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문제 정의
- 따라서 경험식으로부터 신뢰도 높은 조종성능 추정 결과를 도출하기 위해서는 L/B, CbB/L 와 같은 선형 특성 계수가 모형시험 회귀분석 과정에 반드시 포함되어야 한다. 이러한 배경에서 이 연구는 Kijima et al. (1990)경험식에 어선선형의 특성 계수를 포함시켜 추정 정도를 향상시킬 수 있는 보정 경험식을 도출하는 연구를 수행하였다.
제안 방법
- 대상선박(대상어선, 대상상선)의 제원 및 선체 비율에서 얻어진 선형 특성 계수 값을 비교·분석하고, Kijima et al. (1990)경험식으로부터 도출한 유체력 미계수 값과 상관시켜 여러 선형이 가지는 유체력 미계수 값의 경향을 확인하였다.
- )에 적용하여 유효성 유무를 검증한 바 있으며, 상선과 어선의 선형 특성 차이로 인하여 추정오차가 발생함을 증명하였다. 따라서 이 연구에서는 대상어선의 선형 특성 계수를 Kijima et al. (1990)경험식 회귀분석 과정에 포함시켜, 어선선형의 조종성능을 더욱 정도 높게 추정할 수 있는 보정 경험식을 도출하였다.
- 보정 경험식으로부터 대상어선 F1~F4의 유체력 미계수 값을 도출하였고, 그 값으로 선회권운동 시뮬레이션을 실시하였다. 이후, 선회권운동 시뮬레이션의 결과를 검증하기 위하여 선행연구(Kim et al.
- 선회권운동을 표현하기 위하여 조종운동 방정식을 Fortran90 (MS Fortran Power Station 4.0) 언어로 프로그래밍하고, 조종운동 중 선체, 프로펠러, 타에 의해서 발생하는 유체력 미계수 값을 시간(Sec.) 단위로 계산한 후, 수치를 Excel (Microsoft Excel 2013)에 옮겨 도시하였다.
- 상기의 과정으로부터 대상어선 F1~F4의 선회권운동 시뮬레이션을 수행하였다. 수행 조건은 설계상흘수(design waterline), 등흘수(even keel), 심수역(deep water), 외란없음(no disturbance) 등 IMO 조종성 평가의 조건과 동일하게 설정하였다. 단, 초기 선속 U0는 각 선박의 실선 시험 결과와의 비교를 고려하여 시험 당시와 동일하게 설정하였다(Kim et al.
- (1990)경험식으로부터 도출한 유체력 미계수 값과 상관시켜 여러 선형이 가지는 유체력 미계수 값의 경향을 확인하였다. 이후, 대상어선의 L/B, CbB/L 등 경험식 회귀분석 과정에서 높은 상관관계를 가지는 선형 특성 계수를 Kijima et al. (1990)경험식에 포함시켜 보정 경험식을 제안하고, 보정 식으로부터 유체력 미계수 값을 도출하여 수치 시뮬레이션(선회권운동)을 통한 검증을 수행하였다.
대상 데이터
- 단, F5의 프로펠러 단독 특성 결과, 설계상 제원 등은 편차를 줄이기 위한 용도로만 이용하였으며, 유효성에 관한 검증에는 포함되지 않았다(Kim, 2020). 대상상선은 Kijima et al. (1990)경험식 개발과정에 이용된 모형시험의 대상이었던 VLCC 2척, ULCC 3척, Cargo ship 3척, Container ship 2척, RO/RO ship 1척, Car carrier 1척, LNG 1척으로 선정하였으며, 선정이유는 경험식을 어선선형에 적용함에 있어서 가장 표준적인 수치 제공이 가능할 것으로 판단되었기 때문이다(Table 1).
- 대상선박은 경험식을 적용할 수 있도록 길이, 폭, 흘수 등 설계단계에서의 주요 제원을 확인할 수 있는 대상어선 5척과 대상상선 13척, 총 18척으로 구성하였다. 대상어선은 선미식 트롤어선 형상을 가진 어업실습선이며, 수치 시뮬레이션 결과를 검증하기 위하여 실선 선회권운동 시험 자료를 확보한 4척(이하 F1~F4, 대상어선이라 한다.
- 대상선박은 경험식을 적용할 수 있도록 길이, 폭, 흘수 등 설계단계에서의 주요 제원을 확인할 수 있는 대상어선 5척과 대상상선 13척, 총 18척으로 구성하였다. 대상어선은 선미식 트롤어선 형상을 가진 어업실습선이며, 수치 시뮬레이션 결과를 검증하기 위하여 실선 선회권운동 시험 자료를 확보한 4척(이하 F1~F4, 대상어선이라 한다.)과 건조 중의 선박 1척(이하 F5, 대상어선이라 한다.)으로 선정하였다. 단, F5의 프로펠러 단독 특성 결과, 설계상 제원 등은 편차를 줄이기 위한 용도로만 이용하였으며, 유효성에 관한 검증에는 포함되지 않았다(Kim, 2020).
- 상기의 과정으로부터 대상어선 F1~F4의 선회권운동 시뮬레이션을 수행하였다. 수행 조건은 설계상흘수(design waterline), 등흘수(even keel), 심수역(deep water), 외란없음(no disturbance) 등 IMO 조종성 평가의 조건과 동일하게 설정하였다.
데이터처리
- 이후, 선회권운동 시뮬레이션의 결과를 검증하기 위하여 선행연구(Kim et al., 2020)에서 수행하였던 Kijima et al. (1990)경험식과 실선시험의 결과와 비교·분석하였다(Table. 2, Fig. 8).
이론/모형
- 이 연구에서는 조선소 설계 실무에서 널리 쓰이고 있으며, 전형적인 선형과 선미의 형상을 가진 선박의 조종성능 추정에 적합한 Kijima et al.(1990)경험식을 선정하였고, 그에 따른 등흘수(even keel) 상태에서 선체에 작용하는 힘과 모멘트에 대한 유체력 미계수(Hydro dynamic derivatives)를 도출하는 식은 아래의 식 (3)과 같이 나타낸다.
성능/효과
- 연구 결과, 보정 경험식은 상선을 대상으로 개발된 Kijima et al. (1990)경험식에서 나타난 평균 추정 오차 49%보다 낮은 평균 6%을 오차를 나타내며 추정의 정도가 향상된 결과를 나타냈다. 그러나 저자가 제안한 보정 경험식 역시 제한된 트롤어선선형으로부터 도출되었기 때문에 연구에 이용된 선형의 범위 이외에는 미소한 오차를 발생시킬 수 있으며, 선체, 프로펠러, 타 사이에 작용하는 간섭력 등은 상선선형과 마찬가지로 모형시험을 거치지 않으면 추정하기 힘든 미계수 값으로부터 발생하는 오차에 대한 한계를 가질 것으로 판단된다.
후속연구
- (1990)경험식에서 나타난 평균 추정 오차 49%보다 낮은 평균 6%을 오차를 나타내며 추정의 정도가 향상된 결과를 나타냈다. 그러나 저자가 제안한 보정 경험식 역시 제한된 트롤어선선형으로부터 도출되었기 때문에 연구에 이용된 선형의 범위 이외에는 미소한 오차를 발생시킬 수 있으며, 선체, 프로펠러, 타 사이에 작용하는 간섭력 등은 상선선형과 마찬가지로 모형시험을 거치지 않으면 추정하기 힘든 미계수 값으로부터 발생하는 오차에 대한 한계를 가질 것으로 판단된다.
- 그럼에도 불구하고, 설계단계에서 상선을 대상으로 개발된 경험식을 그대로 적용하는 것보다는 이 연구를 바탕으로 더 많은 어선선형 데이터를 축적하여 보정하는 것이 현재의 어선 설계단계에서는 더욱 효과적이라 판단되며, 상선선형과 어선선형에 작용하는 간섭력 정도의 차이를 연구하여 보정 데이터를 추가함으로써 더욱 신뢰도 높은 추정이 가능할 것으로 사료된다.
- 여기서, 보정 경험식 또한 제한된 어선선형의 제원 특성만 포함하여 보정되었기 때문에 어선선형일지라도 아래의 조건 이외의 선형에 적용할 경우에는 추가적인 오차가 발생할 수 있으며, 경우에 따른 미소한 보정이 이루어져야 할 것으로 판단된다.
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