G/T 4.99톤급 한국 연안어선의 저항성능 개선에 관한 연구
유진원1․ 이영길2,†․ 지현우1․ 박애선1․ 최영찬1․ 하윤진1․ 정광열1
인하대학교 대학원 조선해양공학과1
인하대학교 기계공학부 조선해양공학전공2
A Study on the Improvement of Resistance Performance for G/T 4.99ton Class Korean Coastal Fishing Boats
Jin-Won Yu
1․ Young-Gill Lee
2,†․ Hyun-Woo Jee
1․ Ae-Seon Park
1․ Young-Chan Choi
1․ Yoon-Jin Ha
1․ Kwang-Leol Jeong
1Dept. of Naval Architecture and Ocean Engineering, Graduate School, Inha University
1Dept. of Naval Architecture and Ocean Engineering, Inha University
2Abstract
Korean fishing boats have had appropriate hull forms for the safety, stability and convenience of fishing ability. However, Korean fishermen are recently concerned about the resistance performance and speed of Korean fishing boats, because the prices of fuel oil are gradually risen, also the exhausting of fish resources and the demand of high speed fishing boats are increased.
Therefore, the necessity of the study on the improvement of resistance performance for Korean small coastal fishing boats is gradually increased. This study compares the hull form characteristics of Korean fishing boats with those of Japanese fishing boats, and the hull form of a representative Korean fishing boat is modified. From the modification of the hull form parameters for the Korean fishing boat, the improvement of resistance performances is evaluated. Moreover, the increase of resistance performances is also achieved from the modification of local characteristics for the hull form of the Korean fishing boat. A computational method and ship model tests in towing tank are used for the conformations of the improvement of resistance performance.
Keywords : Small coastal fishing boat(소형 연안어선), Hull form design(선형설계), Resistance performance(저항성능), Numerical simulation(수치시뮬레이션), Mel test(모형시험)
1. 서 론
우리나라 어선의 설계 및 건조는 비교적 환경이 열악한 소형조 선소에서 주로 경험에 의존하여 기존의 선형을 약간씩 수정하며 수행되어 왔으며, 속력향상을 위하여는 고마력의 엔진에 의존하 고 있다. 또한 어선의 선주들은 큰 문제가 없는 한 새로운 선형개 발에 따른 건조비 증가보다는 기존의 선형을 그대로 유지하기를 원하고 있다.
최근 국내의 어선에 관한 연구는 안전성, 조업성과 같은 분야 에 집중되어 있으며, 그 이외 분야에 관한 연구는 미비하다. 특히 저항추진성능에 관한 자료의 축적이나 연구는 매우 드물게 이루 어지고 있는 실정이다.
한편, 국내외적 어업 환경은 어업자원의 감소, 유류비 상승에 따른 채산성 악화와 UN의 국제해양법 발효에 따른 배타적 경제 수역(EEZ: Exclusive Economic Zone)의 선포, 국제무역기구(WTO:
World Trade Organization)체제 출범에 따른 수산물 시장 개방 등의 문제를 겪고 있다(Kang, 2006). 하지만 최근 사회 전반에 걸 쳐 웰빙(well-being) 열풍이 고조되면서 수산물이 건강식품으로 한 층 더 인식되어 수산물 소비가 증가하고 있고, 국내 어업생산량, 특히 양식어업 생산량이 크게 증가함에 따라 수산물 수입의존도 가 감소하였다(KMI, 2007). 그리고 해양 레저 선박의 수요와 연근 해 수자원 고갈 문제로 복합어선이 개발되는 추세에 있어 우리나 라어선에는 새로운 선형개발이 요구되고 있다(Cho, et al., 2002).
특히 근래에 20knots 이상의 고속어선이 많이 이용되는 반면, 고 속어선에 대한 저항성능 측면에서의 연구가 미비하여 이에 대한 추가적인 연구가 필요한 실정이다.
국내에서는 연근해 소형어선 근대화 사업 및 소형어선의 마력 추정과 선형설계에 관한 연구, 우리나라어선의 저항성능 및 선형 요소에 관한 연구 등, 그간 어선의 저항성능 향상에 관한 여러 연 구가 진행되어 온 바도 있다(KIMM, 1984; Lee, 1984; Lee, et al., 2006; Kang, et al., 2007; Yu & Lee, 2008).
다른 국가의 어선선형에 비하여 우리나라어선과 상대적으로 선형 측면에서 유사성이 많은 일본에서는 이미 1970년대에 어선 의 저항추정 및 우수한 저항추진 성능을 가지는 선형개발에 관한 연구가 활발히 수행되었다 (Tsuchiya, 1972; Kang, 2006). 우리 나라어선도 선형의 검토를 통한 저항성능 향상이 요구되며, 특히 저항성능이 우수한 어선의 선형에 관한 연구가 선행된 일본어선 의 연구결과를 활용하여 새로운 선형개발도 가능할 것이다. 더구 나, 우리나라어선은 작업성이나 안전성이 우수한 선형이 선호 받 고 있었으나, 최근 유가상승에 따른 선속과 저항성능에 대한 관심 이 높아지면서 이와 같은 연구의 필요성이 고조되고 있다. 우리나 라어선은 일본어선과 관습적인 선형의 차이, 조수간만의 차이, 갯 벌, 파도와 같은 해양환경의 차이, 그리고 어업의 종류 등이 다르 기 때문에, 일본어선의 선형을 있는 그대로 참고하여 우리나라어 선의 선형개선에 사용할 수는 없다. 하지만, 우리나라어선과 일본 어선의 선형적 차이점을 고려한 선형설계를 수행하여, 변화된 저 항성능을 검토하고 국내의 어업환경조건에 만족여부를 확인함으 로써, 저항성능이 보다 우수한 한국형 어선선형의 개발이 가능할 것이라 판단된다.
본 연구는 선형요소를 보정하여 유효마력을 최소화시키고 한 국 저속 소형 연안어선과 일본어선의 선형적 특성을 서로 비교함 으로써, 우리나라어선 선형특성을 보정하여 좀 더 우수한 저항성 능을 가지는 한국형 어선선형을 제시하고자 한다.
2. 연구 대상 선형 및 선형 설계
2.1 연구 대상 선형
본 연구의 연구 대상 선박은 선행연구(Jee, et al., 2009; Yu, et al., 2009)를 참고하여, 국내 연안어선 중에 가장 많이 건조되 어 오고 있는 어선 중 하나인 총톤수 4.99톤, 배수량 13.19톤 어 선(Korea Ship Safety Technology Authority, 1995)을 초기 선 형(Initial hull)으로, 과거 어선 저항성능의 통계해석을 위한 자료로 사용되어진 일본 어선선형(Tsuchiya, 1972)을 참고 선형(Reference hull)으로 선정하였다. 현재 국내 연안에는 25knots 이상의 비교 적 고속영역에 속하는 어선들도 상당수 존재하지만, 기존의 모형 선, 실선자료 보유 상태, 25knots 이상의 속력에서 저항추진성능 이 급격히 저하될 수 있는 가능성도 고려하여(Lee & Oh, 1997), 본 연구에서는 ‘저속 연안어선’을 대상선형으로 결정하였다. 여기 서 ‘저속 연안어선’은 국내에서 많이 건조 또는 분포하는 어선들 의 속력 범위 중에서 20knots 미만의 비교적 낮은 속력의 영역 에 속하는 어선을 말한다.
2.2 선형 설계
본 연구에서 선형설계는 선형요소를 보정하여 유효마력을 최 소화 시키는 과정과, 그 후에 선형특성을 보정하여 저항을 보다 더 감소시키는 과정을 단계별로 수행하였다(Yu, et al., 2009). 설
계속력은 최근 어선의 고속화 추세와 본 논문에서 사용한 한국어 선의 유효마력 추정프로그램인 FISH-K(Kang, 2006; Kang, et al., 2007)의 속력 한계를 감안하여 설계속력을 20knots(Fn∇=2.1) 로 결정하여 선형을 설계하였다. 여기서 Fn∇은 정지 시 배수용적 의 세제곱근을 이용한 Froude수를 나타낸다.
첫 번째 선형설계의 단계는 선형요소를 보정하는 것으로, 어선 의 저항을 좌우하는 주요 선형요소들(LWL/∇1/3, BC/∇1/3, LCB, CB) 을 개선함으로써 저항성능을 향상시키는 과정이다. 선형요소를 보 정하는 과정은 FISH-K프로그램을 비롯하여 선행된 연구(Kang, 2006; Lee, et al., 2006; Lee, et al., 2008; Jee, et al., 2009)를 참고하여, 설계속력에서 추정 유효마력이 최소가 되는 선형요소 조합을 찾는다.
Table 1은 초기 선형, 참고 선형 그리고 설계 선형들의 선형요 소들을 비교한 것이다. 서로 다른 두 선형의 비교 시 배수량을 맞 춰주고자 상대적으로 배수량이 큰 참고 선형을 초기 선형의 배수 량에 맞춰 축소한 후(Table 1의 Reference hull (scale:1/1.2)) 비 교, 검토하도록 한다. 초기 선형과 참고 선형을 비교하면, 초기 선 형이 상대적으로 배의 길이(LWL)가 짧고, 흘수(T)가 깊으며, 폭(B) 이 넓고 방형비척계수(CB)가 크다. 따라서 이러한 차이에 의하면, 일반적으로 초기 선형이 참고 선형에 비하여 저항성능 측면에서 그다지 좋지 못할 것으로 예측된다(Jee et al. 2009).
설계 선형(16-02)과 (20-01)는 Yu, et al. (2009)의 연구에서 초기 선형과 동일한 설계속력인 15 knots(Fn∇=1.6)와 20knots에 서 각각 설계된 선형이다. 설계 선형(20-01)의 경우, 선형특성까 지 보정함에 있어, 각 스테이션(station)에서 폭을 줄임으로써 상 대적으로 갑판 면적이 줄어들고 복원성 등에 문제가 있을 가능성 이 있다고 판단되었다. 따라서 본 연구에서는 설계 선형(20-01)보 다 좀 더 저항 성능이 향상될 수 있는 선형요소를 산출하고, 각 스테이션에서 폭을 초기 선형과 동일하게 유지하도록 설계 선형 (20-02)을 설계하였다. Table 1에서 확인할 수 있는 바와 같이 설 계 선형 모두 초기 선형에 비하여 수면상의 배 길이가 길어졌고 차인 폭은 좁아졌으며, CB가 더 작은 쪽으로 보정 되었다. LCB는 선미 쪽으로 이동되었다. 이러한 선형요소 보정은 유체역학적으
Table 1 Comparison of the principle dimensions between the initial, the reference and the designed hulls
Principle dimension
Initial hull
Reference hull (scale:1/1.2)
Designed hull (16-02)
Designed hull (20-01)
Designed hull (20-02) LWL(m) 11.12 11.66 11.43 11.39 11.50
B(m) 2.86 2.58 2.82 2.86 2.90
BC(m) 2.76 2.58 2.72 2.75 2.70
T(m) 0.676 0.733 0.675 0.70 0.676
▽(m3) 12.87 12.87 12.87 12.87 12.87
WSA 38.60 39.21 39.03 38.84 39.4
LCB(%) 1.28 -0.14 -1.15 0.325 1.123
CB 0.574 0.566 0.568 0.543 0.567
LWL/▽1/3 4.745 4.977 4.877 4.860 4.907 BC/▽1/3 1.178 3.523 1.161 1.173 1.152
로 저항성능을 더욱 향상시킬 것이라 예측할 수 있다.
Fig. 1은 설계속력에서 FISH-K를 이용하여 산출한 초기 선형, 참고 선형, 설계 선형들의 추정 유효마력을 비교한 그림이다. 산 출된 최적 선형요소 조합에 의하여, 설계 선형(20-02)의 추정 유 효마력이 초기선형보다 약 4.5% 감소한 결과를 보여주고 있다.
산출된 선형요소들을 가지고, 초기 선형을 참고하여 선형 설계 를 수행하였다. 선형설계를 수행하는데 있어, 상용 선박설계 프로 그램인 Ez-Ship을 사용하였으며, 그 결과 중의 하나인 횡단면적 곡선을 초기 선형과 비교하여 Fig. 2에 나타내었다. 횡단면적 곡 선은 Ez-Ship프로그램 내의 Lackenby method를 이용하여, LCB 가 초기 선형에 비하여 선미 쪽으로 이동함에 따라서 선수부의 체적은 감소하고, 선미부의 체적은 증가되는 방향으로, 변화하였 다.
Fig. 1 Comparison of the estimated EHP between the initial, the reference and the designed hulls at Fn∇
=2.1
Fig. 2 Comparison of the sectional area curves between the initial and the designed hull(20-02)
선형설계의 두 번째 단계는 선형특성을 보정하는 단계이다. 선 형특성 보정에 있어, 초기 선형과 참고 선형과의 선형 특성 비교 를 토대로 차인선의 보정이 저항성능에 가장 큰 영향을 미치는 점을 고려하여, 선형요소들이 보정된 선형을 대상으로 차인선의 형상에 대한 선형특성을 추가적으로 보정한다(Lee, et al., 2008;
Jee, et al., 2009).
Fig. 3은 차인선 형상 변화에 따른 선형특성 보정을 보여주고 있다. 선형특성의 보정 시 특성보정 전과 같은 배수량을 유지시키 기 위해 각 스테이션에서 마디(knuckle) 부위를 기준으로 윗부분 과 아랫부분 면적의 증감이 같도록 하였다. 이 과정에서 배수량뿐 만 아니라 LCB도 유지됨으로써 선형요소들의 변화가 없도록 맞 춰진다. Fig. 4는 20Knots에서 선형특성까지 보정된 설계 선형 (20-02)을 초기 선형과 비교하여 나타내고 있다.
Fig. 3 Chine and frame line modifications for the designed hull(20-02)
Fig. 4 Comparison of the hull forms between the initial and the designed hull(20-02)
3. 수치계산과 모형시험의 결과 및 고찰
3.1 수치계산
초기 선형, 참고 선형 그리고 설계 선형들에 대한 저항성능의 차이를 확인하기 위해, 수치계산을 수행하였다. 수치계산은 유한 차분법(Finite Difference Method)의 하나인 MAC(Marker And Cell)법을 이용하여 선체주위의 유동을 계산하는 Inhawave (Cho, et al., 1991; Kwon & Lee 2004)를 이용하였다. 설계속력 Fn∇
=2.1에 맞춰 수치계산이 수행되었으며, 일본어선과 설계 선형들의 항주자세에 대한 계산조건으로 침하량과 트림은 초기 선형의 조 건과 같게 하였다.
Fig. 5는 파고형상을 비교한 것으로, 참고 선형의 선수 파정의 위치가 초기 선형에 비하여 조금 뒤쪽으로 밀려나 있어 선수부에 서의 저항이 상대적으로 줄어들 것으로 예상된다. 설계 선형들의 선수부 파형을 보면, 초기 선형보다, 파고 부분이 상대적으로 뒤 에 위치함을 알 수 있고, 파고가 높은 부분의 면적이 더 적음을 확인할 수 있다. 특히 설계 선형(20-02)에서 선수부 파고의 높이 가 가장 낮게 나타나고 있다.
Fig. 6은 선수부에서 받는 압력분포를 선측파형과 함께 나타낸 것이다. 설계 선형들에서 선수부 양압력의 분포영역을 비교하여 보며, 중간정도의 압력(0.5~2kgf/m2)이 걸리는 부분의 면적이 초
Fig. 5 Comparison of the wave contours between the initial, the reference and the designed hulls
Fig. 6 Comparison of the pressure distributions between the initial, the reference and the designed hull surfaces
기 선형에 비하여 확연히 줄어들었음을 확인할 수 있다. 이는 선 형요소 보정과 더불어 참고 선형과 유사한 차인선의 형상으로 보 정함에 따라 나타난 결과로 판단된다.
Fig. 7은 각 선형들의 저항성능 차이를 압력저항계수(CP)로 나 타낸 것이다. 압력저항계수의 값은 초기 선형은 0.0132, 설계 선 형(20-01)은 0.0124, 설계 선형(20-02)은 0.0111이며, 참고 선형 은 0.0083이다. 초기 선형에 비하여 설계 선형(20-02)은 압력저 항계수가 약 16% 감소하였음을 확인하였다.
Fig. 7 Comparison of the pressure resistance coefficient between the initial, the reference and the designed hulls
(a) Initial hull (Model number: IT05-05)
(b) Reference hull (Model number: IT07-01)
(c) Designed hull(16-02) (Model number: IT08-08)
(d) Designed hull(20-02) (Model number: IT10-01) Fig. 8 Photographs of the running ship models during
the test at Fn∇=2.1
Fig. 9 Comparison of CR, Trim, Sinkage and EHP curves
3.2 모형시험
초기 선형, 참고 선형, 설계 선형(16-02), (20-02)의 저항성능 을 보다 자세히 파악하기 위하여 모형시험을 수행하였다. 각 선형 들의 모형시험을 Fn∇=0.6~2.2에 걸쳐서 수행하였으며, 그에 따 른 저항계수, 침하(Sinkage) 및 트림(Trim)의 변화를 비교하였다.
Fig. 8은 설계 선형(20-02)의 설계속도 Fn∇=2.1에서 모형시험 을 수행한 사진들이다. 초기 선형이 일으키는 파도 및 파고가 참 고 선형 및 설계 선형들보다 더 큼을 확인할 수 있다. 참고 선형 의 모형인 경우, 상갑판으로 인한 너클이 존재하지 않는 형태여 서, 초기 선형과 같이 spray가 선측방향으로 넓게 펴져나가지 않 고 선체를 따라 올라가기는 하지만, 발생되는 spray가 현저하게 감소하였다. 설계 선형들의 경우, spray의 퍼져나가는 각도가 초 기 선형에 보다 감소하는 경향을 보인다. 이는 참고 선형과 같이 차인선의 정면도상 직선형상으로 인하여, 파정이 좀 더 선미 쪽으 로 밀려남으로써, 이와 같은 현상이 나타나는 것으로 판단된다.
설계 선형들에서 초기 선형에 비하여 spray가 감소하였는데, 특 히 Fn∇=2.1을 목표로 설계된 설계 선형(20-02)에서 많은 spray 감소가 나타나고 있다. 이러한 파형의 차이에 따른 결과는 Fig. 6 의 잉여저항계수(CR)에서도 확인할 수 있다.
Fig. 9는 속력에 따른 잉여저항계수, 침하와 트림의 무차원 값 (T*g/V2, S*g/V2) 그리고 유효마력(EHP : Effective horsepower) 을 나타낸 것이다. 초기 선형에 비하여, 참고 선형의 잉여저항 계 수는 Fn∇=2.1에서 약 17% 정도 적게 계측되며, 설계 선형(20-02) 은 약 20% 정도 적게 계측되었다. 하지만, 침하 및 트림은 유사 한 경향을 보여주고 있다.
이러한 결과들에 따른 유효마력들을 비교하면, 설계 선형 (20-02)이 초기 선형에 비하여 약 17% 감소하였으며, 참고 선형 과 유사한 결과를 보이고 있다. 또한 Fn∇=1.6을 대상으로 설계된 설계 선형(16-02)보다 더 낮은 유효마력을 나타내고 있다. 이는 선형설계에 있어 선형요소 보정 시 산출된 선형요소들의 상이함 과 선수부 차인선 보정에 따른 선형특성 보정의 상호작용에 따른 결과로 판단되어진다.
4. 결 론
우리나라 소형 연안어선의 저항성능을 향상시키고자 일본어선 과의 비교를 통하여 보정선형을 설계하였고, 수치계산 및 모형시 험을 통하여 변화된 저항성능을 검토하였다.
1) 한국의 소형 연안어선의 저항성능을 향상시키고자 두 가지 단계에 걸쳐 선형설계를 하였다. 첫 번째 선형요소 보정은 어선의 저항을 좌우하는 주요 선형요소들을 개선함으로써 저항성능을 향 상시키는 과정이다 두 번째 선형특성 보정은, 우리나라어선과 일 본어선의 선형특성을 비교하여, 크게 차이가 나는 부분을 보정함 으로써 선형설계를 수행하였다.
2) 선형요소와 선형특성을 보정함으로써, 초기선형에 비하여 저항성능이 향상됨을 확인하였다. 초기 선형에 비하여 설계 선형 의 유효마력이 약 7% 감소하였으며, 선형요소 보정과 선형특성
보정의 상호작용에 의해, 20Knots를 대상으로 설계된 선형이 그 이하의 속력에서도 보다 나은 저항성능을 보이고 있다.
3) 향후, 선형요소와 선형특성의 보정으로 저항성능이 향상된 어선이 한국의 어업환경과 복원성, 안전성, 조업성 등의 요건에 만족할 수 있는지 여부를 고려하면, 본 연구의 선형 보정 방법이 저항성능이 우수한 한국형 소형 연안 어선의 설계에 유용할 것으 로 기대된다.
4) 최근 20knots 이상의 비교적 고속영역의 한국어선이 많이 건조되는 추세이다. 따라서 이 속력 범위의 선형 중의 대표적인 한 어선을 선정하여 본 연구에서와 같이 선형요소들과 선형특성 을 보정하여 저항성능의 변화를 기대하는 것이 가능할 것이다. 아 울러 장기적으로 25노트 이상의 고속어선 선형의 연구개발도 필 요할 것으로 판단된다.
후 기
이 논문은 2009년도 정부(교육과학기술부)의 재원으로 한국연 구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. 2009-0073832)
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유 진 원 이 영 길 지 현 우 박 애 선
최 영 찬 하 윤 진 정 광 열
