1. 서 론
최근 국제해사기구(IMO)의 선박에너지효율지수(EEDI) 강제규 정 발효에 따라 CO2 배출량과 연료 소모량을 낮추기 위한 에너 지 절감형 선형개발의 필요성이 늘고 있다. 이에 따라 선체 저항 을 개선하기 위한 다양한 선형 최적화 기법 (Kim, et al., 2007;
Park, et al., 2011)이 제시되고 있으며, 고효율 추진장치 및 에 너지 회수장치 등이 연구되고 있다 (Sherbaz & Duan, 2012).
본 연구에서는 대한조선(DHSC)에서 제공한 재화중량 75,000 톤 정유운반선의 선형을 모선으로 하여 목표 제원 및 요구 조건 들을 단계적으로 반영하고 각 단계에서 저항성능을 평가하고 개 선 방안을 도출하는 일련의 선형개량 작업을 수행하였다. 본 선 형개발의 중요한 목표는 선체 수선간 길이(LBP)를 줄이면서도 재화중량을 유지하고 모선에 비해 저항성능의 1큰 손해가 없어 야 하는 것이다. 또한 프로펠러 날개 끝 여유거리 확대, 화물창 용적을 확보하기 위한 부심(LCB)의 위치 변경 등의 요구 조건도 만족해야 한다. 이러한 조건들은 저항성능 관점에서 대부분 불리 한 조건에 해당하며, 모든 조건을 일괄적으로 반영하는 기존의
설계방법으로는 저항성능의 변화가 나타난 구체적인 원인을 파 악하여 개선해 나가기가 쉽지 않다는 문제점이 나타나게 된다.
따라서 좀 더 체계적인 방법으로 설계조건들을 단계별로 구분하 여 반영하고 각 단계에서 저항성능을 평가하여 선형을 개선해나 가는 순차적 설계기법을 적용할 필요가 있다고 판단하였다.
Table 1 Particulars of the hull forms
Particulars Parent Target
Speed [kts] 14.5 14.5
LBP [m] 219.0 216.5
Displacement at Td=12.20 m [m
3] 72,395 71,800 Displacement at Ts=14.45 m [m
3] 87,326 86,440
LCB [% of LBP from midship to
bow] 3.2 3.5
Propeller tip clearance
[% of propeller diameter 7.8m] 15.0 25.0
설계목표선의 주요제원인 선속, 선체 수선간 길이(LBP,
순차적 설계기법에 의한 DWT 75,000 정유운반선의 선형설계
박연석․ 박세라․ 정요한․ 최정규․ 유재훈
†목포대학교 조선해양공학과
Stepwise Hull Form Design of DWT 75,000 Product Oil Carrier
Yeon Seok Park ․ Sera Bak ․ Yohan Jeong ․ Jung-Kyu Choi ․ Jaehoon Yoo
†Department of Naval Architecture and Ocean Engineering, Mokpo National University
This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
To design the modified hull form with relatively unfavorable dimensions and constraints than the parent ship the stepwise design was applied. In each design step the resistance characteristics was estimated by numerical calculations using CFD programs as Wavis 1.4, Wavis 2.1 and Fluent 12.1. The wave profiles along hull surface by potential flow calculations were investigated to improve wave resistance by modifying the bow shapes. To improve the stern shapes with a point of viscous form resistance the pressure distributions on hull surface and the limiting streamlines are investigated by viscous flow calculations. The design objectives such as shortening the LBP, enlarging the propeller tip clearance, moving forward of the LCB location and increasing the displacement were applied by stepwise to develop the new hull form of DWT 75,000 product oil carrier. Finally a new hull form was developed without the resistance performance loss compared with the parent ship.
Keywords :
Hull form design(선형설계), CFD(전산유체역학), Resistance(저항), Product oil carrier(정유운반선)Length Between Perpendiculars), 계획만재흘수(Td, design draft)와 최대만재흘수(Ts, scantling draft)에서의 배수량, 부력중 심(LCB, longitudinal center of buoyancy from midship) 그리고 프로펠러 날개 끝과 수직 상방에 위치한 선체와의 거리(propeller tip clearance)를 모선과 비교하여 Table 1에 정리하였다.
LBP를 줄이면서도 배수량을 유지하기 위해서는 엔진의 탑재 를 위해 중앙평행부를 선수로 연장하는 것이 용이하나 이러한 선 형변환은 LCB의 위치가 과도하게 선수 쪽으로 이동하게 되어 조 파저항 성능 관점에서 불리해질 수 있다. 또한 선체로 전달되는 프로펠러 변동압력의 감소를 위해 선체와 프로펠러 날개 끝 여유 거리를 늘리기 위해 선미 오버행을 올리게 되면 배수량이 줄어들 게 되므로 이를 보상하기 위해 프레임 라인을 수정하여 횡단면적 을 늘려야 할뿐더러, 수선의 기울기가 커지게 되므로 형상저항에 불리하게 된다. 이와 같이 저항성능 면에서 불리한 제원 및 요구 조건들을 분석하여 순차적으로 적용하였으며 단계별로 수치해석 을 이용하여 저항성능을 평가하고 이를 개선해나가는 설계과정 을 진행하였다. 다양한 제한조건들을 선형설계에 반영하는 경우 각 조건이 저항성능에 어떠한 변화를 주게 되는지를 구체적으로 파악하면서 설계하는 것은 저항성능 개선의 면에서 매우 효율적 인 설계 방법이 된다.
2. 순차적 선형설계 방법
본 연구에서 적용한 순차적 설계방법을 개략적으로 설명하면 다음과 같다. 먼저 모선(이하 ‘LR0’)에 대한 유동해석을 통해 모 선 자체의 저항성능 특성을 파악하고 이를 통해 좀 더 성능이 개 선된 ‘LR1’ 선형을 설계하였다. 다음으로 중요한 설계조건 중 하 나인 LBP 단축을 위해 LR1의 중앙평행부를 선수 및 선미 방향으 로 각각 1.25 m씩 단축시켜 LBP가 216.5 m인 ‘LR2’ 선형을 도 출하였다. 또한 프로펠러 날개 끝 공간 확보를 위해 프로펠러 직 경의 약 25%에 해당하는 길이인 1.95 m만큼 선미 오버행 위치 를 상승시켜 ‘LR3’을 설계하였다. 이런 두 가지 설계변경으로 인 해 손실된 배수량을 확보하기 위해 중앙평행부를 선수 쪽으로 확 장하여 ‘LR4’ 선형을 만들었으며, 최종적으로 조파저항성능을 개 선하여 ‘LR5’를 설계하였다. 이와 같이 순차적으로 진행한 전체 선형설계 과정은 선형설계 프로그램인 HCAD를 활용하였으며, Fig. 1에는 전체적인 흐름도를 나타내었다.
3. 수치해석기법
선형 개발 과정에서 도출된 선형들의 저항성능을 평가하기 위 하여 상용 수치해석 프로그램인 WAVIS 1.4, WAVIS 2.1 그리고 Fluent ver.12.1를 사용하였다. 조파저항 성능을 신속하게 평가 하기에 편리한 WAVIS 1.4의 포텐셜 유동해석 계산을 설계되어 진 모든 선형에 기본적으로 적용하였다. 본 연구에서의 포텐셜 유동해석을 위한 자유수면 패널의 생성 방법과 개수는 Bak, et
al. (2015)이 수행한 선행연구의 결과에 따라 Table 2와 같이 적 용하였다.
Fig. 1 Used stepwise procedure of the hull form design
Free Surface Domain
X
FUpstream -1.0
X
FDownstream 1.5
Y
FWidth 1.0
Number of Free Surface Panels
NFL 233
NFT 23
Clustering ratio (lateral) 1.112
Table 2 Condition of free surface panel generation
단계별로 설계된 선형의 선미부 유동해석을 위해 현재 활발히 사용되고 있는 WAVIS 2.1과 Fluent 프로그램을 같이 사용하였 다. 상용 점성유동해석 프로그램들은 격자계 생성, 벽함수, 난류 모형 및 자유수면 처리에 다양한 방법들을 채택하고 있어 선박의 저항성능 해석 결과에 프로그램 간에 다소의 차이를 갖게 된다.
본 연구에서는 단계별 선형변환 과정 중 동일한 해석조건 하에 나타나는 두 점성유동해석 프로그램간의 정성적인 경향의 변화 를 살펴보고 두 해석 프로그램이 동일한 경향을 보이는 경우를 선형 설계에 적용하고자 하였다.
점성유동해석을 위한 기본 좌표계 및 경계조건은 Fig. 2에 나 타낸 바와 같다. 유동해석을 위한 경계조건의 경우, 입구면은 균 일류 조건(velocity inlet), 출구면은 정압력조건(pressure outlet), 최상단 경계면과 좌우대칭인 선체의 중심면에는 대칭조건 (symmetry) 그리고 선체표면에서는 경계면의 속도가 0이므로 그 경계면을 통한 대류항의 기여는 없고 단지 벽 전단응력으로 인한 접선방향의 점성효과(즉, viscous flux)만 고려하였다.
Fig. 2 Boundary conditions for the viscous flow analysis
점성유동해석을 위한 격자계 생성에 있어 WAVIS 2.1은 자체 적으로 제공하는 자동격자생성 프로그램을 활용하였으며, Fluent 12.1은 별도의 격자생성프로그램인 Gridgen ver.15를 사용하였 다. 난류모형은 두 해석 프로그램에서 동일하게 제공하고 있는 realizable k-ε model을 사용하였으며, 선측 벽면에서의 유동 처 리에 있어 WAVIS 2.1은 난류경계층 이론에서 널리 알려진 벽 로 그법칙(logarithmic low of the wall)을 이용하는 표준벽함수 (Standard Wall Function, SWF)를 Fluent 12.1에서는 Choi (2014)의 연구 결과를 참조하여 점성저층과 로그영역으로 나누 어 해석하는 two-layer기반의 증강벽함수(enhanced wall treatment, EWT)를 사용하였다. 또한, 자유수면의 파계형상은 WAVIS 2.1은 level-set기법, Fluent 12.1은 VOF(Volume of Fluid)기법을 사용하여 찾아냈다. 두 점성유동해석 프로그램에서 사용한 수치해석기법 및 사용 격자수를 Table 3에 각각 정리하 였다.
WAVIS 2.1 Fluent 12.1 Governing Eq. Incompressible RANS
No. of grids 3,700,000 2,100,000 Discretization Cell centered FVM
Structured Unstructured Turbulence model Realizable k-ε model
Wall function SWF EWT
Convection QUICK
Diffusion Central Difference Velocity-pressure
coupling SIMPLEC Algorithm Free surface capturing Level-set VOF Table 3 Key features of the numerical simulations
(CFD)
4. 선형개선 및 저항성능 비교
4.1 모선(LR0)의 저항성능 평가
선형개발을 위한 모선으로 Fig. 3과 같은 대한조선의 동급 선 형(LR0)을 채택하였다. 설계흘수에서의 방형비척계수(
)가 0.8405, 설계속도의
가 0.161로서 전형적인 저속 비대선이 며 비교적 우수한 저항성능을 가진 것으로 평가받는 선형이다.Fig. 3 The parent ship(LR0) of the 75K PC
Fig. 4는 포텐셜 유동해석을 통해 나타난 LR0의 선측파형을 보여주고 있다. 선체 길이에 걸쳐 약 6개의 파가 그대로 나타나 고 있으며 이는 선형의 각 부분에서 만들어진 파들이 서로 상쇄 될 만큼 간섭되지 않은 형태로서 조파저항을 개선할 수 있는 여 지가 있음을 유추할 수 있다.
Fig. 4 Wave profile along the hull surface(LR0)
Fig. 5는 LR0의 점성유동해석 결과로서 선미부의 압력분포 및 유선을 보여주고 있다. 선미 빌지부를 중심으로 음압(
=-0.16)의 영역이 넓게 분포되어 있음을 확인 할 수 있는데 선저 로부터 선측으로의 올라오는 유선이 비교적 곡률이 큰 선체표면 을 따르기 때문으로 볼 수 있다. 이러한 음압 구간에서는 유동 박리가 쉽게 일어나게 되므로 형상저항의 증가와 더불어 프로펠 러로 와류가 유입되는 현상이 발생하게 된다.
Fig. 6은 LR0선형의 프로펠러면 반류분포에 대한 계산 결과이 며, 원판의 중심선을 기준으로 왼쪽에는 Fluent, 오른쪽에는 WAVIS 2.1의 해석결과를 각각 보여주고 있다. 축방향속도 분포
는 등속선으로, 반경방향 및 회전방향 속도는 벡터로 나타내었 고, 원 내부의 점선으로 표기한 원은 프로펠러 직경을 나타낸다.
두 계산 결과 모두 선미 만곡부에서 발생한 와류가 프로펠러 면 으로 유입되어 프로펠러 중심축을 기준으로 좌우 135도 방향에 비교적 큰 와류중심이 나타나고 있음을 볼 수 있다.
Fig. 5 Surface pressure distribution and streamline (LR0)
Fig. 6 Calculated wake distribution of LR0
4.2 모선(LR0)의 저항성능 개선(LR1)앞서 살펴본 모선의 수치해석 결과를 바탕으로 저항성능 개선 을 위한 1차 선형개선을 수행하였다. 일반적인 설계 개념에서는 선체의 각 부위에서 발생하는 파의 크기를 각각 최소화해주기 위 해 작은 선수 입사각과 부드러운 곡률의 선수 어깨부를 채택하는 방법으로 조파저항성능을 향상시키고 있으나, 본 연구에서는 각 파계가 크게 나타나더라도 중첩에 의한 상쇄효과가 좋다면 조파 저항 감소에 훨씬 효과적이라는 관점 (Yoo & Kim, 1996)을 적용 하였다.
모선에 대해 수행한 수치계산 결과인 Fig. 4를 살펴보면 선수 파계가 선수 어깨부를 지나서도 거의 상쇄되지 않고 남아있음을 볼 수 있는데 이는 선수 어깨파의 파고가 낮아 선수파와의 상쇄 효과가 크지 않았기 때문으로 판단하였다. Fig. 7은 모선을 기준
으로 선체 각 부위에서 발생하게 되는 파계의 예시를 보여주고 있으며, 선수파, 선수 어깨파, 선미 어깨파 그리고 선미파를 분리 하여 나타내고 이들을 단순 중첩시킨 파계를 나타내었다. 또한 그림 우측에는 개량선형에서 나타나기를 희망하는 파계를 나타 내었는데, 이러한 파계는 선수 어깨부에서 발생하는 파가 증대되 는 경우 가능한 파계임을 살펴볼 수 있다. 이러한 점에 착안하여 선수 어깨부의 수선의 변화율을 크게 하여 선수 어깨파를 증대시 키는 방향으로 LR1을 설계하였다.
Fig. 7 Schematic view of the wave superposing
Fig. 8에는 LR0와 LR1 선수부에서의 수선(waterline)과 포텐 셜 유동해석을 통한 선측 파형을 비교하여 나타내었다. LR0에 비해 LR1에서 전체적으로 파고가 줄어들었으며, 특히 선수 어깨 부에서 발생한 파와 선수파가 서로 상쇄되는 효과가 크게 향상되 었음을 확인 할 수 있다.
Fig. 8 Comparison of the waterlines and wave profiles (LR0:LR1)
Fig. 5에서와 같이 선미 선저만곡부에 넓게 분포된 최저음압 영역에 의한 저항 손실을 줄이기 위해 선미형상의 기울기와 곡률 을 부드럽고 완만하게 하여 최저음압영역을 줄이고 이를 통해 3
차원 유동박리와 와류를 조절함으로써 형상저항의 개선과 프로 펠러로 유입되는 반류분포의 균일성을 개선하고자 하였다. 이를 위해 선저로부터 선미 선측으로 이어지는 표면유선을 추적하고 유선이 흐르는 선체 표면의 기하학적 곡률을 수정하였다 (Cho, 2011).
Fig. 9 Geometrical characteristics of a streamline passing the center of the minimum pressure region on LR0
Fig. 9는 선미부의 선저에서 바라본 반폭도(half-breadth plan)에 최저음압영역의 중앙을 통과하는 표면유선을 추적한 그 림이며, 해당 유선의 기하학적 정보를 나타내었다. 그래프의 좌 측에는 유선의 폭 방향 위치(
)와 그 변화율(
) 그리고 우 측에는 해당 유선의 압력계수()와 압력구배(
)를 각각 나타낸다. 최저음압이 나타나기 시작하는 3번 스테이션에서 유선 의 폭 변화율이 가장 크게 나타나고 있으며, 압력구배는 감소하 다 급격히 증가한다. 저항성능 개선을 위해 폭 변화율이 최대인 부분의 선폭을 선체중심선(centerline) 방향으로 이동시키고, 줄 어든 선폭을 기준으로 선저면 형상을 수정하였다. 이와 같은 선 형수정을 통해 3 스테이션 부근의 선미 만곡부의 곡률을 줄여 주 었으며, 선저로부터 선체표면을 따라 흐르는 유동이 완만하게 선 미로 유입되도록 하여 최저음압영역의 넓이가 작아지고 3차원 유동박리와 이로 인한 와류의 세기를 약하게 하여 프로펠러 면으 로 유입되는 반류분포의 균일성을 향상시키고자 하였다.Fig. 10은 점성유동해석 결과로부터 LR0와 LR1의 선체압력분 포를 선수와 선미로 나누어 각각 나타내었다. 그림에 표기된 점 선은 선형 개량 전인 LR0, 그리고 실선은 개량 후인 LR1에 대한 등압력계수 분포도이다. 선수부에서의 압력분포를 비교해보면 LR1은 선측파형에서도 나타났듯이 선수부 파고가 줄면서 압력값 도 전반적으로 작아졌음을 확인 할 수 있다. 또한 선미부를 비교
해보면 2번 스테이션 근방에서 발생하던 최저 압력 영역의 넓이 가 감소되었음을 확인 할 수 있으며 이는 선미부의 급격한 압력변 화를 줄여줌으로 인해 형상저항의 개선을 기대할 수 있게 된다.
최종적으로 수정된 LR1 선형에 대해 수치해석으로 구한 저항 계수를 Table 4에 나타내었다. 본 연구에서는 각 단계별 선형변 환에 의한 저항성분을 비교하기 위해 선체에 작용하는 법선방향 압력성분에 의한 저항성분의 정성적인 경향의 변화를 고려하고 자 하였다. 이에 포텐셜 해석 결과의 조파저항계수()와 점성 유동해석 결과의 점성압력저항()를 잉여저항계수()로 간 주하였다. 잉여저항계수는 약 8.3% 감소하여 조파저항성능이 상 당히 개선되었으며, 형상저항과 밀접한 관계를 가지는 반류비는 약 5.5% 감소하였음을 확인할 수 있다.
4.3 선체길이의 단축(LR2)
2차 선형개선으로서 앞서 저항성능을 개선한 LR1 선형의 LBP 를 단축시켰다. LBP 219m인 LR1 선형의 중앙평행부를 2.5m 줄 여줌으로써 LBP가 216.5m인 LR2 선형을 도출하였다. LBP를 단 축한 LR2 선형에 대하여 수치해석을 수행하였으며, 수치해석 결 과와 선형의 주요제원을 모선과 비교하여 Table 5에 정리하였다.
LBP 단축으로 인해 배수량이 1.36% 감소하였으며, 설계속도에 해당하는 프루드수도 0.162로 증가하였다. 잉여저항계수의 경우 예상대로 포텐셜 유동해석결과에서는 4.59%, 점성유동해석결과 에서는 3.13% 증가하였다.
Fig. 10 Comparison of the pressure distributions (LR0:LR1)
Particulars LR0 LR1
LBP [m] 219.0 219.0
Volume [m
3] 72395.8 72295.4
C
B0.8405 0.8393
WSA[m
2] 10946.4 10945.9
LCB [%] 3.19 3.16
×
WAVIS 1.4 0.5798 0.5709 WAVIS 2.1 0.9681 0.8881 Nominal
Wake WAVIS 2.1 0.3640 0.3440
Table 4 The particulars and resistances(LR0:LR1)
Particulars LR1 LR2
LBP [m] 219.0 216.5
Volume [m
3] 72295.4 71338.3
C
B0.8393 0.8377
WSA[m
2] 10945.9 10797.2
LCB [%] 3.16 3.18
×
WAVIS 1.4 0.5709 0.5971 WAVIS 2.1 0.8881 0.9159 Nominal
Wake WAVIS 2.1 0.3440 0.3430 Table 5 The particulars and resistances(LR1:LR2)
4.4 프로펠러-선체 여유거리 확보(LR3)
3차 선형에서는 프로펠러에 의해 유기되는 변동압력의 선체전 달을 줄이기 위해 프로펠러 날개 끝부터 선체사이의 수직거리를 25%로 증가시켰으며, 선미 오버행 부근이 과도하게 상승되는 것 을 방지하기 위해 프로펠러 축을 0.1 m 낮추어 주었다. Fig. 11 에는 선형의 변화를 평면과 측면에서 비교하였다. 수선 (waterline)의 형상은 전체적으로 곡률이 증가하였음을 확인 할 수 있으며, 특히 WL 10에서는 수선의 길이가 짧아지면서 곡률이 크게 증가하였음을 볼 수 있다.
Table 6에 정리되어진 LR2와 LR3 선형의 잉여저항계수를 비 교해 보면 포텐셜 유동해석에서는 감소하는 반면에 점성유동해 석 프로그램에서는 증가하는 경향을 보이고 있다. 이는 본 계산 에 사용된 포텐셜 유동해석에서 물에 잠겨있는 트랜섬에 대한 모 델링을 정확하게 하지 못하는 것에 기인한 것으로 보이며 두 점 성유동해석 프로그램에서 같은 경향을 보이므로 잉여저항계수는 증가하는 것으로 판단하였다.
계산된 선측파형을 점성유동해석 결과와 비교하여 Fig. 12에 나타내었다. 마찬가지로 포텐셜 유동해석 결과에서는 트랜섬 유 동의 모델링 차이로 인해 서로 다른 결과를 보이고 있으며, 두 점성유동해석 프로그램은 비슷한 경향을 보이고 있다.
Fig. 11 Comparison of waterline and transom shape
Particulars LR2 LR3
LBP [m] 216.5 216.5
Volume [m
3] 71338.3 71197.5
C
B0.8377 0.8361
WSA[m
2] 10797.2 10751.4
LCB [%] 3.18 3.28
×
WAVIS 1.4 0.5971 0.5810 WAVIS 2.1 0.9159 0.9482
Fluent 0.6264 0.6337
Nominal
Wake WAVIS 2.1 0.3430 0.3190
Table 6 The particulars and resistances(LR2:LR3)
Fig. 12 Comparison of the wave profiles (LR2:LR3, by Wavis1.4, Wavis2.1 and Fluent12.1)
Fig. 13에는 LR2와 LR3의 선수 및 선미에서의 선체 표면의 압력분포를 WAVIS 점성유동해석 결과로부터 비교하였다. 선수 형성은 동일하기 때문에 두 선형 모두 유사한 압력분포가 나타나 고 있는 반면에 선미부의 끝단에서는 트랜섬 높이 변화로 인하여 상이한 압력분포를 보여주고 있다. LR3의 경우, 선미 트랜섬을 높여줌으로써 전체적인 선미부 수선의 곡률 증가로 인하여 해당 수선에서 유속의 변화가 급격하게 나타나게 되고, 이로 인해 선 미단의 국부적인 압력이 상대적으로 높게 나타나고 있다. 선미부 에서 발생하는 양압은 저항을 줄여주게 되는데 LR3의 선미부에 서는 수선의 곡률변화에 의해 국부적인 압력은 높아졌으나, 상대 적으로 양압의 분포 영역이 감소하면서 전체 저항이 증가하는 것 으로 판단된다.
Fig. 13 Comparison of the pressure distributions (LR2:LR3)
4.5 배수량의 확보(LR4)
4차 선형에서는 앞서 적용한 LBP 단축 및 프로펠러 날개 끝 여유 확장과 같은 선형변환 과정에 의해 감소된 배수량을 다시 확보하기 위하여 중앙평행부의 길이와 위치를 선수 쪽으로 확장 시키고 전반적인 횡단면적을 증가시켜 LCB의 위치가 3.5%까지 이동한 LR4를 설계하였다. Fig. 14에는 LR4의 선수부 형상을 LR3과 비교하여 나타내었으며, 설계흘수(12.2 m)에서의 수선의 변화가 가장 두드러지게 나타나고 있고 중앙평행부의 확장으로 인하여 수선의 변화율이 크게 증가하였음을 확인할 수 있다.
Fig. 14 Comparison of the forward waterlines (LR3:LR4)
LR4에 대한 수치해석을 수행하였으며, 그 결과를 주요제원과 함께 Table 7에 정리하였다. 수치해석 결과로부터 잉여저항계수 가 크게 증가하고 있는 것을 알 수 있다.
Particulars LR3 LR4
LBP [m] 216.5 216.5
Volume [m
3] 71197.5 71662.0
C
B0.8361 0.8415
WSA[m
2] 10751.4 10818.5
LCB [%] 3.28 3.54
×
WAVIS 1.4 0.5810 0.7295 WAVIS 2.1 0.9482 0.9974 Nominal Wake WAVIS 2.1 0.3190 0.3420 Table 7 The particulars and resistances(LR3:LR4)
대부분의 저속비대선의 경우 조파저항보다는 점성저항의 비중
이 크기 때문에 가능하면 LCB를 선수방향으로 이동시켜 선미 세 장비를 높여주는 것이 저항측면에서 유리하다고 알려져 있다. 그 러나 그 정도가 과도한 경우 조파저항의 급격한 증가로 인해 전 체적인 저항성능이 나빠질 수 있다는 연구결과도 발표된 바 있다 (Park, et al., 2011). LR4의 경우에도 3.5%까지 증가한 LCB의 위치 이동으로 인해 선수 비대도가 급격하게 증가하였고 이로 인 한 수선면의 입사각 증가와 선수 어깨부에서의 급격한 곡률변화 로 인해 큰 파계가 생성될 것으로 예측할 수 있다.
Fig. 15에는 두 선형의 선측파형을 비교하였다. 예측대로 LR3 선형에 비해 LR4 선형에서 보다 큰 파계가 형성되고 있음을 확 인할 수 있으며, Fig. 16에 나타낸 압력분포에서도 큰 파계로 인 한 큰 값의 압력분포가 넓게 나타나고 있음을 확인 할 수 있다.
Fig. 15 Comparison of the wave profiles(LR3:LR4)
Fig. 16 Comparison of the pressure distributions (LR3:LR4)
4.6 조파저항 개선(LR5)
최종 선형인 LR5에서는 LR4 선형의 과도한 선수 입사각 증가 로 인해 발생하는 조파저항을 감소시키고자 선수부 흘수의 입사 각과 세장비를 감소시키는 방향으로 저항성능을 개선시키고자 하였다. 수선면의 입사각을 줄여주기 위해 수선의 각 스테이션의 폭 방향 길이를 선체 중심선 방향으로 이동시켜줌으로써 전체적 인 프레임라인 형상이 설계흘수 부근이 홀쭉한 호리병 형상으로 변화되었으며 각 수선면의 기울기도 완만하게 바뀌었다.
Fig. 17에는 LR4 선형과 최종선형(LR5)을 비교하여 나타내었 으며, Fig. 18에는 두 선형의 선측파형을, Table 8에는 두 선형 간의 제원과 함께 저항성능을 비교하였다. 포텐셜 유동해석 결과 를 통해 조파저항성능이 상당히 개선되었음을 확인 할 수 있다.
Fig. 17 Comparison of the hull forms(LR4:LR5)
Fig. 18 Comparison of the wave profiles(LR4:LR5)
Particulars LR4 LR5
LBP [m] 216.5 216.5
Volume [m
3] 71662.0 71684.7
C
B0.8415 0.8418
WSA[m
2] 10818.5 10837.0
LCB [%] 3.54 3.55
×
WAVIS 1.4 0.7295 0.6226 WAVIS 2.1 0.9974 0.9705 Nominal Wake WAVIS 2.1 0.3420 0.3190 Table 8 The particulars and resistances(LR4:LR5)
4.7 모선과 최종선 저항성능 비교
Fig. 19 Comparison of the hull forms(LR0:LR5)
Fig. 19에는 최종선형(LR5)을 최초의 모선(LR0)과 비교하여 나타내었으며, Table 9에는 두 선형간의 제원과 함께 저항성능을 비교하였다. 최종선형의 주요제원은 선주의 요구조건을 전반적으
로 충족시키고 있으며 모선과 비교해 보았을 때 저항성능이 크게 나빠지지 않았음을 확인 할 수 있다. 반류분포를 비교한 Fig. 20 에서는 모선에 비해 최종선에서 hook shape이 보다 선명하게 나 타나고 있으며 저속구간의 증가로 인해 반류비가 감소되어 나타 나고 있음을 확인 할 수 있다.
Particulars LR0 LR5
LBP [m] 219.0 216.5
Volume [m
3] 72395.8 71684.7
C
B0.8405 0.8418
WSA[m
2] 10946.4 10837.0
LCB [%] 3.19 3.55
×
WAVIS 1.4 0.5798 0.6226 WAVIS 2.1 0.9681 0.9705 Nominal Wake WAVIS 2.1 0.3640 0.3190 Table 9 The particulars and resistances(LR0:LR5)
Fig. 20 Comparison of the wake distributions (LR0:LR5, by WAVIS 2.1)
5. 결 론
본 연구에서는 채택한 모선에 비해 저항성능에 불리한 제원과 설계조건을 가진 선형을 개발하기 위하여 목표 제원 및 요구 조 건들을 특성별로 구분하고 각 단계에서 저항성능을 평가하여 개 선 방안을 도출하는 선형개량 작업을 수행하였다. 비점성 조파해 석과 점성난류유동해석으로 계산된 선측파계와 선체표면 한계유 선을 분석하여 개선이 필요한 부분을 도출하였다.
DWT 75,000 정유운반선의 설계를 위하여 채택한 모선을 기 준으로 선체길이의 단축, 프로펠러 여유 공간의 확대, LCB의 변 경과 배수량 증대를 통한 화물공간의 확대 등이 이루어졌다. 이 러한 순차적 설계기법의 적용으로 인해 최종 선형은 그 제원과
제한요소가 저항성능에 불리한 조건들임에도 불구하고 최초 모 선의 저항성능에 비해 큰 성능 손실 없게 설계될 수 있었다.
후 기
본 논문은 2015년도 대불산학융합지구조성사업의 지원으로 수행된 연구(채용연계형 산학융합 R&D 과제)의 결과입니다.
References
Bak, S. Jeong, Y. Park, Y.S. & Yoo, J., 2015. A study on the application of WAVIS for evaluation of hull form. Proceedings of the Annual Autumn Conference, SNAK, Geoje, Korea, 4-6 November 2015.
Cho, S.H., 2011. The Optimization method of hull form performance by limiting streamline tracing technique. Master’s Thesis. Mokpo National University, Korea.
Choi, J.K., 2014. A study on the estimation of self propulsion performance of a ship using numerical analysis. Ph.D Thesis. Chungnam National University, Korea.
Kim, H.J., Chun, H.H. & Choi, H.J., 2007.
Development of CFD Based Stern Form Optimization Method. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 44(6), pp.564-571.
Park, H.S. Kim, T.G. Oh, S.H. Kim, B.N. Kim, W.J.
Yoo, J.H. & Cho, S.H., 2011. Study on the Resistance Improvement for and Extremely Full Ship Under CSR. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 48(2), pp.99-106.
Sherbaz, S. & Duan, W., 2012. Operational Options for Green Ship. Journal of Marine Science and Application, 11(3), pp.335-340.
Yoo, J. & Kim, H., 1996. A Study on the Design of Ship’s Bow Form using Surface Panel Method.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 33(3), pp.35-47.
박 연 석 박 세 라 정 요 한 최 정 규
유 재 훈
