A Study on the Sail Force Prediction Method for Hull Hydrodynamic Force Measurement of 30feet Catamaran Sailing Yacht

제47권 제4호 2010년 8월 Vol. 47, No. 4, pp. 477-483, August 2010 DOI: 10.3744/SNAK.2010.47.4.477

30ft급 쌍동형 세일링 요트의 선체 유체력 계측에 의한 세일력 추정방법에 관한 연구

장 호 윤^†*, 박 충 환^*, 김 헌 우^*, 이 병 성^*, 이 인 원^**

중소 조선연 구원 해 양레저 장비개 발센터^* 부산 대학교 첨단조 선공학 연구센 터^**

A Study on the Sail Force Prediction Method for Hull Hydrodynamic Force Measurement of 30feet Catamaran Sailing Yacht

Ho Yun Jang^†*, Chung Hwan Park^*, Hyen Woo Kim^* Byung Sung Lee^* and In won Lee^**

Marine Leisure Equipment Center, Research Institute of Medium & Small Shipbuilding^* Advanced Ship Engineering Research Center, Pusan National University^**

Abstract

During sailing by wind-driven thrust on the sail, a catamaran sailing yacht generates leeway and heeling. For predicting sail force, a model test was carried out according to running attitude. Through the model test, drag and side force of the real ship was predicted. A purpose of this study is to find sail force to C.E from changed attitude during running direction. By balance of hull and sail, a heeling force of designed sail is predicted. Also through heeling force and driving force, total sail force and direction from C.E are considered with changed mast including leeway and heeling.

※Keywords: Catamaran Sailing Yacht(쌍동형 세일링 요트), Sail force(세일력), Heeling force(기 우는 힘), Driving force(전진력), Running Attitude(항주자세), Center of effort(풍압중심)

1. 서론

세일링 요트는 바람에 의해서 추진력을 가지게 된다. 항만 내에서 또는 황천이나 무풍 등의 특별한 경우를 제외하고는 일반적인 항해 중에는 바람의 힘으로만 항주하게 된다. 따라서 세일링 요트의

접수일: 2010년 5월 25일, 승인일: 2010년 6월 11일

✝교신저자: [email protected], 051-974-5581

경우에 세일의 설계는 선형의 설계와 마찬가지로 중요한 비율을 차지하게 된다. 또한 최적의 효율 을 갖는 세일을 만들기 위해서는 수조에서의 모형 선 실험과 마찬가지로 세일의 유체성능을 해석하 기 위해서는 풍동실험이나 CFD 수치계산 등이 수 행되어야 하나, 이러한 경우 비교적 많은 시간과 비용이 들게 된다. 세일에 의해 발생하는 풍력은 각 항주자세별로 선체에 작용하는 유체력과 서로

균형을 이루게 되므로 이러한 원리를 이용하여 세 일에 의해 발생되어야 하는 항력과 양력을 역으로 추정하는 방법을 제안하였다. 이는 기초 설계된 세일의 세일력의 추정을 통해서 풍동실험 전에 세 일의 재설계를 수행 할 수 있는 중요한 자료가 된 다. 따라서 재설계된 세일은 실험을 통해서 검증 을 수행함으로써 선체와 세일의 최적화된 설계를 수행하는 시간과 비용을 절감하게 된다.

이전 연구에서는 외국의 쌍동형 세일링 요트의 다수를 차지하고 있는 선형의 실측선 조사를 통하 여 개발된 30feet급 쌍동형 세일링 요트의 유체동 역학적인 특성을 해양레저수조 실험에 의해 실선 의 저항 및 모멘트 등의 유체력을 계측하였으며, (Park et al. 2010) 이 결과를 이용하여 초기설계 과정을 통해 가정된 제원을 가지는 세일에서 발생 되어야 하는 풍력을 추정하는 방법을 제안하였다.

2. 세일력 추정 대상 및 방법

2.1 실선의 저항 및 횡방향 힘으로 확장 방법 쌍동형 세일링 요트의 주요제원은 Table 1에 정 리 하였다. 유사 실측선의 주요제원과 성능을 검 토한 후 설계속도(Design speed) 는 9knot로 하 여 모형실험을 수행하였다. 선체에 유체력을 측정 하기 위해서 4분력계(4-component load cell)를 돛대(Mast) 위치에 부착하여 실험을 수행하였으 며, 선체 종방향의 상하운동과 종동요운동을 자유 롭게 만든 후 사항각(Leeway angle)과 횡경사각 (Heel angle)을 조절한 후 구속시켜 예인하며 선 체의 길이 방향의 힘(Fx), 횡방향의 힘(Fy), 돛대 에서의 Yawing Moment(Mz)와 Rolling Moment (Mx)를 계측하였다. 계측력의 방향은 Fig. 1에 도

Fig. 1 Co-ordinate system (Quotation - Park et al. 2010)

Table 1 Main particulars of yacht (Quotation - Park et al. 2010)

Designation Symbol

(unit)

Ship Value Length bet.

perpendiculars LPP(m) 9.5

Length of waterline LWL(m) 8.97

Breadth B(m) 5.86

Depth D(m) 2.045

Draft Forward DF(m) 1.03

Aft DA(m) 1.03

Wetted Surface Area WSA(m2) 29.570 Wetted Keel Area WKA(m2) 2.012

시하였다. 사항각은 0, 2, 6, 10, 14도로 설정하고 횡경사각은 0, 2, 4, 7, 10도로 설정하여 실험을 수행하였다. 항주자세 변화 시에 ITTC 1978해석법 을 근간으로 한 2차원법을 적용시켜 진행방향의 유효 추력으로 확장하였으며 저항추정 시에 실선의 공기저 항계수를 적용하여 공기 저항을 반영하는 풍상향시에 만 적용하였다. 또한 발생 가능한 횡방향의 힘(Side force)을 실선으로 확장하였다.(Park et al. 2010)

2.2 세일의 Heeling Force 추정 방법 항주자세 변화 시에 선체의 횡방향에서 발생하 는 힘의 방향은 Fig. 2에 나타내었다. 선체에서는

Fig. 2 Schematic view from the transverse direction

Side Force와 Buoyancy Force가 발생하고 세일 에서는 Heeling Force가 발생한다. 각각의 힘에 대한 모멘트의 중심점을 선정하기 위해서는 모멘 트의 중심점이 횡경사각 변화에 따라 변화가 없어 야 함으로 횡경사각에 변화에 대한 가변적인 경심 (Metacenter)와 부심(Center of Buoyancy)보다는 가변적이지 않는 무게중심(Center of Weight)을 모멘트의 중심점으로 선정하여 적용하였다. 따라 서 KG점에서부터 세 가지 힘의 모멘트 합력이 0 이 될 때 일정한 사항각과 횡경사각을 가지고 항 주를 하게 된다. 모형실험에서 확장된 실선의 Side Force와 Buoyancy Force를 통하여 기초 설계된 세일의 Heeling Force를 추정하였다.

항주자세 변화에 대한 Side Force는 KG점으로 부터 CLP(Center of Lateral Plan)점을 유체력 작 용점으로 가정하여 실선의 모멘트로 확장하였고 횡경사각에 따라 발생하는 초기 복원모멘트는 조 선공학적인 실선의 복원성계산을 적용하였다. 또 한 세일에서 발생하는 Heeling Force는 KG점으로 부터 CE(Center of effort)점을 집세일(Jib sail)과 메인세일(Main sail)의 전체 중심점으로 가정하여 실선의 모멘트를 추정하였다. 외국의 쌍동형 세 일링 요트의 다수를 차지하고 있는 세일의 실측

Fig. 3 Sail layout of catamaran yacht

Fig. 4 Schematic view from the longitudinal direction

조사를 통해서 설계된 세일의 도면을 Fig. 3에 나 타내었다.

2.3 세일의 Total Force 추정 방법

선체를 통해서 세일에서 발생하는 Heeling Force (







세일의 항력과 양력의 값은 1/2



Fig. 5 Co-ordinate system of CE

을 통해서 추정되어지는 CE에서의 세일력을 각각 의 산정된 비율로 나누어 줌으로 집세일과 메인세 일의 도심에서 걸리는 힘을 추정하였다.

Total Sail force의 방향은 Fig. 5에 도시하였다.

KG점을 중심으로 선체에서 사항각과 횡경사각이 발생 시에 CE점이 변화된다. 이를 고려하여 변동 하는 CE점에서의 _^,_의 각을 계산하였다. 또한 집세일과 메인세일로 세일력을 나누어 줄 때 Total Sail force의 방향과 각각 동일한 방향성을 가진다 고 가정하였다.

3. 세일력 추정 결과 고찰

3.1 실선의 저항 및 횡방향 힘으로 확장 결과 사항각과 횡경사각의 변화 시에 설계 속도에 해 당하는 선속 9knot에서 모형선에 걸리는 길이방향 (Fx), 횡방향 힘(Fy)를 계측한 후, 실선으로의 저 항 추정을 위해 ITTC 1978 해석법을 근간으로 한 2차원법을 적용시켜 진행방향의 유효추력으로 확 장하고 이를 Fig. 6에 나타내었다. 또한 진행방향 의 유효추력을 세일에 발생하는 추진력인, Driving Force로 사용하였다.

세일의 Heeling Force를 추정하기 위해서는 실 선의 초기복원모멘트와 항주자세 변화 시의 횡방 향의 힘(Side force)이 필요하다. 따라서 모형선을 통해서 사항각과 횡경사각의 변화 시에 실선의 횡 방향의 힘으로 확장하기 위해서는 Froude의 상사 법칙이 필요하며, Table 2에 정리하였다. 실선으로

확장한 횡방향의 힘은 Fig. 7에 나타내었다. 일정한 사항각에서 횡경사각이 변화할 때 횡방향의 힘이

Table 2 Expanding factor (Quotation - Park et al. 2010) Physical Quantity Ratio

Length 1/

Force, Weight ^× 

Moment ^× 

는 축척비이며, 0.975는 담수와 해수의 밀도 비율

Fig. 6 Change of drag by leeway and heel angle with ship (Quotation - Park et al. 2010)

Fig. 7 Change of side force by leeway and heel angle with ship (Quotation - Park et al.

2010)

유사함을 그래프를 통해서 알 수 있다. 쌍동형 세 일링 요트의 경우에는 항주 중에 실선의 횡방향의 힘은 횡경사각보다는 사항각에 의한 영향이 크게 작용함을 알 수 있다.(Park et al. 2010)

3.2 세일의 Heeling Force 추정 결과 KG점에서의 Side Force, Buoyancy Force와 Heeling Force의 모멘트 합력을 통해서 쌍동형 세일링 요트의 기초 설계된 CE점에서의 Heeling Force를 추정하였고 Fig. 8에 나타내었다. 실선 9knot로 항주 시에 사항각이 6도, 횡경사각이 4도 일 경우에 Heeling Force는 약 7.593kN이고 Driving Force는 약 5.012kN이 됨을 알 수 있다. 세일의 관점에서 동일한 Driving Force와 Heeling Force 를 가질 때 선체에서 9knot로 사항각 6도와 횡경 사각 4도를 가지고 항주함을 알 수가 있다. 또한 횡경사각이 증가할수록 세일의 Heeling Force의 영 향이 커짐을 알 수 있다.

3.3 Total Sail Force 추정 결과

선체를 통해서 얻게 되는 최종적인 세일의 Total Sail Force는 Fig. 9와 같다. 계측 되어지는 사항각과 횡경사각의 범위 내에서의 발생 가능한 Total Sail Force를 추정하였다. 사항각이 6도, 횡 경사각이 4도일 때 발생하는 세일의 Total Sail

Fig. 8 Change of heeling force by leeway and heel angle with ship

Force는 9.098kN이 됨을 알 수 있다.

세일의 추력의 방향도 세일의 설계자 입장에서 는 매우 중요한 요소이다. 사항과 횡경사가 발생 시에 세일에서의 CE점도 변화하게 된다. 변화되는 CE점에서의 _과 _를 산정하여 세일의 추력 발 생 방향으로 선정하였다. 동일한 횡경사각에서 사 항각이 변화 할 때에 _의 값은 거의 유사함으로

_을 횡경사각으로 하였다. 사항각과 횡경사각의 변화에 따른 _의 방향은 Fig. 10에 도시하였다.

0도는 Driving Force의 방향으로 하였고 90도는 Heeling Force의 방향으로 하여 나타내었다.

Fig. 9 Change of total sail force by leeway and heel angle with ship

Fig. 10 Direction (_) of total sail force by leeway and heel angle

3.4 집세일과 메인세일의 추정 결과 슬루프형 세일(Sloop type sail)은 집세일과 메 인세일의 중첩(overlap)에 따른 세일의 양력 및 항 력의 변화는 매우 작다는 것을 Yoo et al.(2005) 에 의해 밝혀진 바 있다. 이를 통해서 경험에 의 한 방법으로 Total Sail Force를 집세일과 메인세 일을 면적비로 나누어 주어 각각에 걸리는 힘을 산정하였다. Fig. 11과 Fig. 12는 사항과 횡경사가 발생 시에 집세일과 메인세일의 도심에서 발생하 는 힘을 나타내었다.

최종적으로 실선의 9knot로 항주 시에 사항각 이 6도 횡경사각이 4도를 가질 때에 기초 설계된 세일에서의 힘의 방향은 _은 약 4도이고 _는 약 56.58도로 집세일은 약2.608kN과 메인세일은 약6.490kN의 힘을 각각의 도심에서 받게 됨을 알 수 있다. 설계된 세일의 CE점을 알 수 있다면 세 일력과 방향을 선체로부터 추정할 수 있다. 따라 서 최대풍속에서의 사항각과 횡경사각이 발생 시 에 추정되어진 세일력을 넘어가지 않는 범위를 확 인하기 위해서 세일의 풍동실험 및 CFD해석을 수 행되어져야 된다. 또한 이는 세일의 안정성을 평 가하기 위한 기초자료가 될 것으로 사료된다.

4. 결론

쌍동형 세일링 요트의 이전 연구를 통해서 수행 되어진 선체의 유체력 시험을 바탕으로 기초 설계 된 세일에서 받게 되는 힘과 방향을 추정하였다.

집세일과 메인세일의 CE점과 단면적의 정보를 알 수 있다면 각각의 세일이 도심에서의 발생되는 세 일의 힘과 방향을 추정할 수 있다. 이는 기초 설 계된 세일의 재설계를 위한 기초 자료가 될 것으 로 판단이 된다.

세일의 특성, 붐(Boom)의 각도와 세일에 불어 오는 입사각의 변화로 인해서 세일의 양력과 항력 을 정확히 추정하는 것은 어려운 문제임이 틀림없 다. 따라서 CFD해석이나 풍동실험을 최소화하여 수행하기 위해서는 반드시 선체의 실험이 먼저 수 행되어져야 된다. 설계된 선체를 통해서 최대 횡 경사와 사항이 발생할 때의 세일의 힘과 방향을 추정할 수 있다면 설계속도로 항주 시에 최대 횡 경사각을 넘어가지 않는 범위 또는 최대 사항각이 발생하지 않는 범위 내에서 안정적인 세일의 설계

Fig. 11 Change of jib sail force by leeway and heel angle with ship

Fig. 12 Change of main sail force by leeway and heel angle with ship

를 할 수 있게 된다. 또한 세일링 요트의 실험과 해석에서 많은 시간과 비용을 줄일 수 있을 것이 라 생각이 된다.

후 기

본 연구는 지식경제부 전략기술개발사업의 과제인

‘세일링 요트 및 모터보트의 선체 핵심요소기술 개 발’의 일부로 수행되어졌습니다. 위 기관의 후원에 감사드립니다.

참 고 문 헌

• Marchaj, C. A., 1979, Aero-Hydrodynamics of Sailing, Granada Publishing in Adlard Coles pp. 517-547.

• Larsson, L. and Eliasson, R.E., 2000, Principles of Yacht Design, Interantional Marine of McGraw-Hill, pp. 56-58, pp. 155-163.

• Yoo, J.H., Park, I.R., Kim, J., Ahn, H.S., Van, S.H. and Lee, P.G., 2005, "Calculations on the interactions between Main and Jib Sails," Journal of the Society of Naval Architects of Korea, Vol. 42, No. 1, pp. 24-33.

• Park, C.h., Jang, H.Y., Jeong, J.W., Lee, B.S. and Chun, H.H., 2010, "A Study on the Ship Resistance and Moment Prediction for Running Attitude of 30 Feet Catamaran Sailing Yacht," Journal of the Society of Naval Architects of Korea, Vol. 47, No. 3, pp. 321- 327.

<장호윤> <박충환> <김헌우>

<이병성> <이인원>