본 논문은 선박저항 추정을 위한 통계해석 방법을 기술하고 있다. 조파저항계수 추정식은 조파저항이론을 이용하여 선체주요치수와 횡단면적계수들로부터 유도하였으며, 그 회귀계수들은 저항시험 결과들을 회귀 분석하여 얻었다. 형상영향계수 추정식은 선체주요지수, 횡단면적와 저항시험결과들로부터 순수하게 회귀분석하여 얻었다. 또한 선체주요지수는 바꾸지 않고 횡단면적곡선만을 변화시켜 조파저항을 최소로 해주는 방법을 제시하였다. 이 방법들은 산적화물선의 저항성능 추정에 적용하였다. 그리고 조파저항이 최소가 되는 수정선형을 도출해 냈으며, 이로인한 유효동력의 절감효과를 저항시험을 통해 확인하였다.
The present work develops a method of evaluating thrust deduction and wake for different loads of the propeller using the concerted application of the theoretical tools and experimental techniques. It also shows the applicability of the new method to the design of optimum hull form. Firstly, the problem of hull-propeller interaction was analyzed in terms of inviscid as well as viscous components of the thrust deduction and wake. The wavemaking resistance of a hull and propeller were mathematically represented by sources on the hull surface and sink on the propeller plane, respectively. The strength of sink was determined by utilizing the radial distributions of propeller load and nominal wake. The resistance increment due to a propeller and the axial perturbation flow induced by the hull in the propeller plane were calculated. Especially, the inviscid component of the thrust deduction was calculated by subtraction the wavemaking resistance of a bare hull, the wavemaking resistance of a free-running propeller and the augmentation of propeller resistance due to hull action from the wavemaking resistance of the hull with a propeller. The viscous components of the thrust deduction and wake were estimated as functions of propeller load which were established by the propeller load varying test after deduction the calculated inviscid components. Secondly, an analysis method of powering performance was developed based on the potential theory and the propeller load varying test. The hybrid method estimates the thrust deduction, wake and propeller open-water efficiency for different propeller load. This method can be utilized in the analysis of powering performance for the propeller load variation such as the added resistance due to hull surface roughness, the added resistance due to wind, etc. Finally, the hybrid method was applied to the optimum design of hull form. A series of afterbody shapes was obtained by systematically varying the waterplane and section shapes of a parent afterbody without changing the principal dimensions, block coefficient and prismatic coefficient. From the comparison of the predicted results such as wavemaking resistance, thrust deduction, wake and delivered power, an optimum hull form was obtained. The delivered power of the optimized hull form was reduced by 5.7% which was confirmed by model tests. Also the predicted delivered power by the hybrid method shows fairly good agreement with the test result. It is therefore considered that the new analysis method of powering performance can be utilized as a practical tool for the design of optimum hull form as for the analysis of powering performance for the propeller load variation in the preliminary design stage.
이상의 연구로부터 결론은 아래와 같다. 1. 점성저항과 조파저항 성분의 상호작용에 대한 어떤 측정 근거를 산출하였다. 2. Froude의 가정 ∂C sub(t)/∂R-dC sub(f)/∂R은 부정확하다는 것을 밝혀둔다. 3. 거친 표면을 가지는 모형선에 대한, 상응하는 결과는, 완전히 다른 결론을 산출할 것이라고 기대한다. 4. 다른 기하학적 동일선의 결과에 기본 마찰곡선을 적용하여 이와 같은 연구를 반복하는 것이 가능하다는 것을 남겨둔다.
조파저항과 마찰저항이 최소가 되는 선수형상을 구하기 위한 최적화문제에 관한 연구를 수행하였다. 선미부는 기존선형으로 고정하며 선수부만의 offsets을 설계변수로 하였다. 구하고자 하는 최적선형을 기존선형과 이에 대한 미소변화량으로 나누어 조파저항계산시 기존선형에는 Neumann-Kelvin 이론을 적용하고 미소변화량에는 thin ship 이론을 적용하였으며 마찰저항은 ITTC 1957 모형선-실선 상관곡선을 이용하였다. 선체표면을 모양함수(shape function)를 이용하여 근사시켰고, 이로부터 목적함수인 조파저항과 마찰저항은 offsets에 대한 2차식 형태로 표현되므로 선형구속조건을 적용하면 2차계획(quadratic programing)문제를 세울 수 있으며 complementary pivot method를 이용하여 해를 구하였다. 대상선형은 Series 60 $C_{B}$=0.6이고 Fn=0.289에서 최적화하였으며, 적절한 구속조건을 주어서 현실적인 최적선수형상을 구하고자 하였다. 본 방법으로 구한 최적선형은 thin ship 이론만을 이용하여 구한 선형과 비교할 때 설계속도 Fn=0.289에서 약간의 조파저항성능 개선(1.92%)를 가져왔다.
선박의 추진성능 추정을 위한 통계해석 기법을 연구하고 전산 프로그램을 만들었다. 조파저항계수의 추정식은 조파저항이론을 이용하여 스테이션 별 횡단면적계수의 곱으로 표현되도록 도출해 내었고, 이에 대한 회귀계수는 모형시험 결과를 회귀분석하여 얻었다. 형상계수, 반류비 및 추력감소율의 추정식들은 선체 주요지수, 스테이션 별 횡단면적계수 및 모형시험 결과들을 순순하게 회귀분석하여 얻었다. 통계해석은 여러가지 기술통계와 단계별 회귀분석 기법을 적절하게 이용하여 수행하였다. 추진성능 추정 프로그램은 저항계수, 추진계수, 프로펠러 단독효율 및 각종 척도효과 등을 모두 쉽게 수용할 수 있도록 다양하면서도 간결하게 만들었다.
In this work, a panel method is described, which cart solve the flow field round a surface-piercing body that experiences lift and wave resistance. As the body boundary condition, a Dirichlet type is employed, and as the free surface boundary condition the Poisson type is implemented, while in its discretization Dawson's 4-point upwind difference scheme is utilized, and as the Kutta condition a Morino-Kuo type is chosen. As to the type of singularity, source panels are distributed on the free surface, and source and dipole panels on the body surface, and dipole panels on the wake surface. For a sample run, a catamaran of the parabolic Wigley hull is chosen, for which experimental data are available, and the predictions by the numerical means and by the experiment are compared for a wide range of parameters.
이상으로부터 다음의 결론을 얻는다. 조파저항 이론의 전개에서 Michell 적분보다 더욱 정밀한 Neumann-Kelvin 문제가 복잡한 kernel 함수 때문에 많은 시간과 노력이 필요하지만, 원점 부근에서 Kelvin 소오스의 점근거동을 조사하여 세장체 근사를 행함으로 N-K 문제의 kernel 함수에 대한 근사와 동등하게 처리될 수 있었다. 조파저항의 계산 결과가 Michell 적분과 비슷한 경향을 보이나, 실험치와의 정확한 비교를 할 수 없었다. 그러나 세장선 이론을 적용함으로써 훨씬 복잡하고 지루한 작업을 들 수 있었다. 전진 속도를 갖는 경우에는 수정된 Green정리를 이용하면 될 것으로 기대된다.
This paper deals with a problem for determining the bulbous bow ship from which pertains to the study of the theoretical ship form planing method. In this paper has been determined the bulbous bow ship form which is a similar in geometric particulars with the conventional liner ship G.T.10, 000 by adopting the variable method for finding the optimum ship form by A.Y.C. Lee and the streamline tracing method by T. Inui and P.C. Pien. Each resistance performance is examined by the towing test and is compared with one another. The followings are the outcome of this study: Among the 5 type models, the bulbous bow ship form M.S. B 1120 is the most excellent for the resistance performance. The effect for the wave resistance is very sharp according to the difference of the bottom flattening of theoretical ship form. The optimum value of the bulbous bow for wave resistance can be obtained by the variable method mentioned above, and for the series of(Main hull+Bulb)opt., ${\alpha}=75/25$, the value is $f{\approx}0.11$.
The wave-cancelling effects of a large bulbous bow on the coastal passenger boat have been investigated in deep and shallow water. The following characteristics have been cleared through resistance tests with the model of the Korea standard type coastal passenger vessel(LWL=25.8m, B=5.5m, T=1.65m) equipped with large bulbous bows of various sizes. (1) Over the range of Froude Number 0.30, the wavemaking resistance coefficients decrease 30% or more. (2) The optimum location of bulb center is around 8% L from F.P. (3) On the 120 G.T. passenger coaster which has a speed corresponding to Froude Number 0.34, the most advantageous bulb is the one whose $a_0/L$ is about 0.28. When the speed is up, the bulb radius should be increased accordingly. (4) The large bulbous bows are effective in shallow water to a water depth of H/T=2.0. (5) Tendency to the increase in the resistance of the hull with large bulbous bow in the shallow water is generally smaller than that of the hull without bulb.
이상으로부터 다음의 결론을 얻는다. 조파저항 이론의 전개에서 Michell 적분보다 더욱 정밀한 Neumann-Kelvin 문제가 복잡한 kernel 함수 때문에 많은 시간과 노력이 필요하지만, 원점 부근에서 Kelvin 소오스의 점근거동을 조사하여 세장체 근사를 행함으로 N-K 문제의 kernel 함수에 대한 근사와 동등하게 처리될 수 있었다. 조파저항의 계산 결과가 Michell 적분과 비슷한 경향을 보이나, 실험치와의 정확한 비교를 할 수 없었다. 그러나 세장선 이론을 적용함으로써 훨씬 복잡하고 지루한 작업을 들 수 있었다. 전진 속도를 갖는 경우에는 수정된 Green정리를 이용하면 될 것으로 기대된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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