이중 킬 요트의 저항 특성에 관한 연구
이유신*․정우철**․김규선***․박제웅*․김도정****․박경훈*
*조선대학교 선박해양공학과
**인하공업전문대학 선박해양시스템과
***주식회사 삼원중공업
****한국조선기자재연구원
A Study of the Resistance Characteristics of Double Keel Yacht
You-Shin Lee*, Uh-Cheul Jeong**, Kyu-Sun Kim***, Je-Woong Park*, Do-Jung Kim**** and Kyung-Hun Park*
*Dept. of Naval Architecture and Ocean Engineering, Chosun University, Kwangju, Korea
**Dept. of Ship & Ocean System, Inha Technical College, Incheon, Korea
***Samwon Shipbuilding Co., Ltd., Gunsan, Korea
****Korea Marine Equipment Research Institute, Jun-nam division, Mokpo, Korea
KEY WORDS: Double keel yacht 이중킬 요트, Resistance characteristics 저항특성, Flow visualization test 유동가시화시험, Circulating water channal(CWC) 회류수조, Model test 모형시험, CFD 수치해석
ABSTRACT: The resistance performances of a small leisure yacht with two different keels, center and double, respectively, are investigated using a model test at circulating water channel and CFD analysis. Flow patterns around the keels are observed using a tuft test to make clear the relation between the resistance performance and the flow characteristics around the keels. The results show that the keel does not affect free surface flows and that the double keel yacht has better performance compared to a single keel yacht in oblique condition from the resistance point of view.
교신저자 정우철: 인천시 남구 용현동 253번지, 032-870-2176, ucjeong@inhatc.ac.kr
1. 서 론
세일링요트는 세일(Sail)에 작용하는 바람의 힘을 주동력으로 사용하는 관계로 여기에 작용하는 횡방향 힘에 의한 횡류를 방 지하기 위하여 주로 선저 중앙에 길게 돌출되는 킬을 부착한다.
이러한 킬은 횡류 방지뿐만 아니라 킬 자체가 밸러스트(Ballast) 가 되어 무게중심을 낮추어 안정성을 향상시키는 중요한 역할 을 하는 반면, 수심이 낮은 해역에서는 운항을 어렵게 만들기도 한다. 뿐만 아니라 인천 등 서해안과 같이 조수간만의 차가 크 고, 간조 시 갯벌이 넓게 나타나는 지역에서는 잔교와 같은 별 도의 시설을 갖추지 못할 경우, 연안에 요트를 정박시키기 힘든 관계로 해양레저 활동에 오히려 장애가 되기도 한다.
그러나 해외 해양레저 선진국의 경우, 갯벌이 넓고 잔교시설 이 없는 곳에서는 물이 빠진 상태에서도 연안에 안정적으로 서 있기 쉬운 형태로 선체 양현에 각각 한 개씩 두 개, 혹은 선체 양현과 중앙부에 총 세 개의 소형 킬을 부착한 요트를 이용하 여 해양레저를 손쉽게 즐기고 있다.
요트의 킬과 선체와의 상호작용에 관한 연구는 Greeley and Cross-Whiter(1989), Flay and McMillan(1993), 유재훈과 안해성 (2005), 최기철과 현범수(2006), 추경훈 등(2006)에 의하여 수행 되어 왔다. 이들은 주로 킬의 형상을 변화시키면서 연구를 수행
하였으며, 킬 형상이 저항성능에 미치는 영향은 크지 않다고 보 고하였다.
본 연구에서는 기존의 연구와는 달리 킬의 형상은 변화시키 지 않고 선저 중앙에 길게 돌출된 킬(중앙킬, Center keel)을 선 저 양측에 나누어 배치(이중킬, Double keel)하여 수심이 낮고, 갯벌이 넓은 서해안 지역에서도 킬에 의한 방해를 최소화 하고, 연안에 안정적으로 수직으로 서 있기 쉬운 요트를 설계하고자 하였다. 이를 위하여 하나의 요트에 동일한 형상과 침수표면적 을 갖는 중앙킬과 이중킬을 각각 부착하여 킬 변화에 따른 저 항특성을 회류수조에서의 모형시험과 수치해석을 통하여 분석 하였다.
2. 시험조건
본 연구의 대상이 되는 선박은 15피트 급 딩기요트로 1~3 인 이 탈 수 있는 소형선이다. 본 대상 선박의 주요제원은 Table 1 과 같고, Lpp = 1.0m 크기의 하드우레탄으로 제작하여 인하공업 전문대학 회류수조(L × B × D = 11.0m × 1.5m × 4.5m)에서 모형 시험을 수행하였다.
Fig. 1은 선체 중앙 선저부에 돌출된 중앙킬을 갖고 있는 원 래 요트의 시험모형(L-001)과, 이 킬을 동일한 단면형상과 단면
22
Table 1 Principal dimensions of dinghy yacht
Items Dimensions (m)
Hull
L.P.P 4.55
Breadth 1.62
Depth 0.50
draft 0.16
Keel
L-001 L-002
Length 0.95 0.43
Chord L 0.55
Thickness 0.015
Fig. 1 Test model for L-001 (upper) and L-002 (lower)
Fig. 2 Definition of velocity angle (
φ
)적을 갖는 두 개의 킬로 나누어 선체 양현에 나누어 부착한 이 중킬 요트의 시험모형(L-002)이다. 이 때 선체와 접합되는 부분
의 킬의 현장(Chord length)은 모두 동일하게 하였다. 킬은 얇 은 사각 판의 앞날과 뒷날을 부드러운 곡면형상으로 가공하여 사용하였다.
모형시험은 3.5노트를 설계속도로 가정하여 2~5노트 범위에 서 수행하였다. 세일링 요트는 세일에 작용하는 바람에 따라 선 체가 직진상태뿐만 아니라 사항상태에서도 운항하게 된다. 또 한 옆으로 기울어진 상태와 이러한 경우가 조합된 다양한 경우 에서 운항하게 된다. 본 연구에서는 선체가 옆으로 기울어진 상 태를 제외하고 Fig. 2와 같이 받음각(
φ
) = 0o인 직진상태와 5o인 사항상태, 두 경우에 대하여 각각 수행하였다.3. 시험결과
3.1 저항시험
앞에서 언급한 두 모형에 대한 직진상태와 사항각 5o에서의 저항 계측 결과를 각각 Fig. 3과 Fig. 4에 나타내었다.
받음각(
φ
) = 0o인 직진상태의 경우, 킬 변화에 따른 저항 변화 는 그리 크지 않다. 그러나 받음각(φ
) = 5o인 사항상태의 경우, 킬 변화에 따른 저항 값 변화는 속도가 증가할수록 상대적으로 크 게 나타나고 있다. 이는 중앙에 길게 돌출된 중앙킬에 비하여 양 현에 나누어 부착된 이중킬의 경우가 흐름에 직각으로 투영된 면적이 작을 뿐만 아니라, 후류 쪽에 부착된 킬에는 선체로부터 교란되어 속도가 줄어든 흐름이 작용하기 때문으로 보인다.Fig. 3 Measured total resistance for L-001 and L-002,
φ
= 0oFig. 4 Measured total resistance for L-001 and L-002,
φ
= 5oFig. 5 Comparison of wave patterns at
φ
= 0o for L-001 and L-002 from above, V = 3.5 knotsFig. 6 Comparison of wave patterns at
φ
= 5o for L-001 and L-002 from above, V = 3.5 knotsFig. 7 Comparison of flow patterns around keels at
φ
= 0o for L-001 and L-002, V = 3.5 knotsFig. 8 Comparison of flow patterns around keels at
φ
= 5o for L-001 and L-002, V = 3.5 knotsFig. 5와 Fig. 6은 각각 설계속도인 V = 3.5노트에서 직진상태 (
φ
= 0o)와 사항상태(φ
= 5o)에서의 파형을 보인다. 받음각이 동일 한 경우에 있어서는 킬 변화에 따른 파형변화는 나타나지 않는 다. 즉, 킬이 자유표면에 미치는 영향은 무시할 만큼 작다고 판단된다.
이상에서 살펴본 바와 같이 선체 중앙에 길게 돌출된 중앙킬 을 사용하는 일반적인 요트보다 이 Keel을 선체 양현에 나누어 부착한 이중킬 요트가 전반적으로 저항성능 면에서 유리하다.
3.2 유동가시화 시험
킬 주위의 유동특성을 분석하기 위하여 물과 비중이 유사한 실(Tuft)을 선체에 부착하여 회류수조 관측 창을 통하여 사진을 촬영하였다. Tuft는 일본 Sunline사 제품의 청색 합사 낚싯줄 6 호를 이용하였으며 설계속도인 3.5노트에서 시험을 수행하였다.
Fig. 7은 직진상태에서 킬 주위의 유동현상이다. 두 경우 모두 특별한 와 유동이 나타나지 않고 킬을 따라서 부드러운 유체유 동이 발생하고 있다. 이는 앞에서 언급한 바와 같이 두 경우의 저항 값이 유사하다는 것을 설명하고 있다.
Fig. 8은 받음각(
φ
) = 5o인 사항상태에서 킬 주위 유동현상이다.L-001과 L-002 두 경우 모두 압력면(Pressure side)에서는 특 별히 복잡한 유동이 나타나지 않고 유사한 경향을 보이고 있으 나, 흡입면(Suction side)에서는 약간 다른 경향을 보이고 있다.
L-001, 즉, 길게 돌출된 중앙킬의 경우 선체와 킬이 만나는 부근 에서 아래 방향으로의 유동이 상대적으로 크게 나타나고 있다.
이 부분에서 선저를 따라 상대적으로 강한 와 유동이 나타날 것으로 예측된다. 따라서 받음각(
φ
) = 5o인 사항상태에서 L-001 과 L-002의 저항 값 차이는 킬 주위의 유동특성에서 기인한다 고 판단된다. 여기에 대한 자세한 내용은 뒷장의 수치해석에서 다시 언급하기로 한다.4. 수치해석
수치해석은 상용 프로그램인 FLUENT(ver. 6.3.26)를 이용하 여 설계속도인 3.5노트에서 수행하였다. L-001 모형은 직진상태 와 사항각 5도인 두 상태에 대하여 수행하였고, L-002 모형은 직진상태에서만 수행하였다. 수치계산 결과를 모형시험 결과와 직접 비교하기 위하여 모형시험 조건에서 계산을 수행하였다 (Re = 8.5 × 10). 자유수면 해석을 위하여 VOF모델을 사용하였 으며, 유동은 비압축성 유동으로 전 영역에 대하여 난류흐름으 로 계산하였다. 난류 모델은 Realizable k -
ε
모델을 사용하였고, 계산 격자는 총 70만개를 사용하였다. 계산격자는 C-H 격자계 를 이용하였으며, 계산영역은 선체의 앞부분은 배 길이의 1.5배, 뒷부분은 2.5배, 깊이 방향으로 2.5배, 폭 방향으로 1.5배로 하Fig. 9 Computational domain and grid system
여, 외부 경계조건이 선체주위 유동에 영향을 미치지 않도록 충 분히 크게 하였다. Fig. 9는 계산영역을 보여주고, Fig. 10은 두 대상선박의 선체 중심 면을 기준으로 반쪽에 대한 선체표면 격 자를 보여준다.
Fig. 11은 직진상태에서 L-001과 L-002의 파형을 비교한 것이
Fig. 10 Computational grid on hull surface
Fig. 11 Simulated wave patterns,
φ
= 0o, V = 3.5 knotsFig. 12 Simulated pressure distribution,
φ
= 0o, V = 3.5 knots다. 전반적으로 큰 차이는 없으나 킬이 부착된 위치에서 작은 차이가 나타나고 있다. 이는 L-002의 경우 킬의 위치가 L-001보 다 자유표면에 가깝기 때문에 자유수면 유동에 영향을 주었기 때문이라고 보인다.
Fig. 12는 선저에서의 L-001과 L-002의 압력 분포이다. L-002 의 킬에 상대적으로 낮은 압력이 작용하고 있다. 이는 킬이 부 착된 선저 빌지부에서 일반적으로 유속이 빨라지기 때문이라고 판단된다.
4. 결 론
본 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
(1) 킬 변화가 자유수면 유동에는 큰 영향을 주지 않는다.
(2) 사항각 0o에서 킬이 하나인 요트(L-001)와 킬이 두개인 요 트(L-002)의 전저항 값의 차이는 크게 나타나지 않는다.
(3) 사항각 5o에서 킬이 하나인 요트(L-001)와 킬이 두개인 요 트(L-002) 모두 와 유동이 발생되고 있으나 킬이 하나인 요트 (L-001)의 와 유동이 상대적으로 큰 것으로 관찰되었고, 이러한 와 유동이 저항성능에 큰 영향을 미친다.
(4) 사항각 5o에서 킬이 두 개인 요트(L-002)의 저항성능이 킬 이 하나인 요트(L-001)에 비하여 우수하고 그 차이는 속도가 증 가할수록 커진다. 이는 킬 주위의 와 유동에 주로 기인한다.
이상의 연구 결과와는 별도로 향후에 킬의 최적 길이, 종 방 향, 횡 방향 위치에 대한 연구를 수행할 계획이다.
참 고 문 헌
유재훈, 안해성 (2005). “30피트급 요트의 유체력에 대한 실험적 연구”, 대한조선학회논문집, 제43권, 제4호, pp 414-421.
추경훈, 심상목, 박종관, 진송한, 권성훈 (2006). “세일링요트 핀 킬 형상별 저항특성 비교연구”, 한국항해항만학회지, 제30 권, 제5호, pp 375-379.
최기철, 현범수 (2006). “요트 킬의 형상에 따른 유체력 및 유동 특성 연구”, 대한조선학회논문집, 제43권, 제4호, pp 414- 421.
Flay, R.G.J. and McMillan, D.C. (1993). “A Wind Tunnel Investigation of Yacht Hydrodynamic Side Force and Drag“, Journal of Ship Research, Vol 37, No 4, pp 331-341.
Greeley, D.S. and Cross-Whiter, J.H. (1989). “Design and Hydrodynamic Performance of Sailboat Keels”, Marine Technology, Vol 26, No 4, pp 260-281.
2010년 9월 13일 원고 접수 2011년 1월 5일 심사 완료 2011년 1월 17일 게재 확정
