선박의 최적 운항 자세를 찾기 위해 자유 수면을 포함한 저항 해석을 수행할 경우 많은 격자를 이용한 비정상 해석으로 인해 계산 시간이 오래 소요되는 단점이 있다. 본 연구에서는 이를 개선하여 이중 모형을 이용한 정상 해석을 통해 보다 효율적으로 선박의 최적 운항 자세를 도출하는 방법을 연구하였다. KCS를 대상선으로 선정하여 설계속도(24knots)와 저속(15knots)인 경우에 대하여 평형 상태 및 선수/선미 트림 상태에서 이중 모형 수치해석을 수행하고 기존의 연구결과와 비교하였다. 그 결과 자유수면 유무와 속도에 상관없이 선체 자세에 따른 저항 값은 동일한 경향을 갖는 것을 확인하였다. 하지만 저속일 경우 트림조건에 따른 저항의 변화의 폭에서 차이를 보였으며, 이는 압력저항에 기인한 것이다. 따라서 이중 모형을 이용한 저항 해석은 압력저항의 변동이 큰 경우에는 적용되기 어렵다는 한계점이 있다. 하지만 마찰 저항이 주요한 경우에 적용되어 계산효율을 획기적으로 높일 수 있으며, 정성적인 경향을 제시할 수 있는 타당한 방법이라 사료된다.
에어보트(Air boat)는, 판옥선처럼 선체 밑바닥이 편평한 형태로 되어있어 물위는 물론 일반 선박이 갈 수 없는 얕은 수면, 늪지수풀 위를 달릴 수 있는 모터보트의 한 종류로서, 팬 보트(Fan boat) 혹은 덕 보트(Duck boat)라고 불리기도 한다. 선체상부 뒤쪽에 장착된 로터의 회전에 의한 풍력으로 추진되며, 로터 바로 뒤에 방향키가 있다. 선체 재질로는 스틸, FRP 등이 사용되고 있으나 최근 고부가선박을 대상으로 알루미늄, 탄소섬유 사용이 늘어나고 있다. 주로 수상 크루징, 낚시, 스쿠버 등에 활용되며, 특히 선저의 독특한 형상으로 인해 군사용, 인명구조용, 수산물수송용 등 특수 목적으로도 사용된다. 이 연구에서는 에어보트 국산화 개발을 위해 주요 개발항목을 도출하고, 12인승 보트를 제조하고자 한다.
선체성능, 선박운항성능 및 기관성능의 현황파악과 예측을 하는 것은 선박설계자, 선박운항자 및 선박관리운영자에게 설계, 보선관리 및 용역관리상 대단히 중요하다. 선체성능의 전산원용예측에 관한 대부분의 문헌은 모형수조시험 및 공시해상시험의 자료를 수식화하는 데 집중하고 있다. 따라서 현재까지 자료의 수식화, 예측된 자료와 성능시험결과치의 상관기법 및 PC soft ware를 이용한 선박성능예측의 체계적 접근법 등에 관한 연구가 활발히 진행되어 왔다. 또한 선박의 Abstract Log Book의 자료 및 주기관 성능자료의 수식화, PC soft ware 개발에 의한 선박운 항성능 및 기관성능예측에 대한 연구가 역시 수행되고 있다. 이와 관련하여 본 고에서는 선체 성능(저항과 추진계수), 선박운항성능 및 주기관성능의 예측에 관하여 그 개요를 소개코져 한다.
세일링요트의 추진시 횡류를 방지하기 위하여 선체 하부에 킬을 부착하게 되는데 이는 세일의 양력에 의한 횡흐름을 멈추게 하는 역할과 힐 모멘트를 없애고 복원력을 생기게 한다. 이는 안전성에 영향을 미치기 때문에 적절한 킬의 선택은 중요하다고 할 수 있다. 또한 킬 하부에 부가물의 부착은 발라스트 중량중심을 낮춤으로서 선체 복원력에 중요한 영향을 미치므로 킬에 대한 최적형상 도출은 매우 중요하다. 이에, 본 연구에서는 저항성능 향상을 위한 동일 침수표면적의 핀킬 하부 부가물에 따른 저항특성을 비교 실험하였다. 실험방법으로는 회류 수조를 이용하여 3가지 핀킬 하부 부가물 모형킬을 모형선에 부착하여 형상별 저항특성을 비교 분석하였다. 분석 결과에 따른 저항감소 최적 형상을 도출 하였다.
세일링요트의 추진시 횡류를 방지하기 위하여 선체 하부에 킬을 부착하게 되는데 이는 세일의 양력에 의한 횡흐름을 멈추게 하는 역할과 힐 모멘트를 없애고 복원력을 생기게 한다. 이는 안전성에 영향을 미치기 때문에 적절한 킬의 선택은 중요하다고 할 수 있다. 또한 킬 하부에 부가물의 부착은 발라스트 중량중심을 낮춤으로서 선체의 복원력을 향상하기에 최적형상을 도출하여야 한다. 이에 본 연구에서는 저항성능 향상을 위한 동일 침수표면적의 핀킬 하부 부가물에 따른 저항특성 비교를 위하여 회류수조를 이용하여 3가지 핀킬 하부 부가물 모형킬을 모형선에 부착하여 형상별 저항특성을 비교 분석하여 저항감소 최적 형상을 도출한 것이다.
본 논문에서는 KRISO에서 개발한 선형설계 전용 프로그램인 HCAD와 조파저항 계산 프로그램인 WAVIS를 사용하여 소형 어선을 개발한 예를 보이고 있다. 소형 고속 어선으로 사용되고 있는 차인형 선형을 기준선으로 하여 둥근바닥 선형(Round Bilge Hull Form)을 설계한 과정과, 두 가지 선형에 대한 저항 특성을 이용하여 선체 주위의 유동장과 조파저항을 계산 하였다. 차인형 선형의 저항 특성이 둥근 바닥 선형에 비해 다소 크게 나타났으나 소형 조선소의 건조비를 감안하여 차인형 선형에 대한 저항 감소를 시도하였다. 차인형 선형은 최근 어선의 고속화에 따라 고속 운항시 과도한 선수파가 발생하기 쉽고, 심한 트림이 발생할 가능성이 있으므로, 이러한 문제를 해결하기 위해 선미웨지를 설계하였으며, WAVIS를 이용한 수치계산에 의해 저항 성능이 개선되었음을 확인하였다.
연 근해어선들은 운항 또는 조업시 안정성(복원성능 및 횡동요 저감 성능)을 향상시키기 위해 여러 가지 부가물을 설치하며, 일반적으로 Fig. 1과 같이 세 가지로 분류할 수 있다. Bare hull을 포함하여 각 부가물이 단독으로 부착된 경우 3가지, 복수의 조합으로 부착된 경우 3가지 그리고 3가지 모두 부착된 1가지에 대하여 수치 계산을 수행하였다. Table 1은 Bare hull에 대한 주요치수를 나타낸 것이고, Table 2는 3가지 부가물에 대한 주요치수를 기술하였다. 3가지 선체 부가물에 대하여 CFD에 의한 유체동역학적 성능을 평가하였다. 각각의 부가물에 대하여 단독, 2개씩 조합된 복수 그리고 3개 모두 부착된 경우에 대하여 평가를 하였다. 1번 부가물의 경우 압력저항이 마찰저항보다 차지하는 비율이 큼을 알 수 있었다. 2번과 3번 부가물의 경우 압력저항과 마찰저항이 거의 대동소이 함을 알 수 있었다. 복수조합과 3가지 모두 부착된 경우 부가물 상호간의 상관관계는 매우 작음을 알 수 있었다. 11노트에서 2번 부가물과 모든 부가물이 부착된 경우 유효마력 관점에서 약 9 % 차이를 보였다.
선박의 저항을 줄이기 위하여 발생시킨 기포의 거동을 알기 위해, 선체주위의 기포거동에 과한 기초적 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 선체주위에 발생된 기포의 거동에 대하여, 기포의 크기와 발생위치를 변화시켜가며 수치계산 및 실험을 수행하여, 선체주위의 기포거동에 관한 특성을 연구하고자 하였다. 기포의 거동방정식은 기포의 부력을 고려한 Kawakita의 것을 사용하였다. 수치계산은 MAC(Marker And Cell)법을 기초로 한 유한차분법(Finite Difference Method)을 사용하였으며, 실험은 Series 60선형에 대하여 회류수조에서 수행되었다. 실험과 계산은 서로 비교하여 보았다.
해상에서 사고선박을 예인하기 위해서는 파랑과 바람 등 각종 외력의 상태와 표류각 등 선체 자체의 상태에 대한 피예인선의 저항 증가를 정확하게 추정하여야 한다. 대부분의 사고 선박은 선체 정면 방향으로 예인되지 못하고 일반적으로 표류각 만큼 기울어진 상태로 예인된다. 이러한 표류각에 의한 저항 증가는 무시할 수 없는 정도이다. 본 논문에서는 기존의 각종 표류각에 의한 저항 증가 추정 방법을 고찰하였다. 또한 표류각에 대한 새로운 방법 즉 정면-측면 투영면적 비율 방법과 다중회귀분석에 의한 경험식 방법을 도출하였다. 이 정면-측면 투영면적 비율방법은 예인상태 추정 프로그램에 적용되었고, 이 방법은 실제 상황에서 유용한 방법이라 확인되었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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