Experimental and Numerical Study on the Effects of Bow Deck Shape on the Green Water

선수갑판형상이 갑판침입수에 미치는 영향에 관한 실험 및 수치적 연구

정광열¹․ 이영길^2,†․ 하윤진¹

인하대학교 대학원 조선해양공학과¹

인하대학교 기계공학부 조선해양공학전공²

Experimental and Numerical Study on the Effects of Bow Deck Shape on the Green Water

Kwang-Leol Jeong¹․ Young-Gill Lee^2,†․ Yoon-Jin Ha¹

Dept. of Naval Architecture and Ocean Engineering, Graduate School, Inha University¹ Dept of Naval Architecture and Ocean Engineering, Inha University²

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In this paper, the effects of bow deck shape on the green water are studied by numerical and experimental method. Varying the deck shapes to triangular, elliptic and circular, the thickness and advancing velocity of green water leading edge are compared using numerical method. Also the motion, the pressure on the vertical wall and the height on the deck of green water are compared among the three bow deck shapes in the heave and pitch motion free condition by experimental method. To remove the effects of the difference of motions among the deck shapes, numerical simulations are performed varying the deck shape with the same motion. In the same motion condition, smallest impulsive pressure occurred in the condition of elliptic deck shape.

Keywords : Green water(갑판침입수), Impulsive pressure(충격압력), FPSO(부유식 원유생산저장하역설비), Bow deck shape(선수갑판형상)

1. 서 론

갑판침입수는 거친 해상상태에서 선박의 상하동요에 의한 상 대파고 상승으로 갑판 상에 부서지지 않은 물이 유입되는 것을 의미하며, 갑판상부구조물을 손상시키는 원인이 된다. 대양을 운 항하는 선박은 이러한 위험성을 회피하기 위하여 항로를 변경하 기도 한다. Floating, Production, Storage and Offloading unit(FPSO)의 경우 터렛(turret)에 의하여 해상에 고정되기 때문 에 이러한 위험성을 회피하기 어려우며, 갑판상부에 민감한 석유 생산시스템이 설치되어있어 그 위험성이 더욱 크다.

갑판침입수 현상에 관한 연구는 두 가지로 분류할 수 있다. 하 나는 갑판침입수의 발생빈도와 갑판침입수에 의한 하중의 크기를 확률적으로 예측하는 방법이며, 다른 하나는 선수 주위 국부적 유동과 갑판침입수 하중의 관계를 찾아 하중을 추정하는 연구이 다. Ogawa (2003)은 갑판침입수 하중이 선수를 넘어서는 물의 높이의 제곱에 비례한다고 가정하고, strip 이론을 이용하여 예측 한 상대파고의 확률적 분포를 이용하여 갑판침입수 하중을 장기 예측 하였다. Wist, et al. (2006)은 2차 파이론을 이용하여 상대

파고의 확률적 분포를 계산하였고 이를 이용하여 Ogawa (2003) 과 같은 방법으로 갑판침입수의 양과 하중을 장기예측 하였다.

Soares and Pascoal (2005)는 갑판 위를 넘어서는 물의 높이는 지수분포(exponential distribution)를 따르고, 최대값은 Weibull 분포를 잘 따른다는 것을 실험을 통하여 보였다. 장기예측기술에 관하여는 이전 연구들에서 잘 정립되어 있지만, 갑판침입수의 국 부적 유동을 해석하거나 선형요소들의 영향에 관한 연구는 아직 잘 정립되어 있지 않다.

O’dea and Walden (1984)는 선수 플레어가 갑판침입수에 미 치는 영향을 규칙파 중 실험을 통하여 연구하였으며 선수 플레어 가 갑판침입수 하중을 감소하는데 큰 효과가 있다고 결론을 내렸 다. 그러나 Lloyd, et al. (1985)는 불규칙파 중 실험을 통하여 선 수 플레어가 갑판침입수에 미치는 영향이 작다고 결론을 내렸다.

Buchner (1995)는 선수 플레어 각도가 클수록 갑판침입수를 감 소시킨다고 결론을 내렸으나 Ogawa (2003)은 플레어 각도를 증 가시켜도 그 영향이 크지 않다고 결론을 내리고 있다. Greco (2001)은 선수각을 –45도~45도까지 변화시키며 2차원 갑판침입 수 실험을 수행하여 선수각이 갑판침입수에 미치는 영향이 작다 고 결론을 내리고 있다. Greco (2001)은 2차원 실험을 통하여 갑

판침입수가 유입되는 초기에는 plunging 형태의 쇄파가 발생하여 공기 방울이 갑판침입수에 포함되지만 그 이후는 댐 붕괴와 현상 이 유사함을 보였다. 그러나 Buchner (1995)의 실험에서는 plunging 형태의 쇄파가 발생하지 않고 그로인한 기포도 관찰 되 지 않는다. Barcellona, et al. (2003)은 선수 형상을 변화시키며 고정된 선체에서 발생하는 갑판침입수의 갑판상 유동을 관찰하고 수직벽 전체에 작용하는 하중을 계측하는 실험을 수행하였으나 Greco (2001)과 같은 plunging 형태의 쇄파와 그로인한 공기방 울을 관찰 할 수 있다. 원형 선수에서 수직벽에 작용하는 하중이 타원형이나 삼각형 선수에 비하여 크게 나타남을 보였다.

갑판침입수는 실험조건에 따라 서로 상이한 결과를 주기 때문 에 타 연구자의 연구결과를 참고하는데 많은 어려움이 있다.

Barcellona, et al. (2003)는 고정된 선체에서 갑판형상에 따른 갑판상 유동수의 차이를 실험을 통하여 분석하였으나, 실제 선체 운동의 영향을 고려한 실험을 수행하지 않았다. 본 연구에서는 선수갑판형상이 갑판침입수에 미치는 영향을 알아보기 위하여 고 정된 선체에서 작용하는 갑판침입수를 수치적으로 계산하여 선수 주위 유동과 갑판상 유동의 차이를 비교하였으며, heave와 pitch 가 자유로운 모형선에 발생하는 갑판침입수를 실험하여 그 차이 를 비교하였으며, 운동이 동일한 조건을 수치적으로 시뮬레이션 하여 차이를 비교하였다.

2. 실험 및 수치계산의 방법

대상선형은 Ha, et al. (2011)과 동일한 재화중량 140,000 DWT FPSO(Fig. 1)이며, 주요제원은 Table 1과 같다. 대상선형 의 선수는 삼각형 형상의 수선면과 갑판형상을 가지며, 모형의 축척은 인하대학교 선형시험수조의 크기와 조파기의 구동을 고려 하여 1/150로 결정하였다.

Fig. 1 Body plan of the 140,000 DWT FPSO (Ha, et al., 2011)

삼각형(triangular)의 수선면과 선수갑판을 타원형(elliptic)과 원형(circular)으로 변화시키며 수치계산과 모형실험을 수행하였 다. 선체길이를 고정시키고 선수의 수평방향 단면 형상만을 변화 시켰기 때문에 타원형의 경우 삼각형에 비하여 약 3% 배수량이

증가되게 되고, 원형의 경우 삼각형에 비하여 약 7% 배수량이 증 가하게 된다. 삼각형, 타원형, 원형 선수의 형상은 Fig. 2와 같다.

타원형 선수의 장축과 단축의 비율은 2:1이다.

Table 1 Principal dimensions of the FPSO

Ship Model

Scale ratio 1/150

LBP(m) 258.00 1.720

Breadth(m) 46.00 0.307

Depth(m) 26.60 0.177

Loaded draft(m) 18.35 0.122

Freeboard(m) 8.25 0.055

Loaded disp.(t) 181,000 0.054

KG(m) 23.70 0.158

LCB Forward 3.48% of LBP

Pitch radius of gyration 0.32LBP

Fig. 2 Bow deck shapes (Triangular, Elliptic, Circular) (Ha, et al., 2011)

2.1 모형실험 방법

모형선의 갑판 상에는 실선의 상부구조물을 대신하여 수직 벽 을 세웠다. 수직 벽 폭은 갑판 상으로 유입되는 갑판침입수가 선 체 측면으로 잘 빠져나가게 하기 위하여 모형선 폭의 1/3배로 결 정하였으며, 길이방향 위치는 8.5 스테이션(station)으로 실선에 서 터렛이 위치하는 곳과 동일하게 하였다. 모형선 갑판은 갑판 침입수의 물리적 현상을 쉽게 파악하기 위하여 캠버나 시어를 무 시하고 단순화하여 제작하였다. 모형선의 적재조건은 만재상태로 결정하여 모형실험 시 최소 건현높이를 가지도록 하였다. Fig. 3 과 같이 갑판 상과 수직 벽에 압저항식(piezoresistive type) 압력 센서를 설치하였으며, 갑판 상의 압력센서는 P1~P3, 수직 벽의 압력센서를 P4~P6라 하였다. 또한 갑판 상으로 유입되는 상대파 고, 갑판 상과 수직 벽 근처에서의 수위를 계측하기 위하여 상대 적으로 가볍고 가는 저항식 파고계를 선체에 설치하였다.

Fig. 3 Schematic drawing for the positions of the wave probes and the pressure transducers (Ha, et al., 2011)

유입파를 계측하기 위하여 모형선으로부터 1.5m 앞에 용량식 파고계를 설치하였다. 선체 운동은 선수, 선미에 전위차계(poten- tiometer)를 설치하여 계측하였다. 또한 충격압력과 같이 짧은 시 간에 일어나는 현상을 계측하기 위하여 데이터 취득 비율 (sampling rate)이 매우 높아야 한다. Barcellona, et al. (2003) 은 갑판침입수 충격압력을 14kHz로 계측하였으나, 본 연구에서 는 모형크기가 작아 이보다 높은 20kHz로 계측하였다. 유입된 갑 판침입수의 갑판 상 유동을 관측하기 위하여 모형선 갑판에 격자 를 표시한 후, 고속카메라를 이용하여 갑판상 유동을 촬영하였다.

고속카메라의 촬영속도는 500 frame/s이다.

2.2 수치계산 방법 및 검증

지배방정식으로는 Navier-Stokes 방정식(식 (1))과 연속방정식 (식 (2))을 사용하였다. 지배방정식의 대류항을 제외한 나머지 항 은 시간에 대하여 전진차분법, 공간에 대하여 중심차분법을 이용 하여 이산화 하였다. 대류항은 삼차상류차분법을 이용하였으며, 물체주위의 격자는 일차상류차분법을 이용하여 이산화 하였다.

대류항의 시간적분은 Adams-Bashforth법을 이용하였다. 자세한 수치계산기법과 물체와 자유수면의 경계조건은 Jeong, et al.

(2010)에서 찾아 볼 수 있다.



 

∇  ∇^  

_

(1)

∇ ∙   (2)

식 (1)의 는 속도, 는 시간, 는 밀도, 는 압력, _는 물 체의 운동으로 인하여 유체에 작용하는 가상의 체적력이다. Fig.

4는 움직이는 물체를 계산하기 위한 관성계(inertial coordinate system)와 가속계(noninertial coordinate system)의 관계를 나타 낸 그림이다. 관성계에서 바라본 유체의 속도는 가속계에서의 유

체 속도에 가속계(계산영역)의 이동속도를 더하여 식 (3)과 같이 표현할 수 있다.

Fig. 4 Coordinate systems for moving domain (Jeong, et al., 2010)

_ _ _  ×  (3)

_ _ ×    ∙  × _  ×  ×   _ (4)

식 (3)의 _는 관성계에서 유체의 속도를 나타내고 _는 가 속계에서 유체의 속도, _는 가속계의 병진운동속도, 는 가속 계의 회전속도,  회전중심에서부터 거리를 나타낸다. 식 (3)을 미분하여 정리하게 되면, 식 (4)를 얻을 수 있다. 식 (4)의 _는 관성계에서 유체의 가속도를 나타내며, _은 가속계에서 유체의 가속도를 나타낸다. _은 관성계에서 유체에 작용하는 체적력으 로, 본 연구에서는 중력이 이에 해당된다. 계산영역의 이동으로 유체에 작용하는 가상의 힘(식 (1)의 _)은 식 (5)와 같다.

_ __×    ∙  × _  ×  ×   _ (5)

식 (5)의 우변 첫 번째 항은 실제 유체의 가속을 나타내며, 두 번째 항은 접선가속도를, 세 번째 항은 코리올리 가속도를, 네 번 째 항은 구심가속도를 나타낸다.

(a) Experiment (b) Calculation

Fig. 5 Comparison of water levels on the deck of the fixed model

(a) Experiment (b) Calculation

Fig. 6 Comparison of pressures on the deck and vertical wall of the fixed model

계산영역의 유입부에는 Stokes 2차 파이론의 속도와 압력 분 포를 대입하여 파를 생성하였다. 하부의 경우 압력은 Stokes 2차 파이론의 압력분포를 대입하였고, 속도는 Neumann조건을 대입 하였다. 상부와 유출부 측면의 속도와 압력경계조건은 모두 Neumann조건을 적용하였다.

수치계산방법을 검증하기 위하여 고정된 모형선에서 발생하는 갑판침입수의 수위와 압력을 실험과 비교하였다. 유입파의 파장 은 모형선 길이와 같은 1.72m이고 파고는 건현높이의 두 배인 0.110m이다. 모형선 선수갑판형상은 삼각형이다. Fig. 5는 실험과 수치시뮬레이션에서 계측된 갑판상 수위를 비교한 그림이고, Fig.

6은 갑판과 수직벽에서의 압력을 비교한 그림으로 수치계산과 모 형실험에서 얻은 갑판상 수위와 압력의 경향이 유사한 것을 볼 수 있다.

Fig. 7 Comparison of the water shape on the deck and near the bow of the heave/pitch free model

WP1

WP3

(a) Experiment (b) Calculation Fig. 8 Comparison of green water level on the deck of

the heave/pitch free model

Triangular P4

(a) Experiment (b) Calculation Fig. 9 Comparison of pressure on the vertical wall (P4)

of the heave/pitch free model

Heave와 pitch가 자유로운 조건에 대한 수치기법의 검증을 수 행하였다. 유입파의 파장은 모형선 길이와 같은 1.72m이고 파고는 건현의 높이와 같은 0.055m이다. 실험과 계산에 사용된 선박의 선 수 수선면 형상은 삼각형이다.

고속카메라를 이용하여 촬영한 갑판침입수의 형상과 수치계 산의 갑판침입수 형상을 Fig. 7에 비교하였다. 수치계산결과 선 수끝 부분(9 station 이후)에서 유입되는 두꺼운 갑판침입수는 그 형태가 유사하지만 그 보다 뒤쪽(9 station 이전)에서 유입되 는 두께가 얇은 갑판침입수는 차이가 있다. 이러한 차이로 수치 계산에서 수직벽에서의 수위가 실험에 비하여 다소 작게 나타나 지만(Fig. 8), 수직벽에 발생하는 압력의 경향은 유사하게 나타 난다(Fig. 9). 두 가지 검증을 통하여 본 연구에서 적용한 수치기 법으로 고정된 선체와 heave와 pitch가 자유로운 선박에서 발생 하는 갑판침입수를 시뮬레이션 하기에 문제가 없을 것으로 판단 하였다.

3. 수치계산을 통한 고정된 선박의 갑판침입수

계산에 사용된 유입파의 파장은 선체길이와 같은 1.72m이고 파고는 건현높이의 두 배인 0.110m이다. Fig. 10은 선수 주위와 갑판침입수의 거동을 나타낸 그림이다. 타원형과 원형 갑판의 경 우 갑판으로 물이 유입되기 전(5.3초), 선수 앞의 파고가 삼각형 갑판에 비하여 높게 나타나는 것을 볼 수 있다. 이로 인하여 삼각

형 갑판에 비하여 많은 양의 물이 선수 정면으로 유입된다(5.4 초). 이는 타원형과 원형 갑판의 경우 선수가 상대적으로 비대하 여 파도를 가르지 못하기 때문으로 판단된다. 갑판으로 물이 유 입되어 수직벽 방향으로 전진하는 과정에서(5.5~5.6초), 삼각형 갑판의 경우 갑판침입수가 선체 중심으로 집중되는 현상이 타원 형과 원형 갑판에 비하여 강하게 나타나 선체 중심에서 수위가 높아진다. 선체중심으로 물이 집중되는 현상은 타원형 갑판에서 도 나타나지만 갑판침입수가 수직벽에 가까이 접근하면 수위 차 이가 작아지는 것을 볼 수 있다.

(a) Triangular bow

(b) Elliptic bow

(c) Circular bow

Fig. 10 Free surface height contours near and on the bows (fixed model calculation)

Fig. 11 Maximum green water elevation at WP1 and WP3 (fixed model calculation)

Fig. 11은 WP1과 WP3에서 측정한 갑판침입수의 최대수위를 나타낸 그림이다. 삼각형 갑판의 경우 W1과 W3에서 모두 가장 낮 은 수위를 보이고 있으며, 타원형 갑판의 경우 가장 높은 수위를 보인다. 수직벽에서의 압력은 수위가 높은 타원형 갑판에서 가장 크게 나타나며, 최대수위가 낮은 삼각형 갑판에서 가장 작게 나타 난다(Fig. 12). 최대수위만으로 짧은 시간에 발생하는 수직벽의 압

력변화를 설명하기에는 무리가 있는 것으로 판단하여 갑판침입수 선단(leading edge)의 전진속도와 수위를 비교하였다.

Fig. 12 Peak pressure on the vertical wall at P4 (fixed model calculation)

Fig. 13 Velocity variations of the green water leading edge by the front edge positions (fixed model calculation)

Fig. 14 Water level variations of the green water front edge by the front edge positions (fixed model calculation)

Fig. 13은 갑판상 위치에 따른 갑판침입수 선단의 속도를 나타 낸 그림이다. 삼각형 갑판의 경우 F.P.에서 타원형과 원형 갑판 에 비하여 갑판침입수 선단의 속도가 빠르지만 수직벽에 가까운 위치에서는 타원형 갑판의 갑판침입수 선단의 전진 속도가 가장

크게 나타난다. Fig. 14는 갑판상 위치에 따른 갑판침입수 선단 의 두께 변화를 나타낸 그림이다. 갑판침입수 선단의 두께는 선 단으로부터 3.3mm 뒤쪽에서 측정하였다. 이는 수직벽 앞에서 갑 판침입수 선단의 평균 전진 속도 0.55m/s와 갑판침입수 충격얍 력의 평균 승압시간(rising time) 0.006초를 곱하여 얻은 값이다.

F.P.에서 갑판침입수 선단의 두께는 타원형 선수에서 가장 높게 나타나지만 수직벽 앞에서는 가장 얇게 나타나고 있다. 타원형 갑판에서 갑판침입수의 충격압력이 가장 크게 나타나는 이유는 갑판침입수 선단의 속도가 빠르기 때문인 것으로 판단된다.

원형 갑판의 경우 갑판침입수가 선체중심으로 집중되는 현상 이 작아 타원형 갑판에 비하여 갑판침입수 선단의 전진속도가 작 다. 삼각형 갑판의 경우 갑판침입수가 선체중심에 집중되어 선단 의 두께가 두꺼운 상태로 지속되는 시간이 길지만 갑판으로 유입 되는 유량이 작아 갑판침입수 선단의 전진속도가 전체적으로 낮 게 나타난다.

(a) Heave

(b) Pitch

Fig. 15 RAOs of each bow deck shapes (model experiment)

4. Heave, pitch가 자유로운 선박의 갑판침입수

4.1 모형실험 결과

갑판침입수 실험 전 운동실험을 통하여 선수갑판형상 변화에 따른 선체 운동 특성의 변화를 확인하였다. Fig. 15는 각 갑판형 상의 RAO(Response Amplitude Operator)를 비교한 그림이다.

갑판 형상 변화에 의한 선체 운동에 작은 차이가 나타나지만, 경 향이 유사한 것을 확인 할 수 있다. 특히 유입파의 파장이 선체길 이와 같은 조건에서는 큰 차이가 없다.

갑판침입수 실험에 사용된 유입파의 파장은 선체길이와 같은 1.72m이고 파고는 건현높이와 같은 0.055mm이다. 운동실험에 서는 갑판 형상에 따른 운동의 차이가 크지 않았으나, 갑판침입 수가 발생하면 Fig. 16에 보이는 것과 같이 선체운동과 상대파고 (Fig. 17)에 큰 차이가 발생하게 된다. 이러한 차이가 발생하는 것은 갑판침입수로 인하여 선수부의 질량이 증가하는 것과 유사 한 효과가 발생하기 때문인 것으로 판단된다.

Fig. 18은 고속카메라로 촬영한 갑판침입수의 진행과정을 비 교한 사진이다. 삼각형 갑판의 경우 물이 유입되는 초기 (0.12sec)부터 물이 선체 중심으로 집중되지만 타원형과 원형 갑 판의 경우 갑판침입수가 약 9.5 station까지 진행한 후부터 선체

(a) Heave

(b) Pitch

Fig. 16 Ship motions of each bow deck shape in green water condition (heave/pitch free model experi- ment)

Fig. 17 Relative wave heights of each bow deck shapes (heave/pitch free model experiment)

(a) Triangular bow

(b) Elliptic bow

(c) Circular bow

Fig. 18 Green water shapes of each bow deck shapes (heave/pitch free model experiment)

중심으로 집중 되는 형상이 뚜렷해진다. 또한 삼각형과 타원형 갑판의 경우 선체 측면으로 물이 유입되는 것을 볼 수 있지만, 원 형 갑판의 경우 선체 측면으로 들어오는 물의 양이 매우 적다. 타 원형과 원형 갑판의 경우 갑판침입수가 수직벽에 접근하기 전에 넓게 퍼지는 것을 볼 수 있으며 삼각형 갑판의 경우 넓게 퍼지지 않고 수직벽에 부딪치게 된다.

Fig. 19는 갑판상에서의 수위를 비교한 그림이다. 상대수위가 낮은 원형갑판에서 WP1의 수위가 가장 낮게 나타난다. 충격압력 은 갑판침입수가 선체 중심으로 집중되는 현상이 가장 강하게 나 타나는 삼각형 갑판에서 가장 크게 나타난다(Fig. 20).

원형 갑판에서 발생하는 충격압력이 타원형 갑판에 비하여 작

게 나타나는 것을 볼 수 있다. 타원형과 원형 갑판은 갑판상 유 동의 차이보다 선체운동의 차이가 갑판침입수 하중에 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다.

Fig. 19 Green water level of each bow shapes (heave/

pitch free model experiment)

Fig. 20 Peak pressure at P4 of each bow shapes (heave/pitch free model experiment)

4.2 운동이 동일한 조건의 수치계산 결과

Takagi and Naito (1993)은 수선면 상부의 선수형상이 변하여 도 선체운동의 변화가 작아 갑판침입수에 큰 영향을 미치지 못한 다고 결론을 내렸다. 수선면 하부 형상을 동일하게 유지하고 갑 판형상을 변화시키는 경우 갑판형상 선정의 참고자료를 만들고자 운동이 동일한 조건에서 삼각형, 타원형 및 원형 갑판에서 발생 하는 갑판침입수를 수치적으로 시뮬레이션 하였다. 선체 운동은 4.1의 실험에서 얻은 삼각형 갑판의 운동을 이용하였다. 수치계 산에 사용된 모델은 선수 플레어의 영향을 없애기 위하여 수선면 상부와 하부 형상을 동일하게 유지하였다.

수치계산에 사용된 유입파는 모형실험과 동일한 파장 1.72m, 파고 0.055m이다. 수치계산을 통하여 얻은 선수주위와 갑판 상 파형을 Fig. 21에 나타내었다. 초기 갑판위로 갑판침입수가 유입 되는 시간 2.00∼2.16초에는 타원형과 원형의 경우 선수 주위 유 동에 큰 차이가 나타나지 않지만, 삼각형의 경우 선수 끝에서 갑 판침입수가 집중되어 중심부가 돌출 된 것을 볼 수 있다. 선수주 위 수위가 선수높이보다 낮은 2.24초에서 삼각형과 타원형의 경

우 중심에서 수위가 높게 나타나는 반면 원형의 경우 전체적으로 높고 넓게 나타난다. 삼각형 갑판의 경우 선수 측면으로 유입되 는 물의 양이 다른 선형에 비하여 많은 것을 볼 수 있다. 수직벽 에 부딪치는 시간 2.40초에는 타원형 선수에서 다른 선수 형상에 비하여 얇은 갑판침입수가 수직벽에 부딪치게 된다.

(a) Triangular bow

(b) Elliptic bow

(c) Circular bow

Fig. 21 Free surface hight contours near and on the bows (heave/pitch free model calculation)

Fig. 22는 갑판상 수위기록을 비교한 그림이다. WP1에서는 삼각형 갑판의 수위가 가장 높으며, 이는 선체중심부로 물이 집 중되기 때문이다. 타원형과 원형 갑판 간에는 차이가 크지 않지 만 원형 갑판에서 다소 높게 나타난다. WP3에서는 타원형 갑판 에서 수위가 가장 낮게 나타나며, 삼각형 갑판에서 가장 크게 나 타난다.

Fig. 22 Comparison of green water elevations of each bow shapes (heave/pitch free model calculation)

Fig. 23은 수직벽에 발생하는 충격압력을 비교한 그림이다. 타 원형 갑판의 충격압력은 원형 갑판에 비하여 약 10%, 삼각형 갑 판에 비하여 약 40% 작게 나타나는 것을 확인 할 수 있다. 이러

한 차이는 원형에 비하여 갑판침입수의 양이 적고, 삼각형에 비 하여 중심으로 집중되는 현상이 약하고 선수 측면으로 유입되는 물의 양이 적기 때문으로 여겨진다. 선체운동이 동일한 경우 타 원형 갑판이 삼각형과 원형 갑판에 비하여 갑판침입수 충격압력 측면에서 더 좋은 성능을 보이는 것으로 판단된다.

Fig. 23 Comparison of peak pressure at P4 of each bow shapes (heave/pitch free model calculation)

5. 결 론

선수갑판형상이 갑판침입수에 미치는 영향을 알아보기 위하여 수치계산을 이용하여 고정된 모형선에서 발생하는 갑판침입수를 수치시뮬레이션을 수행하였다. 또한 heave와 pitch가 자유로운 모형선에서 발생하는 갑판침입수를 실험과 수치시뮬레이션을 통 하여 알아보았다.

고정된 모형선의 경우 갑판으로 유입되는 물의 양은 수평면상 선수끝단 각도의 영향을 크게 받아 선수가 비대할수록 갑판침입 수의 하중이 커지게 된다. 본 연구에서 삼각형 갑판에서는 원형 과 타원형 갑판에 비하여 약 20% 작은 하중이 작용하였다.

Heave와 pitch가 자유로운 모형선의 경우 갑판침입수 발생 시 갑판형상에 따라 운동에 큰 차이가 나타난다. 원형 갑판의 경우 다른 갑판형상에 비하여 상대파고가 약 30% 작게 나타난다. 타 원형 갑판과 삼각형 갑판의 경우 상대파고에는 큰 차이가 없지만 수직벽 압력의 경우 삼각형 갑판이 약 30% 크게 나타난다. 이는 고정된 선체와 같이 선체중심으로 물이 집중되기 때문이다.

고정된 선체의 경우 수평방향으로 진행하는 파도가 선체에 막 혀 수위가 상승하게 되고 선체가 운동하는 경우 수직으로 하강하 는 선체에 의하여 상대파고가 증가하기 때문에 선수갑판형상의 효과가 다르게 나타난다.

선체운동이 동일한 경우 타원형 갑판에서 가장 작은 압력이 수 직벽에 작용한다. 타원형 갑판의 경우 삼각형 갑판에 비하여 선 체중심으로 물이 집중되는 현상이 약하여 압력이 약 40% 작으 며, 원형 갑판에 비하여 선수 정면으로 유입되는 물의 양이 적어 얍력이 약 20% 작게 나타난다.

본 연구의 결과는 선박형태의 해양구조물 기본설계 시 선수 형상 결정에 기초적 참고자료로 활용이 가능할 것이다.

후 기

이 논문은 2008년도 정부(교육과학기술부)의 재원으로 한국과 학재단의 지원(No. R01-2008-000- 20531-0) 및 인하대학교의 지원을 받아 수행된 연구임.

References

Barcellona, M. Landrini, M. Greco, M. & Faltinsen, O.M., 2003. An Experimental Investigation on Bow Water Shipping. Journal of Ship Research, 47(4), pp.327-346.

Buchner, B., 1995. On the impact of green water loading on ship and offshore unit design. In Proceedings of the Sixth International Symposium on Practical Design of Ships and Mobile Units (PRADS '95), Seoul, Korea, 17–22 September 1995, 1, pp.430–

443.

Greco, M., 2001. A two-dimensional study of Green Water Loading. Ph.D. Department of Marine Hydrodynamics, Norwegian University of Science and Technology.

Ha, Y.J. Lee, Y.G. & Jeong, K.L., 2011. A bow design for the decrease of green water impact loading in regular waves. Proceedings of KSOE Autumn Conference 2011, Bcusan BEXCO, Korea, 3 June 2011.

Jeong, K.L. Lee, Y.G. & Kim, N.C., 2010. A Fundamental Study for the Numerical Simulation Methods of Green Water Incident near the Bow.

Journal of Society of Naval Architecture of Korea, 47(2), pp.188-195.

Lloyd, A.R.J.M. Salsich, J.O. & Zseleczky, J.J., 1985.

The Effect of Bow Shape on Deck Wetness in Head Seas. Transaction of RINA, 127, pp.9-25.

Ogawa, O., 2003. Long-Term Prediction Method for the Green Water Load and Volume for an Assessment of the Load Line. Journal of Marine Science and Technology, 7(3), pp.137-144.

O’dea, J.F. & Walden, D.A., 1984. The effect of bow shape and nonlinearities on the prediction of large amplitude motion and deck wetness. 15th Symposium on Naval Hydrodynamics, Hamburg.

Soares, C.G. & Pascoal, C., 2005. Experimental Study of the Probability Distributions of Green Water on the Bow of Floating Production Platforms.

Transactions of the ASME, 127, pp.234-242.

Takagi, K. & Naito, S., 1993. Deck Wetness and Influence of Above Water Hull Form at Bow. Journal of Kansai Society of Navlal Architect, 290, pp.111-120.

Wist, H.T. Myrhaug, D. & Rue, H., 2006. Second Order Model for Wave Crests Used in Prediction of Green Water Load and Volume on Ships in Random Waves. Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering, 128(4), pp.271-238.

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