수치시뮬레이션기법을 이용한 거위목 벌브의 저항성능에 관한 연구
유진원1․ 이영길2,†․ 정광열1
인하대학교 대학원 조선해양공학과1
인하대학교 기계공학부 선박해양공학전공2
A Study on the Resistance Performance of the Goose Neck Bulbous Bow by Numerical Simulation Method
Jin-Won Yu1․ Young-Gill Lee2,†․ Kwang-Leol Jeong1
Dept. of Naval Architecture and Ocean Engineering, Graduate School, Inha University1 Dept. of Naval Architecture and Ocean Engineering, Inha University2
Abstract
Bulbous bow is one of the important design factors on the design of fore-body hull form. Using the interference technique of ship waves, the bulbous bow can decrease the wave resistance of ship. Recently, the goose neck bulb is applied mainly for high speed vessels like passenger ships and ferries etc.. Also, the goose neck bulb is applied for relatively high speed merchant vessels like container ships and LNG carriers. However, existing research papers about the goose neck bulb are not enough as reference data for the design of bow hull form. In this study, numerical calculations are carried out to investigate the bow wave characteristics of a high speed ferry with a normal high nose bulb or a goose neck bulb. By comparing the pressure distributions on the hull surface and the wave systems near the bow, the features of wave resistance reduction are discussed. Also, Numerical calculations were carried out for a series of goose neck bulbs to figure out the optimum bulb size.
The maximum reduction rate of pressure resistance for the fore-body is achievable up to 8% by adopting the goose neck bulb in the present calculation.
Keywords : Bow hull form(선수선형), Goose neck bulb(거위목 벌브), Numerical simulation(수치시뮬레이션), Resistance performance(저항성능)
1. 서 론
계속되는 유류비 상승으로 인하여, 선종에 관계없이 경제적인 선형을 확보하려는 선주들의 요구에 적극 대처하기 위해, 국내 대 형 조선소들은 새로운 개념의 선수형상 개발에 주력하고 있다 (Park, et al., 2005). 국제 물류 수송에 중요한 역할을 수행하고 있는 컨테이너 운반선이나 자동차 운반선, 여객 페리 등은 비교적 운항 속도가 높은 특성을 가지고 있고, 최근 고부가가치 선박으로 주목 받고 있는 액화가스 운반선(LNG선박 또는 LPG선박)은 그 보다 약간 낮은 운항속도를 갖는다. 이들 보다도 더 속도가 낮은 선박에서는 파도의 생성이 매우 적기 때문에 선형설계에 있어서 흔히 마찰저항이 최소가 되는 형상을 가지도록 설계된다. 반면, 속도가 높으면 선수부에서 발생되는 조파 저항이 급격히 상승함 으로 인하여 전저항에 조파저항의 영향이 크게 작용한다. 따라서
선박의 선수형상 설계는 그 설계속도에 따라 서로 다른 개념으로 접근해야 하며, 특히 고속에서는 그 중요성이 더 높아지게 된다 (Research group of The ship fluid dynamics, 2009).
선수형상의 중요한 설계개념 중 하나인 선수 벌브를 살펴보면, 선수 벌브의 부착으로 파도상쇄에 의한 조파저항의 감소를 얻을 수 있음이 오래전부터 잘 알려져 있다. 최근 여객선, 여객 페리 등 과 같은 고속선박에서는 주로 거위목 벌브(goose neck bulb)가 적용되고 있으며, 비교적 고속 화물선인 컨테이너 운반선과 액화 가스 운반선에서도 거위목 벌브가 일부 적용되어 건조되고 있다.
거위목 벌브는 높은 벌브(High nose bulb)의 개념을 바탕으로, 계획흘수에서 그 효과가 최대화 될 수 있도록 수선면 부위로 최 대한 올리고, 바로 후방에서는 벌브의 폭이나 높이가 조금 작아지 게 함으로써 유동 형태가 좋으면서도 조파저항을 보다 더 크게 줄일 수 있도록 설계된 벌브 형상이다. 실제 운항 중 벌브는 물속 에 잠기게 되므로 대부분 벌브의 앞부분이 계획흘수보다 높이 치
켜든 모습으로 설계되며, 파도상쇄를 극대화함으로써 저항을 크 게 줄여보고자 하는 의도가 강하다(Research group of The ship fluid dynamics 2009).
유럽 등에서 주로 고속 여객선을 대상으로 거위목 벌브에 대한 연구가 이루어지고 있지만, 공개된 연구내용 및 결과가 매우 제한 적이다. 유럽에서는 고속 여객선 및 요트를 대상으로 거위목 벌브 관련 연구(Valdenazzi, et al., 2003; Heimann & Harries, 2003;
Heimann, 2005; James, 2006)와 거위목 벌브가 적용된 컨테이 너 선박의 선저 형상을 변화시켜 조파저항을 감소시킨 연구 (Harries. et al., 2006)가 진행되었다. 미국에서는 미 해군의 지원 을 받아 고속선박을 대상으로, 거위목 벌브를 포함한 몇 가지 벌 브 형상의 변화에 따른 저항감소에 관해 실험을 통하여 파악한 연구가 진행되었다(Cusanelli, 2007). 국내에서는 LPG 선박을 대 상으로 거위목 벌브에 대한 연구(Park, et al., 2005)가 수행된 바 있다.
이들 발표된 연구 결과들은 수치시뮬레이션 또는 모형시험을 수행하여, 잉여저항이나 조파저항 관점에서, 저항 감소 효과만 언 급되어 있다. 따라서 저항 감소 원인에 대한 체계적인 분석 및 원 인 규명은 구체적으로 언급되어 있지 않다. 또한 이들 연구들에 서, 수치시뮬레이션으로는 SHIPFLOW 등과 같은 상용프로그램들 을 사용하였다. 사용된 프로그램들의 특성상, 벌브의 효과 중 하 나인 쇄파현상에 대한 고려는 포함되어 있지 않다.
본 연구에서는 자료가 공개된 선형을 대상으로 하여, 거위목 벌브가 적용된 선형의 선수파 특성을 파악하고자 한다. 밀도함수 법(Marker-density method)을 이용하여 작성된 전산프로그램으 로 선체 주위 3차원 쇄파현상의 수치시뮬레이션(Lee, 2008; Lee, et al., 2008)을 수행하고, 선수파 특성을 분석하여, 거위목 벌브 에 의한 저항 감소 원인을 파악한다. 또한 거위목 벌브의 선형요 소를 변화시켜, 각 선형요소들에 의한 저항성능 변화를 고찰한다.
또한, 본 연구의 결과들에 대한 비교 및 분석을 통하여, 추후 거위 목 벌브를 포함한 최적 선수선형설계에 참고 될 수 있는 기초적 연구 자료가 되었으면 한다.
2. 연구 대상 선형 및 수치시뮬레이션 기법
2.1 연구 대상 선형
연구대상선형은 기존의 연구논문을 통하여 선형에 대한 자료 가 공개되어 있는 고속 페리를 선정하였다.
초기선형(Initial hull)은 European R&D project FANTASTIC (Maisonneuve, et al., 2003)에 의하여 고안되었다. 거위목 벌 브가 적용된 선형인 GB01선형(Goose neck Bulb hull 01)은 Heimann(2005)가 초기선형을 대상으로 FRIENDSHIP 프로그램 을 이용하여 벌브만을 거위목 형상으로 설계한 것이다. 주 선체의 선형 변화가 많지 않고 벌브의 형상만 변화하였기 때문에, 초기선 형과 GB01을 비교함으로써 거위목 벌브만의 특성을 파악하는 데
대상 선형의 형상은 Fig. 1과 같으며, 이들 선형의 주요요목을 Table 1에 나타내었다. 여기서 LB는 벌브의 최대길이, BB는 벌브 의 최대 폭을 나타낸다.
Fig. 1 Ship lines of the initial and the designed hulls with goose neck bulb
Table 1 Table 1 Principal parameters of the hull forms
Initial hull Goose neck bulb hull 01
LBP (m) 122.74 122.74
LB (m) 4.235 5.280
B (m) 19.4 19.4
BB (m) 3.096 4.178
T (m) 5.032 5.046
▽ (m3) 6570.5 6613.6
WSA (m2) 2466.34 2483.81
CB 0.540 0.523
CP 0.606 0.588
CM 0.890 0.890
Speed 21 Knots (Fn=0.311)
2.2 수치시뮬레이션
유체는 3차원의 비압축성 점성 유체로 가정하여 Navier-Stokes 방정식(식 (1))과 연속방정식(식 (2))을 지배방정식으로 사용하였고, 격자계는 직사각형 교차격자계를 사용하였다.
(1)
(2)
위식의 u, v, w는 각각 x, y, z 방향의 속도를 나타내며, g, ρ, p 는 중력가속도와 밀도, 압력을 나타낸다. 또한, ν는 동점성계수를 나타낸다.
대류항을 제외한 지배방정식은 시간에 대하여는 전진차분법을, 공간에 대하여는 중심차분법을 이용하여 이산화 하였다. 대류항 에는 삼차 상류차분법을 이용하였으며, 물체와 자유수면을 포함 하는 격자에서는 일차 상류차분법을 이용하여 이산화 하였다. 또 한 대류항의 차분근사에 있어서는 Adams -Bashforth 차분근사 법을 함께 이용하였다. 압력의 Poisson방정식은 SOR(Successive Over Relaxation)법을 이용하여 계산하였다.
물체경계조건과 자유수면의 경계조건은 Jeong, et al. (2010) 과 같은 방법을 적용하였다. 직사각형 격자계에서는 물체면과 격 자선이 일치하지 않으므로 물체경계격자의 특별한 처리가 필요하 다. 본 연구에서는 물체면과 격자선이 만나는 선분으로 3차원 물 체를 정의 하였다.
물체경계조건으로는 점착(No-slip)조건과 ‘0’발산조건을 만족시 켰다. 물체경계격자는 격자가 잘려있어 유체격자와 같은 방법으 로 속도와 압력을 계산할 수 없으므로 속도-압력 동시반복기법을 이용하여 속도와 압력을 계산하였다. 물체주위의 속도분포는 2차 방정식의 형태를 따른다고 가정하였으며, 2차방정식 형태의 속도 분포 계산 시 점착조건을 만족시키기 위하여 물체표면에서의 속 도를 ‘0’으로 정의 하였다(Fig. 4). 물체표면에서의 압력은 Lee (2009)의 2차원방법을 3차원으로 확장한 식(3)과 같다.
∆∆
∆
∆
(3)
위 식의 아래첨자는 격자번호를 의미하고 위첨자는 반복횟수 를 의미하며, ω는 완화계수이다. 는 물체경계격자의 발산을 의미하며 ‘0’이 될 때까지 반복 계산하여 ‘0’발산 조건을 만족시켰 다. 잘려진 면의 유량은 속도를 추정한 2차방정식을 공간으로 적 분하여 계산하였다.
자유수면의 위치는 밀도함수의 수송방정식(식(4))을 계산하여 정의하였다. 밀도함수(Mρ)의 초기 값은 물과 공기의 밀도 Mwater
와 Mair이며, 자유수면의 위치는 물과 공기밀도의 산술평균값(Mc) 을 갖는 위치로 정의하였다. VOF (Volume Of Fluid)의 경우 수송 방정식에서 얻은 공기와 물의 비율을 자유수면격자의 속도와 점 성계수를 계산하는데 활용하지만(Hirt & Nichols, 1981), 밀도함수 법은 자유수면의 정의에만 사용되며, 유동장 계산 시에는 액체와 기체의 실제밀도와 점성계수를 사용한다.
(4)
자유수면의 표면장력과 점성응력은 그 크기가 작아 무시하였 다. 자유수면에서의 동역학적 경계조건은 식(5)와 같으며, 운동학 적 경계조건은 식(6)과 같다. 식(5)는 자유수면에서 기체의 압력과 액체의 압력이 같다는 것을 의미하며, 식(6)은 자유수면에서 유체 입자의 속도가 자유수면의 속도와 같다는 것을 의미한다.
on free-surface (5)
on free-surface (6)
위식의 h는 수면변위를 나타낸다.
계산결과의 비교를 위해 초기 선형과 GB01선형 모두 같은 조 건에서 약 1,600,000개의 격자를 사용하여 계산하였으며, 그 외 계산조건은 Table 2와 같다. Park, et al.(1995)과 Lee, et al.
(2008)의 연구와 같이, 선수파의 특성을 파악하고자 선미 후류는 계산영역에서 제외하였다.
Table 2 Computational conditions for the numerical si- mulations
Model
Condition Initial and goose neck bulb hulls
Number of Cell
X 280
Y 90
Z 65
Total 1,638,000
DT 0.005(sec)
Acceleration time 15(sec)
Ship speed 10.486m/s (Fn=0.311)
Fig. 2에서 나타내고 있는 격자계 모습과 같이, 선체주위 격자 의 크기를 작게 하고, 벌브 근처의 X 방향 격자수와 자유수면 근 처와 선체의 곡률이 큰 위치에 Z 방향 격자의 수를 집중시켜 계 산의 정도를 높였다. 정수면 상태에서, 초기선형과 비교하여 GB01선형의 벌브가 자유수 면을 관통하고 있는 모습을 Fig. 3에 서와 같이 확인할 수 있다.
Fig. 2 Total mesh system on marker-density method
(a) Initial (b) GB01
Fig. 3 Perspective views of the fore-body hull form with bulbous bow on the design load condition
3. 선수파 특성 분석
계산결과를 비교하기 위하여 초기선형과 GB01선형의 파형분 포(wave height contour), 선체표면 압력분포(pressure contour), 압력저항 등을 비교하였다. Fig. 4는 초기선형과 GB01선형의 파 형 변화를 비교하여 보여주고 있다. 초기선형과 비교하여, GB01 선형의 경우 주선체의 선수 바로 앞에서 파고가 높은 파도가 발 생하지만, 전체적으로 발산파(divergent wave)가 줄어든 것을 볼 수 있다.
Fig. 4 Wave height contours around the initial and the designed hulls with goose neck bulb
Fig. 5에서 선체표면에서의 선측파형을 비교하였다. GB01선형 의 경우, 거위목 벌브의 영향으로 파도가 초기선형보다 선체 앞에 서 높게 발생하는 것을 볼 수 있다. 주선체와 거위목 벌브에 의하 여 만들어지는 파의 상호작용으로, 초기선형에 비해 선측파형이 크게 달라진 것을 알 수 있다. 초기선형 또한 벌브의 영향으로 주 선체와 벌브에 의한 파도의 상호작용이 일어나지만, GB01선형에 비하여 파도의 상쇄효과가 그다지 크지 않다. F.P.로부터 40m 이 후에서는 두 선형에 의한 선측파형의 차이가 크지 않다. 그 이후 부터는 벌브에 의한 파도의 상쇄효과가 거의 없을 것으로 판단된 다.
이다. 벌브에서의 압력분포를 보면, 벌브 앞부분의 양압력이 GB01 선형에서 넓게 분포하는 것을 확인 할 수 있다. 하지만, GB01선 형의 경우 벌브 측면의 음압력 또한 넓게 분포하고 있는데, 특히 벌브 하부에서 넓은 범위에 걸쳐 압력이 초기선형에 비하여 낮게 나타나고 있다.
Fig. 5 Wave profiles along the hull surface of the initial and the designed hulls with goose neck bulb
Fig. 6 Pressure variation due to dynamic effect contours of the initial and the designed hulls with goose neck bulb (front view)
Fig. 7 Pressure variation due to dynamic effect contours of the initial and the designed hulls with goose neck bulb (side view)
Fig. 8은 벌브와 선수주위를 따라 흐르는 유동리본(Stream ribbon)들을 보여주고 있다. 리본들의 색 또는 명암은 유속의 크기 를 나타낸다. 유속의 변화를 보면, 벌브 위쪽은 초기선형에서 변 화가 가장 크다. 벌브의 측면과 하부에서는 GB01선형에서 더 속도 의 변화가 크게 나타나고 있다. 이는 당연히 벌브의 형상이 다름 에 기인하는 것으로, 벌브의 저항성능에 미치는 효과의 다름에 기 여하게 될 것이다. 특히 GB01선형의 경우 벌브를 지나는 유선들 이 선저 방향으로 급격히 향하고 있으며, 벌브의 상부와 측면을 지 나 선저 방향으로 향하는 유선들이 초기 선형에 비해 많이 모아 지고 있다. 벌브를 지나는 유선들이 선저 방향으로 급격히 향하면
Fig. 9에서 선체에 작용하는 압력저항의 크기를 비교하였다.
거위목 벌브가 적용된 선형은 주선체와 벌브에 의하여 생성된 파 도의 상호작용으로 초기선형보다 압력저항이 약 8%나 감소하였 다. Heimann(2005)의 연구와 비교하여 보면, 동일 선형에 대한 수치시뮬레이션을 수행하였지만, 본 연구에서의 압력저항이 수치 적 파형해석에 의한 조파저항(Wave resistance)에 비하여 약간 높게 산출되었다. 이와 같은 차이는, Heimann(2005)의 포텐셜 계산에서 나타나지 않는 점성에 의한 압력 변화의 효과에 기인한 것으로 판단된다. Heimann(2005)의 결과에서는, GB01선형이 초 기선형에 비하여 조파저항이 약 7.4%감소한 것으로 나타나 있다.
비록 감소율에 차이는 있지만, Heimann(2005)의 연구와 매우 근 접한 결과를 나타낸다.
Fig. 8 Stream ribbons with velocity contour near the bulbous bows of the initial and the designed hulls with goose neck bulb
Fig. 9 Comparison of the pressure resistance between the initial and the designed hulls with goose neck bulb
4. 거위목 벌브의 형상에 따른 저항성능 해석
4.1 거위목 벌브의 선형 요소 변화
저항성분에 영향을 미치는 거위목 벌브의 선형요소를 파악하
고자 하는 연구의 일환으로, 본 연구에서 GB01선형의 벌브 최대 폭을 변화시켜 GB02선형(Goose neck Bulb hull 02)들을 설계 하였다. 설계된 선형들을 GB01선형과 Fig. 10에서 비교하여 보여 주고 있으며, 괄호 안의 B는 폭을 의미하고, 연구 진행상의 설계 순서에 따라 번호를 순차적으로 부여하였다. GB02(B01)은 GB01 선형의 벌브 최대 폭을 0.74배 변화시켜 초기선형의 벌브 최대 폭과 같게 하였으며, GB02(B02)는 GB01선형의 벌브 최대 폭을 0.5배, GB02(B03)은1.25배 변화하였다.
거위목 벌브 선형들의 형상은 Fig. 10과 함께, 정수면 상태에서 각각의 선형들의 거위목 벌브가 수면 위로 관통되어 있는 모습을 Fig. 11에서 확인할 수 있다. 이들 선형의 주요요목을 Table 3에 나타내었다. Table 3에서 ABT은 벌브의 횡단면적을, ABL은 벌브의 종단면적을, ∇PR은 벌브의 체적을 각각 나타낸다.
Fig. 10 Comparison of the ship lines for the designed hulls with goose neck bulb
(a) GB01 (b) GB02(B01)
(c) GB02(B02) (d) GB02(B03)
Fig. 11 Perspective views of the designed hulls with goose neck bulb on the design load condition
Table 3 Principal parameters of the designed hulls with goose neck bulb
GB01 GB02
(B01)
GB02 (B02)
GB02 (B03)
LB(m) 5.28
BB(m) 4.18 3.08 2.09 5.23
T(m) 5.046
∇PR(m3) 60.43 44.72 29.24 75.54
ABT(m2) 10.88 8.05 5.98 13.60
ABL(m2) 15.98
AWPB(m2) 8.45 6.25 4.65 10.56
4.2 저항성능 분석
Fig. 12는 거위목 벌브 선형들의 파형 변화를 비교하여 보여주 고 있다. GB02(B02), GB02 (B01), GB01, GB02(B03)선형 순으 로 벌브의 최대 폭이 증가함에 따라 발산파가 감소하는 것을 볼 수 있으며, 이로 인하여 선형파에 의한 조파저항 성분의 감소가
Fig. 12 Wave contours of the designed hulls with goose
예상되어진다. 이와 반대로 벌브의 최대 폭이 증가함에 따라 선체 길이 방향으로 0~60m 사이의 선체부근에서 주선체 및 벌브에 의해 만들어지는 파도의 상호간섭으로 파도의 국소적 기울기 변 화가 심해지며, 이에 따른 쇄파 현상과 비선형적 조파저항 성분이 증가할 것으로 예상되어진다. 특히GB01, GB02(B03)선형의 선체 주위에 쇄파 현상이 더욱 심하게 나타날 것으로 예상된다.
Fig. 13에서는 선체표면에서의 선측 파형을 비교하였다. GB01 선형과 비교하여, GB02(B01)선형의 경우, 선수 앞부분에서 벌브 에 의해 생성되는 파고의 높이가 비슷하고, 주선체와 거위목 벌브 에 의하여 만들어지는 파도의 상호작용에 따른 선측 파형의 변화 도 크지 않다. GB02(B02)선형은 벌브에 의해 생성되는 파고의 높이가 가장 작으며, 또한 주선체와 벌브의 상호작용도 가장 적게 일어나는 것을 확인할 수 있다. GB02(B03)선형의 경우 벌브에 의해 가장 높은 파고의 파도가 생성되고, 급격한 파형의 변화에 따른 쇄파 현상의 발생가능성이 높을 것으로 예상되어진다.
Fig. 14와 15에서 선체표면의 동압력분포를 보면, 벌브 앞부분 의 양압력이 GB01과 GB02(B03) 선형에서 가장 넓게 분포하며, 벌브 측면의 음압력 또한 가장 넓게 분포하고 있다. 특히 벌브 하 부에서 압력이 다른 선형에 비하여 낮게 나타나고 있다. GB02 (B01)선형의 경우, GB01과 GB02 (B03)선형과 비교하여, 벌브에 서의 압력분포는상대적으로 크게 차이가 나지 않지만, 주선체에 작용하는 압력이 약간은 줄어들었는데, 이는 GB01과 GB02(B03) 선형에 비해 선측 파형 변화가 심하지 않은 데에 기인한 것으로 판단되어진다. GB02(B02) 선형은 벌브의 폭과 그에 따른 벌브의
Fig. 13 Wave profiles along the hull surface of the de- signed hulls with goose neck bulb
Fig. 14 Pressure variation due to dynamic effect con- tours of the designed hulls with goose neck
Fig. 15 Pressure variation due to dynamic effect con- tours of the designed hulls with goose neck bulb (side view)
체적이 적어, 벌브에서의 동압력분포 변화가 다른 선형들에 비해 매우 작음을 알 수 있다.
Fig. 16은 초기선형과 설계 선형들에 대한 선수부 파형의 3차 원 조감도를 보여주고 있다. 벌브의 형상 및 벌브 파라메타 변화 에 따른 선수파의 변화를 나타내고 있으며, 이에 따라 각 선형들 의 저항성능이 변화될 것으로 생각된다.
주 선체와 벌브의 최대 폭 비(CBB)에 따른 압력저항계수(CP) 를 Fig. 17에 나타내었다. 벌브의 최대 폭이 점차 감소함에 따라 압력저항이 감소하지만, 어느 일정 폭 이하에서는 압력저항이 다 시 증가하는 것으로 나타났다. 각 선형 별로 변화되는 저항 성분 을 분석해 보면, 벌브 폭의 증가에 따라 형상저항은 증가할 것으 로 예상되지만, 발산파 감소에 의하여 선형적 조파저항 성분은 감 소하고, 쇄파 현상에 의한 비선형적 조파저항 성분은 증가하는 것 으로 판단되어 진다. GB02(B02) 선형의 경우 벌브가 가장 작아 형상저항과 쇄파현상은 감소하지만, 발산파가 벌브 폭이 넓은 선 형보다 많이 증가하여 벌브 폭이 큰 GB02(B01) 선형보다 압력저 항이 조금 증가하였다. GB02(B03) 선형은 발산파가 다른 선형들 에 비해 가장 많이 감소하였지만, 벌브 폭에 따른 형상저항과 쇄 파 현상의 증가로 압력저항이 가장 높게 나타나고 있다.
초기선형, GB01 선형, 그리고 GB02(B01) 선형을 비교해 보면, Heimann (2005)의 연구에서 초기선형보다 저항이 감소되도록 설계된 GB01 선형보다 GB02(B01)의 저항성능이 좀 더 우수한 것으로 나타나고 있다. Heimann (2005)의 연구에서는 포텐셜 계 산에 의한 파형해석을 수행하여, 발산파에 의한 선형적 조파저항 성분의 감소를 목적으로 GB01선형을 설계하였다. 포텐셜 계산에 서 나타나지 않는 점성에 의한 압력 변화 및 쇄파현상에 의한 비 선형파를 고려한 결과, GB02(B01) 선형은 GB01 선형에 비하여 발산파는 조금 증가하였지만, 형상저항과 쇄파 현상의 감소로 좀 더 우수한 저항성능을 나타나내고 있다.
GB02(B01) 선형은 초기선형과 벌브 폭이 같은 선형으로, 벌브 길이 등의 파라메타는 변화하였지만, 거위목 벌브 적용에 따른 저
(a) Initial (b) GB01
(c) GB02(B01) (d) GB02(B02)
(e) GB02(B03)
Fig. 16 Perspective views of bow wave patterns about the initial and the designed hulls with goose neck bulb
Fig. 17 CP variation with the breadth parameter of goose neck bulb
항감소 효과가 가장 많이 나타나고 있다. 이는 기존 벌브의 파라 메타 변화를 최소화 하고, 벌브의 형상을 거위목 벌브 형태를 취 함으로써 기존의 포텐셜 중심의 설계법에 의한 벌브보다 더 적은 벌브로 충분히 저항 감소를 얻을 수 있을 것으로 예측되어진다.
즉, 포텐셜 계산 만에 의존된 거위목 벌브의 설계는 그 크기가 좀 과다해 질 가능성이 있다고 할 수 있다.
추후 벌브의 길이, 단면적 등의 파라메타 변화에 대한 연구를
수행하면, 좀 더 저항성능이 우수한 거위목 벌브가 포함된 선수선 형설계가 가능할 것으로 판단되어진다.
8. 결 론
거위목 벌브에 의한 선수파 특성과 저항감소 원인을 파악하고 자 거위목 벌브가 적용된 선박을 대상으로 수치시뮬레이션을 수 행하였으며, 그 결과를 요약하면 아래와 같다.
1) 거위목 벌브가 적용된 선형은 주선체 앞에 정수선면 위로 튀어나온 형태로 주선체 앞에 존재하는 구형의 구조물에 의하여 다른 형태의 벌브 보다 선체 앞에서 파도가 높게 발생한다. 하지 만, 주선체와 거위목 벌브에 의하여 만들어지는 파도의 간섭효과 로, 기존선형에 비해 선측 파형이 크게 달라짐을 알 수 있다. 거위 목 벌브를 지나는 유선들이 선저 방향으로 급격히 향하면서, 선수 파의 파고가 낮아지는 것을 계산으로도 확인하였다.
이러한 차이들의 결과로 거위목 벌브가 적용된 선형의 경우 본 연구에서는 압력저항이 기존선형에 비해 약 8% 정도 감소하였다.
2) 저항성분에 영향을 미치는 거위목 벌브의 선형요소를 파악 하고자 하는 연구의 일환으로, 거위목 벌브의 최대 폭을 변화 시 켜 선형설계를 수행한 결과, 벌브의 폭이 증가할수록 발산파는 감 소하지만 비선형파는 증가하였고, 벌브의 폭이 감소하면 그 반대 의 경향을 보임을 확인하였다. 선형파와 선체주위의 비선형파을 모두 고려한 기존의 거위목 벌브보다 좀 더 적은 크기로도 보다 나은 저항성능을 기대할 수 있을 것이다.
추후 벌브의 길이, 단면적 등의 여러 선형요소들을 변화시켜, 저항성분에 영향을 미치는 거위목 벌브의 선형요소들이 체계적으 로 연구되면, 보다 더 저항성능이 우수한 거위목 벌브를 포함하는 선수선형의 설계가 가능할 것이다.
후 기
이 논문은 인하대학교의 지원에 의하여 연구되었음.
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유 진 원 이 영 길 정 광 열
