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영남 후
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1 대한조선학회논문집 Journal of the Society of Naval Architects of Korea Vol. 48, No. 5, pp , October 구속모형시험을이용한 KCS 선형의조종성능추정 신현경 1, 최시훈 1 울산대학교조선해양공학부 1 Prediction of Maneuverability of KCS Using Captive Model Test Hyun-Kyoung Shin 1, Si-Hoon Choi 1 School of Naval Architecture and Ocean Engineering, University of Ulsan 1 Abstract Recently, ultra large scale of ship is being ordered continuously and because of that, the accurate prediction of ship maneuverability in design stage becomes important matter. The model test like PMM test or CFD analysis are representative methods for predicting the maneuverability of ship. In this study, the captive model tests were carried out for predicting maneuverability of MOERI container ship(kcs) which is opened to the public using X-Y Carriage of Ocean Engineering Wide Tank of University of Ulsan. Considering the dimensions of tank, 2m class model ship was used for captive model test. CMT(Circular Motion Test) was performed for obtaining purer hydrodynamic coefficients related to yawing velocity. For getting hydrodynamic coefficients which cannot be obtained using CMT, PMM test(planar Motion Mechanism test) were also performed. The maneuverability prediction results by simulation are compared with those of other research institutes. Keywords : Maneuverability( 조종성능 ), Captive model test( 구속모형시험 ), KCS(KCS), X-Y carriage(x-y 전차 ), CMT( 선회시험 ), Hydrodynamic coefficient( 유체력미계수 ), PMM test(pmm 시험 ) 1. 서론 최근초대형선박의발주가계속해서이어지고있으며이에따라설계단계에서의정확한조종성능의추정은상당히중요한사항이되었다. 선박의조종성능을추정하기위한방법으로가장대표적인것으로모형시험과전산유체역학을이용한방법을들수있다. 최근에는전산유체역학을이용한조종성능추정에관한연구가활발히진행되고있으나 (Shin & Jung, 2010), 아직도모형시에극히의존적인것이사실이다. 조종성능추정을위한모형시험은크게구속모형시험과자유항주시험으로나눌수있는데, 장소의제약등으로인하여대부분의조선소와연구소에서가장많이쓰이는모형시험이구속모형시험에해당하는 Planar Motion Mechanism( 이하 PMM) 시험이다. 최근에는 PMM 시험을통해서도시운전결과와거의유사한조종성능추정이가능하지만, 전차운동의한계로선수동요각속도와관련된비선형조종성미계수를정확하게찾는데는어려운점이있어, Circular Motion Test( 이하 CMT) 나회전팔시험과같은구속모형시험을이용하여좀더정확한선수동요각속도에대한비선형유체력미계수를얻음으로써, 상호보완적인기법을활용할수있다. 국내에서의 CMT 를이용한조종성능추정에관한연구는 Shin, et al. (2009) 과 kim, et al. (2009) 에의해수행된바있으며, 본연구에서는 CMT를 이용하여선수동요각속도와관련된유체력미계수를획득하고, CMT 를통해얻을수없는부가질량력과관련한유체력미계수를 PMM 시험의순수좌우동요시험과순수선수동요시험을통해얻었으며, 그외의모든유체력미계수는정적시험을통해구하여조종시뮬레이션을수행하였다. 모형시험은울산대학교해양공학수조에설치된 X-Y 전차를이용하여 MOERI container ship (KCS) 모형선에대해수행되었다. KCS 이외에도 KVLCC1, KVLCC2 선형의조종성능추정이각기관에서수행되어발표및토론하는워크숍이 SIMMAN 2008 이라는이름으로개최된바있으며, KCS 선형에대해서는최근에도많은연구가진행되었다 (kim, et al., 2009; son, et al., 2010). 모형시험으로부터얻어진시뮬레이션결과를앞서언급한다른연구기관의조종성능추정결과와비교하였다. 2. 조종운동방정식 본연구에서사용된좌표계와수학모델은각각 Fig. 1과식 (1) 과같이나타낼수있다. 수학모델은선체와프로펠러, 러더에작용하는유체력을따로분리하지않고모두선체에작용하는것으로가정하는전선수학모델을사용하였다. 접수일 : 2011 년 3 월 13 일 1 차수정일 : 2011 년 6 월 12 일 게재확정일 : 2011 년 9 월 9 일 교신저자 : hkshin@ulsan.ac.kr,

2 구속모형시험을이용한 KCS 선형의조종성능추정 식 (1) 에서 m' 과 IZ' 은각각무차원화된배수량과무차원화된 Z축에관한관성모멘트를나타내고 xg' 은무차원화된, 선체고정좌표의원점으로부터무게중심까지의거리를나타낸다. X', Y' 그리고 N' 은각각무차원화된 X, Y방향으로의힘과 Z축에대한모멘트를나타내고, 위첨자 는시간에대한미분을, 아래첨자 H, P, R은각각선체, 프로펠러, 타를의미한다. 모형시험시선체에작용하는유체력과프로펠러에의한추력, 그리고타력은식 (2)~(4) 와같이표현할수있다. u, v, r, δ 그리고 η는각각종방향속도, 횡방향속도, 선수동요각속도, 타각, 그리고전진비 (η = u0/u) 를나타낸다. 2.2 프로펠러힘 2.3 타력 (3) (4) 3. 구속모형시험 Fig. 1 Coordinate system 2.1 선체에작용하는힘 여기서 X(u)' 는저항시험결과로부터얻어진다. (1) (2) 선박의조종성능을추정하기위한모형시험에는여러가지가있다. 크게모형선의 6자유도를모두구속하지않은상태에서선박의조종성능특성을직접확인할수있는자유항주시험과모형선을예인전차에구속시켜예인하면서모형선에작용하는유체력을계측하여조종성미계수를구해조종시뮬레이션을이용하여조종성능을예측하는구속모형시험으로나눌수있다. 일반적으로구속모형시험에는 PMM 시험, 회전팔시험 (Rotating Arm Test), CMT 등이있다. 많은연구소와조선소에서가장많이사용하는방법은 PMM 시험으로, 부가질량력과감쇠력을동시에구할수있다는장점이있으나, 강제동요장치의운동진폭의한계로인하여선수동요각속도와관련된비선형유체력미계수를구하는데에는한계가있다. 선수동요각속도와관련된좀더정확한비선형유체력미계수를획득하기위해서 CMT 나회전팔시험이사용된다. 하지만 CMT 나회전팔시험의경우정상선회운동을구현하기때문에횡방향가속도나선수동요각가속도와관련된유체력미계수를구할수없다는단점이있다. 이에본연구에서는 CMT 를통해정도높은선수동요각속도에대한비선형유체력미계수를구하도록하였고, 가속도와관련된미계수를 PMM 시험을통해구하였다. CMT 에관한자세한모형시험내용은 shin, et al. (2009) 에나타나있다. 3.1 모형선및시험조건본연구에사용된모형선은 KCS 로수조의크기를고려하여수선간길이를 2m로하여제작되었다. 모형선의주요제원은 Table 1에나타나있으며, 시험은프로펠러와타가모두부착된상태에서수행되었다 (kim, 1988). Fig. 2는조종시험을위해울산대학교해양공학수조의 X-Y 전차에모형선이설치된모습을나타내며, 조종시험을시행하기에앞서경사시험과종관성반경시험, 자유횡동요감쇠시험을 466 대한조선학회논문집제 48 권제 5 호 2011 년 10 월

신현경 최시훈 통해모형선의무게중심과종관성반경, 그리고횡동요주기를대상선형에일치시켰다. Fig. 2는조종시험을위해울산대학교해양공학수조의 X-Y 전차에모형선이설치된모습을나타내며, 조종시험을시행하기에앞서경사시험과종관성반경시험, 자유횡동요감쇠시험을통해모형선의무게중심과종관성반경, 그리고횡동요주기를대상선형에일치시켰다.

3 신현경 최시훈 통해모형선의무게중심과종관성반경, 그리고횡동요주기를대상선형에일치시켰다. Fig. 2는조종시험을위해울산대학교해양공학수조의 X-Y 전차에모형선이설치된모습을나타내며, 조종시험을시행하기에앞서경사시험과종관성반경시험, 자유횡동요감쇠시험을통해모형선의무게중심과종관성반경, 그리고횡동요주기를대상선형에일치시켰다. 본연구에서수행한구속모형시험은크게정적시험, CMT, 그리고조화운동시험이렇게세가지로분류할수있다. 정적시험은다시타각시험과편류각시험으로나눌수있고, CMT 는편류각의존재여부에따라두종류로분류할수있다. 조화운동시험은모형선을조화함수형태의강재동요를가하고예인하면서유체력을계측하는시험으로, 순수좌우동요시험과순수선수동요시험이있다. CMT 를포함한정적시험에서는유체력계측을위하여전후동요 (Surge), 좌우동요 (Sway), 그리고선수동요 (Yaw) 만을구속하여시험을수행하였으며, 조화운동시험에서는선박의전복을고려하여횡동요 (Roll) 또한구속한상태로진행하였다. 모형선프로펠러의회전수는모형선자항점에일치시켰으며, 이때의회전수는 19.8rps 이다. 모형선프로펠러와러더는울산대학교해양공학수조에서보유하고있는자유항주시스템을이용하여구동하였으며, 자유항주시스템에대한자세한내용은 shin and kim (2008) 에나타나있다. Table 2~4 에는수행된정적시험, CMT, 그리고조화운동시험조건들을정리하여나타내었다. Table 1 Principal dimensions of KCS Prototype Model Scale Lpp(m) B(m) T(m) CB GM(m) Speed 24 knots m/s Table 2 Test program-static test Type of test Yaw rate [-] Drift Angle [deg] Static Rudder 0 0 Speed and Rudder 0 0 Static Drift 0 Table 3 Test program-circular Motion Test Type of test CMT CMT with Drift Yaw rate [-] ±0.4,±0.3, ±0.2,±0.1 Drift Angle [deg] ±24,±20,±16,±12, ±10,±8,±6,±4,±2,0 Rudder Angle [deg] Model Speed [m/s] ~0.4 ±10, ± Table 4 Test program-harmonic motion test Type of test Pure Sway Pure Yaw Drift Angle [deg] Rudder Angle [deg] 정적시험결과 Independent variable (Non-dim.) 0.1~ , 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.7 Model Speed [m/s] 정적시험의경우, 예인전차의등속구간에서얻어진유체력을시간평균화작업을하여간단하게신호해석을하게된다. 이같은시간평균화작업을거친유체력을무차원화한이후, 최소자승법을이용해곡선근사하여최종적으로유체력미계수들을획득하게된다. Fig. 3~5 는타각시험을통해얻어진무차원화된횡방향힘과선수동요방향모멘트를곡선근사결과와함께나타낸그래프이며, Fig. 6에서는정적편류각시험을통해얻어진결과를나타냈다. 3.3 Circular Motion Test 결과 Fig. 2 Installed model ship at X-Y Carriage CMT 역시정적시험과마찬가지로등각속도구간에서얻어진유체력을시간평균화작업을통하여간단하게신호해석을하게된다. Fig. 7에서는편류각이없는상태에서 CMT 를수행했을때의횡방향힘과선수동요방향모멘트를곡선근사와함께나타내었고, Fig. 8과 9에서는각각편류각이있는상태에서의횡방향힘과선수동요방향모멘트를마찬가지로곡선근사와함께표현하였다. JSNAK, Vol. 48, No. 5, October

4 구속모형시험을이용한 KCS 선형의조종성능추정 Fig. 3 and with respect to variation at Fig. 6 and with respect to variation Fig. 4 and with respect to variation at Fig. 7 and with respect to variation Fig. 5 and with respect to variation at Fig. 8 with respect to and variation 468 대한조선학회논문집제 48 권제 5 호 2011 년 10 월

5 신현경 최시훈 Fig. 9 with respect to and variation Fig. 12 Out-of-phase component of and with respect to variation 3.4 조화운동시험결과 PMM 시험중조화운동시험의경우에는검력계로부터계측된신호를 0차및 1차푸리에적분값을사용하게되는데, 이는검력계로계측한신호가모형선에작용하는부가질량력과감쇠력을함께포함하고있기때문이다. 이때문에푸리에적분을통해서이값들을분리해냄으로써유체력미계수를획득하게된다. Fig. 10 에서는무차원화된횡방향가속도에따른횡방향힘과선수동요방향모멘트의 in-phase 성분을곡선근사와함께나타냈고, Fig. 11 과 Fig. 12 는무차원화된선수동요속도에따른횡방향힘과선수동요방향모멘트의 in-phase 성분과 out-of -phase 성분을나타낸다. Fig. 10 In-phase component of and with respect to variation 4. 조종시뮬레이션 PMM 시험과 CMT 를통해얻어진조종성미계수를이용하여 KCS 선형의조종성능추정을위한조종시뮬레이션을수행하였다. 조종시뮬레이션에필요한저항, 자항및프로펠러단독시험자료는 NMRI 와한국해양연구원해양시스템안전연구소의모형시험결과를사용하였다. 조종시뮬레이션결과는같은선형으로모형시험을실시한타기관에서의추정결과들과비교하였다. 4.1 선회성능 Fig. 11 In-phase component of and with respect to variation Fig. 13 과 14 에는각각타를우현으로 35 도회전하였을때의선회궤적을자유항주시험과구속모형시험과비교하여나타내었고, Fig. 15 와 16 에서는전진거리와전술선회경을비교하여나타내었다. FRT 는자유항주시험을나타내고 M은모형선자항점을나타내며 S는실선자항점을나타낸다. 구속모형시험의경우모두모형선자항점에서실시되었다. JSNAK, Vol. 48, No. 5, October

구속모형시험을이용한 KCS 선형의조종성능추정 컨테이너선의경우 GM 값이작기때문에선회시횡동요가크게일어나며, 일반적으로횡동요가큰선박일수록선박의선회성능이좋아지는효과가나타난다 (Sohn & Kim, 2003). 본연구결과역시 IMO 기준 ( 전진거리 : 4.5Lpp, 전술선회경 : 5.0Lpp) 보다상당히작은값을추정하고있다.

6 구속모형시험을이용한 KCS 선형의조종성능추정 컨테이너선의경우 GM 값이작기때문에선회시횡동요가크게일어나며, 일반적으로횡동요가큰선박일수록선박의선회성능이좋아지는효과가나타난다 (Sohn & Kim, 2003). 본연구결과역시 IMO 기준 ( 전진거리 : 4.5Lpp, 전술선회경 : 5.0Lpp) 보다상당히작은값을추정하고있다. IHI 의경우설계속도인 24knots 보다작은값인 18.6knots 에서실험을수행하였으며, GM 값또한실선기준으로 5.126m 에해당하는값을사용하여자유항주시험시횡동요가상당히작게나타났을것으로예상한다. 때문에선회성능이상대적으로나쁘게추정된것으로판단할수있다. 전진거리의경우, 본연구를비롯하여대부분의연구기관에서수선간길이의 3배정도에해당하는추정결과를가져왔다. 전술선회경의경우 NMRI 의추정결과가다소선회성능이좋지못한것으로나타났다. NMRI 의경우또한 GM 값을실선기준으로 7.326m 에해당하는큰값을사용하였기때문에상대적으로선회성능이나쁘게추정된것으로판단할수있다. 본연구결과는 MOERI 의 3자유도와 4자유도추정결과보다전진거리값을크게추정하고있는데, 이는본연구에서사용한시뮬레이션이실선스케일에서의시뮬레이션이므로타각회전속도가작기때문에나타난결과로판단할수있으며, 전술선회경과이전거리값은상당히좋은일치를보여주고있다. NMRI/NMRI 는 NMRI 에서시험과조종시뮬레이션을수행한결과이고, NMRI/MOERI 는 NMRI 에서의시험결과로얻어진유체력미계수를이용하여 MOERI 에서시뮬레이션을한결과이다. 이결과를통해서같은시험결과를이용하여조종시뮬레이션을하더라도각기관마다그정도가차이가있는것을알수있다. 이러한현상은 SIMMAN2008 에서도발표된바가있다 (kim, et al., 2009). Fig. 14 Comparison of 35 starboard turning trajectory (captive model test based) Fig. 15 Comparison of advance of 35 starboard turning Fig. 13 Comparison of 35 starboard turning trajectory (free-running test based) Fig. 16 Comparison of tactical diameter of 35 starboard turning 470 대한조선학회논문집제 48 권제 5 호 2011 년 10 월

7 신현경 최시훈 4.2 지그재그성능 Fig. 17과 18은각각자유항주시험과구속모형시험의지그재그성능궤적을비교한그래프이고 Fig. 19와 20은각기관별오버슈트각추정결과를그래프로도시한것이다. 각기관별, 모형시험종류별차이가선회성능에서보다더욱크게나타났고, 특히, 본연구에서추정한제1오버슈트각 (1st Overshoot Angle) 의경우타기관들의결과보다다소크게추정하고있으며, MOERI 에서수행한실선자항점에서의자유항주시험결과와같이 IMO 기준인 25도를약간넘어서고있다. 다른기관들과의차이가생기는원인으로는모형선자항점의차이, 모형선크기의차이에의한유체력미계수차이, 횡동요중심의위치오차등이있을수있다. 또한, 본연구는실선으로의확장으로시뮬레이션을수행하였지만, Fig. 18에나타난타기관들의경우모형스케일로시뮬레이션을수행함으로써타회전율이크기때문에이에의하여오버슈트각이작게추정될수있다. 한편, 일반적으로횡동요운동이발생할경우선회성능이좋아지는반면지그재그성능은나빠지는것으로알려져있으며 (kim, et al., 2010), 이와같은특성이잘나타난것을확인할수있다. 이처럼횡동요가큰선박일수록이에의한영향이조종성능에미치는영향이크기때문에횡동요를포함한 4자유도조종성능추정을통해본연구와비교하는것이필요할것으로생각된다. 앞서언급한것과마찬가지로같은시험결과를이용하여도기관마다시뮬레이션방법의차이로인해조종성능추정결과가다르게나타나는것을확인할수있으며, KCS 뿐만아니라시험결과가공개된 KVLCC1 과 KVLCC2 또한각기관에서추정한결과또한상당히차이가있는것이알려졌다. 추후이에대한논의가진행될예정이다 (kim, et al., 2009). Fig. 18 Comparison of 20 zig-zag trajectory (captive model test based) Fig. 19 Comparison of 1st overshoot angle of 20 zig-zag Fig. 17 Comparison of 20 zig-zag trajectory (free-running test based Fig. 20 Comparison of 2nd overshoot angle of 20 zig-zag JSNAK, Vol. 48, No. 5, October

실제로시험을수행할때검력계의횡동요중심을선박의횡동요운동중심에두기위하여노력하였지만, 일반적으로선박의운동중심은대략무게중심에서수면사이에있는것으로알려져있고, 이를정확히찾는다는것은굉장히힘들기때문에이에의해서횡동요의정도가왜곡될가능성이존재한다.

8 구속모형시험을이용한 KCS 선형의조종성능추정 5. 결론및향후과제 본연구에서는공개된 KCS 선형에대하여구속모형시험을통해조종성능을추정하였다. 추정결과는타연구기관들에서의결과들과비교하였고, 그추정정도에서다소차이가있음을확인할수있었다. 선회성능의경우 MOERI 의자유항주시험과유사한결과를보였으며, 20 지그재그성능에서제1오버슈트각에서는역시 MOERI 실선자항점에서의자유항주시험과좋은일치를보여주고있다. 앞서언급한바와같이기관마다조종성능추정정도가상당히다른것을볼수있으며, 이에대해서는추가적인연구와논의가필요하다. 실제로시험을수행할때검력계의횡동요중심을선박의횡동요운동중심에두기위하여노력하였지만, 일반적으로선박의운동중심은대략무게중심에서수면사이에있는것으로알려져있고, 이를정확히찾는다는것은굉장히힘들기때문에이에의해서횡동요의정도가왜곡될가능성이존재한다. 또한, 본연구를수행할때조화운동시험을제외하고는모두횡동요를구속하지않은상태에서진행하였기때문에횡동요의영향이어느정도포함되어있다고할수있으나, 시뮬레이션과정에서횡동요의영향을고려할수없기때문에추후 4자유도방정식을이용한조종성능추정이필요할것으로생각된다. 또한, 본연구에서는실선으로의확장으로시뮬레이션을수행하였다. 향후, 모형선스케일에서의시뮬레이션을통하여타기관과의비교를시도할것이다. 한편, 자항점에따른조종성능변화는아직도연구과제로남아있으며, 여러자항점에서조종성능이어떻게변화하는가에대한연구가필요할것으로생각한다. 또한, 본연구에서는모형선자항점에서시험을수행하였기에추후저항, 자항및프로펠러단독시험을수행하여실선자항점에서의시험결과를비교할것이다. Kim, Y.G. et al., Prediction of Maneuverability of KCS by CPMC Captive Model Test. Journal of Society of Naval Architects of Korea, 46(6), pp Kim, Y.G. et al., Prediction of Maneuverability of KCS about 4 Degree of Freedom The Korea Association of Ocean Science and Technology Societies, Jeju, Republick of Korea, June Sohn, K.H. & Kim, Y.M., A Study on New Mathematical Model of Ship Manoeuvring Motion Taking Coupling Effect of Roll into Consideration. Journal of Korean Navigation and Port Research, 27(5), pp Son, N.S. Kim, S.Y. Kim, Y.G. & Oh, B.E., On the Propulsion Support System for Free Running Model Test in the Propulsion Point of Real Ship The Korea Association of Ocean Science and Technology Societies, Jeju, Republick of Korea, June Shin, H.K. & Kim, M.S., Development of Free Running System for 2m-class Ship Models. Journal of Society of Naval Architects of Korea, 45(3), pp Shin, H.K. & Jung, J.H., Circular Motion Test Simulation of KVLCC1 Using CFD. Journal of Society of Naval Architects of Korea, 47(3), pp Shin, H.K. Jung, J.H. & Lee, H.Y., Prediction of Ship Maneuverability by Circular Motion Test. Journal of Society of Naval Architects of Korea, 46(3), pp 참고문헌 Kim, S.Y., Development of Maneuverability Prediction Technique. Korea Institute of Machinery & Materials Report UCE D. 신현경 최시훈 472 대한조선학회논문집제 48 권제 5 호 2011 년 10 월

10. J1_ _R_김연규_.hwp

10. J1_ _R_김연규_.hwp 대한조선학회논문집 Journal of the Society of Naval Architects of Korea pissn:1225-1143, Vol. 5, No. 6, pp. 429-435, December 213 eissn:2287-7355, http://dx.doi.org/1.3744/snak.213.5.6.429 2 축 POD 여객선의조종운동수학모형특성연구