A Study on the Bow Hull Form Design of Full Ship Considering the Nonlinear Waves

비선형파를 고려한 비대선의 선수선형설계에 관한 연구

유진원¹․ 이영길^2,†․ 최시영¹․ 최영찬¹․ 정광열¹․ 하윤진¹

인하대학교 대학원 조선해양공학과¹

인하대학교 기계공학부 선박해양공학전공²

A Study on the Bow Hull Form Design of Full Ship Considering the Nonlinear Waves

Jin-Won Yu

․ Young-Gill Lee

․ Si-Young Choi

․ Young-Chan Choi

․ Kwang-Leol Jeong

․ Yoon-Jin Ha

Dept. of Naval Architecture and Ocean Engineering, Graduate School, Inha University

Dept. of Naval Architecture and Ocean Engineering, Inha University

Abstract

This paper introduces a new hull form design method for the bow of a full ship, by actively applying the relation between the fore-body hull form and its wave resistance characteristics. For the hull form design, the Series 60(CB=0.8) hull is chosen as the parent ship, and Kracht's charts are used to determine the parameters of the bulbous bow in the early stages of hull form design. Several hull forms have been tested in order to obtain enough hull form variations with various bow shapes and design parameters in the search of the best design. In order to investigate the resistance characteristics of the designed hull forms, numerical simulations with corresponding model tests have been rigorously performed. For the numerical simulations, the Marker-density method is employed to track the nonlinear phenomena of the free surface(program IUBW). Model tests have also been performed to achieve an improved research performance using the designed hulls. Both numerical and experimental results show that the wave resistance of the hull forms can be effectively diminished if the bows are designed using the method introduced in this research. It is also expected that this research can facilitate better productivity in hull form design, especially at the preliminary design stage of a full ship type vessel.

Keywords : Bow hull form(선수선형), Nonlinear wave(비선형파), Numerical simulation(수치시뮬레이션), Marker-density method (밀도함수법), Model test(모형시험)

1. 서 론

저속 비대선체에 미치는 저항들 중에서 조파저항은 아주 많은 부분을 차지하고 있지 않으나, 선박의 항주 시 비선형파계를 동반 하기 때문에 선박유체역학에서 매우 중요한 부분이다.

선박이 일으키는 파도를 보면, 가로파와 발산파로 이루어진 Kelvin 파계가 나타나게 된다. 이러한 파계는 자유수면의 곡률이 완만하다. 그러나 벌부와 선수주위에 발생하는 파도는 국부적으 로, 곡률이 크게 나타나거나, 선체를 따라 타고 흐르는 등의 특징 을 갖는다. Akihito and Jun(2007)은 큰 곡률을 갖는 부분에서 쇄파의 발생확률이 높다고 가정하여, 선체 주위 쇄파의 발생 가능 성을 곡률의 분포로 표현하기도 하였다.

선체주의의 파도를 수치적으로 시뮬레이션하기 위해서는 비선

형 방정식의 형태로 표현되는 자유수면의 운동학적 경계조건을 계산하여야 합니다. 이러한 비선형 방정식의 해는 선형화, 또는 이산화를 통하여 근사적으로 값을 없을 수 있다. 고차 항을 무시 하는 선형 자유수면 경계조건을 적용하는 선형화 방법으로 계산 되는 파도를 선형파라 하며, Kelvin 파계에서 나타나는 가로파와 발산파가 대표적이라고 할 수 있다. 이러한 방법으로 얻어진 결과 에는 곡률이 큰 파도는 타나나지 않으며, 선체를 따라 흐르는 spray 등도 표현되지 않는다. 비선형 자유수면 경계조건을 적용 한 경우, 선형파 뿐만 아니라 곡률이 심한 파도에 대한 시뮬레이 션이 가능하다.

비선형파는, 선박의 항주 시 선수주위에 복잡한 형태의 파로 나타나는데, 오버터닝 및 쇄파와 같은 현상으로 발생하기도 한다.

이런 현상은 유입류가 선수형상에 의해 선측으로 쉽게 빠져나가 지 못하는 경우 선수에 의해 만들어진 파가 선박의 진행방향 앞

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에 놓이게 되어 선체-파간 간섭효과 같은 현상이 생기며 비선형 파를 생성한다. 비선형파의 발생을 억제하거나, 파고를 낮추게 되 면 결과적으로 전체적인 조파저항 감소로 이어질 수 있다. 비선형 파계를 고려한 선형설계는 주요한 연구대상이 되어 왔지만, 이론 적 해석의 어려움으로 인해 주로 수치적인 접근을 통해 연구되어 지고 있다. 또한 수치적인 접근에 있어, 선형파만을 고려한 선박 의 최적화에 한계가 있을 수 있으므로, 비선형파까지 고려한 선형 설계가 필요하다.

Matsui, et al.(1983)은 단순한 선수모형에 대한 비선형 조파현 상을 관찰한 바가 있다. 이러한 비선형파의 연구결과를 선형설계 에 응용한 예로 Nito, et al.(1981)의 선체주위 비선형파를 고려한 선수 선형에 관한 연구가 있으며, 이는 비선형파를 선형설계에 고 려함으로써 조파저항을 최소화 하려고 하였다.

비선형파계를 포함한 조파저항의 특성을 파악하기 위하여, 포 텐셜 유동의 해석방법 중에서 선체 주위의 유동해석에 사용되는 패널법(Panel method)으로 비선형 자유수면 경계조건을 만족하 는 수치해석기법들이 많이 연구되어 왔으며(그 중에 한 예로 Ni, 1987), 밀도함수법(Marker-Density method)(Park & Miyata, 1994) 을 이용한 비선형파계의 수치해석기법 등도 개발되어 왔다.

본 연구에서는 항주 시 비선형파가 많이 발생되는 저속비대선 형인 Series 60(CB=0.8) 선형을 초기 선형으로, 선수 주위 비선 형파계를 감소시켜 저항성능이 개선될 수 있도록 선형설계를 1차 와 2차로 나누어 수행하였다. 1차 설계는 기존의 시리즈 모형시험 자료를 이용하여 벌브 파라메타를 산출하고, 벌브의 단면 형상에 따라 3가지 형태의 선형설계를 수행하였다. 2차 설계는 1차 설계 선형들의 변형을 통하여, 4가지 형태의 선형을 설계하였다. 설계 된 선수 선형들의 수치시뮬레이션과 모형시험을 수행하여 비선형 파의 감소를 통한 저항성능 개선 효과를 검증하였다. 수치시뮬레 이션은 밀도함수법(program name : IUBW)을 이용하여 수행되 었으며, 모형시험에서는 저항시험, 고속카메라를 이용한 선수부의 파형 촬영 그리고 파고계를 이용한 파고 계측 및 파형해석을 수 행하였다. 이들의 결과들로부터 선형개선에 따른 저항특성의 변 화와 비선형파의 감소를 정성적, 정량적으로 파악하였다.

본 연구는 선수선형설계에 있어서 통계적인 실험자료 뿐만이 아니라 수치계산과 시험기법들을 통한 저항특성 고찰 방법을 이 용하여, 저속비대선의 저항을 보다 효과적으로 감소시킬 수 있는 선수선형설계가 가능함을 확인하고자 한다.

2. 초기 선형과 1차 선형설계

항주 시 선수주위에서 비선형 파계가 좀 더 많이 발생할 것이 라 예상되어지는 저속비대선인 Series 60(CB=0.8) 선형을 초기 선형으로 택하여, 선수 주위 비선형 파계를 줄일 수 있도록 선수 선형설계를 수행한다.

방형비척계수(CB)가 약 0.8인 선형에 대해서, Kracht's charts (1978)를 이용하면 Fn=0.16~0.22의 속도 범위에서 구상선수 설 계를 수행할 수 있다. 본 연구에서는 Series 60(CB=0.8) 선형에 대해 수치계산을 수행한 Shin, et al.(1992)의 연구를 참고하여, 대

상 속도인 Fn=0.2에서 선형설계를 수행하였다.

Fig. 1은 CB=0.8인 선형의 여섯 가지 벌브 파라메타에 대한 교 차곡선을 보여주고 있다. 여섯 개의 벌브 파라메타는 세 가지 선 형 파라메타(벌브의 길이, 폭, 기선(base line)으로부터 벌브 횡단 면의 중심까지 높이)와 벌브의 면적과 체적을 나타내는 세 가지 비선형 파라메타(벌브의 수평방향 단면적, 횡단면적, 체적)가 있다.

각각의 파라메타는 식(1)과 같다.

Fig. 1 Cross curves of bulb parameter(CB=0.8)(Kracht 1978)

(1)

여기서 CLPR은 벌브길이 비, CBB은 폭 비, CZB은 벌브중심위치 비, CABL은 종단면적 비, CABT은 횡단면적 비, C∇PR은 벌브체적 비를 각각 나타내는 파라메타이다. 또한 LPP은 선체 길이, LPR은 벌브 길이, BMS은 선체중앙에서의 최대 폭, BB은 벌브의 최대 폭, TFP은 FP에서의 흘수, ZB은 벌브의 높이방향 중심 위치, AMS은 선 체 중앙 횡단면적, ABL은 벌브의 종단면적, ABT은 벌브의 횡단면 적, ∇WL은 수선면 아래 선체 체적, ∇PR은 벌브의 체적을 각각 나 타낸다.

차트의 곡선들로부터 주어진 Fn에서 최대잉여추진감소계수를 결정하고, 그에 따라 여섯 개의 벌브 파라메타 계수를 결정하여 (Fig. 1의 ○), 1차 선형 설계를 수행하였다. 결정된 파라메타 계수 값으로부터 얻어진 설계 선형의 주요제원은 Table 1과 같다.

Fig. 2는 초기 선형(Original hull)과 벌브의 형태에 따른 1차 설 계 선형의 선수부분 정면도를 비교한 것이다. 1차 설계 선형들은 벌브의 최대 폭이 위치하는 높이를 변화시켜, 3가지 형태(Designed hull 01은 O형, 02는 삼각형, 03은 역삼각형)로 설계하였다.

Table 1 Principal parameters of the first hull form design group

L

(m) 121.92

B(m) 18.76

draft(m) 7.50

A

(m

) 139.74

∇

(m

) 13520.98

L

(m) 2.54

B

(m) 2.63

Z

(m) 2.271

A

(m

) 12.30

A

(m

) 11.60

∇

(m

) 16.61

Design speed(Fn) 0.20

Fig. 2 Comparison of the body plans on the first design stage

3. 수치계산기법 및 1차 계산결과

3.1 밀도함수법

지배방정식으로는 연속방정식과 Navier-Stokes 방정식을 사용 하였다. 지배방정식은, 시간에 대해서는 전진차분법으로 공간에 대 해서는 중심차분법에 의해, 균일하지 않은 격자 크기를 가지는 교 차격자계 상에서 이산화 되었다. 단, 대류항은 3차의 상류차분에 의해 구해지며, 격자의 수가 제한되는 물체주위에는 1차 및 2차 상 류차분법을 이용한다. 압력의 Poisson 방정식은 SOR(Successive Over Relaxation)법에 의하여 반복 계산된다. 자유수면의 위치는 밀도함수의 수송방정식(식(2))을 계산하여 물과 공기 밀도의 산술 평균을 갖는 위치로 정의 하였다. 밀도함수값은 자유수면의 위치

와 형상을 정의할 경우에만 사용되고 지배방정식의 계산에서는 액 체와 기체의 실제 밀도의 물리 값이 사용되었다.

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on free-surface (3)

자유수면의 동역학적 경계조건으로는 식(3)과 같이 자유수면상 의 액체와 기체의 압력은 같다고 하고, 표면장력은 무시하였으며, 자유수면의 운동학적 경계조건으로 자유수면의 속도와 유체입자 의 속도가 같다고 하였으며. 밀도함수의 수송방정식을 통하여 자 유수면의 위치를 정의함으로써 만족되도록 하였다. Irregular leg lengths and star 기법이 자유수면 주위 격자의 압력 Poisson 방 정식 계산과정에 사용되어 동역학적 경계조건을 만족시켰다. 물체 표면에서는 No-slip 조건을 적용하였으며, 유체의 porosity와 압 력점에서 선체표면까지의 거리를 복합적으로 이용하여 물체경계 조건을 만족시켰다.

본 연구에서 밀도함수법의 타당성 여부를 확인하기 위하여 시 험 자료가 있는 Series 60(CB=0.6) 모형선을 선정하여 Fn=0.316 에서 계산하였다. 시험 자료로는 IOWA 대학의 자료(Toda, et al., 1992)를 사용하였다.

밀도함수법을 이용한 계산이 시험결과에 근접하고 있음을 Fig.

3을 통해 확인 할 수 있다. 선체 주변의 국부적인 파형을 시험결 과에 가깝게 시뮬레이션하고 있음을 볼 수 있다. 밀도함수법을 이 용한 계산 기법 및 활용에 관한 좀 더 자세한 연구내용은 Lee (2008)에서 찾아볼 수 있다.

Fig. 3 Comparison of wave contours(Series 60 CB=0.6, Fn=0.316)

3.2 계산조건

계산결과의 비교를 위해 초기 선형과 1차 설계 선형 모두 같은 조건에서 계산하였다(선수부분만). 선체주위 격자의 크기를 작게 하고, 자유수면 근처와 선체의 곡률이 큰 위치에 Z 방향 격자의 수를 집중시켜 계산의 정도를 높였다. 계산조건은 Table 2와 같 으며, 격자계의 모양은 Fig. 4와 같다.

Table 2 Computational conditions for the numerical si- mulations

Model

Condition Original hull and designed hulls

Number of Cell

X 110

Y 60

Z 50

Total 33000

Cell Size

X max. 0.0340

min. 0.0210

Y max. 0.0338

min. 0.0110

Z max. 0.0161

min. 0.0130

Acceleration step 1000

DT(sec) 1.0E-03

Fig. 4 A typical mesh type for present numerical calcul- ations

3.3 계산결과

계산결과를 비교하기 위하여 초기 선형과 1차 설계 선형들의 파형분포(wave contour), 선체표면 압력분포(pressure contour), 압력저항계수(Cp)를 비교하였다.

Fig. 5는 초기선형과 1차 설계 선형들의 파형 변화를 비교하여 보여주고 있다. 초기선형과 비교하여 보았을 때, 설계 선형(01, 02) 보다 설계 선형(03)의 경우가 선수 바로 앞에서 발생하는 비선형 파의 파고와 면적이 작아졌음을 볼 수 있다. 이로 인하여 설계 선 형(03)의 경우 조파저항의 감소가 클 것으로 예상된다. 설계 선형 (01)과 설계 선형(02)의 경우, 초기선형과 비교하여 비선형적 파형 의 변화가 크지 않음을 볼 수 있다.

Fig. 6의 선체표면 압력분포를 보면 설계 선형(01)이 다른 선형 에 비해 압력이 높게 나타나는 부분이 적게 분포하는데, 이는 설 계 선형(01)의 벌브에 의해 선형적 성분이 감소하였음을 알 수 있 다. 설계 선형(02)은 벌브 부분에서 압력감소가 나타났지만, 전체 적인 압력변화량이 크지 않음을 볼 수 있다.

Fig. 5 Comparison of the wave contours between the original hull and the hull forms on the first design stage

Fig. 6 Comparison of pressure contours between the original hull and the hull forms on the first design stage

Fig. 7에서 초기선형과 1차 설계 선형들의 압력저항계수 평균 값을 비교해 보면, 초기선형에 비하여 설계 선형(01)은 약 12.4%, 설계 선형(02)은 약 9.0%, 설계 선형(03)은 약 13.0% 정도 적게 나타났다.

Fig. 7 Comparison of Cp between the original hull and the hull forms on the first design stage

따라서 Fig. 5, 6, 7을 종합해 보면, 설계 선형(01)과 설계 선형 (03)의 압력저항 감소는 다음과 같이 생각할 수 있다. 설계 선형 (01)의 경우 선형적인 성분에 의한 압력저항 감소가 나타난 반면 에 설계 선형(03)은 비선형적 조파저항 성분의 감소로 인한 압력 저항 감소가 나타난 것으로 판단된다.

이러한 수치계산 결과들을 비교하여 보면, 벌브의 단면적 형상 에 따라, 저항의 감소 정도와 감소되는 저항성분이 서로 다르다는 것을 확인할 수 있었다.

4. 2차 선형설계

벌브의 형상에 따라, 특히 설계 선형(01)과(03)은 감소되는 저 항 성분이 서로 다르다는 것이 확인되었다. 조파 저항의 감소에 있어, 설계 선형(01)의 선형적 성분과(03)의 비선형적 성분의 감 소 효과를 동시에 얻을 수 있도록 하기 위하여 2차 선형설계를 수행하였다. Table 3에서는 2차 설계 선형들의 벌브 주요제원을 나타내고 있으며, Fig. 8에서 보여 지는 것과 같이 벌브의 정면과 측면 형상에 따라 4가지 형태의 벌브를 추가적으로 설계하였다. 1 차 설계 선형들 중에서 저항성능이 가장 우수한 설계 선형(03)을 대상으로, 단면과 측면형상이 불일치하는 점을 개선하기 위하여 설계 선형(04, 05)을 설계하였다. 설계 선형(04)는 설계 선형(03) 에 비하여 벌브의 최대 횡단면적은 감소하였지만, 벌브길이, 벌브 높이방향 중심위치를 증가시키고. 측면 형상이 plank형상에 가까 운 형태를 취하였다. 설계 선형(05)는 설계 선형(03)의 벌브 높이 방향 중심위치를 높여, 수선면 근처의 벌브체적을 증가시킴으로 서 비선형적 조파저항 성분의 감소 효과를 좀 더 얻고자 하였다.

설계 선형(06)은 설계 선형(01)과(03)의 조파 저항 감소 효과를 동시에 얻고자, 정면 형상을 혼합한 형태로, 벌브의 최대 횡단면 적을 증가시켰다. 설계 선형(07)의 측면 형상은(01)선형과(05)선 형의 측면형상을 혼합한 형태로, 두 가지 특성을 다 살리기 위하 여 벌브 길이를 증가시킨 형태이다. 정면형상 역시 설계 선형(01) 과 설계 선형(03)을 혼합한 형태를 보여주고 있다.

Table 3 Principal parameters of the hull forms on the second design stage

designed hull(04)

designed hull(05)

designed hull(06)

designed hull(07)

L

(m) 3.57 2.54 2.54 4.67

B

(m) 2.63 2.63 2.63 2.63

Z

(m) 2.27 4.76 2.27 4.75

A

(m

) 21.10 12.30 12.30 25.80

A

(m

) 13.01 13.01 14.57 14.45

∇

(m

) 17.30 16.61 17.20 34.40

Fig. 8 Comparison of the body plans and profiles for the hull forms on the second design stage

5. 2차 선형설계의 계산결과

설계 선형(01~03)의 경우와 같은 방법으로 계산결과들의 상호 비교를 위하여, 2차 설계 선형들의 파형분포, 선체표면 압력분포, 압력저항계수를 비교하였다.

Fig. 9는 초기선형과 2차 설계 선형들의 파형 변화를 비교하여 보여주고 있다. 초기선형과 비교하여 설계 선형(04, 05)는 전체적

인 파형은 비슷하지만, 선수주위의 파정과 파저의 크기가 작아진 것을 볼 수 있다. 설계 선형(06)의 경우에는 파정과 파저의 크기 가 초기선형과 비슷한 수준을 나타내고 있다. 설계 선형(07)은 선 수주위 파정의 크기가 다른 선형들에 비해 크게 작아진 것을 볼 수 있다.

Fig. 10의 선체표면 압력분포를 보면, 설계 선형(04, 05)은 높 은 양압력 부분의 면적이 적은 대신에 중간 크기의 양압력분포가 조금 넓어진 것을 볼 수 있다. 설계 선형(06)의 경우는 선수에서 파고가 높게 발생하고 어깨부분에서의 파도도 더 낮아지지만, 높 은 압력의 분포범위는 줄어든 것을 알 수 있다. 설계 선형(07)의 경우 압력이 낮은 부분이 넓게 분포하는데,(01)선형과(05)선형의 특성을 모두 가지고 벌브의 길이가 길어지고 체적이 늘어난데 기

Fig. 9 Comparison of wave contours between the original hull and the hull forms on the second design stage

인한 것이라 판단되어진다. 2차 설계 선형들 모두 벌브의 영향으 로 인한 선수파의 변화에 따른 조파저항 감소효과를 가져와 저항 성능이 향상되었음을 볼 수 있다.

Fig. 11에서 압력저항계수곡선들을 보여주고 있다. 수렴구간에 서 초기선형과 2차 설계 선형들의 압력저항계수 평균값을 비교해 보면, 초기선형에 비하여 설계 선형들 중에(04)는 약 13.7%,(05) 는 약 13.4%,(06)은 약 12.7%정도 적게 나타났다. 2차 설계 선형 들 모두 압력저항계수 값이 감소하였지만, 그 감소정도가 비슷하 며, 설계 선형(01)의 12.4%,(03)의 13.0% 압력저항계수 값의 감소 량과도 거의 같다고 할 수 있다. 하지만 설계 선형(07)의 경우는 약 18.2%정도 적게 나타나고 있어, 다른 2차 설계 선형들보다 큰 압력저항계수의 감소를 보이고 있다.

Fig. 10 Comparison of pressure contours between the original hull and the hull forms on the second design stage

Fig. 11 Comparison of Cp between the original hull and the hull forms on the second design stage

6. 모형시험

수치계산 결과들로부터 선형의 수정에 따른 비선형파계의 변 화가 확인되었음으로, 모형시험을 수행하여 수치계산 결과 정도 및 선형설계에 따른 저항의 감소를 정량적으로 파악하였다.

모형시험은 초기선형, 1차 설계선 중 첫 번째인 설계 선형(01), 2차 설계선 중 수선면 근처의 벌브체적을 증가시키도록 설계한 설 계 선형(05)와 수치계산을 통한 압력저항계수 감소가 가장 큰 설 계 선형(07)만을 대상으로 모형시험을 수행하였다.

Fig. 12는 Fn=0.2에서 고속카메라로 촬영한 초기선형과 설계 선형(01, 05, 07)의 선수파형 시험사진을 보여주고 있다. 시험사 진을 보면 초기선형과 설계 선형(01)의 선수에서 발생하는 비선형 파계가 크게 차이를 보이지 않고 있다. 이를 통하여 설계 선형(01) 은 조파저항의 선형적 성분이 감소할 것이라 판단되어 진다. 반 면, 설계 선형(05)의 선수에서 발생하는 비선형파계는 약간의 차 이를 보이고 있고, 설계 선형(07)은 크게 차이를 보이고 있다. 이 를 통하여 설계 선형(05)와(07)은 조파저항 중 비선형적 성분이 감소하였음을 알 수 있다. 네 가지 사진 모두 선수에서 발생한 비 선형파계의 존재와 선측에서의 국부적인 비선형파계를 확인 할 수 있다.

Fig. 13에서는 모형시험 결과에서 각 저항성분들이 차지하는 양을 비교하였다. 마찰저항계수(CF), 형상영향계수(k)를 이용하여 산출한 형상저항계수(k․CF), 그리고 파형해석을 통해 산출한 조파 저항계수(CWP)와 그 나머지 성분인 쇄파저항계수(CWB)를 보여 주고 있다. 저항 성분비를 보면 초기선형과 설계 선형들 모두 마 찰저항과 형상저항이 가장 많은 부분을 차지하며, 조파저항 중 비 선형적 성분(쇄파저항)이 그 다음으로 많은 부분을 차지하고 있다.

조파저항 성분의 감소를 비교하여 보면, 초기선형에 비하여, 설 계 선형(01)은 선형적 성분(CWP)이 약 40%, 비선형적 성분(CWB) 이 약 24%감소하였다. 이를 통하여 설계 선형(01)은 조파저항의 선형적 성분과 비선형적 성분이 모두 저항 감소에 기여하였음을 알 수 있다. 설계 선형(05)의 경우는 선형적 성분이 초기선형에 비해 약 31% 감소하여 설계 선형(01)에 비해 감소량은 적지만, 조 파저항 중 많은 부분을 차지하는 비선형적 성분이 약 35% 감소 하여 전체적인 저항 감소는 설계 선형(01)에 비해 크다. 이는 설계 선형(05)의 벌브 높이방향 중심위치를 증가시켜, 수선면 근처의 벌브체적이 늘어남에 따라 조파저항의 비선형적 성분이 감소한 것으로 생각된다. 설계 선형(07)의 경우, 초기선형에 비하여, 선형 적 성분의 감소는 약 26%로 다른 설계 선형들 보다는 감소량이 적지만, 비선형적 성분이 약 62%나 크게 감소하여, 전체적인 저 항 감소량이 가장 크다. 이를 통하여 설계 선형(07)은 다른 설계 선형보다 비선형적 조파저항 성분이 저항 감소에 크게 기여하였음 을 알 수 있다. 이는 설계 선형(07)이 두 개의 설계 선형(01, 05) 을 조합하여 설계됨으로써, 벌브의 길이 증가와 자유수면 근처에 서의 체적 및 단면적이 증가하여 나타난 결과로 생각된다.

Fig. 14에서는 초기선형과 설계 선형(01, 05, 07)의 전저항계수 (CT) 및 잉여저항계수(CR)의 속력에 따른 변화를 보여주고 있으며, Table 4는 Fn=0.2에서 설계 선형들의 수치해석결과와 모형시험

(a) Original hull

(b) Designed hull(01)

(c) Designed hull(05)

(d) Designed hull(07)

Fig. 12 Photographs taken during model tests for the original and the selected design hull forms at Fn=0.2

Fig. 13 Comparison of CF, k ․ CF, CWP and CWB between the original and designed hull forms(01, 05 and 07)

Fig. 14 Comparison of CT, CR curves between the original and designed hull forms(01, 05 and 07)

Table 4 Comparison of CP, CWB, CR and CT values between the original and designed hull forms (01, 05 and 07)

Hull C

C

C

C

value* RR** value RR value RR value RR Original

hull 4.03 0.89 2.18 6.45

Designed

hull(01) 3.53 12.38 0.67 24.55 1.85 15.14 6.12 5.12 Designed

hull(05) 3.49 13.45 0.58 34.68 1.75 19.72 6.02 6.67 Designed

hull(07) 3.30 18.20 0.33 62.84 1.54 29.36 5.80 10.04 value*: coefficient of resistance(x10

), RR**: reduction ratio(%)

결과 값들을 초기선형과 비교하여 종합적으로 보여 주고 있다.

초기선형에 비하여 조파저항의 선형적 성분이 많이 감소한 설 계 선형(01)은 잉여저항이 약 15%, 전저항이 약 5% 감소하였다.

조파저항의 비선형적 성분이 많이 감소한 설계 선형(05)는 잉여 저항이 약 20%, 전저항이 약 6%, 설계 선형(07)은 잉여저항이 약 29%, 전저항이 약 10% 감소하여, 설계 선형(01)이나 (05)보다 저 항이 크게 감소하였다.

수치계산과 모형시험의 선형별 저항성분 감소경향이 정성적으 로 유사한 경향을 보이고 있다. 또한 Fig. 7,11,13에서 보여 지는 선측에서의 국부적인 비선형파계에 대한 수치계산과 시험사진 결 과 역시 같은 결과를 보이고 있다. 이를 통하여 밀도함수법을 이 용한 수치계산이 비선형파를 고려한 선수선형설계 시에 그 활용 성이 높을 것임을 확인할 수 있다.

7. 설계 선형(01)과(07) 비교

설계 선형(01)과 설계 선형(07)의 벌브 파라메타들이 Kracht's chart에서 위치하는 부분은 Fig. 1에서 비교할 수 있다. 설계 선형 (01)의 벌브 파라메타들은 최대잉여추진감소계수에 따라 결정되 었다(Fig. 1의 ○). 설계 선형(01)보다 더 많은 저항 감소(초기선형 과 비교하여)를 보이는 설계 선형(07)은 앞선 설계 선형들의 벌브

를 변형 또는 혼합을 통하여 선형설계가 이루어졌으므로, 벌브파 라메타들이 Kracht's chart에서 위치하는 곳을 역추적 하여 보면 (Fig. 1의 ●), Kracht's chart의 영역을 크게 벗어나지는 않지만 불특정한 곳에 위치하고 있음을 알 수 있다.

이와 같은 연구과정을 통하여, 기존의 시리즈 모형시험 자료를 이용한 비대선의 벌브를 포함한 선수선형 설계에 있어, 수치계산 기법 IUBW를 활용한 본 연구에서와 같은 설계방법이 최적 선형 요소의 수치를 선정하고 선형 설계를 수행하는데 유용할 것이라 판단된다.

8. 결 론

비대선의 비선형파계를 감소시킬 수 있도록 선형설계를 수행 한 후, 수치계산과 모형시험을 이용하여 그와 같은 선형설계의 효 과를 파악하였으며, 그 결과를 요약하면 아래와 같다.

1. 기존의 시리즈 모형시험 자료를 이용하여 선형 설계를 수행 한 후, 수치 시뮬레이션 결과를 이용하여, 1차 설계 선형들의 저항 특성을 고찰하고, 저속비대선의 저항을 보다 효과적으로 감소시 킬 수 있도록 1차 설계 선형들의 변형을 통하여 1차 선형 설계를 수행하였다.

2. 모형시험으로부터 Fn=0.2에서 초기선형에 비하여 설계선형 (01)의 잉여저항이 약 15%, 전저항이 약 5% 감소, 설계 선형(05) 는 잉여저항이 약 20%, 전저항이 약 6% 감소, 설계 선형(07)은 잉여저항이 약 29%, 전저항이 약 10% 감소함을 알 수 있었으며, 설계 선형(01)은 조파저항의 선형적 성분이, 설계 선형(05)와(07) 은 비선형적 성분이 크게 감소하였음을 확인할 수 있었다.

3. 저속 비대선의 경우에 조파저항의 비선형적 성분이 선박의 저항성능에 많은 영향을 미치는 것을 감안하여, 본 연구에서 사용 된 밀도함수법을 이용한 수치계산을 저속 비대선의 선수선형설계 에 활용한다면 비선형파를 감소시켜 저항성능이 한층 더 개선된 선형의 설계에 유용할 것으로 기대된다.

4. 저속 비대선의 경우 기존의 시리즈 모형시험 자료를 이용하 여 구상선수 설계함과 동시에, 수치시뮬레이션을 수행하여, 기존 의 시리즈 모형시험 자료를 보완할 수 있는 선형 설계를 수행한 다면 보다 조파저항성능이 우수한 선수선형 설계가 가능할 것으 로 판단된다.

후 기

이 논문은 2007년도 정부(과학기술부)의 재원으로 한국과학재 단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. R01-2005-000-10878-0).

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유 진 원

최 영 찬