 검증된 수치코드를 이용하여 LNG 벙커링 바지의 나선(bare hull)상태의 정수 중 예인 안정성을 확인하고 선미 스케그 면적과 브라이들(bridle)에 의한 예인 지점의 변화에 따른 정수 중 예인해석을 수행하였다. 수행된 해석결과를 통해 설계된 선미 스케그의 적정성을 확인하고 안전한 예인을 위한 예인지점을 파악하였다.
바지 1B의 예인해석을 수행하였다. 선수각 -30도의 offest 으로 초기 조건을 설정하였으며 모형시험과 동일하게 60초로 수행하였다.
바지 2B의 예인해석 역시 수행하였다. 선수각 -20도의 offest으로 초기 조건을 설정하였으며 모형시험과 동일하게 60초로 수행하였다.
본 연구는 기본제원을 통한 추정식을 이용하여 초기설계 단계에서 LNG 벙커링 예인안정성 해석을 수행하였다. 조종 미계수의 정확성이 신뢰도 있는 예인해석 결과를 주는 것은 자명하다.
본 연구에서 예인안정성 해석은 초기 횡방향 offset(0m, 30m)에 대한 거동해석을 수행하였다. 해석 시간은 1000초를 수행하였다.
본 연구에서는 설계가 진행 중인 LNG 벙커링 바지의 정수 중 예인시뮬레이션을 수행하였다. LNG 벙커링 바지의 3차원 형상은 Fig.
브라이들을 예인삭의 길이의 0.1간격으로 0.5까지 증가시켜가면서 예인해석을 수행하였다. 모든 해석의 초기 횡방향 offset은 (0m, 30m) 그리고 해석 시간은 1000초로 하였다.
이는 예인삭의 안전성 향상뿐만 아니라 예인저항 감소로 인한 운영비 감소도 기대할 수 있다. 상기해석을 통해 설계된 선미 스케그 면적의 적정성을 확인하였다.
84m² 로 추정된다. 선미 스케그 면적을 1m² 간격으로 6m²까지 증가시켜가며 예인안정성 해석을 수행하였다. 선미 스케그는 구조적 안정성을 위하여 선수방향에 선미 방향으로 면적을 증가시켰다.
바지 2B의 예인해석 역시 수행하였다. 선수각 -20도의 offest으로 초기 조건을 설정하였으며 모형시험과 동일하게 60초로 수행하였다. 수행된 결과를 정리하여 Yasukawa et al.
바지 1B의 예인해석을 수행하였다. 선수각 -30도의 offest 으로 초기 조건을 설정하였으며 모형시험과 동일하게 60초로 수행하였다. 수행된 결과를 정리하여 Yasukawa et al.
설계된 선미 스케그가 부착된 LNG 벙커링 바지의 예인안 정성 해석을 최종적으로 수행하였다. 브라이들 길이 변화에 대한 해석결과를 토대로 브라이들 길이는 0.
개발 검증된 수치코드를 이용하여 LNG 벙커링 바지의 나선(bare hull)상태의 정수 중 예인 안정성을 확인하고 선미 스케그 면적과 브라이들(bridle)에 의한 예인 지점의 변화에 따른 정수 중 예인해석을 수행하였다. 수행된 해석결과를 통해 설계된 선미 스케그의 적정성을 확인하고 안전한 예인을 위한 예인지점을 파악하였다.
본 논문에서는 Ship to Ship LNG 벙커링에 활용될 LNG 벙커링 바지에 대한 정수 중 예인안정성을 추정하기 위하여 정수 중 예인해석을 수행하였다. 예인해석을 위한 수치코드를 MATLAB 환경에서 개발하였으며 기 발표된 계산과 모형시 험의 결과를 통해 유효성을 확인하였다. 개발된 수치코드를 통해 LNG 벙커링 바지의 예인안정성 해석을 수행하여 아래와 같은 결론을 얻을 수 있다.
따라서 본 연구에서는 선미 스케그가 없는 LNG 벙커링 바지의 정수 중 예인 안정성의 특성을 확인하고 선미 스케그의 면적 변화에 따른 예인안정성 변화를 통해 설계된 면적의 적정성을 확인하는 것이 목표이다. 추가로 브라이들(bridle)에 의한 예인 지점의 변화를 통해 안전한 예인을 위한 예인 지점을 파악하였다.

대상 데이터

65)×2) 이 상의 예인삭을 확보해야 하며 계산에 편의를 위해 200m로 예인삭의 길이를 설정하였다. 예인삭의 재질은 64mm의 폴리프 로필렌 합성수지 로프를 사용하였다. 본 예인삭은 20% 신장 시 파단되며 파단력은 49톤이다.

데이터처리

수치코드의 유효성을 검증하기 위하여 Yasukawa et al.(2006) 의 계산 및 모형시험의 결과와 비교하였다. 검증계산에 사용된 바지의 제원은 Table 1과 같다.
LNG 벙커링 바지의 정수 중 저항은 CFD 계산 결과를 활용하였다. CFD 계산은 상용코드인 STAR-CCM+을 이용하였고 계산은 실선 scale에서 수행되었다. 선속 별 저항을 통해 최소자승법을 통하여 식(19)의 a와 b를 산정하였고 모델된 정수 중 저항은 Fig.

이론/모형

(2013)에 제시된 스프링상수(50N/m)와 감쇠계 수(10N·s/m)를 참조하여 산정하였다.
식 (5)-(6)의 # , # , #과 #은 slender body 이론을 통해 계산하였다. slender body 이론에 적용할 단면의 부가질량은 2차원 경계적분방정식방법을 이용하여 계산하였다. 그리고 X 방향 유체력 #은 Motora(1960)의 추정식을 X_vr은 Wagner and Chislett(1972)의 추정식을 이용하였고 식(17), (18)과 같다.
u′( u′=u/L), v′ (v′ = v/L) 및 r′ (r′ = rU/L)의 무차원화된 속도에 종속적으로 변하는 횡방향 및 선수각 방향의 유체력은 Inoue (1979a, 1979b)에 의해 개발된 조종 미계수를 정리한 Lee and Kim(1995)의 논문을 참조하였으며 식(7)-(16)과 같다.
slender body 이론에 적용할 단면의 부가질량은 2차원 경계적분방정식방법을 이용하여 계산하였다. 그리고 X 방향 유체력 #은 Motora(1960)의 추정식을 X_vr은 Wagner and Chislett(1972)의 추정식을 이용하였고 식(17), (18)과 같다.
선미 스케그의 효과는 핀(fin) 모델을 이용하여 조종 미계수에 반영할 수 있다. 본 연구에서는 아래와 같이 Jacobs(1964)의 추정식을 반영하였다.
예인해석을 위한 예인삭의 길이는 식(26)과 같이 선박안전법 제 23조 시행규칙 제 81조의 규정을 참조하여 선정하였다.

성능/효과

(1) 선미 스케그 면적 변화에 대한 예인해석을 통해 선미 스케그의 면적이 증가할수록 초기 외란에 의한 선수각이 시간에 지남에 따라 더욱 빨리 감소하여 원래방향으로 돌아오는 것을 확인하였다. 이는 식 (24)의 예인안정성 조건의 정성적인 해석과 일치한다.
(2) 브라이들의 길이 변화에 대한 예인해석을 통해 브라이들의 길이가 증가함에 따라 초기 외란에 의한 선수각이 시간이 지남에 따라 더욱 안정화 되는 것을 확인하였다. 브라이들의 길이가 증가하는 것은 x_T가 증가함을 의미하며 식(24)의 예인안정성 조건에서 x_T의 증가로 인한 예인안정성 향상이라는 정성적인 해석과 일치한다.
(3) 최종적으로 설계된 선미 스케그가 부착된 LNG 벙커링 바지의 예인해석을 수행을 통해 설계된 스케그 면적의 적정성을 확인하였다.
브라이들의 길이가 증가하는 것은 x_T가 증가함을 의미하며 식(24)의 예인안정성 조건에서 x_T의 증가로 인한 예인안정성 향상이라는 정성적인 해석과 일치한다. 다양한 브라이들의 길이에 대한 예인해석 결과를 통해 브라이들의 길이는 0.2L_T0정도가 적정할 것으로 판단된다.
이는 식 (24)의 예인안정성 조건의 정성적인 해석과 일치한다. 다양한 선미 스케그 면적에 대한 예인해석 결과를 통하여 선미 스케그 면적이 4m² 이상이 적정할 것이라 판단된다.
설계된 선미 스케그가 부착된 LNG 벙커링 바지의 선수동요는 횡방향과 마찬가지로 초기 외란에 의한 증가 이후 시간이 지남에 따라 급격히 감소함을 확인하였다. 예인 장력 또한 초기 offset으로 인하여 발생한 선수동요로 인한 예인 장력이 초기에 증가하였다가 예인 바지의 수평면 운동이 안정됨에 따라 감소함을 알 수 있다.
11에 도시하였다. 스케그의 면적이 증가할수록 초기 외란에 의한 선수각이 시간이 지남에 따라감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는 식(24), (27) 그리고 (29) 을 통해 예인 지점 x_T가 고정되어 있다면 선미 스케그의 효과로 N_v는 감소하고 Y_v는 증가되기 때문에 정성적으로 예인 안정성이 향상됨을 유추할 수 있다.
뿐만 아니라 예인장력을 증가 시켜서 예인삭의 파손 위험과 예인선의 저항증가로 인한 운영비 증가를 예상할 수 있다. 정수 중 저항의 결과를 통해 설계 선속 8 knots에서저항은 약 2.0 tonf임을 감안하면 약 15배의 저항증가를 의미 한다. 따라서 LNG 벙커링 바지의 예인안정성 향상을 위해 선미 스케그 부착 또는 브라이들(bridle)에 의한 예인 지점의 변화를 주는 방안들이 필요한 것으로 판단된다.
해석을 통해 정성적인 해석과 수치해석의 결과가 잘 일치함을 확인할 수 있었다. 특히 브라이들의 길이가 0.2L_T0이후 안정성 향상의 정도가 미미한 것으로 판단되며 브라이들은 0.2L_T0정도가 적정할 것으로 판단된다.
해석을 통해 정성적인 해석과 수치해석의 결과가 잘 일치함을 확인할 수 있었다. 특히 선미 스케그 면적이 4 m² 이후 안정성 향상의 정도가 미미한 것으로 판단되며 선미 스케그 면적은 약 4 m² 정도가 적정할 것으로 판단된다.
이는 식(24), (27) 그리고 (29) 을 통해 예인 지점 x_T가 고정되어 있다면 선미 스케그의 효과로 N_v는 감소하고 Y_v는 증가되기 때문에 정성적으로 예인 안정성이 향상됨을 유추할 수 있다. 해석을 통해 정성적인 해석과 수치해석의 결과가 잘 일치함을 확인할 수 있었다. 특히 선미 스케그 면적이 4 m² 이후 안정성 향상의 정도가 미미한 것으로 판단되며 선미 스케그 면적은 약 4 m² 정도가 적정할 것으로 판단된다.

후속연구

조종 미계수의 정확성이 신뢰도 있는 예인해석 결과를 주는 것은 자명하다. 추후 모형시험 또는 전산해석을 통해 설계된 LNG 벙커링 바지의 예인안정성을 최종 확인할 예정이다.

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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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