한국해양공학회지 Journal of Ocean Engineering and Technology 편집위원회 위원장김윤해한국해양대학교 편집이사정준모인하대학교신성원한양대학교안석환중원대학교최형식한국해양대학교 편집위원강희진한국해양과학기술원고대은동의대학교권순철부산대학교김국현동명대

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1 (ISSN Print) (ISSN Online) 한국연구재단등재학술지 제 32 권제 3 호 ( 통권제 142 호 ) 2018 년 6 월 Journal of Ocean Engineering and Technology Vol. 32, No. 3 (Serial Number 142) June 2018 사단법인 The Korean Society of Ocean Engineers

2 한국해양공학회지 Journal of Ocean Engineering and Technology 편집위원회 위원장김윤해한국해양대학교 편집이사정준모인하대학교신성원한양대학교안석환중원대학교최형식한국해양대학교 편집위원강희진한국해양과학기술원고대은동의대학교권순철부산대학교김국현동명대학교김영훈경남대학교김진환카이스트김현식동명대학교남보우한국해양과학기술원류용욱부경대학교명문경만한국해양대학교박종천부산대학교백광준인하대학교송창용목포대학교윤현규창원대학교이우동경상대학교이종현제주대학교이탁기경상대학교임영섭서울대학교정동호한국해양과학기술원정세민조선대학교하태민강원대학교허정원전남대학교 국제자문편집위원 Ahmet Ergin, Istanbul Technical University Atilla Incecik, University of Strathclyde Gökhan Tansel, Tayyar Istanbul Technical University Hooi-Siang Kang, Universiti Teknologi Malaysia Moo Hyun Kim, Texas A&M University Norimi Mizutani, Nagoya University 연구윤리위원회 위원장서성부동의대학교 운영분과및심의교육 분과위원구원철인하대학교윤현규창원대학교 Editorial Boards Editor-in-Chief Yun Hae Kim, Korea Maritime and Ocean University, Korea Manuscript Editors Joonmo Choung, Inha University, Korea Sungwon Shin, Hanyang University, Korea Seokhwan Ahn, Jungwon University, Korea Hyeungsik Choi, Korea Maritime and Ocean University, Korea Editoial Board Members Hee Jin Kang, KRISO, Korea Daeeun Ko, Dong-Eui University, Korea Soonchul Kwon, Pusan National University, Korea Kookhyun Kim, Tongmyong University, Korea Younghun Kim, Kyungnam University, Korea Jinwhan Kim, KAIST, Korea Hyun-Sik Kim, Tongmyoung University, Korea Bo Woo Nam, KRISO, Korea Yong Uk Ryu, Pukyong National University, Koera Kyung-Man Moon, Korea Maritime and Ocean University, Korea Jong Chun Park, Pusan National University, Korea Kwang-Jun Paik, Inha University, Korea Chang Yong Song, Mokpo National University, Korea Hyeon Kyu Yoon, Changwon National University, Korea Woo Dong Lee, Gyeongsang National University, Korea Chong Hyun Lee, Jeju National University, Korea Tak Kee Lee, Gyeongsang National University, Korea Youngsub Lim, Seoul National University, Korea Dongho Jung, KRISO, Korea Jeong Se-Min, Chosun University, Korea Taemin Ha, Kangwon National University, Korea Jungwon Huh, Chonnam National University, Korea International Advisory Editorial Board Members Ahmet Ergin, Istanbul Technical University, Turkey Atilla Incecik, University of Strathclyde, UK Gökhan Tansel, Tayyar Istanbul Technical University, Turkey Hooi-Siang Kang, Universiti Teknologi Malaysia, Malaysia Moo Hyun Kim, Texas A&M University, USA Norimi Mizutani, Nagoya University, Japan Research and Ethics Boards Chief Sung-Bu Suh, Dongeui University, Korea Management and Deliberative and Education Department Weoncheol Koo, Inha University, Korea Hyeon Kyu Yoon, Changwon National University, Korea

3 AIMS and SCOPE Journal of Ocean Engineering and Technology (JOET) is a medium for the publication of original research and development work in the field of ocean engineering. JOET covers the entire range of issues and technologies related to the following topics: Marine hydro-mechanics including: Design of marine structures; Resistance and propulsion; Seekeeping and maneuvering; Experimental and computational fluid dynamics; Ocean wave mechanics; Thermodynamics and heat transfer; Hydraulics and pneumatics; Marine structure-mechanics including: Structural strength; Fatigue strength; Optimization and reliability; Arctic technology and extreme mechanics; Noise, vibration, and acoustics; Plasticity engineering; Concrete engineering; Coastal civil engineering including: Coatal structure engineering; Port and harbor structure engineering; Soil engineering; Drilling and exploration; Hydraulics of estuary; Seismic engineering; Coastal disaster prevention engineering; Marine material engineering including: Metallic material engineering; Organic material engineering; Ceramics; Composite material engineering; Materials evaluation engineering; Surface engineering; Tribology; Information technology and convergence fields including: Design for safety; IT-based design; IT-based production engineering; Welding mechanics; Design of underwater vehicle; Offshore energy system design; Environment and system evaluation; Control engineering; GPS and GIS; Inspection and sensor; Port and logistics; Leisure boat and deep see water; Offshore process systems engineering; Conference papers, research papers, diploma papers and academic articles can be submitted. All of the manuscripts are peer-reviewed. GENERAL INFORMATION Journal of Ocean Engineering and Technology is the official journal by The Korean Society of Ocean Engineers. The ISO abbreviation is J. Ocean Eng. Technol. and acronym is JOET. It was launched in It contains original research articles, case reports, brief communications and reviews on technical issues. It is published bimonthly in February, April, June, August, October, and December each year. Supplement numbers are published at times. All of the manuscripts are peer-reviewed. Full text is freely available from and without signing in. This journal was supported by the Korean Federation of Science and Technology Societies(KOFST) grant funded by the Korean government. Total or a part of the articles in this journal are abstracted in NRF (National Research Foundation Fund of Korea), Google Scholar, and KCI (Korean Citation Index). Manuscript should be submitted via the online manuscript website Other correspondences can be sent via an to the Editor in Chief, Prof. Yun-Hae Kim, Division of Marine Equipment Engineering, Korea Maritime and Ocean University, 1 Dongsam-dong, Youngdo-ku, Busan 49112, Korea (Tel: , yunheak@kmou.ac.kr). Correspondence concerning business matters should be addressed to Secretary-Treasurer of KSOE, Heejin Lee, President O/T room No.1302, 13, Jungang-daero 180beon-gil, Dong-gu (48821), Busan, Korea (Tel: , ksoehj@ksoe.or.kr). A subscription to the journal can be obtained by sending your order to or ing to Secretary-Treasurer of KSOE. The annual charge for subscription is 100,000KRW or equivalent. This is an open access article distributed under the terms of the creative commons attribution non-commercial license( which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited by The Korean Society of Ocean Engineers (KSOE) / ISSN(print) / ISSN(online) It is identical to Creative Commons Non-Commercial Licenses. This paper meets the requirements of KS X ISO 9706, ISO , and ANSI/NISO Z (Permanence of Paper) Printed on June 30, 2018 by Hanrimwon Co., Ltd., Seoul, Korea.

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5 한국해양공학회지 Journal of Ocean Engineering and Technology 목 차 제 32 권제 3 호 ( 통권제 142 호 ) 2018 년 6 월 < 학술논문 > 스펙트럼을이용한피로손상도계산과정최적화연구김상우 이승재 최솔미 151 컨테이너선박의셀가이드정도관리시스템개발박봉래 김현철 158 수치민감도해석을통한파랑중 FPSO운동시뮬레이션김제인 박일룡 서성부 강용덕 홍사영 남보우 166 유빙하중을받는계류된반잠수식시추선의응답해석김정환 김유일 177 깨어진해빙의사항조건에서빙하중추정법연구김현수 이재빈 184 부산신항건설이진우도주변해저지형변화에미치는영향 - 수치실험을통한정성적평가홍남식 192 부유식가변피치형수직축풍력발전기의발전효율에관한실험연구김재희 조효제 황재혁 장민석 이병성 202 포텐셜함수기반초공동수중운동체플레이닝회피제어연구김선홍 김낙완 김민재 김종혁 이건철 208 < 논문정정 > FLNG 개념설계단계에서 SMR 및 DMR 액화공정의잠재적폭발위험도비교유원우 채민호 박재욱 임영섭 213

6 한국해양공학회지 Journal of Ocean Engineering and Technology CONTENTS Volume 32, Number 3 June, 2018 <Original Research Articles> Study on Optimization of Fatigue Damage Calculation Process Using Spectrum Sang Woo Kim, Seung Jae Lee and Sol Mi Choi 151 Development of Cell Guide Quality Management System for Container Ships Bong-Rae Park and Hyun-Cheol Kim 158 Motion Simulation of FPSO in Waves through Numerical Sensitivity Analysis Je-in Kim, Il-Ryong Park, Sung-Bu Suh, Yong-Duck Kang, Sa-Young Hong and Bo-Woo Nam 166 Numerical Simulation on the Response of Moored Semi-submersible Under Ice Load Jeong-Hwan Kim and Yooil Kim 177 Estimation Method for Ice load of Managed Ice in an Oblique Condition Hyunsoo Kim and Jae-bin Lee 184 Morphological Change in Seabed Surrounding Jinwoo-Island Due to Construction of New Busan Port - Qualitative Evaluation through Numerical Simulation Namseeg Hong 192 Experimental Study on Efficiency of Floating Vertical Axis Wind Turbine with Variable-Pitch Jae-Heui Kim, Hyo-Jae Jo, Jae-Hyuk Hwang, Min-Suk Jang and Byeong-Seong Lee 202 Planing Avoidance Control for a Supercavitating Underwater Vehicle Based on Potential Functions Seonhong Kim, Nakwan Kim, Minjae Kim, Jonghoek Kim and Kurnchul Lee 208 <Corrigendum> Potential Explosion Risk Comparison between SMR and DMR Liquefaction Processes at Conceptual Design Stage of FLNG Wonwo You, Minho Chae, Jaeuk Park and Youngsub Lim 213

7 한국해양공학회지제 32 권제 3 호, pp , 2018 년 6 월 / ISSN(print) / ISSN(online) Original Research Article Journal of Ocean Engineering and Technology 32(3), June, Study on Optimization of Fatigue Damage Calculation Process Using Spectrum Sang Woo Kim *, Seung Jae Lee * and Sol Mi Choi * * Division of Naval Architecture and Ocean Systems Engineering, Korea Maritime and Ocean University, Busan, Korea 스펙트럼을이용한피로손상도계산과정최적화연구 김상우 * 이승재 * 최솔미 * * 한국해양대학교조선해양시스템공학부 KEY WORDS: Fatigue damage model 피로손상모델, Correction coefficient method 수정계수법, Fourier transform 푸리에변환, High frequency response 고주파수응답, Rain-flow counting method 레인플로우집계법 ABSTRACT: Offshore structures are exposed to low- and high-frequency responses due to environmental loads, and fatigue damage models are used to calculate the fatigue damage from these. In this study, we tried to optimize the main parameters used in fatigue damage calculation to derive a new fatigue damage model. A total of 162 bi-modal spectra using the elliptic equation were defined to describe the response of offshore structures. To calculate the fatigue damage from the spectra, time series were generated from the spectra using the inverse Fourier transform, and the rain-flow counting method was applied. The considered optimization variables were the size of the frequency increments, ratio of the time increment, and number of repetitions of the time series. In order to obtain optimized values, the fatigue damage was calculated using the parameter values proposed in previous work, and the fatigue damage was calculated by increasing or decreasing the proposed values. The results were compared, and the error rate was checked. Based on the test results, new values were found for the size of the frequency increment and number of time series iterations. As a validation, the fatigue damage of an actual tension spectrum found using the new proposed values and fatigue damage found using the previously proposed method were compared. In conclusion, we propose a new optimized calculation process that is faster and more accurate than the existed method. 1. 서론해양석유자원생산용해양구조물은운영되는동안파랑, 조류등다양한동적하중에노출된다. 이러한하중들로인해발생하는구조물의응력, 장력등의응답들을주파수영역의스펙트럼으로나타내면, 두개이상의주파수성분으로구성된다봉형스펙트럼이된다. 특히, 라이저의와류유기진동, 인장각식구조물 (Tension leg platform) 의스프링잉과같은고주파수응답특성은구조물의응답스펙트럼을광대역으로만든다. 동적하중에의해발생하는구조물의피로손상도를비교적빠르게계산하기위해서는구조물의응답스펙트럼과피로손상모델을사용하여통계학적피로분석법을사용한다 (DNV, 2010b). 이방법을통상주파수영역피로해석이라부르며, 정확한주파수영역피로해석을위해서는해당구조물의응답특성에적절한통계 모델을사용해야한다. 통상적으로사용되는피로손상모델들은단일피크나연속형스펙트럼에는적절하나, 고주파수를포함한다봉형응답특성을보이는해양구조물에대한피로손상평가에는적합하지않은면이있다 (Kim et al., 2016). 그러므로고주파수, 다봉형응답특성을갖는구조물의피로손상도를평가하는통계적모델의개발이필요하다. 광대역스펙트럼의피로손상도계산에적절한피로손상모델개발법에는대표적으로두가지가있다. 첫번째방법은확률밀도조합법으로, 응답의시계열에레인플로우집계법 (Matsuishi and Endo, 1968) 을사용하여집계한응력범의의확률밀도분포를여러종류의함수를사용하여유도하는방법이다. 대표적인확률밀도함수조합법에는광대역및협대역스펙트럼을대상으로개발된 Dirlik모델 (Dirlik, 1985), 이봉형스펙트럼의피로손상계산에사용되는 Zhao-Baker 모델 (Zhao and Baker, 1992), 그리고삼 Received 13 April 2018, revised 5 May 2018, accepted 7 June 2018 Corresponding author Seung Jae Lee: , slee@kmou.ac.kr ORCID: It is noted that this paper is revised edition based on proceedings of SNAME 2017 in Houston, America c 2018, The Korean Society of Ocean Engineers This is an open access article distributed under the terms of the creative commons attribution non-commercial license ( which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 151

8 152 Sang Woo Kim, Seung Jae Lee and Sol Mi Choi 봉형스펙트럼을대상으로개발된 Park et al. 모델 (Park et al., 2014) 이있다. 또다른방법인수정계수법은협대역스펙트럼의피로손상도를결정하는 Rayleigh 방법에수정계수를곱하여광대역스펙트럼의피로손상도를평가하는방법이다. 수정계수법을사용하여개발된대표적인모델에는이봉형스펙트럼을대상으로개발한 Jiao-Moan 모델 (Jiao and Moan, 1990), 협대역및광대역스펙트럼에적합한 Benasciutti-Tovo 모델 (Benasciutti and Tovo, 2005), Wirsching and Light 모델 (Wirsching and Light, 1980) 등이있다. 수정계수법을이용하여새로운피로손상모델을유도할때에는스펙트럼으로부터대표피로손상도를계산하는과정이필요하며, 선행연구들 (Dirlik, 1985; Park et al., 2011) 에서제안된바있다. 그러나기존의방법은정확도높은피로손상도계산을위해많은반복계산이수행되어와류유기진동, 스프링잉과같은해양구조물의고주파수응답까지포함하게되면상대적으로많은시간이소요된다. 따라서해양구조물전용피로손상모델을개발하는경우, 기존의계산과정보다계산속도가빠르면서도높은정확도를유지하는새로운스펙트럼대표피로손상도계산방법이필요하다. 본연구에서는기존방법에서사용된변수들을최적화하기위해매개변수연구를수행하였다. 최적화연구를위해서실제해양구조물의다봉형응답을묘사한다양한종류의이봉형스펙트럼을생성하였으며, 생성된스펙트럼들의대표피로손상도는시간영역피로손상도계산법을사용하여계산하였다. 최적화대상변수는스펙트럼으로부터대표피로손상도를계산하는과정에서소요되는시간에관련된변수 3개를선정하였다. 선정된변수마다기준값을정의하고이값을사용하여계산된피로손상도와변화된변숫값을사용하여계산된피로손상도를비교하여오차정도를확인하며변수의최적화값을결정하였다. 연구결과를검증하기위해, 실제스펙트럼의피로손상도를제안된변숫값과기존의방법을사용하여계산된피로손상도와비교하였다. 2. 연구방법론 2.1 개요연구에사용된이상화된스펙트럼들은총 162개로, 스펙트럼을구성하는세부변수들을조절하여생성되었으며, 스펙트럼들의대표피로손상도는시간영역피로손상도계산법을사용하여계산하였다. 시간영역피로손상도계산법은우선, 푸리에역변환 (Inverse fourier transform) 을사용하여스펙트럼으로부터시계열을반복생성한뒤, 생성된시계열에레인플로우집계법을적용하여응력범위와빈도수를결정하고, 집계된응력의빈도수와최대파단빈도수의비를집계된모든응력에대해계산하여더하는선형누적법 (Miner, 1945) 을사용하여스펙트럼의피로손상도를계산하였다. 최적화대상매개변수는푸리에역변환에사용되는시간증분 () 비율, 주파수증분 (), 그리고시계열의생성반복횟수 () 가있으며, 먼저최적화된 의값을결정한뒤 과 비율을최적화였다. 변수의최적화값은각변수의기준값을일정 Fig. 1 Flow chart of research 간격으로증가시키거나감소시켜계산된피로손상도와기준값을사용하여계산된피로손상도를비교하여변수변화에따른오차율을확인한뒤결정하였으며, 기준값은선행연구를참고하여결정하였다. 최적화된변수들을검증하기위해서선행연구 (Park et al., 2011) 에서제안한방법과비교하였다. 이를위해실제부유식저장설비 (FSU, Floating storage unit) 와계류시스템의연성해석을통해얻은계류라인의장력스펙트럼에두방법을사용하여피로손상도를계산비교하였다. 이상에서설명한본연구의진행순서는 Fig. 1에나타내었다. 2.2 푸리에역변환 스펙트럼으로부터시계열을생성하기위한방법인푸리에역 변환은식 (1)-(3) 와같이정의된다 (Newland, 1993). (1) (2) (3) 여기서 는푸리에역변환으로생성되는시계열, 은주파수성분의개수, 그리고 는 번째주파수성분의스펙트럼밀도값을의미한다. 그리고 는 번째평균주파수, 그리고 는 번째주파수성분의무작위위상각을의미한다. 스펙트럼으로부터생성되는시계열길이즉, 앙상블시간 () 의경우, 통상적으로계류된부유체의운동해석을수행할때, 저주파수 (Low frequency) 그리고파주파수 (Wave frequency) 성분을충분히포함하는 3시간을앙상블시간 (DNV, 2010a) 으로설정하는점을고려하여 3시간으로결정하였다.

9 A Study on Optimization of the Fatigue Damage Calculation Process by using the Spectrum 변수의기준값선정된변수를최적화하기위해서는기존의연구에서제시되었던변숫값들을기준값으로정의하고, 기준값의크기변화가피로손상도에미치는민감도를확인해야한다. 이민감도해석결과를토대로계산시간을줄이도록최적화를수행하였다. 의크기는스펙트럼으로부터생성되는시계열의에너지손실정도에영향을주는데, 그크기가과도하게크면에너지손실이발생할수있으며, 너무작은값을사용하면스펙트럼으로부터시계열을생성하는과정에서시간이과도하게소모되므로적절한값을선택하여야한다. 앙상블시간동안생성되는시계열은불규칙시계열이되어야하며, 이를만족시키기위해서는식 (4) 의최대조건을만족하는주파수증분의크기를사용해야한다. 여기서,, 는각각시계열,, 의표준편차를의미한다. 3. 이봉형스펙트럼및대표피로손상도 3.1 스펙트럼및스펙트럼변수본연구에서는삼각뿔 2개로이루어진이봉형스펙트럼을사용하였으며, 삼각뿔형태는타원을횡, 종축으로 4등분하고조각하나를좌우대칭으로배치하여생성하였다. 스펙트럼의형상은 Fig. 2와같으며, 스펙트럼밀도 (Spectral density) 는식 (9), 식 (10) 과같이정의된다. (4) 는생성되는시계열의조밀도를결정하는변수이다. 레인플로우집계법을사용하여피로해석을수행할때시계열의피크 (Peak) 와밸리 (Valley) 값의정확도에따라계산되는피로손상도가다르다. 그러므로 의정확도는피로해석관점에서중요하며, 선행연구에서는피크와밸리사이에최소 3개의점이 (Dirlik, 1985) 있어야함을제시하였다. 또다른선행연구에서는 (Park et al, 2011) 식 (5) 와같이 의비율을최소 0.08로사용할것을제시하였다. (5) 2.4 통계적특성치가우시안 (Gaussian) 과정에서주파수영역에서스펙트럼의통계적특성치계산을위해서는스펙트럼밀도의스펙트럼의분포정도를나타내는스펙트럼모멘트계산이필요하며, 식 (6) 과같이정의된다. (6) 여기서 는 차스펙트럴모멘트, 는주파수성분, 그리고 는스펙트럼밀도이다. 가우시안과정에서단위시간당피크의빈도수인피크주파수 (Peak frequency) 와단위시간당영점교차의빈도수인영점상교차주파수 (Zero up-crossing frequency) 는주파수영역과시간영역에서각각식 (7), 식 (8) 과같이정의되며, 이는 4.2절에서스펙트럼과생성되는시계열의통계적특성을비교하는데사용된다 (Newland, 1993)., (7), (8) Fig. 2 Schematic of bi-modal spectrum 일때, (9) 일때, (10) 여기서 와 는각삼각뿔피크를구성하는타원조각의횡축, 종축반지름을뜻하며, 와 는각피크의시작주파수와끝주파수를의미한다. 아래첨자는피크의번호를의미하고고려된스펙트럼의면적은무차원이되도록변수들의단위계를설정하였다. 각피크들의위치는해양구조물응답의현실적인주파수범위를고려하였는데, 계류라인의저주파수운동은통상적으로최소 0.05rad/s이며라이저와류유기진동의횡방향진동으로인한운동응답의최대주파수범위는 9rad/s이다 (Kim et al., 2016). 사용된변값은 Table 1에정리하였으며, 고려된각변수의조합을사용하여총 162개의이봉형스펙트럼을생성하였다.

10 154 Sang Woo Kim, Seung Jae Lee and Sol Mi Choi Table 1 Spectral parameters of bi-modal spectra Parameters Values A 1, A 2 [rad / s] B 1, B 2 [s/ rad ] S 1 [rad / s] 0.05 S 2 [rad / s] E 1 2 E 스펙트럼의대표피로손상도스펙트럼의피로손상도는 2.2절에서언급한식 (1)-(3) 푸리에역변환을통해얻은시계열에레인플로우집계법과선형누적법을통해계산한다. 시계열의레인플로우집계법의결과로부터피로손상도를계산하기위해서식 (11), 식 (12) 의선형누적법이사용된다. (11) (12) 4. 변수최적화결과 4.1 최적화방법각변수의최적화를위해서 2.3절에서언급된각변수의기준값을증가또는감소시켜경우를세분화하였다. 시계열생성반복횟수인 은최대 50번을기준으로정하고최소 10번부터시작하여 10번씩증가시켜총 5개의값을선정하였다. 주파수증분 은식 (4) 에서정의된최댓값 rad/s를기준값으로정하고, rad/s씩감소시켜총 4개를, 그리고시간증분 의비율은선행연구에서제시한비율인 0.08을기준으로 0.01 씩증가시켜총 4가지경우를고려하였다. 사용된변수들은 Table 2에정리하였다. Table 2 Values of parameters Parameters Values R [rad / s] dtratio 여기서 는피로손상도, 는집계된 번째응력범위, 은해당응력범위에대한재료의최대사이클횟수, 그리고 는해당응력범위에집계된사이클횟수를의미한다. 그리고 와 은재료의파단실험을통해결정되는 선도의재료상수와기울기를의미한다. 위의과정을거쳐계산되는 는한개의시계열의피로손상도이다. 그러나시계열을반복적으로생성해피로손상도를계산할시, 의크기와는무관하게, 사용된무작위위상각에따라생성되는시계열의형상이달라지기때문에계산되는피로손상도값들은달라진다. 그러므로일정횟수만큼시계열을생성하고피로손상도를계산한뒤횟수만큼평균값을취해야스펙트럼을대표할수있는피로손상도를결정할수있다. 그래서기존연구에서제안한스펙트럼의대표피로손상도계산방법 (Park et al., 2011) 은스펙트럼으로부터 3시간시계열을무작위위상각세트와 을바꿔가며총 20번을생성하여 1 Block으로정의하였다. 그리고총 10 Block을계산하여 10 Block의평균값을대표피로손상도로정의하였다. 그러나이방법은 Block의사이즈가크고반복횟수가많기때문에스펙트럼의피로손상도계산에많은시간이소모된다. 본연구에서제안하는방법은식 (13) 과같이 1 Block 을 3시간으로정의하였으며, 무작위위상각세트를바꿔가며 Block을반복적으로생성하였다. 본연구는실제구조물의피로손상도를계산하는것이아닌변수들의변화에따른피로손상도의민감도를파악하는것이주목적이다. 따라서피로손상도의정확도와는별개로, 응력범위에대한재료의최대사이클횟수인, 식 (12) 에서구조의재료특성치를나타내는재료상수 는 1, 선도의기울기 은해양구조물에피로해석에서통상적으로사용되는 3과 5 두값을사용했다 (DNV, 2011). 4.2 반복횟수의최적화선정한시계열생성반복횟수 의기준값 50이적절한기준값인지판단하기위해, 스펙트럼마다 50번반복하여생성된시계열의통계적특성치를나타내는값인, 을각각식 (7) 과식 (8) 을사용하여시간영역과주파수영역에서계산하고평균을취하여비교한결과를 Fig. 3에나타내었다. 모든스펙트럼에대 (13) (14) 여기서 은 번반복생성된시계열의평균피로손상도, 은 번째시계열의 3시간피로손상도, 은식 (14) 와같이정의되는 번째시계열생성에사용된무작위위상각세트를의미한다. Fig. 3 and comparison in time and frequency domain

11 A Study on Optimization of the Fatigue Damage Calculation Process by using the Spectrum (a) m = (b) m = 5 Fig. 4 Result of fatigue damages comparison according to & 해 계산된, 의 값이 시간영역과 주파수영역에서 일치하므 편차가 크다. 그러므로 선정되는 시계열 생성 반복 횟수는 기울 로, 즉 통계적 특성치가 일치하므로, 시계열 생성 반복 횟수 기 준값 50은 적절한 기준값이 될 수 있다고 판단된다. 시계열 생성 반복 횟수의 최적값을 결정하기 위해, 은 50, 주 파수 증분 와 시간 증분 비율의 값들은 가장 작은 값인 rad/s와 0.08로 계산한 피로손상도를 기준 피로손상도 으로 정의하였다. 그리고 시계열 생성 횟수를 50보다 작은 기 값이 5일 때도 기준 피로손상도와 일치도가 높아야 한다. 결 값인 10, 20, 30, 그리고 40의 총 4가지 값으로 변경하여 식 (13) 으로 모든 스펙트럼의 피로손상도를 계산하였다. 각 반복 횟수로 계산된 피로손상도는 기준 피로손상도와 비교하였으며, 선 도의 기울기 변화에 따른 결과를 Fig. 4에 나타내었다. Fig. 4의 세로축 값은 계산된 피로손상도 을 기준 피로손상 도 로 나누어 준 값을 의미하며, 이 값이 1에 가깝다는 것은 과에서 볼 수 있듯이 시계열 생성 반복 횟수가 10과 20인 경우 에는 선도의 기울기에 상관없이 상대적으로 오차가 크기 때문에 최적 반복 횟수로 선정하기에는 정확도가 떨어진다. 반 면, 시계열 생성 반복 횟수가 30이상일 경우 오차범위 2% 이내 로 기준값과 일치도가 높기 때문에 최적화 값의 범위이다. 하지 만 높은 반복 횟수가 정확도를 높일 수 있으나 그만큼 추가로 계산 시간이 소요되기 때문에 정확도가 보장되면서도 시간이 상 대적으로 적게 소요되는 30을 의 최적값으로 선정하였다. 4.3 주파수 증분 및 시간 증분 비율의 최적화 주파수 증분 와 시간 증분 비율의 최적값을 결정하기 계산된 피로손상도값이 기준 피로손상도와 일치하여 최적의 반 위해서, 시계열 생성 반복 횟수 은 최적화 값 30, 시간 증분의 복 횟수가 결정되었음을 의미한다. 또한, 시계열 생성 반복 횟수 비율은 0.08, 그리고 주파수 증분은 rad/s로 계산된 피 에 상관없이 선도의 기울기가 커지면 피로손상도의 편차 로손상도를 기준피로손상도 로 정의하였다. 반복 횟수의 최 가 커지기 때문에 통상적으로 이 3일 때보다 5일 경우 오차의 적화 경우와 동일하게 선도의 기울기값 마다 주파수 증 (a) m = 3 Fig. 5 Result of fatigue damages comparison according to & (b) m = 5

12 156 Sang Woo Kim, Seung Jae Lee and Sol Mi Choi (a) m =3 (b) m =5 Fig. 6 Result of fatigue damages comparison according to ratio & 분을를기준값 rad/s보다큰 3가지경우 rad/s, rad/s, 그리고 rad/s로변화시키면서계산된평균피로손상도와기준피로손상도를비교하여 Fig. 5에나타내었다. 앞절의결과와동일하게 Fig. 5에서세로축의값이 1에가깝다는것은, 각주파수증분에따른피로손상도값이기준피로손상도와일치도가높아최적의주파수증분이될수가있음을의미한다. 그러나결과에서볼수있듯이, 주파수증분의크기변화나 선도의기울기에상관없이차이정도는비슷하다. 즉, 주파수증분의크기자체가피로손상도에오차를높이는요인이아니기때문에식 (5) 의최대범위를만족하는주파수증분의크기를사용하면될것으로판단된다. 다만, Fig. 5에서보이는데이터의분산정도는기준피로손상도와비교되는주파수증분에따른피로손상도들이서로다른무작위위상각세트 을가지고있기때문으로판단된다. 이현상은본연구의모든변수의민감도테스트결과에서공통적으로나타나고있다. 시간증분 비율은기준값 0.08보다큰값인 0.09, 0.10, 그리고 가지값을사용하여계산된피로손상도를기준피로손상도 와비교하여 선도의기울기에따라 Fig. 6에나타내었다. 변수의최적값판단은시계열반복횟수와주파수증분크기의판단방법과같다. Fig. 6의결과에서볼수있듯이주파수증분의경우와같이무작위위상각세트에따른편차는모두존재하지만, 시간증분의비율이커질수록즉, 시간증분의크기가커질수록기준피로손상도에비해오차도가높아졌다. 이와같은현상의원인은시간증분의값이커지면생성된시계열의피크값손실이발생하기때문이며, 시계열의시간이늘어날수록지속해서피크값의손실이누적되기때문이라고사료된다. 이러한경향성은 선도의기울기값에상관없이나타나고있다. 고로시간증분비율의크기는기존선행연구에서제안된시간증분비율 0.08이최적값이라판단된다. 고로시간증분의비율의변화는피로손상도의정확도에민감하기때문에, 기준값또는기준값보다더작은값을사용해야할것으로판단된다. 5. 검증제안된방법을검증하기위해실제해양구조물의한종류인계류라인의장력스펙트럼에제안된방법을사용하여피로손상해석을수행하였다. 장력스펙트럼은구조물의운동특성으로인해저주파수응답과파랑주파수응답이동시에작용하여스펙트럼의형태가광대역이봉형스펙트럼으로나타난다. Fig. 7 은북해에설치된부유식저장설비인 Sevan 1000 FSU의계류선장력스펙트럼이다 (Hanssen, 2013). 선행연구에서설계조건을참고하여시간영역운동해석을수행하였으며, 계류시스템의경우 14개의다점계류방식을, 시뮬레이션환경조건은구조물의 100년주기파랑, 조류, 바람조건을적용하였다. 본연구에서제안하는방법은식 (13) 과같이 1 Block 이 3시간으로정의되는반면, 기존의연구에서는 1 Block을 60시간으로정의하였다. 또한, 1 Block 을 30번생성하여계산된피로손상도들의평균값을대표피로손상도로본연구에서제안했지만, Fig. 7 Tension spectrum of Svean 100 FSU s Mooring line

13 A Study on Optimization of the Fatigue Damage Calculation Process by using the Spectrum 157 Table 3 Fatigue damage compared to existing method m R = 10[%] R =20[%] R = 30[%] R = 40[%] R = 50[%] 기존연구에서는 1 Block 을 10번생성하여계산된피로손상도들의평균값을스펙트럼의대표피로손상도로정의하였다. 이를종합하면기존의연구에서는 1개의스펙트럼에대해 3시간동안의시계열을 200번생성하였고, 본연구에서는 3시간동안의시계열을 30번생성하여대표피로손상도를계산하였다. 결론적으로, 선행연구에서제안한방법으로계산된피로손상도는 60 시간에대한피로손상도를, 본연구에서는 3시간에대한피로손상도를계산하였다. 그러므로본연구에서제안하는방법과기존의방법을비교검증하기위해서는정의된 Block의길이를같게해야한다. 즉, 본연구의식 (13) 에서제안된방법을따른계산결과에 20배를곱한값을기존의방법과비교하면피로손상도의계산정확도검증이가능하다. 본연구에서제안한반복횟수인 30번이외의다른반복횟수의결과도포함하여기준피로도와 Table 3에나타내었다. 이때, 사용된주파수증분은 rad/s, 시간증분비율은 0.08이다. 결과에서확인할수있듯이, 계산시간을줄었으며생성반복횟수가 30 이상인경우부터기존연구대비오차율이 2% 내외가됨을알수있다. 6. 결론본연구에서는복합동적하중에노출된해양구조물의피로손상도를계산하기위한방법의하나인통계적해석법에사용되는피로손상모델의개발과정에사용되는스펙트럼의피로손상도계산과정을최적화하였다. 응답스펙트럼으로부터시계열데이터를산출하는과정을보다합리적이고효율성을높이기위해서푸리에역변환에사용되는변수들의최적화과정및방법을제안하였다. 이를위해서실제스펙트럼을묘사한곡선형삼각뿔형태의이봉형스펙트럼들을정의한후주파수증분, 시간증분을변경하며시계열데이터들을생성하였으며, 생성된시계열들은각각주파수영역과시간영역에서의기준시계열데이터와의피로손상도비교를하였다. 비교결과로부터, 주파수증분과시간증분비율은기존의제안된값을사용해도계산되는피로손상도는큰영향이없으나, 반복횟수및 1 Block 의재정의를통하여피로손상도계산시간을줄이는방법을제안하였다. 결과적으로스펙트럼의피로손상도의정확성은유지하되기준데이터의산출시간대비약 20배의시간을절약한시계열데이터를산출할수있었다. 본연구의결과는푸리에역변환과정과레인플로우집계법을사용한피로손상도계산시사용되는주요변수의기준을제시하고관련연구에서사용될수있을것으로사료된다. 또한해양구조물의고주파수응답에기인하는피로손상도계산에적합한피로손상모델개발과정의기초연구로활용될것으로사료된다. 후기본연구는산업통산자원부산학융합지구조성사업 ( 과제번호 : ) 해양구조물피로손상모델개발지원프로그램개발 과제의지원으로수행되었음을밝히며, 연구비지원에감사드립니다. References Benasciutti, D., Tovo, R., Spectral Methods for Life Time Prediction under Wide-band Stationary Random Processes. International Journal of Fatigue, 27(8), Dirlik, T., Application of Computers in Fatigue. Ph.D. Thesis, University of Warwick. DNV, 2010a. Recommended Practice DNV-OS-E301 Position Mooring. Det Norske Veritas(DNV), Norway. DNV, 2010b. Recommended Practice DNV-RP-F204 Riser Fatigue. Det Norske Veritas(DNV), Norway. DNV, Recommended Practice DNV-RP-C203 Fatigue Design of Offshore Steel Strcuture. Det Norske Veritas(DNV), Norway. Hanssen, E.B., Coupled Analysis of a Moored Sevan Hull by the Use of OrcaFlex. M.S. Thesis, Norwegian University of Science and Technology. Jiao, G., Moan, T., Probabilistic Analysis of Fatigue Due to Gaussian Load Processes. Probabilistic Engineering Mechanics, 5(2), Kim, S.W., Lee, S.J., Choi, S.M., A Study on the Riser Fatigue Analysis Using a Quarter-modal Spectrum. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 53(6), Matsuishi, M., Endo, T., Fatigue of Metals Subjected to Varying Stress. Japan Society of Mechanical Engineers, Fukuoka, Japan, Miner, M.A., Cumulative Damage in Fatigue. Journal of Applied Mechanics, 12, Newland, D.E., An Introduction to Random Vibrations, Spectral and Wavelet Analysis. Mineloa, New York. Park, J.B., Choung, J.M., Kim, K.S., A New Fatigue Prediction Model for Marine Structures Subject to Wideband Stress Process. Ocean Engineering, 76, Park, J.B., Kim, K.S., Choung, J.M., Yoo, C.H., Ha, Y.S., Data Acquisition of Time Series from Stationary Ergodic Random Process Spectrums. Journal of Ocean Engineering and Technology, 25, Wirsching, P.H., Light, M.C., Fatigue under Wide Band Random Stresses. Journal of the Structural Division, ASCE (American Society of Civil Engineers), 106(7), Zhao, W., Baker, M.J., On the Probability Density Function of Rainflow Stress Range for Stationary Gaussian Processes. International Journal of Fatigue, 14(2),

14 한국해양공학회지제 32 권제 3 호, pp , 2018 년 6 월 / ISSN(print) / ISSN(online) Original Research Article Journal of Ocean Engineering and Technology 32(3), June, Development of Cell Guide Quality Management System for Container Ships Bong-Rae Park * and Hyun-Cheol Kim ** * WAPA SYSTEM, Busan, Korea ** Faculty of Mechanical Engineering, Ulsan College, Ulsan, Korea 컨테이너선박의셀가이드정도관리시스템개발 박봉래 * 김현철 ** * 와파시스템 ** 울산과학대학교기계공학부 KEY WORDS: Cell guide 셀가이드, Quality management 정도관리, Quality inspection 정도검사, Container Ship 컨테이너선박 ABSTRACT: Generally, container ships contain cargo holds with cell guides that serve to increase the container loading and unloading efficiency, minimize the space loss, and fix containers during the voyage. This paper describes a new quality management system for the cell guides of container ships (the so-called Trim Cell Guide system). The main functions of this system are the trimming of the point cloud obtained using a 3D scanner and an inspection simulation for cell guide quality. In other words, the raw point cloud of cell guides after construction is measured using a 3D scanner. Here, the raw point cloud contains a lot of noise and unnecessary information. Using the GUI interface supported by the system, the raw point cloud can be trimmed. The trimmed point cloud is used in a simulation for cell guide quality inspection. The RANSAC (Random Sample Consensus) algorithm is used for the transverse section representation of a cell guide at a certain height and applied for the calculation of the intervals between the cell guides and container. When the container hits the cell guides during the inspection simulation, the container is rotated horizontally and checked again for a possible collision. It focuses on a system that can be simulated with the same inspection process as in a shipyard. For a practicality review, we compared the precision data gained from an inspection simulation with the measured data. As a result, it was confirmed that these values were within approximately ±2 mm. 1. 서론일반적으로컨테이너선박에는컨테이너를적재하는화물창 (Cargo hold) 내에격자형구조물 (Lattice type structure) 인셀가이드 (Cell guide) 가설치되어있다. 셀가이드는컨테이너의하역을용이하게하고공간손실을최소화하여적재효율을높이는역할을할뿐만아니라, 항해중화물을고정하는역할을한다. 셀가이드는화물창의바닥면으로부터하물창의해치코밍 (Hatch coaming) 에있는나팔모양의엔트리가이드 (Entry guide) 까지연결되어있어서, 갠트리크레인 (Gantry crane) 으로부터내려오는컨테이너가엔트리가이드를통해바닥면까지컨테이너의승 하강이수직으로원활하게움직일수있도록해야한다. 그런데실제건조현장에서설치되는셀가이드는다음과같은이유들로설계도면과편차 (Deviation) 가발생하여컨테이너를 적재할때끼는현상이나넒은유격으로인해흔들림현상이발생할수있다. 첫째, 선박블록탑재의정밀도 (Precision) 가떨어지거나연관된블록의용접수축및팽창으로인해편차가발생될수있다. 둘째, 선체조립과정에서블록별셀가이드가정확하게정밀도기준을만족하더라도선박블록탑재조립작업을거치면서블록과블록의편차가누적되어결국셀가이드와셀가이드간의편차를가져올수있다. 따라서컨테이너선박건조시셀가이드들이규격화된컨테이너를허용범위내에서간섭없이적재될수있도록정확히시공되었는지를측정하는셀가이드정도검사는컨테이너적재가능을결정하는중요한작업공정중의하나이다. 셀가이드정도를검사하는방법은크게실물컨테이너 ( 혹은컨테이너모형 )(Container box)(shi, 2000) 을사용하는방법과측정캐리지 (Measurement carriage)(shi, 2000; DSME, 2012; STX, Received 22 December 2017, revised 8 May 2018, accepted 1 June 2018 Corresponding author Hyun-Cheol Kim: , hckim@uc.ac.kr ORCID: c 2018, The Korean Society of Ocean Engineers This is an open access article distributed under the terms of the creative commons attribution non-commercial license ( which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 158

15 Development of Cell Guide Quality Management System for Container Ships 159 본 연구에서는 3D 스캐너를 이용한 셀 가이드 정도 관리 시스 템(TrimCellGuide system: Cell guide quality management system for container ships)을 구체적인 개발 내용과 그 결과에 대해 다루었 다. 개발된 시스템의 구성, RANSAC(Random Sample Consensus) 알고리즘 적용 방법, 검사 시뮬레이션을 위한 컨테이너 조정 알 고리즘을 소개하고, 실제 계측된 데이터와의 비교 분석함으로 써 개발된 시스템의 성능과 신뢰성을 검증하였다. 2. 셀 가이드 정도 관리 시스템 (a) (b) Fig. 1 Comparison of methods using a scan equipment - (a) Electro optical distance meter, (b) 3D scanner 2012), 측정센서 어셈블리(Measurement censor assembly)(dsme, 2014), 광파기(Electro optical distance meter) 등 측정 장비를 사 용하는 방법으로 구분할 수 있다. 실물 컨테이너를 사용하는 방 법은 크레인(Crane)을 이용하여 실물 컨테이너(혹은 컨테이너 모형)를 셀 가이드가 설치되어 있는 장소에 직접 넣어서 실제로 적재될 수 있는지 여부를 검사하는 것으로, 작업자가 화물창의 2.1 3D 스캐닝 측정 방법 컨테이너 선박의 셀 가이드를 3D 스캐너로 계측할 때 화물창 (Cargo hold) 전체를 스캔하는 방법과 4개의 셀 가이드를 하나 의 그룹(이하 셀 가이드 그룹 이라 함.)으로 하여 부분 스캔하 여 전체로 결합하는 방법이 있다. 화물창 전체를 스캔하는 방법 은 셀 가이드와 바닥부의 패드(Pad)와 소켓(Socket)을 포함하여 상세하게 스캔하기에는 한계가 있고 정밀도(Precision)도 떨어져 시뮬레이션을 위한 데이터로 사용하기가 어렵다. 또한, 스캔하 는 데에도 많은 시간이 소요된다. 실제 컨테이너 선박에는 각 화물창에 15~18개의 셀 가이드 그룹이 설치되어 있는데, 화물창 전체를 스캔할 경우 약 2시간 정도, 셀 가이드 그룹은 약 8분 정도 소요되었다. Fig. 2는 3D 스캐너로 컨테이너 선박의 화물 각 층 높이 위치에서 셀 가이드와 컨테이너 사이의 간격 (Interval)을 직접 측정한다. 이 방법은 시공된 셀 가이드의 정도 를 가장 확실하게 검사할 수 있지만, 크레인의 과다한 대기시간 으로 인한 타작업과의 마찰, 고소작업으로 인한 안전사고의 위 험성, 기상환경으로 인한 작업지연, 작업자들 간의 상호 수신호 에 의한 측정값 정밀도가 떨어지는 등의 단점들을 가지고 있다. 측정 캐리지나 측정센서 어셈블리를 사용하여 셀 가이드 사 이의 간격을 측정하는 방법은 측정 작업의 안정성과 정확한 계 측이 확보되는 장점이 있으나, 측정 장비의 설치 및 제거시 여 전히 사고의 위험성이 있으며, 장비 유지 보수에 고가의 비용이 소요되는 단점이 있다. 그리고 광파기를 사용하는 방법은 가장 안전하게 측정이 가능하지만, 획득된 데이터를 작업자가 원하 는 형태로 재가공하는 과정에서 많은 시간이 소요되고, 재가공 과정에서 입력 및 계산 오류의 발생 가능성을 포함하고 있어서 신뢰성 확보에 어려움이 있다(Fig. 1(a)). 최근에는 스캔장비(Scan equipment)(fig. 1(b))를 이용하여 컨 테이너의 적재 여부를 컴퓨터 내에서 시뮬레이션(Simulation)하 여 검사하는 방법(HHI, 2014; HHI, 2015)이 소개되었다. 이것은 3D 스캐너를 이용하여 지상에서 셀 가이드를 계측하여 3D 데 이터를 확보한 후, 3D 데이터로 구성된 셀 가이드를 컴퓨터 내 에서 시뮬레이션을 통해 검사하는 방법으로, 안전사고의 위험 이 거의 없고, 짧은 스캔 소요 시간으로 인해 타 작업 공정과의 간섭이 적다. 또한, 최소 2명의 인원으로도 검사가 가능하므로 작업 효율을 대폭 향상시킬 수 있는 장점을 가진다. 그러나 스 캔된 데이터의 후처리 과정이 복잡하여 일부 조선소에서는 3D 스캐너 장비를 보유하고 있어도 실무에 적용하고 있지 않다. HHI(2014)에서 소개된 방법도 구체적인 데이터 후 처리 방법 및 검사 시뮬레이션 시스템에 대해 언급하고 있지 않으며, 현재 실용화 연구도 없는 실정이다. Fig. 2 3D scanned point cloud about cell guides within a cargo hold of container ship

16 160 Bong-Rae Park and Hyun-Cheol Kim 창내트랜스버스박스 (Transverse box) 벽면을스캔한점군데이터를보여준다. 각셀가이드그룹에대해형성된점군데이터는약 300만개, 18개의전체에대해서는약 4,000만개이상의점군데이터를형성하였다. 조선소에서는일반적으로컨테이너모형을이용하여셀가이드들을모두검사하지않고, 무작위로샘플링 (Sampling) 하여검사를수행한다. 따라서본연구에서도검사시간단축과정밀도가높은측정을위해화물창내에임의의셀가이드그룹을샘플링한후스캔하여시뮬레이션을위한데이터로활용하였다. 셀가이드계측을위한 3D 스캐너설치및사용시고려사항은다음과같다 (Fig. 1(b)). 1 3D 스캐너는셀가이드의대각선교점인중앙에위치시키며, 스캐너렌즈의방향은셀가이드정면을바라보게한다. 2 3D 스캐너삼각대의두다리를잡고선정위치안착후중심을잡으며바닥에완전히고정시킨다. 이때삼각대의높이를조절할때에는최대높이로설정하지않는것이좋다. 최대높이로설정하게되면, 바람이나진동에흔들려정확한데이터를얻기어렵기때문이다. 3 3D 스캐너의점군데이터레벨을고급단계로설정하면정밀도가높은데이터를확보할수있지만, 적재시뮬레이션위해서는불필요한정보를많이포함하므로, 일반적으로중간단계로설정하여스캔작업을수행하며점군데이터양을조절하여필요한정보를필터링 (Filtering) 하여사용한다. 중간단계설정의경우에도셀가이드그룹당약 700만개이상의점군데이터가형성되므로, 일반컴퓨터에서사용하기어렵다. 따라서셀가이 드부분만따로정리하여약 300만개 ~ 450만개점군데이터를활용한다. 이때셀가이드와함께양끝에구조물인바닥부의소켓 (Socket) 을포함한패드 (Pad) 와해치커버 (Hatch cover) 무게를지탱하는역할을하는트랜스버스박스 (Transverse box) 가모두포함된다 (Fig. 3). 여기서셀가이드만따로점군데이터를한번더필터링 (Filtering) 하면약 30~45만개정도의점군데이터가형성된다. 3D 스캐너의성능은기후에따라영향을받기때문에, 안개가심하거나흐린날은피하는것이좋다. 2.2 시스템구성및기능설계본연구에서개발한컨테이너선박의셀가이드정도관리시스템 (Cell guide quality management system for container ships: TrimCellGuide system) 은 3D 스캐너를이용한확보한점군데이터를이용하여적재시뮬레이션을통해셀가이드의적재가능여부를검사하는것을목적으로한다. 시스템의내부구성은셀가이드를측정한점군데이터를입력하여검사작업준비를하는프로젝트 (Project) 기능, 점군데이터의정합 (Coordination) 혹은노이즈제거 (Noise elimination) 등을하는필터링 (Filtering) 기능, 점군데이터, 좌표변환, 모델링결과를그래픽을통해보여주는뷰 (View) 기능, 적재시뮬레이션기능그리고워크시트 (Work sheet) 출력기능등으로구성된다 (Fig. 4, Fig. 5). Fig. 4 Function diagram of TrimCellGuide System Fig. 3 An example of raw point cloud scanned about a cell guide group 2.3 점군데이터처리 스캔된점군데이터로부터유효한셀가이드정보추출실제건조현장에서셀가이드들은여러작업환경영향으로인해설계도면과편차가발생할수있다. Fig. 6에서왼쪽의검정색수직선은 Fig. 3과같이스캔된셀가이드그룹에서 ㄱ 형태의셀가이드점군데이터만을필터링하여나타낸것이다. 그리고오른쪽점들은바닥하부로부터높이방향으로 5m, 10m, 15m, 20m, 25m인지점의셀가이드단면을나타내는점군데이 Fig. 5 Manu bar of TrimCellGuide System

17 Development of Cell Guide Quality Management System for Container Ships 셀가이드와컨테이너사이의유격거리계산 Fig. 7에서보는바와같이 RANSAC 알고리즘에의해생성된곡선식으로부터컨테이너와의유격거리 (Interval) 를계산할수있다. 즉, 임의높이에서의셀가이드직선식 과컨테이너상의고정점 ( ) 사이의간격은식 (1) 과같이간단히계산될수있다. (1) 그런데컨테이너가유격허용범위내에있는지를검토해야하므로식 (1) 은식 (2) 와같은조건이시스템에부가된다., if the container is in the allowance area Fig. 6 Scanned point cloud at height 5m, 10m, 15m, 20m, 25m from bottom, if the container is outside the allowance area (2) 여기서간격 가유격허용범위를벗어나면 - 값을부여한다. 이는시스템내에서컨테이너적재시셀가이드와컨테이너사이의간격이유격허용범위밖에있을경우수정작업을해야함으로나타낸다. 식 (1) 과식 (2) 로부터컨테이너네모서리근처에서의셀가이드유격거리의전체합 는다음식 (3) 과같이계산될수있다. (3) 여기서 는 A, B, C, D 네지점에위치하는셀가이드를나타내는직선식의계수들이다. 그리고 ( ) 는측정하고자하는위치의컨테이너좌표 X 1, X 2, Y 1, Y 2 를나타낸다 (Fig. 8). Fig. 7 Representation of a cell guide section at a certain height using RANSAC algorithm 터이다. 셀가이드단면들이약 1.0cm 이내의편차를가지며시공되어있음을알수있다. 이러한높이에따른셀가이드단면을정확히표현하기위해본연구에서는셀가이드전체를 3D 모델링하지않고검사하고자하는높이에해당하는셀가이드정보만추출하는방법을사용하였다 (Fig. 7). 즉, 검사하고자하는높이에해당하는점군데이터만을추출하여대표직선식으로표현하였다. Fig. 7은높이 15m지점의점군데이터와대표되는직선 1과 2를나타낸다. 이때선택된점군데이터는노이즈와유효하지않은데이터도모두포함하고있으므로, 일반적인보간혹은근사법대신밀집도 (Density) 가높은유효한데이터를중심으로대표직선을생성하는 RANSAC 알고리즘 (Ransom sample consensus algorithm) 을사용하여셀가이드단면표현하였다 (Fischler and Bolles, 1981). 여기서밀집도가높다는것은생성된근사선을중심으로스캔된값들이집중되어분포되어있음을의미한다. Fig. 7에서 RANSAC 알고리즘에의해생성된사각형영역 (1, 2, 3, 4) 은 100mm 이내의유격허용범위 (Allowance area) 를나타낸다. 이들유격허용범위는조선소의상황에따라다르게정의될수있다. (a) (b) Fig. 8 Two positions at each corner for the interval calculation between cell guides and a container

18 162 Bong-Rae Park and Hyun-Cheol Kim 컨테이너적재조정방법컨테이너적재시뮬레이션에서컨테이너중심점은셀가이드들의교차점과컨테이너네모서리의교차점을일치시켜승 / 하강을하여적재가능여부를검사한다. 이때충돌이발생할경우조선소에서는컨테이너를일정각도로회전하여적재여부를재검사한다. 그리고컨테이너가내려갈공간이확인되면셀가이드적재가이상이없는것으로판단한다. 따라서본연구에서개발된시스템에서도적재시뮬레이션에이러한조정기능을부여하여자동적으로컨테이너가회전하여적재가능여부를검사하도록하였다 (Fig. 9). Fig. 9 Correction of container loading method using an automatic rotation 컨테이너적재조정방법은다음과같다. Step 1: 임의높이에해당하는셀가이드단면에대해컨테이너네모서리에서식 (3) 의유격거리 를계산한다. Step 2: 컨테이너각모서리에서 에대해충돌여부를평가한다. Step 3: 충돌이확인되면식 (4) 와같이유격거리의전체합 ( ) 이최대가되도록회전각을결정한다. maximize at (4) 여기서 는임의회전각 에서의유격거리의전체합을나타낸다. Step 4: 컨테이너각모서리에서 에대해충돌여부를재평가한다. Step 5: 검사결과를워크시트 (Work sheet) 로출력한다. 2.4 컨테이너적재시뮬레이션 TrimCellGuide 시스템은 3D 스캐너로확보된점군데이터를기반으로적재시뮬레이션을통해셀가이드의시공상태를검사하는것을목적으로개발되었다. Fig. 10은컨테이너적재시뮬레이터를이용한셀가이드정도검사작업과정흐름도를나타낸다. 컨테이너선화물창내에셀가이드들이시공되면, 3D 스캐너를통해스캔하여셀가이드에대한점군데이터를확보한다. 확보된점군데이터를바탕으로 TrimCellGuide시스템의검사시뮬레이션을통해적재가능여부를검토한후, 그결과를워크시트로출력한다. 이때워크시트에는충돌이생긴셀가이드부분에대해수정작업을할수있도록정확한위치와유격정보 (Interval between cell guides and container box) 를나타낸다. 적재시뮬레이션은 Fig. 11에서와같이왼쪽의조건설정화면과오른쪽결과를보여주는메인화면으로구성된다. 조건설정화면에서는시뮬레이션을위해필요한조건들을정의하며, 각항목의내용들을살펴보면다음과같다. Container type : 컨테이너규격설정 ( 여기서는 40fit로정의되어있음.) Container length, width, height : 컨테이너크기정의 Longitudinal tolerance : 컨테이너길이방향의허용오차범위 Horizontal tolerance : 컨테이너횡방향의허용오차범위 Fig. 10 Workflow of cell guides inspection test using 3D scanner and simulation

19 Development of Cell Guide Quality Management System for Container Ships 163 Fig. 11 Condition definition and result for the simulation of container cell guide inspection Height GuideA GuideB GuideC GuideD X1 X2 Y1 Y2 X1 X2 Y1 Y2 X1 X2 Y1 Y2 X1 X2 Y1 Y Date Fig. 12 Final report after the simulation of container cell guide inspection CheckMan

20 164 Bong-Rae Park and Hyun-Cheol Kim Space : 셀가이드와컨테이너사이의간격을계산할위치 Initial & End height : 검사할시작과끝높이 Height space : 검사간격 Inteli-Recognize : 시뮬레이션실행 그외항목 : Default로주어지므로사용자가설정할사항이아님. 상기조건들을정의한후, 시뮬레이션을실행하면그결과로서각높이마다셀가이드와컨테이너사이에간격과기타정보를메인화면에나타난다. 검사하고자하는높이가많이있을경우메인화면에도시된결과를사용자가파악하기가쉽지않다. 따라서시뮬레이션결과를쉽게파악할수있도록그결과를 Fig. 12와같이워크시트로출력하였다. Guide A, B, C, D는각컨테이너모서리에서의셀가이드를나타내고, X 1, X 2 와 Y 1, Y 2 는각각길이방향과폭방향으로두군데에서유격거리를계산한값들을나타낸다. X 1, X 2 와 Y 1, Y 2 값을비교한결과각각평균 0.08mm ~ 0.45mm 범위에서셀가이드유격거리계산편차가있음을확인하였다. 3. 비교및분석개발된 TrimCellGuide시스템 의성능검증을위해실제셀가이드와컨테이너사이의유격거리측정값과시뮬레이션을수행하여계산한결과를비교하였다. 조선소에서실제컨테이너를이용하여적재검사를할경우안전사고의위험이있으므로충돌이감지될때에만수정작업을위해셀가이드와컨테이너사이의유격거리를측정한다. 그러나본연구에서는시뮬레이션결과와의실제계측값을비교하기위해세지점의높이방향에서유격거리를측정하였다. 대상선박은 S조선소의 2,500TEU 컨테이너선박이며, 셀가이드계측위치는높이방향으로는 3.0m 간격으로 3.2m, 6.2m, 9.2m 그리고각끝단면으로부터약 50mm지점 ( 모서리에서 115mm지점 ) 에서유격거리를측정하였다 (Fig. 13). 실제계측할때컨테이너가승 / 하강하는중안전사고위험으로인해정해진높이에서정확히동일한위치에서의셀가이드와컨테이너간격을계측하는것이현실적으로어렵지만, 가능한근접한장소에서계측하였다. Table 1과 Fig. 14는측정값과시뮬레이션결과를비교한것으로, 그차이가약 ±2mm 범위에있음알알수있다. 이는 3D 스캐너를이용하여안전하게검사하고자하는화물창내에서셀가이드를측정한후, 시뮬레이션과정을거쳐필요한셀가이드시공정보를검사하는데에실제적용가능한수준임을보여준다. Table 1 Comparison between measured data and simulation results [unit: mm] Height 9,200 6,200 3,200 Cell guide A B C D A B C D A B C D Measured value Calculated value Difference X Y X Y X Y X Y X Y X Y X Y X Y X Y X Y X Y X Y (a) Comparison of interval (b) Comparison of interval at height 3,200mm at height 6,200mm Fig. 13 Interval measurement between cell guide and container box (c) Comparison of interval at height 9,200mm Fig. 14 Comparison between measured data and simulation results

21 Development of Cell Guide Quality Management System for Container Ships 결론 후 기 셀가이드의측정및적재가능여부에대한검사는컨테이너선박건조에서컨테이너운송및적재기능과연관된중요한작업으로, 안전사고의위험성을가지며많은시간을필요로한다. 주로조선소를중심으로연구가수행되었기때문에학술논문보다는특허를통해실용적인적용방법이소개되었다. 본연구는최근급속하게발달하고있는 3D 스캐너기술을이용하여컨테이너셀가이드를계측한후, 점군데이터처리를통해적재시뮬레이션를수행하는시스템을개발하여, 실용적인관점에서그결과를검토하였다. 개발내용을요약하면다음과같다. 첫째, 3D 스캔한셀가이드의점군데이터로부터컨테이너적재검사를수행할수있는자체시스템을구축하였다. 개발된시스템은컨테이너적재여부검사, 컨테이너와셀가이드사이의유격거리출력, 보고서작성등을효율적이고간편하게수행하게한다. 둘째, 본연구의목적은셀가이드의 3D 모델링이아니라, 시공결과검사를목적으로하므로검사하고자하는높이에서의정확한단면표현을위해 RANSAC를적용하여셀가이드들과컨테이너와의유격거리를계산하였다. 셋째, 컨테이너적재시뮬레이션에서컨테이너가셀가이드와충돌시컨테이너를회전하여조정할수있도록시스템을구현하였다. 넷째, 개발된시스템의적재시뮬레이션결과를실제셀가이드계측값과비교한결과약 ±2mm이내에서일치함을확인하였으며, 실용적인측면에서신뢰성있는결과임을보여주었다. 본연구에서의개발한방법은화물창바닥에 3D 스캐너를설치하여소수의인원으로만셀가이드를측정하므로기존방법들에비해안전사고의위험이거의없다. 그리고스캔된점군데이터로부터 1시간이내에시뮬레이션이가능하므로현장에서효율적으로적용가능할것으로기대된다. 현재는적재시뮬레이션과정에서컨테이너가셀가이드에서충돌시평면적으로회전을하여적재여부가능성을검사하지만, 향후에는공간회전도수행함으로써보다조정기능을강화할계획이다. 본연구는 2017년울산과학대학교교내학술연구비지원에의해수행되었습니다. References Fischler, M.A., Bolles, R.C., Random Sample Consensus: A Paradigm for Model Fitting with Applications to Image Analysis and Automated Cartography. Communication of the ACM, 24(6), Daewoo Shipbuilding & Marine Emgineering(DSME), Inspection Apparatus and Inspection Method of Container Cell Guide. Patent Application , Korean Intellectual Property Office. Daewoo Shipbuilding & Marine Emgineering(DSME), System for the Measuring of Container Cell Guide Distance. Patent Application , Korean Intellectual Property Office. Hyundae Heavy Industries(HHI), Container Loading Mistake Test Device of Containership and Test Method. Patent Application , Korean Intellectual Property Office. Hyundae Heavy Industries(HHI), Vertual Inspection Method for Loading Container and Virtual Inspection System for Loading Container. Patent Application , Korean Intellectual Property Office. Samsung Heavy Industries(SHI), Measuring System and Inspection Method of Container Guide. Patent Application , Korean Intellectual Property Office. STX Daewoo Offshore & Shipbuilding(STX), Cell Guide measuring System for Ship. Patent Application , Korean Intellectual Property Office.

22 한국해양공학회지제 32 권제 3 호, pp , 2018 년 6 월 / ISSN(print) / ISSN(online) Original Research Article Journal of Ocean Engineering and Technology 32(3), June, Motion Simulation of FPSO in Waves through Numerical Sensitivity Analysis Je-in Kim *, Il-Ryong Park *, Sung-Bu Suh *, Yong-Duck Kang *, Sa-Young Hong ** and Bo-Woo Nam ** * Department of Naval Architecture and Ocean Engineering, Dong-Eui University, Busan, Korea ** Korea Ocean Research & Development Institute, Korea research Institute of Ship & Ocean Engineering, Daejeon, Korea 수치민감도해석을통한파랑중 FPSO 운동시뮬레이션 김제인 * 박일룡 * 서성부 * 강용덕 * 홍사영 ** 남보우 ** * 동의대학교조선해양공학과 ** 선박해양플랜트연구소 KEY WORDS: Wave propagation 파진행, Motion 운동, CFD 전산유체역학, Numerical sensitivity 수치민감도, Error distribution 오차분포 ABSTRACT: This paper presents a numerical sensitivity analysis for the simulation of the motion performance of an offshore structure in waves using computational fluid dynamics (CFD). Starting with 2D wave simulations with varying numerical parameters such as grid spacing and CFL value, proper numerical conditions were found for accurate wave propagation that avoids numerical diffusion problems. These results were mapped on 2D error distributions of wave amplitude and wave length against the numbers of grids per wave length and per wave height under a given CFL condition. Finally, the 2D numerical sensitivity result was validated through CFD simulation of the motion of a FPSO in waves showing good accuracy in motion RAOs compared with existing potential flow solutions. 1. 서론최근, 전산유체역학 (Computational fluid dynamics, CFD) 의다양한해양공학문제에적용, 큰진폭의비선형파 (Nonlinear wave) 에의한해양구조물의파랑충격력 (Wave impact) 및갑판침수 (Green water) 와같은현상을보다정확히추정하기위한연구들이활발하게진행되고있다 (Sato et al., 1999; Nielsen, 2003; Zhang et al., 2005; Yum and Yoon, 2008; Heo et al., 2011; Kim, 2011; Go et al., 2017; Nam et al., 2012; Park et al., 2013; Nam et al. 2017). CFD를통해파랑중해양구조물주위유동에대한본격적인해석에앞서, 주어진파에대한시뮬레이션에서수치감쇠 (Numerical damping) 를감소시키기위한적절한수치해석적조건을찾는중요한과정을수행해야한다. 관련된수치해석적변수로는계산영역의크기, 격자수, 계산시간간격및계산영역의경계면에서파의반사를피하기위한소파 (Wave absorption) 방법및그영역의크기등이해당된다. 물론지배방정식의공간과시간에대한수치이산화기법과 자유수면표현기법의정확도도중요한요소가될수있다. 일반적으로, 파랑중해양구조물의운동해석은긴계산시간을요구하기때문에유동장의크기, 격자수및계산시간간격은전체계산시간의크기를결정하는중요한요소가된다. 앞서본논문에서는 CFD 기법이큰장점을가지는파와구조물의강한비선형상호작용문제해석에앞서해석해가존재하는문제를먼저다루고그결과를검증하는것으로한정하고자한다. 수치해석결과에서는 2차원비선형파진행문제를다루고주어진파조건에대한수치해의정확도를유지하는데필요한격자수및계산시간간격의민감도를조사하였다. 여기서, 유동장의하류에서파를소파시키기위한방법의경우는최근수행된타연구자의결과를적용하고본연구에서검증한결과를소개하였다. 본논문에서얻은파진행문제에대한 2차원수치민감도검토결과는 3차원파랑중 FPSO(Floating production storage and offloading) 운동문제에적용하고구조물의운동을타당하게추정하는데필요한수치격자의민감도를검토하였다. Received 22 March 2018, revised 5 June 2018, accepted 7 June 2018 Corresponding author Il-Ryong Park: , irpark@deu.ac.kr ORCID: It is noted that this paper is revised edition based on proceedings of KAOST 2017 in Busan. c 2018, The Korean Society of Ocean Engineers This is an open access article distributed under the terms of the creative commons attribution non-commercial license ( which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 166

23 Motion Simulation of FPSO in Waves through Numerical Sensitivity Analysis 수치해석방법 3. 수치해석결과 2.1 지배방정식유동은해석되는문제에따라 2차원비선형파진행문제의경우비압축성층류유동 (Laminar flow) 으로가정하였으며, 파랑중해양구조물운동문제의경우난류유동 (Turbulent flow) 으로가정하였다. 난류유동의경우연속방정식과운동량보존방정식인 Reynolds-averaged Navier-Stokes(RANS) 방정식을유동의지배방정식으로사용하고, 난류모형으로 Realizable k-ε모형을사용하였다 (Shin et al., 1995). 지배방정식의해는유한체적법 (Finite volume method) 으로이산화하였으며, 시간적분및공간에대해 2차정도의수치이산화기법이사용되었다. 본논문에서는이러한수치해석기법들을이용하는상용프로그램 STAR-CCM+ (CD-adapco, 2015) 를이용하여모든수치해석을수행하였다. 2.2 자유수면및입사파모델링수치해석을통한파생성의경우자유수면의운동학적및동역학적조건을정확히만족시키는것이중요하다. 본논문에서는 STAR-CCM+ 에제공되는 2차정확도의 VOF(Volume of fluid, Muzaferija and Perić, 1999) 법을사용하였다. 본연구에서입사파진행시뮬레이션의수치민감도해석및 FPSO의파랑중운동해석에필요한수치파는모형시험과같은조건으로조파기를직접적으로모델링하는방법이아닌파이론 (Wave theory) 에서얻어진파정보를유동장유입경계면에입력하는방법을사용하였다. 비선형파의경우 Stokes 5 th 파방정식을이용하였으며파랑중 FPSO운동문제의경우작은파기울기를고려할때선형파방정식의해를이용하였다 차원파진행문제수치조건민감도본절에서는주어진조건의비선형파를정확히시뮬레이션하기위해필요한격자수와계산시간간격등의수치해석조건을검토한결과를제공한다. 문제는 2차원문제로취급하고유동은층류로가정하였다. 여기서, 본연구의수치계산조건에따른수치오차는지배방정식의이산화와자유수면처리등의적용된수치기법들의오차를같이동반한결과임을고려하여이해되어야한다. 대상으로하는파는파장 () 4m, 파고 () 0.16m인 Stokes 5 th 파이다. 이때, 유동장의크기는파장을기준으로파진행방향인 x방향으로, 높이방향인 z방향으로, 그리고수심 이다. 여기서, 파의감쇠를유도하는소파영역의 x방향길이는유동장의유출면을기준으로 이다. 지배방정식을풀기위한수치해석조건에서하향완화계수 (Under relaxation factor) 의경우속도-압력연성방정식은 0.5를사용하고, 그외운동량방정식과자유수면모델에대한변수들에대해서는 0.9를사용했다. 총시뮬레이션시간은파의 10주기에해당하는 16초이다. Table 1은 2차원파시뮬레이션을통한수치민감도분석을위해수행한모든해석조건들을나타내고있다. 수치해석조건은파장당격자수 ( ), 파고당격자수 ( ), 그리고 CFL(Courant- Friedrichs-Lewy) 조건에따른계산시간간격 () 그리고전체방정식들을풀기위해적용되는내부반복계산횟수 (Inner iteration) 이며, 총해석조건은 110가지이다. 표에서는파장 4m, 파고 0.16m의파에대한격자수및단위격자의크기 (, ) 를볼수있다. 격자수는파장당 40에서 160개, 파고당격자수 Table 1 Test cases for the propagation simulation of the given Stokes 5 th wave No. of test cases x ( ) z ( ) t (CFL = 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5) Inner iteration m (40 cells) m (26 cells) 0.004s (0.1), 0.008s (0.2), 0.012s (0.3), 0.016s (0.4), 0.020s (0.5) 5, m (55 cells) m (35 cells) s (0.1), s (0.2), s (0.3), s (0.4), s (0.5) 5, m (80 cells) m (26 cells) 0.002s (0.1), 0.004s (0.2), 0.006s (0.3), 0.008s (0.4), 0.010s (0.5) 5, m (94 cells) m (15 cells) s (0.1), s (0.2), s (0.3), s (0.4), s (0.5) m (94 cells) m (30 cells) s (0.1), s (0.2), s (0.3), s (0.4), s (0.5) m (100 cells) 0.01 m (16 cells) s (0.1), s (0.2), s (0.3), s (0.4), s (0.5) 5, m (100 cells) m (32 cells) s (0.1), s (0.2), s (0.3), s (0.4), s (0.5) 5, m (120 cells) m (19 cells) s (0.1), s (0.2), s (0.3), s (0.4), s (0.5) 5, 10, m (140 cells) m (22 cells) s (0.1), s (0.2), s (0.3), s (0.4), s (0.5) 5, 10, m (160 cells) m (26 cells) 0.001s (0.1), 0.002s (0.2), 0.003s (0.3), 0.004s (0.4), 0.005s (0.5) 5, 10, 20, 30

24 168 Je-in Kim et al. 는 15에서 35개의 변화 범위를 가진다. 각각의 격자조건에 사용 한 계산시간 간격을 볼 수 있으며, 이 때 값들은 CFL값으로 표 현하여 0.1, 0.2, 0.3, 0.4 그리고 0.5에 해당한다. 전체 방정식에 해석 해와의 차이에 대한 평균을 %오차로 나타내었다. 파장의 오차는 유입 경계면에서 소파영역 시작점까지의 해석 해의 파 길이에 대한 수치해에서 얻은 파의 길이를 서로 비교하여 %오 대한 내부 반복계산 횟수는 5와 10을 사용하고, 격자수가 많아 수렴이 더 필요할 것으로 판단되는 조건에서는 20과 30까지 사 용되었다. 차( )로 나타내었다. 파진행 시뮬레이션에서 중요한 수치 해석적 요소 중 하나로서 유동장 출구에서 파의 반사를 막아 반사파의 영향이 유동장 안으 수치해석 결과는 해당하는 파조건의 Stokes 5th파 이론해와 비 교하였다. 수치해석에서 파진폭에 대한 오차는 파정과 파저 별 도로 계산하였으며(, ), 유입 경계면 및 소파영역 로 들어오지 못하도록 하는 것이다. 본 연구에서는 STAR-CCM+ 에서 제공하는 소파영역내 파감쇠함수를 사용하여 파의 진폭을 감소시키는 방법을 사용하였다(Peric and Abdel-Maksoud, 2016). 에 인접한 파를 제외한 연속된 3개의 파의 파정 및 파고에 대한 Fig. 1은 소파영역의 크기에 따른 파의 반사 영향을 시간변화에 (a) Damping Length = 0 (b) Damping Length = 0.5λ (c) Damping Length = 1.0λ (d) Damping Length = 1.5λ (e) Damping Length = 2.0λ (f) Damping Length = 2.5λ Fig. 1 Free surface elevation over x-location

25 Motion Simulation of FPSO in Waves through Numerical Sensitivity Analysis 169 (a) = 0.1 m (40 cells), = m (26 cells), = s (b) = 0.05 m (80 cells), = m (26 cells), = s 따른파형상을비교하여나타내고있다. 최종적으로본논문에서는소파영역을유동장출구에서상류방향으로파장의 2.5배로설정하였다. 이값의타당성은 Peric and Abdel-Maksoud(2016) 의결과에서도동일하게소개하고있으며, 소파영역이파장의 1배이상일때유출경계면에서반사율이많이감소하는것을알수있다. 본수치해석에서사용된파장당격자수 = 100개, 파고당격자수 = 32개그리고 CFL조건으로 0.2의값을사용하였다. Fig. 2는 CFL 0.2, Inner iteration=10의조건에서파장당격자수의증가에따른 10주기시간인 16s 때해석공간상에서수치해와해석해의파형을비교하고있다. 계산시간간격이작은, 낮은 CFL조건임에도파장당격자수 40의결과는해석해와진폭과파장의차이를보이고파장당격자수가 80개이후해석해와비교적좋은일치를보여주고있다. 다만, 파장당격자수 120 개이상의경우파표면에불규칙한수치적 Wiggle(Irregular point to point oscillation) 현상이발생하였다. 이현상은, 우선은수렴문제로판단되며수렴을위해더많은 Inner iteration이필요한것으로사료된다. Fig. 3은 Inner iteration 에따른해의수렴정도를비교하고있다. 파장당격자수 80개와파고당격자수 26개그리고 CFL 조건 0.3에서 Inner iteration 5와 10의결과를비교하고있다. Inner iteration의증가로파형의진폭및파장의정도가해석해와비교해높아진것을볼수있다. Fig. 4는주어진파장당격자수와파고당격자수조건에서 CFL 값을변화시켜얻어진수치해들을파정과파저에서의파 (c) = m (94 cells), = m (15 cells), = s (a) Inner iteration = 5 (d) = m (120 cells), = m (19 cells), = s Fig. 2 Comparison of wave profiles ; CFL = 0.2, inner iteration = 10 (b) Inner iteration = 10 Fig. 3 Effect of inner iteration; = 80, = 26, CFL = 0.3

26 170 Je-in Kim et al. (a) ; CFL = 0.1 (b) ; CFL = 0.1 (c) ; CFL = 0.1 (d) ; CFL = 0.2 (e) ; CFL = 0.2 (f) ; CFL = 0.2 (g) ; CFL = 0.3 (h) ; CFL = 0.3 (i) ; CFL = 0.3 (j) ; CFL = 0.4 (k) ; CFL = 0.4 (l) ; CFL = 0.4 (m) ; CFL = 0.5 (n) ; CFL = 0.5 (o) ; CFL = 0.5 Fig. 4 Error distributions of wave amplitude and wave length

27 Motion Simulation of FPSO in Waves through Numerical Sensitivity Analysis 171 진폭 오차와 파장에 대한 위상오차를 CFL조건에 따라 %오차 분포도를 작성한 결과를 보여주고 있다. 이 분포도를 통해 격자 수 및 CFL조건에 따른 수치해의 민감도를 파악할 수 있도록 하 였다. Table 2 Additional test cases for the validation of wave propagation simulation Test case Wave steepness (a) velocity X (b) velocity Z (a) = 2 m & = 0.1 m Fig. 6 Fluid velocities computed for the wave of = 6.1 m & = m CFL 0.1에서 0.5의 각각의 오차 분포도를 살펴볼 때 파장과 파고당 격자수에 대한 해의 정확도 분포가 선형적인 특성이 아 닌 것을 볼 수 있다. Table 2는 Fig. 4의 오차 분포도 결과를 대상 조건의 파가 아 닌 다른 파 조건들에 적용하고 검증을 수행한 세 가지 파를 설 명하고 있다. 여기서, 오차는 2%내외가 될 수 있는 범위의 격자 수를 선택하고 CFL 0.2조건을 선택하였다. Fig. 5는 각각 파장 2m, 파고 0.1m 파, 파장 3.62m, 파고 0.2m (b) = 3.62 m & = 0.2 m 파 그리고 파장 6.1m, 파고 0.304m 파에 대한 10주기 시뮬레이 션 이후 파형을 해석해와 비교하고 있다. 파장 2m, 파고 0.1m 파의 경우 파 기울기는 0.05이고 파장당 격자수는 125개, 파고 당 격자수는 25개이다. 파장 3.62m, 파고 0.2m 파의 경우 파 기 울기가 0.055이고 파장당 격자수 113개, 파고당 격자수 25개이 며, 파장6.1m, 파고 0.304m 파의 경우 파 기울기는 , 파장 당 격자수 118개 그리고 파고당 격자수는 24개로 구성되어 있 다. 결론적으로, Fig. 4의 분포도를 활용하여 격자를 결정한 세 가지 해석의 결과에서 파정과 파저에서의 진폭 및 파장에 대한 위상차이가 매우 작은 양상으로 Stokes 5th 해석해와 좋은 일치 를 보이고 있다. Fig. 6은 파장 6.1m, 파고 0.304m 파 주위 유동장에서의 잘 수 렴된 x축 방향 및 z축 방향 유체의 속도분포를 보여주고 있다. (c) = 6.1 m & = m Fig. 5 Comparison of wave profiles for different wave conditions 3.2 파랑중 FPSO 운동 해석 수치격자 민감도 본 절에서는 앞선 2차원 파 시뮬레이션을 통한 수치 해석조 건 민감도 분석 결과를 바탕으로 파랑중 FPSO 운동 시뮬레이션

28 172 Je-in Kim et al. Fig. 7 Hull form of KRISO FPSO Table 3 Main dimensions of KRISO FPSO Item Unit Full load 140 K (1/60) Ship Model Length, Lpp m Breadth, B m Draft(FP) m Draft(Mid) m Draft(AP) m Displacement m 3 139, LCG m GM m KG m Kyy = Kzz m Kxx m 의수치격자민감도검토결과를제공한다. Fig. 7은해석의대 상이되는 FPSO 선형의모습을보여주고있다. Table 3에서길 이 239m인 FPSO선형의주요제원을나타내고있다. 선폭은 45.82m이고흘수가 15.82m 그리고운동해석에필요한회전반경 및중심의위치를확인할수있다. 수치해석은축척비 1/60인 3.983m의모형선에대해수행하였다. Table 4는수치해석에서사용한 FPSO로유입되는파조건으 로서실선을기준으로하였을때 0.4, 0.5, 0.6, 0.7 파진동수에 해당하는선수규칙파의파고, 파주기그리고파장을모형선시 험조건과비교하고있다. 여기서, 선체의위치유지를위해계 류선이사용되고본수치해석은스프링모델로이를재현하였 다 (Hong et al. 2002). 참고로모형선의길이가약 4m일때, 0.4 는파장이 7.6m, 0.5는 4.1m, 0.6은 2.9m, 0.7은약 2.1m이다. 파 고는 0.033m이다. 이때각파진동수에해당하는파기울기들은 앞서수치해석조건민감도분석을위해수행한 2차원문제의 Fig. 8 Size of flow domain 파들보다작은조건이다. 파진동수 0.6의경우파고변화에따른해의변화를살펴보기위해파고 0.05m와 0.067m의두가지계산조건을추가되었다. Fig. 8은 FPSO 선체를중심으로유동장의크기를설명하고있다. 유동장에파가입사되는유입경계면은상류쪽으로 1.5Lpp 에위치해있으며, 유출경계면은하류 2.0Lpp의거리에떨어져있다. 선체의측면으로는 1.0Lpp, 깊이방향으로는 1.1Lpp의크기를가진다. 파랑중 FPSO 운동해석에서는유동장경계에서파의수치적반사현상을막기위해 STAR-CCM+ 에프로그램되어있는다른소파방법을활용하였다. 앞서 2차원연구에서입사파의파장의 2.5배의소파영역을두는방법과는달리, 경계면부근에서유동장내부의파와주어진입사파가일정영역에서수학적으로조화시켜반사파를강제하는일명 Wave forcing법을사용하였다. 본방법을이용한 2차원진행파검증은 Enger et al.(2014) 의연구결과를참조할수있다. 이방법은앞선방법보다 Forcing 영역을짧게할수있어격자의수를줄일수있다. Forcing영역의크기는유입경계면에서 0.9Lpp, 유출경계면에서 0.5Lpp, 측면에서 0.25Lpp의크기를가지도록설정하였다. Table 4 Wave conditions for the numerical simulations Freq. [rad/s] Wave Height [m] [proto/model] (*Wave steepness) Wave Period [s] [proto/model] Wave length [m] [proto/model] / (* ) / / / (* ) / / / (* ) / / / (* ) / / / (* ) / / / (* ) 8.98 / / Fig. 9 Strategy of grid generation

29 Motion Simulation of FPSO in Waves through Numerical Sensitivity Analysis 173 (a) Heave motion Fig. 10 Overset grid distribution around the hull Table 5 Grid conditions for each wave condition Grid size Total No. of grids (CFL = 0.3, inner iteration = 7) Grid M Grid M Grid M Grid M Grid M Grid M Grid M Grid M Grid M Grid M Grid M Grid M (b) Pitch motion (c) Surge motion Fig. 11 Motion results at = 0.4 Fig. 9는선체주위격자분포모습을보여주고있다. 수치격자는크게배경격자와운동을하는내부격자그리고두격자간내삽 (Interpolation) 이이루어지는완충 (Buffer) 영역으로나누었다. 자유수면에대한격자조밀도는그림과같이여러영역으로나누어조정하였다. Fig. 10은선체주위배경격자및선체를포함하는운동격자내자유수면영역의격자분포상황을보여주고있다. Table 5는 2차원문제를통해검토한수치민감도분석결과를바탕으로결정된파랑중 FPSO운동해석에사용된격자조건들을나타내고있다. 각각의파진동수조건에대해세가지격자를생성하였다. 이는전체격자수가작은경우해석시간을줄일수있지만해의정도를검토하고자하였다. 파장당격자수는 71에서 179까지그리고파고당격자수는 14에서 24까지사용되었다. 전체격자수는대략작은경우 1백6십만개에서 3백9십만개, 중간크기는 2백9십만개에서 5백3십만개, 가장조밀한경우 5백5십만개에서 7백5십만개이다. 전체격자수는파진동수가클때파장당격자수가작아도크게증가하는것을볼수있다. CFL조건은 0.3, Inner iteration은 7로설정하여계산을수행하였다. Table 에서각격자에대해 CFL 0.3에해당하는계산시간간격을볼수있다. Figs 은파진동수 0.4, 0.5, 0.6 그리고 0.7에서 FPSO의운동응답을격자조건에대해비교하고있다. Fig. 11는파진동수 0.4의선수파조건에서계산된시간에따른상하동요 (Heave), 종동요 (Pitch) 그리고전진동요 (Surge) 운동의시간에따른진폭변화를보여주고있다. 각조건에서약 20초이후운동들이수 (a) Heave motion (b) Pitch motion (c) Surge motion Fig. 12 Motion results at = 0.5 렴하고있으며, 세가지격자조건에서계산된결과들은서로잘일치하는것을볼수있다. 유동의선형성 (Linearity) 이지배

30 174 Je-in Kim et al. 적인 낮은 파 진동수 조건에서는 격자간 해의 차이는 크지 않 은 것을 볼 수 있다. (a) Heave motion (a) Heave motion (b) Pitch motion (b) Pitch motion (c) Surge motion Fig. 15 Motion results varying wave height at = 0.6 (c) Surge motion Fig. 13 Motion results at = 0.6 Fig. 12은 파 진동수 0.5의 결과를 비교하고 있다. 파 진동수 0.4의 결과와 마찬가지로, 본 조건의 경우에도 세 가지 격자에 서 얻어진 결과들이 서로 잘 일치하는 것을 볼 수 있다. Fig. 13과 14는 파 진동수 0.6과 0.7 운동의 시간에 따른 진폭변 화를 각각 비교하고 있다. 파의 기울기와 비선형 특성이 커지면서 격자 간 운동진폭의 차이가 약간 나타나는 것을 볼 수 있다. 파 진동수 0.7의 경우 가장 작은 격자수의 상하동요 운동진폭이 다른 격자들과는 조금 더 차이를 보이고 있다. 그러나 이러한 차이는 (a) Heave motion 다음에 비교하게 될 운동의 RAO(Response amplitude operator) 관 점에서는 큰 차이가 아닌 것으로 판단된다. 그 외 다른 운동의 진 폭들의 차이는 앞선 파 진동수 0.4와 0.5보다는 크지만 비교적 서 로 일치하는 것을 볼 수 있다. Fig. 15는 파 진동수 0.6에 대해 파고의 변화에 따른 FPSO의 상하동요, 종동요 및 전진동요 운동의 시간에 따른 진폭변화를 (b) Pitch motion 비교하고 있다. 본 계산에서는 성긴 격자를 사용하였다. 일반적 으로 대진폭 운동이 아닌 경우 파 진동수에 따른 선체의 운동 은 선형특성이 지배적으로 파고의 증가에 따른 배수만큼의 운 동진폭의 증가 현상이 본 결과에도 나타나고 있다. Fig. 16은 앞서 계산한 FPSO 운동의 RAO를 포텐셜유동 해석 결과 비교하고 있다. 그림에는 선체의 전후동요를 구속한 경우 의 결과를 포함하고 있다. 파 진동수 0.4에서 전진동요와 종동 요 운동이 그리고 진동수 0.6에서 상하동요 운동이 포텐셜유동 의 결과와 다소 차이를 보이는 것 외 각 파 진동수에 대해 모든 (c) Surge motion Fig. 14 Motion results at = 0.7 격자조건의 결과들이 비교적 만족스런 일치를 보여주고 있습니 다. 전후동요를 구속하였을 때 상하동요의 경우 큰 차이가 없고 낮은 파 진동수의 종동요 운동이 전후동요를 고려했을 때보다

31 Motion Simulation of FPSO in Waves through Numerical Sensitivity Analysis 175 (a) Surge Fig. 17 Comparison of mean drift force RAO 커지는것을볼수있다. Fig. 17은전진동요방향으로선체에작용하는시간평균한표류력을포텐셜유동의해와비교하고있다. 본수치해석의경우포텐셜유동해석보다다소작게예측되고있다. 이는파와선체가상호작용하는선체근방의유동이두수치해석법에서다른것이그원인으로추측된다. 4. 결론 (b) Heave (c) Pitch Fig. 16 Comparison of motion RAOs 본논문의 2차원파진행문제에대한수치민감도해석을통해파시뮬레이션에참조될수있는수차격자및 CFL조건에대한수치오차분포도를완성하였다. 파진폭및파장의오차는파장당격자수 80개이상에서많이감소하였으며, 이보다큰파장당격자수 95개이상에서 CFL 조건에따른오차폭이대체로작았다. 파고당격자수의경우파장당격자수조건이충분할경우 15~25개의범위에서적절한정확도를보였다. 이러한수치민감도검토결과를바탕으로대상파가아닌파장과파고가서로다른파들에대한별도의검증을수행하여파의진폭과위상에대한오차가적은해를구할수있었다. 마지막으로, 2차원문제에서얻은수치민감도분석결과를다양한파진동수조건의파랑중 FPSO 운동해석에적용하여그유효성을확인하였다. FPSO 운동해석을위해각파진동수조건에대해세가지수치격자조건들을결정하였으며그결과각각의격자계에대한운동응답이포텐셜유동의해비교적좋은일치를보이는것을확인하였다. 다만, 파의기울기가상대적으로큰파진동수 0.6과 0.7조건에서각각의진동수에대한세가지격자중대체로전체격자수가작은격자계의운동의시계열거동이다른파진동수의결과와비교했을때격자간다소차이를보이는것을볼수있었다. 그러나포텐셜유동과비교하여운동의 RAO들은대체로만족스러운일치를보여주었다. 선체에작용하는전진동요방향의시간평균표류력의 RAO는점성을고려한본수치해석결과가진동수 0.4를제외하고포텐셜유동의결과보다다소작은추정치특성을보였다.

32 176 Je-in Kim et al. 향후, 본수치해석결과를바탕으로구조물과비선형파의상호작용이큰문제에서높은정도의해를얻기위해필요한수치민감도연구가수행되어야할것으로판단된다. 후기본논문은 SHI-KRISO 해양공학수조활용해양설계엔지니어링공동연구와국제적수준의안전성을확보한 GT 15,000급카페리설계과제의지원으로작성되었습니다. References CD-adapco, STAR-CCM Usre s Manual. Enger, S., Períc, M., Monteiro, H.,2014. Coupling of 3D Numerical Solution Method Based on Navier-Stokes Equations with Solutions Based on Simpler Theories. Proceedings of XXXV Iberian Latin-American Congress on Computational Methods in Engineering, ABMEC, Fortaleza, CE, Brazil. Go, G.S., Ahn, H.T., Ahn, J.H., Simulation-Based Determination of Hydrodynamic Derivatives and 6DOF Motion Analysis for Underwater Vehicle. Journal of Ocean Engineering and Technology, 31(5), Heo, J.K., Park, J.C., Kim, M.H., CFD Analysis of Two- Dimensional Floating Body with Moon Pool under Forced Heave Motion. Journal of Ocean Engineering and Technology, 25(2), Hong, S.Y., Kim, J.H., Kim, H.J., Choi, Y.R., Experimental Study on Behavior of Tandem and Side-by-side Moored Vessels. Proceedings of 12th ISOPE, Kita-Kyushu 3, Kim, S.E., CFD as a Seakeeping Tool for Ship Design. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, 3(1), Nielsen, K.B., Numerical Prediction of Green Water Load on Ships. Ph.D. thesis, Technical University of Denmark. Nam, B.W., Kim, Y.H., Yang, K.K., Hong, S.Y., Sung, H.G., Numerical Study on Wave-induced Motion of Offshore Structures Using Cartesian-grid based Flow Simulation Method. Journal of Ocean Engineering and Technology, 26(6), Nam, B.W., Hong, S.Y., Kim, H.J., A Numerical Study on Slow-Drift Motion and Wave-in-Deck Impact Event of a Tension Leg Platform in Extreme Waves. Proceedings of the ASME th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, Trondheim, Norway. Muzaferija, S., Perić, M., Computation of Free Surface Flows Using Interface-tracking and Interface-capturing Methods, Nonlinear Water Wave Interaction, Mahrenholtz, O., Markiewicz, M., (Eds.), WIT Press, Southampton, UK, Chapter 2, Perić, R., Abdel-Maksoud, M., Reliable Damping of Freesurface Waves in Numerical Simulations. Journal of Ship Technology Research, 63(1), Park, I.R., Kim, J., Kim, Y.C., Kim, K.S., Van, S.H., Suh, S.B., Numerical Prediction of Ship Motions in Wave using RANS Method. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 50(4), Shih, T.H., Liou, W.W., Shabir, A., Zhu, J., A New k-ε Eddy Viscosity Model for High Reynolds Number Turbulent Flows-Model Development and Validation. Computers and Fluids, 24(3), Sato, Y., Miyata, H., Sato, T., CFD Simulation of 3-Dimensional Motion of a Ship in Waves : Application to an Advancing Ship in Regular Heading Waves. Journal of Marine Science and Technology, 4(3), Yum, D.J., Yoon, B.S., Numerical Simulation of Slamming Phenomena for 2-D Wedges, Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 45(5), Zhang, S., Liut, D., Weems, K., Lin, W.M., A 3-D Finite Volume Method for Green Water Calculation. 24th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, Halkidiki, Greece.

33 한국해양공학회지제 32 권제 3 호, pp , 2018 년 6 월 / ISSN(print) / ISSN(online) Original Research Article Journal of Ocean Engineering and Technology 32(3), June, Numerical Simulation on the Response of Moored Semi-submersible Under Ice Load Jeong-Hwan Kim * and Yooil Kim * * Department of Naval Architecture and Ocean Engineering, Inha University, Incheon, Korea 유빙하중을받는계류된반잠수식시추선의응답해석 김정환 * 김유일 * * 인하대학교조선해양공학과 KEY WORDS: Ice load and behavior 빙하중및거동, Semi-submersible rig 반잠수식시추선, Pack ice condition 유빙조건, Finite element method 유한요소법, Drag force coefficient 항력계수, Pressure-penetration relation 압력 - 침투관계 ABSTRACT: This study simulated ice load and the motion response of a moored semi-submersible rig in pack-ice conditions using a finite element method. Ice flows of random size and shape were modeled, and interactions for ice-sea, ice-structure, ice-ice were simulated using a simplified method. Parameters for the simplified method such as drag force coefficient and the pressure-penetration relation were obtained based on the result of detailed analysis using the coupled Eulerian-Lagrangian method. The mooring lines were modeled by spring elements based on their stiffness. As a result of the simulation over 1,400 seconds, the force and motion response of the rig were obtained and validated using discrete elements and compared with the results found by the Krylov State Research Centre. 1. 서론지구온난화로인해극지자원개발에대한기대가커지면서, 극지에서의석유자원시추를위한드릴쉽 (Drillship) 이나반잠수식시추선 (Semi-submersible rig) 에대한관심은나날이증가하고있다. 특히반잠수식시추선은선박형태의드릴쉽에비해수선면적이적어파랑및빙하중을적게받기때문에극지의시추작업을위한해양구조물로각광을받고있다. 극지용반잠수식시추선은그환경의특수성으로인해일반해역에설치되는것과달리추가로고려해야할사항들이있는데그중가장중요한요소가바로빙하중이다. 특히유빙 (Pack ice) 에의한빙하중은그발생빈도가높고선체와계류라인에영향을줄수있어설계단계에서정확한예측이필요하다. 빙하중을예측하기위한수치해석법의개발은컴퓨터의계산성능이발달하면서활발히진행되고있다. Metrikin et al.(2015) 은최근의빙하중예측용수치해석법을유한요소법 (Finite element method), Particle-in-cell(PIC) 그리고개별요소법 (Discrete element method) 으로크게세가지로나누었다. Kim et al.(2013), Wang and Derradji-Aouat(2011) 그리고 Millan and Wang(2011) 은유한 요소법의 ALE(Arbitrary lagrangian eulerian) 기법을적용하여얼음과물과구조물의상호작용을구현하였다. Particle-in-cell 기법은 Sayed(1997) 에의해개발된방법으로 Semi-lagrangian이라고할수있다. 즉, 이기법에서는얼음을개별입자로묘사하고, 이들입자들이 Eulerian 도메인으로구현된바다위에서움직이도록하였다. 개별요소법은 Cundall and Strack(1978) 에의해개발되어수많은입자들의움직임과충돌을구현하기위한수치해석법으로널리알려져있다. Sun and Shen(2012) 은개별요소법을이용하여 Pancake ice에대한빙하중을계산하였다. 이밖의방법으로, Alawneh(2014) 은 GPU(Graphics processing unit) 를이용하여빙하중을계산하는 GPU-based event mechanics을개발하였다. 이방법은 2D로구현되는단점이있지만실시간시뮬레이션이가능할정도로매우빠르게계산할수있는장점이있다. 본연구에서는유한요소법을이용하여유빙 (Pack ice) 조건에서계류된반잠수식시추선에대한빙하중과거동을계산하였다. 해석시간의절감을위해, 얼음과해수, 얼음과구조물그리고얼음들간의상호작용을간략화된방법 (Simplified method) 을통해구현하였고, 정확성의향상을위해간략화방법에사용되는주요계수 (Coefficient) 들은별도의상세해석을통해계산된 Received 4 April 2018, revised 16 June 2018, accepted 18 June 2018 Corresponding author Yooil Kim: , yooilkim@inha.ac.kr ORCID: c 2018, The Korean Society of Ocean Engineers This is an open access article distributed under the terms of the creative commons attribution non-commercial license ( which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 177

34 178 Jeong-Hwan Kim and Yooil Kim 후적용되었다. 최종적으로계산된빙하중은러시아의 Krylov 연구소에서수행된해석의결과와비교하여, 제안된방법의적용성을평가하였다. 2. 빙하중계산방법계산에사용된프로그램은상용유한요소해석프로그램인 ABAQUS/Explicit 이며, 자동모델링기법을개발하여임의의형상을가진유빙을모델링하였다. 유빙의거동은 User subroutine 을이용하여모사하였으며, 유빙의충돌로인해발생하는얼음의국부적손상 (Local failure) 은압력-침투량 (Pressure-penetration) 관계를통해구현하였다. 류의속도를나타낸다. 은얼음의중심점과꼭지점들사이의거리를평균한값이며, 는각속도를나타낸다. 와 는각각중력가속도와해수면으로부터의거리를의미한다. Drag force 계수 ( ) 는 Coupled Eulerian-Lagrangian 방법을이용한상세해석을통해얻었다. Fig. 2은 Drag force 계수를얻기위한상세해석 (a) 과본연구에서제안한방법을이용한해석 (b) 의모습을나타내고있다. 상세해석에서는얼음을 Lagrangian 도메인, 그리고해수를 Eulerian 도메인으로구현하여얼음을해수에뜨도록한후강체로구현된선박모델을전진시켜충돌하게하였다. 선박모델로는대한민국최초의연구용쇄빙선인아라온호를적용하였다. 제안된방법을이용한해석모델에서는얼음과선박모델은동일하게생성한후해수를모델링하는대신식 (1)-(3) 에서 2.1 해수-얼음의상호관계 (Interaction) 모델링얼음은대부분해수에부분적또는전체적으로잠겨있기때문에이로인해발생하는 Drag force, 부가질량 (Added mass), 관성력 (Inertia) 그리고부력 (Buoyancy force) 과같은유체역학적하중을받게된다. 본연구에서는이러한하중으로인한얼음의거동을구현하기위해 Fig. 1과 Fig. 2 그리고식 (1)-(3) 에서나타낸바와같이 6자유도를고려한식을적용하였다. 먼저, 식 (1) 과식 (2) 의 Drag force( ) 와 Drag moment( ) 는 Surge, Sway, Yaw와같은평면운동 (Planar motion) 에적용되었다 (Hopkins and Shen, 2001). 반면, Heave, Roll, Pitch는식 (3) 에서나타낸바와같이얼음의표면에부력 () 의형태로적용하였다. 또한, Roll과 Pitch와같이얼음이기울어진상황을고려하기위해해당면 (Surface) 에국부좌표계 와 를따라압력을계산하여적용하였고, 대변형을고려하기위해얼음의모든면에압력이적용되도록하였다. 부가질량의구현을위해기존질량에 을곱한값을질량으로대체하였으며, 여기서 은 Newman(1977) 에따라 0.41을적용하였다. (a) Detailed analysis model (1) (2) (b) Proposed model Fig. 2 FE models for obtaining drag force coefficient (3) 여기서 는 Drag force 계수를나타내며, 는해수의밀도, 는투영면적을의미한다. 는얼음의속도, 그리고 는조 Fig. 1 Orientation of floe describing 6 degrees of freedom Fig. 3 Comparison of positions between detailed analysis model and proposed model

35 Numerical Simulation on the Response of Moored Semi-submersible Under Ice Load 179 설명한 Drag force 와부력, 부가질량을적용하여얼음과해수와의상호작용을구현하였다. Drag force 계수는두해석모델에대해일련의파라메트릭연구를수행하여유사한얼음들의거동을만드는값으로정하였다. 최종적으로얻어진 Drag force 계수는 10.5이며, 선박과가장가까운곳에위치한 4개의얼음의거동을비교한결과는 Fig. 3에나타내었다. 결과적으로회전운동을주로하는얼음들 (1번과 3번 ) 에비해직선운동을주로하는얼음들 (2번과 4번 ) 에대한정확도가더높은경향을보였다. 2.2 얼음-구조물의상호관계 (Interaction) 모델링일반적으로얼음과구조물또는얼음들간의충돌시에발생하는국부적손상 (Local failure) 은일반적으로얼음의다양한물성치를고려한상세한해석을통해구현된다. 하지만, 이러한상세해석은막대한해석시간을요구하기때문에수많은얼음의충돌을구현하는유빙상태에서의해석시에는적합하지못하다. 대신, 본연구에서는얼음의충돌시발생하는국부적손상을충돌하는요소들간의침투 (Penetration) 를통해구현하도록하였다. Fig. 4에서는본연구에서적용한압력- 침투관계 (Pressurepenetration relation) 를설명하고있다. 즉, 얼음의충돌시발생하는압력에따라침투량을다르게하여국부적손상에의한하중과얼음거동의변화를구현하였다. 하중이아닌압력과침투간의관계를사용하는것은다양한충돌의상황을고려하기위해서이다. 즉, 압력은하중과접촉면으로계산되기때문에충돌 Fig. 5 Derived pressure-penetration curve 하는면의형상에상관없이일관된상관관계를얻을수있다. 얼음의압력-침투관계는여러가지충돌시나리오를고려한탄소성해석을통해구하였다. 본연구에서는 Table 1에서나타낸 10가지상황에대해탄소성해석을수행하였다. 1년생빙 (First-year ice) 의경우최대두께가 2m이지만 1m이하가대부분을차지하므로두께는 0.3m, 0.6m, 0.9m를선택하였다. 얼음의크기는각얼음두께에대해 Lindseth(2013) 의기준에따라더이상깨지지않는얼음의최대크기와그최대크기의반으로선택하였다. 마지막으로, 각경우에대해정면충돌과 45 충돌경우를추가하였다. 최종적으로, 해석을통해얻은각 Time step별압력과침투량과의관계를 Fig. 5와같이나타낸후 Kärnä(1993) 에따라선형회귀 (Linear regression) 하여압력-침투관계를얻었다. 도출된압력-침투곡선의기울기는 35,367Pa/m이다. 3. 대상구조물과계류시스템 Fig. 4 Contact pressure-penetration relation 본연구에적용된대상구조물은 Fig. 6과같이 4개의칼럼 (Column) 을가진반잠수식시추선이다. 주요제원은 Table 2에나타내었으며, 좌표계는 Fig. 7과같이얼음의진행방향을 x축으로놓았다. Table 1 Condition for pressure-penetration relation Number Thickness [m] Size [m] Collision angle [ ] Fig. 6 Semi-submirsible rig

36 180 Jeong-Hwan Kim and Yooil Kim Table 2 Main dimensions of target structure Dimension Length [m] 80.6 Width [m] 73.6 Draft [m] 23.0 Weight [Ton] 67,000 Inertia moment against the vertical central axis [Ton m 2 ] 3,062,394 Waterline area [m 2 ] 1, 수치해석 4.1 해석조건본논문에서제안한방법을이용하여유빙조건에서의수치해석을수행하였다. 본연구에적용된해석조건은 Table 3과같다. 다른조건은모두동일하며얼음의속도만다른두개의경우에대한해석을수행하였다. Table 3 Analysis condition Ice thickness [m] Concentration [%] Floe size [m] Ice velocity [m/s] Ice direction [ ] Case Case Fig. 7 Coordinate system of target structure Fig. 8에서는대상시추선에적용된계류라인을나타내고있다. 각칼럼당 2개씩총 8개의계류라인이 45 간격으로적용되었으며, 라인의총길이는 1,920m이고, 수중단위중량 (Submerged weight per unit length) 은 1,511kg/m이다. 계류라인의강성 (Stiffness) 은모든방향에동일하게 Fig. 9와같이적용하였다. 4.2 유한요소모델먼저, 반잠수식시추선과계류라인을 Fig. 10과같이단순화하여모델링하였다. 4개의칼럼을강체 (Rigid body) 로모델링한후, 이칼럼들이시추선의중심 (Center of gravity, COG) 을따라움직이도록연결 (Coupling) 하였다. 시추선의질량과관성모멘트는 COG에적용하였으며, 계류라인은각칼럼에연결된 X, Y방향 Fig. 10 Modeling of target structure and mooring system Fig. 8 Mooring line layout Fig. 9 Stiffness characteristic of the mooring system Fig. 11 Analysis model

37 Numerical Simulation on the Response of Moored Semi-submersible Under Ice Load 181 스프링을통해구현하였다. 얼음은 2장에서소개한방법을이용하여모델링하였다. 임의의형상을가진사각형으로구현하였으며, 대상시추선주변에 80% 의밀집도 (Concentration) 로배치하였다. 모델의가장자리얼음들의경계조건을구현하기위해강체의벽 (Rigid wall) 을생성하였으며, 경계조건효과 (Boundary effect) 를최소로하기위해유빙과구조물의의크기를고려하여채널의폭은 500m로정하였다. Fig. 11에서는전체모델의모습을나타내고있다. 4.3 해석결과및 KSRC(Krylov State Research Centre) 결과와의비교 1,400초동안해석을수행하였으며, 해당시간동안대상시추선이받는빙하중과움직임의변화를측정하였다. Fig. 12 는해석의절반이진행되었을때얼음의분포와시추선의움직임을보여주고있다. 해석을통해도출된결과는러시아크릴로프연구소 (Krylov State Research Centre, KSRC) 에서최근수행한결과와비교하였다. KSRC 에서는동일한조건에대해개별요소법 (Discrete element method, DEM) 을이용하여계산을수행하였으며, 각얼음은 2차원의원형으로모델링하였다. 또한, 현실적인조류 (Current) 의적용을위해정지상태부터서서히속도를올려 0.5m/s 조건의경우는 900초, 0.8m/s 조건의경우는 500초에목표속도에도달하도록하였다 (Karulin and Karulina, 2013). Fig. 13에서는 Case 1의조건에대해각각의방법으로계산된대상시추선의거동과하중을비교하였다. 본논문에서소개된방법을통해계산된결과는 FEM, 그리고 KSRC에서계산한결과는 KSRC' 로각각표시하였다. 먼저, X방향 ( 빙하중을받는방향 ) 을살펴보면, 두경우모두목표속도에도달하게되는 900초가지난이후부터일정한주 Fig. 12 Motion of target structure during simulation 기를가지고진동하는것을볼수있다. 대상시추선의질량과계류라인의강성을고려해계산된고유주기는약 170초이며, 두결과모두고유주기와유사한주기로진동하는것을확인할수있다. 해석의초기에 900초까지의결과가다소차이를보이는데, 이것은두해석의얼음의초기분포와형상이다르기때문인것으로판단된다. 하지만일단목표속도에도달하면두경우가서로유사한진폭으로거동하는것을볼수있다. 반면, Y방향 ( 빙하중을받는방향과직각인방향 ) 으로는움직임이매우적은것을알수있다. 다음으로 X방향의하중을살펴보면, 해석시간동안발생한최대빙하중이유사한것을확인할수있다. 다만, KSRC Fig. 13 Comparison of results at current velocity of 0.5m/s condition

38 182 Jeong-Hwan Kim and Yooil Kim Fig. 14 Comparison of results at current velocity of 0.8m/s condition 의경우가하중의변동성이더큰모습을보였다. 마찬가지로 Y 방향의하중은 X방향에비해무시할정도로적은값을보였다. 이는대상구조물의칼럼 (Coulmn) 의경사각이 0 이기때문으로판단된다. 경사각이큰구조물의경우는 Y방향의움직임도증가할수있을것으로예상된다. Fig. 14에서는 Case 2의조건에대해각각의방법으로계산된대상시추선의거동과하중을비교하였다. 먼저, X방향을살펴보면, 두경우가모두목표속도에도달하게되는 500초가되는시점에서최대변위를보이고, 그값역시유사한수준을보였다. 진동하는주기는유사한경향을보이나그값은 Case 1에비해다소큰차이를보였다. Y방향거동의경우 KSRC 는 500초가량에서최대변위를보인이후에는적은거동을보인데반해 FEM 의경우는계속해서일정한주기를가지고비교적큰거동으로움직이는것을알수있다. X방향의하중은 Case 1과유사하게최대빙하중이유사한반면변동성에는비교적큰차이를보였다. 역시 Y방향의하중은 X방향에비해무시할정도로적은값을보였다. 5. 결론본연구에서는유한요소법을이용하여유빙상태에서의빙하중을계산하는새로운방법을제안하고, 이를이용하여계류된반잠수식시추선의빙하중계산및모션해석에적용하였다. 상기의연구를토대로다음과같은결론을도출하였다. (1) 자동모델링기법을적용하여임의의형상및크기를가지는얼음을모델링하였다. 이로인해, 유빙상태의모델링에필요한시간을대폭절감하였다. (2) 얼음과해수, 얼음과구조물, 얼음들간의상호작용은간략화기법 (Simplified method) 을적용하여모델링하였다. 이때필요한여러중요한계수들은상세한해석을통해도출하였다. (3) 얼음의충돌로인해발생하는국부손상 (Local failure) 은압력-침투관계 (Pressure-penetration relation) 를통해구현하였다. 얼음과구조물의압력-침투관계는발생가능한상황에대해상세해석을수행한후계산된결과들을선형회귀하여도출하였다. 상세해석에는얼음의탄소성이고려된물성치를사용하였으며, Coupled Lagrangian-Eulerian 기법을적용하였다. (4) 얼음과해수의상호작용모델링에중요한역할을하는 Drag force coefficient 또한 Coupled Lagrangian-Eulerian 기법을이용한상세해석을통해얻었다. 상세해석에서는얼음을 Lagrangian 도메인, 그리고해수를 Eulerian 도메인으로구현하여얼음을해수에뜨도록한후강체로구현된선박모델을전진시켜충돌하게하였으며, 본연구에서제안된방법을이용한결과와의비교를통해 Drag force coefficient를최종도출하였다. (5) 제안된방법을유빙조건에계류된반잠수식시추선에적용하였다. 해석을통해도출된결과는러시아크릴로프연구소에서최근수행한결과와비교하였다. (6) 동일한조건에대해해석을수행하여대상시추선의거동과빙하중을비교한결과, 두경우모두고유주기와유사한주기로진동하는것을확인할수있었으며움직임의최대값은유사하나변동폭은다소차이가있었다. 빙하중도마찬가지로해석기간동안계측된최대값은두경우가유사한결과를보였으나변동폭에서는차이를보였다. 전체적으로 0.8m/s 보다는 0.5m/s 속도조건에서더유사한결과를나타내었다.

39 Numerical Simulation on the Response of Moored Semi-submersible Under Ice Load 183 후기본연구는산업통상자원부의산업핵심기술개발사업 ( , ARC7 극지환경용해양플랜트내빙구조설계기술개발 ) 의재정지원을받아수행된연구결과의일부임을밝힙니다. References Metrikin, I., Gurtner, A., Bonnemaire, B., Tan, X., Fredriksen, A., Sapelnikov, D., SIBIS : A Numerical Environment for Simulating Offshore Operations in Discontinuous Ice. Proceedings of the International Conference on Port and Ocean Engineering Under Arctic Conditions(POAC), Trondheim, Norway. Kim, M., Lee, S., Lee, W., Wang, J., Numerical and Experimental Investigation of the Resistance Performance of an Icebreaking Cargo Vessel in Pack ice Conditions. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, 5(1), Wang, J., Derradji-Aouat, A., Numerical Assessment for Stationary Structure (Kulluk) in Moving Broken Ice. Proceedings of the international Conferece on Port and Ocean Engineering Under Arctic Conditions, POAC Millan, J., Wang, J., Ice Force Modeling for DP Control Systems. Proceedings of the Dynamic Positioning Conference 2011, Houston, Texas, USA. Sayed, M., Discrete and Lattice Models of Floating Ice Covers. International Offshore and Polar Engineering Conference (ISOPE), Honolulu, Hawaii, USA, Cundall, P., Strack, O., The Distinct Element Methods as a Tool for Research in Granular Media. Part I, Report to NSF. Sun, S., Shen, H., Simulation of Pancake Ice Load in a Circular Cylinder in a Wave and Current Field. Cold Regions Science and Technology 78, Alawneh, S., Hyper-Real-Time Ice Simulation and Modeling Using GPGPU(Ph D. Thesis). Memorial University of Newfoundland. Hopkins, M.A., Shen, H.H., Simulation of Pancake-ice Dynamics in a Wave Field. Annals of Glaciology, 33, Newman, J., Marine Hydrodynamics. MIT Press. Lindseth, S., Splitting as a Load Releasing Mechanism for a Floater in Ice(Master thesis). Norwegian University of Science and Technology. Kärnä T., Finite Ice Failure Depth in Penetration of a Vertical Indentor into an Ice Edge. Anals of Glaciology, 19, Karulin, E.B., Karulina, M.M., Determination of Loads on Mooring System During the Semisubmersible Interaction with Ice. International Offshore and Polar Engineering Conference (ISOPE2013),

40 한국해양공학회지제 32 권제 3 호, pp , 2018 년 6 월 / ISSN(print) / ISSN(online) Original Research Article Journal of Ocean Engineering and Technology 32(3), June, Estimation Method for Ice load of Managed Ice in an Oblique Condition Hyunsoo Kim * and Jae-bin Lee ** * Department of Ship and Ocean System, Inha Technical College, Incheon, Korea ** Department of Naval Architecture and Ocean Engineering, Inha University, Incheon, Korea 깨어진해빙의사항조건에서빙하중추정법연구 김현수 * 이재빈 ** * 인하공업전문대학조선해양과 ** 인하대학교조선해양공학과 KEY WORDS: Ice load 빙하중, Oblique condition 사항조건, Ice breaker 쇄빙선, Pack ice 빙편, Arctic ocean 북극해 ABSTRACT: Recently, as sea ice in the Arctic has been decreasing due to global warming, it has become easier to develop oil and gas resources buried in the Arctic region. As a result, Russia, the United States, and other Arctic coastal states are increasingly interested in the development of oil and gas resources, and the demand for offshore structures to support Arctic sea resources development is expected to significantly increase. Since offshore structures operating in Arctic regions need to secure safety against various drifting ice conditions, the concept of an ice-strengthened design is introduced here, with a priority on calculation of ice load. Although research on the estimation of ice load has been carried out all over the world, most ice-load studies have been limited to estimating the ice load of the icebreaker in a non-oblique state. Meanwhile, in the case of Arctic offshore structures, although it is also necessary to estimate the ice load according to oblique angles, the overall research on this topic is insufficient. In this paper, we suggest algorithms for calculating the ice load of managed ice (pack ice, 100% concentration) in an oblique state, and discuss validity. The effect of oblique angle according to estimated ice load with various oblique angles was also analyzed, along with the impact of ship speed and ice thickness on ice load. 1. 서론지구온난화로북극의해빙이가속화되면서전세계적으로북극지역자원개발가능성에대한관심이증가하고있다. 기온상승에따른북극해빙면적의감소속도는이론적인기후모델을이용한추정치보다빠르게나타나고있어북극지역자원개발사업화가능시점도 2020년전후로예상되고있다. 실제로러시아에서출발한쇄빙수송선이단독으로북극해를통과하여기존항로에비해 30% 단축된시간에충남보령에도착한사례가있다. 또한미국지질조사국 (USGS, United States Geological Survey) 의북극자원탐사보고서에따르면지금까지발견되지않은석유와가스의약 22% 가북극에매장되어있는것으로밝혀지면서, 북극해연안국들 ( 러시아, 미국, 캐나다등 ) 은북극지역자원개발을위한극지용해양구조물의수요가크게증대될것으로예상하고있다. 북극해양구조물은빙해에노출되어있으므로빙에의한외부충격으로부터해양구조물의안전성을확보하기위해해양구조물에작용하는빙하중산출이우선적으로고려되어야한다. 빙하중산정에관한연구는세계각국에서진행되어왔지만, 기존까지이루100% concentration어진대부분의연구는쇄빙선박이빙해역을통과할때의추진력을계산하기위한빙하중추정과쇄빙선박의쇄빙성능관점에대해서진행되어왔다. 최근까지모형시험을통해쇄빙선박에대한빙하중을추정하기위한연구가발표되고있으며 (Jian and Li, 2015; Jeong et al., 2017), 한편사항각도에따른빙하중을추정하기위해서평탄빙에대해서모형시험을통해빙하중을분석한연구가진행되어왔다 (Li et al., 2013). 그러나실제로극지해양구조물의경우다양한방향에서접근하는유빙과의충돌이발생하기때문에유빙의충돌로인한피해를최소화하기위한연구가필요하다. 즉, 유빙조건에대한다양한사항각도에따른해양구조물의빙 Received 5 January 2018, revised 16 June 2018, accepted 22 June 2018 Corresponding author Jae-bin Lee: , beeny06@gmail.com ORCID: It is noted that this paper is revised edition based on proceedings of KSOE 2017 in Geojedo. c 2018, The Korean Society of Ocean Engineers This is an open access article distributed under the terms of the creative commons attribution non-commercial license ( which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 184

41 Estimation Method for Ice load of Managed Ice in an Oblique Condition 185 하중산정이요구되지만, 현재까지이에대한연구는미비한실정이다. 본논문에서는극지해양분야의빙하중예측기술을정립하기위해서빙하중추정에관한이론을설명하고, 기발표된경험식을기반으로다양한빙입사조건에대한수정된빙하중계산식을제시하고타당성을검토하였다. 또한, 유빙조건중에서빙편 (Pack ice, 100% concentration) 에대해다양한사항각도에따른극지용 FPU(Floating production unit) 선형의빙하중을산정하여사항각도가빙하중에미치는영향을분석하였다. 마지막으로선속및빙두께에따른빙하중을계산하여, 임의의사항각도에서선속및두께가빙하중에미치는영향을확인하였다. 2. 빙편 (Pack ice, 100% concentration) 에대한사항조건에서빙하중추정법빙편중에서집적도 100% 를 Pre-sawn 이라하며, 이에대한빙하중을계산하기위해서기개발된평탄빙에대한빙하중추정알고리즘 (Kim et al., 2013; Kim et al., 2014) 을기반의빙하중추정알고리즘을개발하였다. 비사항조건에서빙편에대한빙하중추정알고리즘은모형시험을통해비교검증 (Kim et al., 2017) 된것으로사항조건에적합하도록수정및변형하였다. Fig. 1은비사항조건에서 Araon 쇄빙선에대한 Pre-sawn, 즉 Pack ice 직접도 100% 에대한빙하중모형시험을수중에서촬영한사진이다. 기개발된평탄빙 (Level ice) 에대한비사항조건에서의발생하는전체빙하중추정알고리즘구성방정식은 Spencer(Spencer, 1992) 추정이론을기반으로하였으며, 평탄빙에대한비사항조건의빙하중모형실험과비교검증을통해각각의다른경험식을적용하여빙하중의정확도를향상하였다. 평탄빙에대한전체빙하중은다음식 (1) 과같이 4개의독립적인빙하중성분들의선형합으로산출된다. (1) 여기서 는선체밑으로흘러들어간얼음의부력에의해발생하는부력하중으로 Enkvist(Enkvist, 1972) 의추정법을적용하 Fig. 1 An underwater view of a photograph of the pre-sawn ice (Kim et al., 2017) 였으며, 은선체의진행방향에존재하는얼음조각들을밀어내며발생하는빙제거하중으로 Ionov(Poznyak and Ionov, 1981) 의추정법을적용하였다. 그리고쇄빙하중인 은평평한얼음판을부술때발생하는것으로 Shimanskii(Shimanskii, 1938) 의경험식을이용하였다. 한편, 유체하중 ( ) 은선체와유체사이의점성에의해발생하는하중으로전제빙하중에서매우작은비중을차지하고있기때문에기개발된빙하중알고리즘에서는고려하지않았으며, 나머지 3가지빙하중요소 (,, 그리고 ) 의합으로평탄빙에서의빙하중추정식을구성하였다. 식 (1) 에서전체빙하중은각각의빙하중요소들의선형합으로계산되기때문에, 각각의빙하중요소들은서로독립적이다. 그러므로쇄빙하중인 을전체빙하중구성방정식에서제외함으로써 Pre-sawn 의사항조건에서전체빙하중을계산할수있으며, 언급한유체하중을제외하여최종적으로다음식 (2) 와같이정의된다. (2) Pre-sawn 의전체빙하중을계산하기위해빙제거하중은 Ionov의추정법을이용하여계산하였으며, 아래의식 (3) 과같이정의된다. cos (3) cos 여기서 는선폭을나타내는길이함수, 는얼음의밀도, 는빙두께, 는마찰계수, 그리고 는중력가속도이고 와 는실험적경험으로결정되는계수로각각 1.0와 0.5이다. 는선체의폭 와중력가속도 에대한프루드수 (Froude number) 로식 (4) 에나타내었으며, 빙제거하중의경우에만계산되는파라미터 는선속으로빙제거하중에비례한다. (4) Fig. 2에빙하중을계산하기위한선체흘수 (Draft) 에해당하는 Water line과 Section line을도식화하였으며, Water line과 Section line 위의임의의빙하중계산점에대해서기준축과의각도 와 를나타내었다. 식 (3) 으로정의된빙제거하중추정식의파라미터인 는 Fig. 2에나타낸바와같이정의되며 Water line의선수형상을결정하는주요파라미터이다. 본논문에서제시하고자하는사항조건을고려하면빙제거하중은 Fig. 3과같이나타낼수있다. 여기서 Water line의임의의빙하중계산점에대해서기준축과의각도 는사항각도 만큼회전하여새로운 으로정의된다. Fig. 3에나타낸바와같이, 기존의비사항조건에서는 는 Water line에서추진축과의최대거리로정의되지만, 사항조건에서는추진축에서선수를중심으로사항각도 만큼회전하여추진축과의최대거리는 max 로가정할수있다. 사항각도 만큼회전시기준축 축

42 186 Hyunsoo Kim and Jae-bin Lee Fig. 2 The definition of the parameter for ice load Fig. 3 Schematic of and max in oblique condition 과의각도 와배의폭 의변화를도식적으로나타내었으며, 기준축 는배의추진방향또는얼음의진행방향이다. 기존비사항조건에서의빙제거하중추정식인식 (3)-(4) 는사항조건에서의수정된빙제거하중추정식, 식 (5) 로정의하였다. max max cos cos (5) 부력하중의경우에는 Enkvist의추정법을적용하여아래의식 (6) 과같이정의되며, Fig. 2에서언급한바와같이 Section line 위의임의의빙하중계산점에서기준축 ( 흘수방향 ) 과의각도 를빙편기준으로 Fig. 4에구체적으로나타내었다. 는빙편의위치에너지에의한하중성분이며, 는선체와얼음사이의마찰에의한하중으로두가지성분의합으로정의된다. max max max sin cos, sin (6) Fig. 4 Schematic of Section line for buoyancy ice load

43 Estimation Method for Ice load of Managed Ice in an Oblique Condition 187 (a) Non-oblique condition (b) Oblique condition Fig. 5 Schematic of in oblique condition for buoyancy ice load 여기서 는물과얼음의밀도차이를나타내며, 는각 Section line 사이의길이, 는각 Section line의둘레길이이고, 는얼음조각이물에잠긴평균깊이를나타낸다. 는빙두께, 는중력가속도, 는선체의폭, 그리고 는마찰계수를나타낸다. 사항조건적용시에는선박의 Section line이기준축 ( 흘수방향 ) 에대해서사항각도 만큼회전하며, 회전으로변환된 Section line의기하하적정보들이부력하중추정경험식식 (6) 에적용된다. 이때, 기준축 ( 흘수방향 ) 에대하여좌우비대칭현상이발생한다. Fig. 5는사항각도적용전후에대한 가다르게추출되는것을도식적으로나타내었다. Fig. 5(a) 는비사항조건일때 평면과 평면사이의각을구하여 를도출할수있으며, Fig. 5(b) 는사항각도 만큼회전하였을경우회전변환된 평면과 평면사이의각을구하여사항된 을도출할수있다. 3. 사항조건의빙하중추정프로시저 앞장에서언급한경험식을기반으로사항조건에적용가능한알고리즘을정립하였고, 기개발된프로그램을활용하여사항조건의빙제거하중과부력하중을계산하여 Pre-sawn 의전체빙하중을추정하였다. 기개발된프로그램은비사항조건의빙하중추정모듈을기반으로모형실험과비교검증을통해평균약 10% 의정확도를보였다 (Kim et al., 2014). 본논문에서는비사항조건의빙하중추정모듈을사항각도에따른선형데이터가출력가능하도록수정하여사항조건의빙하중추정모듈을개발하였으며, 사항조건의빙하중추정순서는 Fig. 6에나타내었다. 우선빙하중추정대상을실스케일로 3D 모델링하여선형정보추출모듈을통해 Section line과 Water line의정보를추출한다. Section line은추진방향또는얼음의진행방향에대해수직하게교차하는선형의단면라인으로, 이라인에서추출되는데이터는부력하중추정식에적용된다. Water line은선형의흘수에해당하는라인으로, 이라인에서추출되는데이터는수정된빙제거하중추정식에적용된다. 사항조건에서의빙하중추정알고리즘은비사항조건에서의빙하중추정알고리즘과 Fig. 6 Flowchart of estimation for the ice load 동일한순서이지만, 3D모델에대한선형정보가 Fig. 3과 Fig. 5 에보인바와같이사항각도에대한새로운정보로변형되어경험식모듈의입력값으로적용된다. Fig. 7은추진방향또는얼음의진행방향에따라추출된 Section line, Water line 데이터를나타낸것으로좌표값 (,, ) 법선벡터 (,, ), 그리고기준축과의각도 (,, ) 가사항각도만큼회전변환되며, 변환된사항조건의선형정보는빙하중계산모듈을통해최종적으로사항조건의빙제거하중및부력하중추정에사용된다.

44 188 Hyunsoo Kim and Jae-bin Lee Fig. 7 Extraction of data with 3D model for ice load in oblique condition 4. 사항조건의빙하중추정 본논문에서는사항각도가빙하중에미치는영향을평가하기위하여두가지변수를고려하였다. 빙두께와선속이증가함에따라사항각도가빙하중에미치는영향을분석하여정리하였으며, 이를통해경험식을이용한사항조건의빙하중추정연구방향을제시할수있을것으로판단된다. 4.1 사항조건빙하중계산조건평탄빙에서의빙두께및선속별사항각도에따른빙하중을추정하여각인자가빙제거하중과부력하중성분에미치는영향을각각평가하였다. 사항조건의빙하중계산조건을 Table 1 에정리하였으며, Fig. 8은사항조건의빙하중추정대상인 FPU 선형정보를나타낸다. 얼음조건은빙편 (Pack ice) 직접도 100% 인 Pre-sawn 으로하였으며, 빙강도는 800kPa, 얼음과물의밀도는각각 880, 1000kg/m 3, 탄성계수는 2GPa, 그리고마찰계수 0.05 로고려하였다. 빙두께는 1~2m로 0.5m 간격, 선속은 1~3knots (1.852 ~5.556km/h) 로 1knots(1.852km/h) 간격으로빙하중을추정하였으며, 사항각도는 0 ~30 로 10 간격을고려하였다. Table 1 Input variables for calculation of ice load in oblique condition Items Values Ship speeds 1 ~ 3 knots (1.852 ~ km/h) (interval: 1) Flexural Strength 800 kpa Ice thickness 1 ~ 2 m (interval: 0.5) Elastic modulus 2 GPa Friction coefficient 0.05 (Ice and Ship) Density 880 (ice), 1000 (Water) kg/m 3 Fig. 8 Information of the FPU 4.2 사항각도와빙두께가빙하중에미치는영향선속이 2knots(3.704km/h) 일때, 사항각도가증가함에따라빙두께별로 Pre-sawn 의빙하중을추정하여 Fig. 9에정리하였다. Spencer의빙하중추정이론을기반으로, 유체하중과쇄빙하중을제외한 2개의독립적인빙하중성분들 ( 빙제거하중, 부력하중 ) 의합으로전체빙하중을나타내었다. 사항각도가증가함에따라빙제거하중및부력하중은전체적으로증가하였으나, 사항각도에따른증가량은다르게나타났다. Fig. 9(a) 는빙제거하중을나타낸것으로사항각도가 10 씩증가함에따라빙제거하중은두께와상관없이평균약 2.6 배증가하였으나, 상대적으로부력하중은증가량은평균약 1.01배로나타났다 (Fig. 9(b) 참조 ). 이는두께와상관없이사항각도가빙제거하중이미치는영향이부력하중보다큰것을알수있다. 그이유는사항조건의빙하중계산시사항각도에따라 Water line상의선형데이터의변화량이 Section line상의선형데이터변화량보다크기때문인것으로판단된다 (Fig. 3과 Fig. 5 참조 ). 또한, 비사항조건 ( 사항각도 0 ) 에서는부력하중이빙제거하중보다크게계산되었으나, 사항각도 10 이후부터빙제거하중이부력하중보다크게계산되어사항각도에따라서전체빙하중대비부력하중성분의우선위가다르게평가될수있음을나타낸다. Fig. 9(a)-9(b) 에나타난바와같이빙두께가증가함에따라빙제거하중및부력하중은증가하였으며, 임의의사항각도에서빙두께에따른빙제거하중과부력하중의증가량은유사하게계산되었다. 빙제거하중은빙두께 1.0m에서 1.5m 증가시모든사항각도에서약 1.5배증가하였으며, 빙두께 1.5m에서 2m 증가시모든사항각도에서약 1.3배증가하였다. 부력하중도모든빙두께에서같은경향을보이고있으며, 정략적으로도빙두께증가에따른부력하중증가량은유사한값으로평가되었다. Fig. 9(c) 는사항각도가증가함에따라빙두께별 Pre-sawn 의전체빙하중을나타낸것으로, 빙제거하중은전체빙하중에서차지하는비중이부력하중에비해상대적으로크고, 사항각도에따른증가량도많기때문에빙제거하중그래프경향과비슷하게나타남을알수있다. 모든사항각도에대하여부력하중이전체빙하중에서차지하는비율은최대약 10% 미만으로평가되며, 이는사항조건을고려하여 Pre-sawn 의전체빙하중을평가시빙제거하중을최우선적으로고려해야한다. Fig. 10은빙두께에따른사항각도별 Pre-sawn 의빙하중을정리한

45 Estimation Method for Ice load of Managed Ice in an Oblique Condition 189 (a) Clearing (vs buoyancy) Fig. 10 Variations of the pre-sawn ice load with ice thickness 것으로, 빙두께에따른전체빙하중의증가율은선형적으로나타났으며, 빙두께에따른전체빙하중은사항각도가 10 씩증가함에따라최소약 1.4배에서최대 2.3배증가하는것으로평가되었다. (b) Buoyancy (c) Total Fig. 9 The ice loads with oblique angles (ice thickness = 1, 1.5, and 2 m) 4.3 선속과사항각도가빙하중에미치는영향빙두께가 1.5m일때, 사항각도가증가함에따라선속별로 Pre-sawn 의빙제거하중및부력하중을추정하여 Fig. 11에정리하였으며, 앞장에서언급한바와같이유체하중과쇄빙하중을제외한 2개의독립적인빙하중성분들 ( 빙제거하중, 부력하중 ) 의합으로전체빙하중을계산하였다. 사항각도가증가함에따라빙제거하중및부력하중은전체적으로증가하였으나, Fig. 11(b) 에나타난바와같이사항각도 30 도증가시부력하중의증가량은최대약 100kN 미만으로빙제거하중에비해상대적으로적은증가량을나타냈다. 또한, 사항각도 10 에서 20 구간의증가량이다른구간 (0 ~10, 20 ~30 ) 보다상대적으로적게평가되었는데, 그이유는 FPU 선형의기하학적특성이기인한것으로판단된다. 한편 Fig. 11(a) 에서빙제거하중은사항각도가 10 씩증가함에따라빙제거하중은선속과상관없이평균약 2.6배증가하였다. 이는앞장에서언급한두께에상관없이사항각도가증가함에따라빙제거하중이평균약 2.6배증가한경향과유사하나, 정략적인빙제거하중값은차이가있었다. 그리고사항각도 0 에서는부력하중이빙제거하중보다모든속도에대해서크게예측되었으나, 사항각도가증가함에따라반대의경향을나타냈다. 선속의영향을살펴보면선속이증가함에따라빙제거하중은증가하였으나, 부력하중은변화가없는결과를나타냈다. 그이유는식 (6) 에서부력하중계산시에속도를고려하지않기때문으로, 부력하중추정식에서는빙편이정적상태에서흘수이하의선저전체를감싸고있다고가정하기때문이다. 반면에빙제거하중은속도를고려한프루드수파라미터를사용하고있다. 임의의사항각도에서빙두께에따른빙제거하중은 Fig. 11(a) 에나타난바와같이선속 1knots(1.852km/h) 에서 2knots(3.704km/h) 증가시모든사항각도에서약 2배증가하였

46 190 Hyunsoo Kim and Jae-bin Lee (a) Clearing (vs buoyancy) Fig. 12 Variations of the pre-sawn ice load with ship speeds 으며, 빙두께 2knots(3.704km/h) 에서 3knots(5.556km/h) 증가시모든사항각도에서약 1.5배증가하였다. Fig. 11(c) 는사항각도가증가함에따라선속별 Pre-sawn 의전체빙하중을나타낸것이며, 선속과상관없이부력하중이일정하므로선속이증가함에따라전체빙하중에서부력하중이차지하는비중은감소한다. Fig. 12는선속에따른사항각도별 Pre-sawn 의빙하중을정리한것으로, 선속에따른전체빙하중의증가율은앞장에서언급한두께에따른경향과비슷하게선형적으로나타났으며, 선속에따른전체빙하중은사항각도가 10 씩증가함에따라최소 2.2배에서최대약 3.1배증가하는것으로평가되었다. 이것은두께에따른 Pre-sawn 의빙하중증가량보다많은값으로선속이두께보다사항각도에따른 Pre-sawn 의빙하중결과에미치는영향이더크다고판단된다. (b) Buoyancy (c) Total Fig. 11 The ice load with oblique angles (ship speeds = 1, 2, and 3 knots) 6. 결론본논문에서는극지에서운용하는해양구조물에대해사항조건에따른빙하중산정의필요성을설명하였으며, 사항조건의빙하중산정을위해서비사항조건 ( 일반적인쇄빙선 ) 의빙하중추정이론을사항조건에적합하도록수정하였다. 기검증된빙하중산정프로그램을이용하여사항조건의빙하중추정알고리즘을제시하였으며, 이론적인설명을통해이알고리즘의타당성을검토하였다. FPU 선형에대한다양한사항조건에대해서 Pre-sawn 의빙전체하중을추정하기위하여빙제거하중및부력하중을계산하였으며, 다음과같이결론을요약정리하였다. (1) FPU 선형의경우, 빙두께및선속에상관없이사항각도가증가함에따라빙제거하중과부력하중은일정한증가율로커졌으며, 빙제거하중의증가량은비선형적으로많아졌으나, 부력하중의증가량은매우적은것으로평가되었다. 따라서사항각도에따른 Pre-sawn 의빙하중산정시부력하중은전체빙하중에서작은비중을차지하며, 이는사항각도에따른선형정보 (Section line) 의비대칭성이부력하중결과에미치는영향은작은것으로판단된다.

47 Estimation Method for Ice load of Managed Ice in an Oblique Condition 191 (2) 빙두께에따른 Pre-sawn 의빙하중증가량은최대사항각도 30 에서최대약 1.5배로평가되었으며, 선속에따른 Pre-sawn 의빙하중증가량은최대사항각도 30 에서최대약 2배로평가되었다. 따라서선속이사항각도에따른 Pre-sawn 의빙하중에미치는영향이빙두께보다더크게작용할것으로판단된다. 따라서본논문은경험식을이용한사항조건의빙하중을추정방법을제시하였고, FPU의사항조건빙하중추정하여사항각도에따른영향을평가하였다. 이결과는 FPU의사항조건빙하중추정시활용될수있을것으로판단된다. 또한, 추후이에대한모형실험과비교검증을통해사항조건에따른정량적인빙하중을도출할수있을것이라고예상되며, 향후다른극지해양구조물의사항조건빙하중추정시에도활용될수있을것이다. 후기이논문은 2017년도해양수산부재원으로한국해양과학기술진흥원및 2017년도산업통상자원부연구비지원에의한연구임. ( 북극항로운항선박용항해안전지원시스템개발, 위치유지와계류시스템을적용하여 ARC7 조건에서연중운용이가능한북극해기반부유식해양구조물형상개발 ) References Jian, H., Li, Z., Experimental And Numerical Study On Ice Resistance For Icebreaking Vessels. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, 7(5), Jeong, S.Y., Jang, J.H., Kang, K.J. Kim, H.S., Implementation Of Ship Performance Test In Brash Ice Channel. Ocean Engineering, 140, Li, Z., Kaj, R., Rüdiger, B.P., Torgeir, M., Biao, S., Experiments On Level Ice Loading On An Icebreaking Tanker With Different Ice Drift Angles. Cold Regions Science and Technology, 85, Kim, H.S., Ryu, C.H., Park, K.D., Development of Ice Resistance Estimation Program of Icebreaking Vessels Using Ship CAD Data. Proceedings of the Society of CAD/CAM Conference, Pyeongchang, Korea, Kim, H.S., Ryu, C.H., Park, K.D., Lee, J., Development of Estimation System of Ice Resistance with Surface Information of Hull Form. Journal of Ocean Engineering and Technology, 31(5), Kim, H.S., Jeong, S.Y., Woo, S.H., Han, D., Study On The Procedure To Obtain An Attainable Speed In Pack Ice. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, in Press Enkvist, E., On the Ice Resistance Encountered by Ships Operating in the Continuous Mode of Icebreaking. The Swedish Academy of Engineering Sciences, 24. Poznyak, I.I., Ionov, B.P., The Division Of Icebreaking Resistance Into Components. Proceeding of the 6 th STAR Symposium, New York, U.S., Spencer, D., A Standard Method for the Conduct and Analysis of Ice Resistance Model Tests. Proceeding of the 23 rd American Towing Tank Conference, New Orleans U.S., Shimanskii, Yu.A., Conditional Standards Of Ice Qualities Of A Ship. Engineering Consulting and Translation Center (ECTC), New York.

48 한국해양공학회지제 32 권제 3 호, pp , 2018 년 6 월 / ISSN(print) / ISSN(online) Original Research Article Journal of Ocean Engineering and Technology 32(3), June, Morphological Change in Seabed Surrounding Jinwoo-Island Due to Construction of New Busan Port - Qualitative Evaluation through Numerical Simulation Namseeg Hong * * Department of Civil Engineering, Donga University, Busan, Korea 부산신항건설이진우도주변해저지형변화에미치는영향 - 수치실험을통한정성적평가 홍남식 * * 동아대학교토목공학과 KEY WORDS: Busan new port 부산신항, Nakdong river estuary dam 낙동강하구둑, Morphological change of seabed 해저지형변화, Qualitative Evaluation 정성적평가 ABSTRACT: In this study, a qualitative evaluation of the morphological changes in the seabed surrounding Jinwoo-Island due to the construction of the new Busan port were determined through a numerical simulation. Various scenarios for the discharge of the Nakdong river estuary dam and construction stage of the new Busan port were established and utilized for an indirect and qualitative investigation through simulation using the numerical model implemented in this study. It was concluded through a qualitative study that the morphological changes in the seabed surrounding Jinwoo-Island were typical estuary seabed changes due to the discharge of the Nakdong river estuary dam and waves from the open sea. The effects from the construction of the new Busan port were relatively small. 1. 서론낙동강하구울타리섬주변해역의지형변화는수리역학적환경 ( 하구둑방류, 조석, 파랑등 ) 에의하여활발하게진행되어왔으며여러연구 (Kim and Ha, 2001; Kim at al., 2005; Jang and Kim, 2006; Oh et al., 2010; Jeon et al., 2010) 에서확인되었다. 낙동강하구울타리섬의지형변화에영향을미치는인자중낙동강하구둑방류는인위적인요인으로분류된다. 즉, 하계태풍이후토사농도가큰인위적인대량방류수와함께하구둑외해로이송된토사가하구둑인근에퇴적되고, 다시외해파랑및조류에의하여이송되어울타리섬주변지역의지형변화에영향을미치게되는역학적특성을확인하였다 (Kim and Hong, 2008). 부산항신항만건설은자연상태의지형을변화시키기때문에이로인한수리역학적환경변화 ( 흐름의양상과크기, 파고등 ) 가불가피하게발생된다. 이러한수리역학적인변동은퇴적 물의이동현상을통하여기존의평형을이루던자연지형및저질상태로부터새로운평형상태를이루게하는원인이된다. 따라서신항만건설로인하여인근해역인낙동강하구울타리섬영역에서국지적인침식또는퇴적현상이예상된다. 부산항신항만건설이후진우도협수로의지형변화로소형선박의항행에불편을겪었다는민원이꾸준히현재까지제기되어오고있다. Yonn et al.(2005) 은진우도주변의단기간 (3개월 ) 의퇴적환경변화를진우도주변해안선변화를통하여확인하였으며, Kim et al.(2008) 은 2008년지형 ( 낙동강하구둑부터부산신항을포함하는영역 ) 을적용하여연간진우도주변의지형변화를수치시뮬레이션을통하여조사하였으며, 협수로의지형변화양상을확인하였다. 진우도를포함한낙동강하구지역은장기및단기적인지형변화폭이큰지역으로, 장기지형변화를정량적으로정확하게평가하기위해서는정확하고다양한입력자료, 즉조사과업기간내의수심분포및변화, 과업대상해역의외력인바람, 파랑 Received 14 February 2018, revised 31 May 2018, accepted 7 June 2018 Corresponding author Namseeg Hong: , hns0817@dau.ac.kr ORCID : c 2018, The Korean Society of Ocean Engineers This is an open access article distributed under the terms of the creative commons attribution non-commercial license ( which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 192

49 Morphological Change in Seabed Surrounding Jinwoo-Island Due to Construction of New Busan Port 193 ( 평상시, 이상시 ), 조류이외에도해저질의분포및물리적특성, 지층분포및최상층두께, 낙동강으로부터유입되는유량, 토사성분및농도의시계열자료등이필요하다. 그러나충분한자료확보가이루어지지않은상태로정확한정량적평가는무리라판단하여 Hong(2010a) 은정성적평가를실시한바있다. 즉, 부산항신항의건설로인해발생하는조석및파랑에의한흐름장 ( 해저토사의이송외력 ) 의변화로인한지형변화차이만을평가한것으로서, 대상해역을진우도주변에한정하였으며, 미비자료는경험치나주변자료로부터유추, 적용하여가능한한실제적인장기지형변화를나타내고자하였다. 즉, 부산항신항건설전과 2008년의수심도에각각동일한인자, 즉동일한파랑및조류, 동일한해저질분포및물리적특성, 동일한지층의최상층두께및지질, 동일한유입유량, 토사성분및농도자료를적용하여각각 1년간의지형변화를시뮬레이션하였으며, 진우도인근해역의지형변화는신항건설로인한조류등의흐름변화에기인했다기보다는외해파랑에의해발생하는과정중에있는것으로서, 전형적인외해파랑에의한지형변화중에있는것으로판단하였다상기의정성적평가의문제는진우도주변협수로지형변화의주된원인이외해파랑이라는것을추론한것으로서, 이미기술하였듯이부산항신항건설전과 2008년의수심도에동일한해양환경을적용한것으로 10여년에걸친부산항신항건설기간을고려하지않았다. 그러므로, 본연구의목적은건설이전부터 2016년까지의단계별수심자료를최대한적용하여부산항신항건설단계별로진우도주변해역의지형변화를정성적으로좀더정확하게조사하였으며, 여러영향인자중낙동강하구둑방류영향과의상대적비교를위하여방류유무에따른영향도조사하였다. 2. 모델개요 본연구의모델은 Hong et al.(2008) 에의해개발된해수유동모델, Hong(2010b) 에의해개발된이류 확산및퇴적물이송모델에파랑모델인 SWAN(Simulating waves nearshore) 에적용된근해풍파모델을결합한것이다. 2.1 해수유동해수유동모델은수심평균된 2차원비선형지배방정식을 2 차항정밀도를가진음해 ADI유한차분법 (Implicit ADI finite difference scheme of second order accuracy) 을이용하여계산하여, 해수유동현상을재현하는모델이다. 지배방정식은식 (1)-(3) 과같다. (2) (1) (3) 상기식에서, ( ) : 수심 [m] ( ) : 해수면변화 [m] ( ) : [m 3 /s/m] = (, ) 방향유량 ( ) = 수심평균된 와 방향유속 : chezy 저항계수 [m 1/2 /s] = M h 1/6 : 중력가속도 [m/s 2 ] : Wind 마찰계수 : Manning No.,, : 풍속성분 [m/s] : Coriolis parameter (s-1) : 대기압 [kg/m/s 2] : Density of water [kg/m 3 ] : 유효전단응력성분 2.2 이류확산및퇴적물이송상기의유동모델에추가하여용해되어있거나부유되어있는물질의이류및확산을예측하기위하여다음의식 (4) 와같은이류-확산식을지배방정식으로한다. 여기서, 식 (4) 는물질의이류항과확산항뿐만아니라, 물질의용출및흡입에대한항또한포함하고있다. (4) 여기서, : 혼합농도, : 방향속도성분 [m/s] : 수심 [m] : 방향에서확산계수 [m 2 /s] : 선형감소계수 [l/s] : : 용출또는용입량 [m 3 /s/m 2 ] : 용출또는용입유량에서의혼합농도 위의식 (4) 에서 와 는각각 및 방향으로의유속으로유동결과로부터그값을얻는다. 확산계수 등은등방난류확산과수심평균화에따른분산을포함한다. 식 (4) 를수치해석적으로풀어내기위하여 3차양해유한차분법인 Ultimate 방식 (Leonard, 1991) 을사용하였다. 이수치해석기법은 Quickest 방법으로부터변형된것으로오염물질의이동및확산을예측하는데많이사용된다. 비점착성퇴적물의침강속도는 Van Rijn(1993) 의방법에따라계산된다. 즉, 부유물또는퇴적물의직경에따라식 (5)-(7) 이적용된다.

50 194 Namseeg Hong w (5) w w (7) 상기식에서, 퇴적물 상대밀도 w 퇴적물직경 물의동점성계수 [m 2 /s] 소류사량의이송크기와방향을포함하기위한시뮬레이션을위하여 Van Rijn(1993) 이개발한근사법이적용되어진다 ( 식 (8)-(11)). w (8) 여기서, = 소류사량 [kg/m/s] = Wave 와 Current 에의한퇴적물유동수 = 초과된퇴적물유동수 (10) (11) 여기서, 는초기운동을위한한계수심평균속도 (m/s) 이며, 은같은수심평균속도의크기로바닥층에속도또는가상로그속도분포로부터계산된다. 2.3 근해풍파파랑본연구에서적용한근해풍파모델은네덜란드에서개발되어공개된 SWAN 으로근해지역에서단주기 Short crested 파랑들의전파, 생성과소멸을산정하는모델이다. 이모델은수심변화에의한굴절과천수효과, 그리고바닥마찰과파랑의붕괴에인한에너지분산을포함한다. 또한이모델은파랑과해류의상호작용에의한효과도포함하고고정된, 매개변수의방향이분리된모델이다. 해류의영향을참조하기위해서, 이모델에서의기본방정식들은스펙트럼파동밀도에관한보존방정식을사용한다. 보존방정식의매개변수화는독립변수로서파동스펙트럼의영번째와첫번째모멘트를사용함으로써얻어진다. 이것은다음과같은두개의편미분방정식으로식 (12)-(13) 과같다. (6) (9) (13) 여기서, : 파랑작용스펙트럼의 0 차모멘트 : 파랑작용스펙트럼의 1 차모멘트 와 : 각각군속도 의 방향의성분들 : θ 방향의전파속도 와 : 직교좌표계 θ : 파랑전파의방향 와 : Source 모멘트 는다음과같다. (14) 여기서, ω는절대주파수이고 는스펙트럼파장작용밀도이다. 전파속도 와 는선형파이론에사용하여구해진다. 기본방정식의좌측항은굴절과천수효과를고려한것이다. 와 은바닥마찰과쇄파에기인한국부적인바람의발생과에너지손실을고려한것이다. 이런현상들에대한흐름의영향들도내포되어있다. 기본방정식들은 Eulerian 유한차분법을이용함으로써풀며파동스펙트럼의영번째와첫번째모멘트는다수의분리된방향들에대한사각형의격자에서계산되어진다. Once- through marching procedure는파랑전파의주된방향에대해적용한다. 모델로부터유의파고, 평균파주기, 평균파향, 방향표준편차, 잉여응력과같은적분된파랑매개변수가얻어지며방향을가진파랑에너지의분산형태의스펙트럼출력데이터도얻을수도있다. 3. 정성적평가비교방안수립 부산항신항건설단계별진우도주변지형변화및낙동강하구둑방류영향과의상대적비교를위하여정성적평가방안을수립하였다. 우선, 부산항신항건설단계별에따는진우도주변지형변화에미치는영향을조사하기위하여주된인자를건설이전부터 (12) Fig. 1 Area for this study

51 Morphological Change in Seabed Surrounding Jinwoo-Island Due to Construction of New Busan Port 195 Table 1 Five main stage for construction of Busan New Port Stage Layout Feature 1 Before constructi-on 2 During constructi-on of dumping area of dredged soil and north dock (a) Bathemetry before the construction of Busan New Port 3 Starting of dredgin-g in port area Jinwoo-do Daema-do A B Jangza-do Baekhap-do Shinja-do Gaduk-do Doyo-deung 4 Completion of north dock and 1st dredging work (b) Bathemetry of 2008 Fig. 2 Bathemetry before the construction of Busan New Port and During construction of south dock 2016년까지의단계별수심자료로보았다. 그러나확보할수있는단계별수심자료는 Fig. 1에나타낸 A영역에한정되어있으므로 B영역의해저지형은일정시점 ( 신항건설전 ) 에서의수심으로고정하고 A영역의해저지형변화만반영하여시뮬레이션을수행하였다. A영역의해저지형은 Table 1의주요 5단계를고려 ( 신항건설전, 투기장조성, 북컨조성, 준설단계, 현상태 ) 하며, 외해파랑및조류조건, 홍수기하천유입토사및공사중부유토사는가능한한많은자료를확보하여각단계별로동일한입력자료를사용하였다. 장기지형변화시뮬레이션을수행한후, 각단계별진우도주변해저지형의침 퇴적특성을정량적으로상대비교함으로써부산항신항건설이진우도주변협수로지형에미치는영향을검토하고자하였다. 앞서언급한동일한모델을적용하여하구둑방류만을제거 하고수행한결과와하구둑방류를포함하여얻은결과를정량적으로상대비교함으로써하구둑방류의영향도조사하였다. 이경우에는부산항신항건설전의수심도는 1980년발행해도를기준으로수립하였고, 2008년수심도는 2006년발행수치해도를기본으로 2008년까지의변화를반영하여수립한것으로그림 Fig. 2에나타내었다. Fig. 2(a) 와 Fig. 2(b) 를비교하면낙동강하구지역의지형변화가활발히일어나고있음을알수있다. 즉, 그림의눌차만해역은부산항신항건설로인해협수로폭이급격히감소하였으며, 진우도는북동쪽일부해안형상이변하며외해방향으로진우도전체가전진하는양상을보여준다. 또한, 신자도 A, B구역은병합되어신자도가하나의섬으로이어지며장자도, 대마등및백합등은형상및크기가변하고, 백합등남쪽에도요등이새로생성된다. 이외에도, 주목할만한현상으로 Fig. 2(a) 의낙동강하구둑근처 C구역의모래톱이 Fig. 2(b) 에서보듯이 A와 B구역으로분리되어지류를형성하게되어낙동강하구주변의하구둑방류에의한유속장이건설전에비하여차이가나게됨을추측할수있다.

52 196 Namseeg Hong 4. 수치모델 수립 및 시뮬레이션 시나리오 작성 4.1 모델 영역, 격자체계 및 외해 경계조건 체에 균일하게 방류하는 것으로 가정하였으며, 방류 SS농도는 Hong(2010a)에서 적용했던 토사농도를 사용하였다. 이외에도 녹 산배수펌프장 및 서낙동강 지류로부터 유입되는 유량은 낙동강 Table 2에서 보듯이 파랑의 경우 세부역에 3가지 종류의 Dynamic nesting 격자시스템을, 조석의 경우 3가지 종류의 Dynamic nesting 격자시스템을 적용하되, 각 격자시스템간의 자료교환은 자동경계 하구둑 방출유량의 10%로 보았으며, 해저질은 신항내 점토와 실트 혼합지역으로, 이외 지역은 사토로 보았으며, 표층두께분 포는 2005년 부산신항 남컨(2-2 단계) 진우도 전면해상 지반조 전이 방식(Dynamic nesting method)을 적용하여 시뮬레이션 시간을 단축하고 결과의 정확성을 증가시켰다. 이때, 자동경계전이(Dynamic nesting)는 경계에서의 유속장을 자동전이(Dynamic transfer) 할 수 있 사(동아지질) 자료와 Hong(2010a) 시뮬레이션 결과로부터 유추 하여 세부역에 대하여 Fig. 5와 같이 수정함으로써 장기지형 변 화의 지역적인 패턴을 반영하였다. 게 하였다. 앞서 Table 2에서 기술하였듯이 Grid 간격이 일정한 Dynamic nesting 격자시스템을 사용하였으며, 외해경계조건으로 조석모델의 경우 Hong(2010a)의 광역격자체계에서 얻은 결과로부 배경농도는 연결잔교 내외측 관측( ) 부유사농 도 관측치중 Fig. 6(a)에서 보듯이 10ppm~60ppm사이의 농도중 터 산정하여 사용하였다, 즉, 조화상수를 적용하여 만든 시간이력 조위에 항류에 의한 추가조위를 합산하여 얻었다. 파랑모델의 경 우는 해양연구원의 Hinding casting 모델로 부터 Table 1의 각 시점 의 자료를 활용하여 계산한 결과를 12시간 간격으로 선취하고, 각 지점간의 파랑조건은 보간법을 적용하여 사용하였다. Fig. 3 Dischage from Nakdong estuary dam [m3/sec] Table 2 Model area, grid system and boundary condition for wave and tide Wave Tide C Model area C Fig. 4 SS concentration of discharge from Nakdong dam B A Dynamic nesting grid system Boundary condition B A 500 m 500 m B 100 m 100m C 25 m 25 m From results from KORDI A A B C 100 m 100 m 50 m 50 m 10 m 10 m Hong (2010a) 4.2 입력자료 및 시뮬레이션 시나리오 낙동강 하구둑에서 방류되는 유량은 Fig. 3 및 Fig. 4에서 보 Fig. 5 Seabe thickness of nested model area B [m] 듯이 2015년 수자원공사 자료를 사용하여, 하구둑 방류 구간 전 (a) (b) Fig. 6 Evaluation of background SS cocentration [mg/l]

53 Morphological Change in Seabed Surrounding Jinwoo-Island Due to Construction of New Busan Port 197 Table 3 Bathemetry and dischagrge state for simulation cases Simulation case # Existence of discharge of estuary dam Construction stage of Busan New port Busan New Port area Bathemetry Fencing island area Existence of discharge of estuary dam 1-1 Before construction, bathemetry of nautical chart O construction stage 2006 nautical chart O 2-1 Before construction, bathemetry of nautical chart X construction stage 2006 nautical chart X 3-1 Before construction, bathemetry of nautical chart O 3-2 Construction of North container and starting dumping area 1980 nautical chart O 3-3 Starting dredging in port area 1980 nautical chart O 3-4 Finishing 1 st dredging and north container area 1980 nautical chart O 3-5 during south container 1980 nautical chart O * m 1 * m 2 * m 3 Fig. 7 Distribution of D50 grain size [mm] * s 1 * s 2 * s e-6 이상 Frequency를제거하여사용하였으며 (Fig. 6(b)), 해저질입경중 D50 분포는금번연구에서관측한자료및수자원공사낙동강하구둑인근해저질자료를바탕으로정성적추정하여 Fig. 7과같이작성하였다. Table 3은시뮬레이션시나리오별하구둑방류유무및적용수심을나타낸것으로, 크게낙동강방류유무및부산항신항건설단계별로나누어진다. 부산항신항건설단계별의경우는전술한부산항신항영역 (Table 2의 A영역 ) 의지형변화에따른 B 영역의 1년간의지형반응을조사하였다. 하구둑방류유무의경우는 Hong(2010a) 이수립하여적용했던모델에하구둑방류만을제거하여하구둑방류에의한지형반응만을조사하기위한것으로, 부산항신항건설단계별의경우와는전혀다른입력인자를가지고수립된모델이다. 즉, 주요인자중하구둑방류유량적용시기가부산항신항건설단계별의경우와는관계가없는경우이다. 5. 진우도협수로지형에미치는영향조사및분석 5.1 유속장의변화부산항신항건설및낙동강하구둑방류가진우도주변지역의지형변동에미치는유속장 ( 파랑에의한유동장포함 ) 의변화를조사하기위하여 Fig. 8에서보듯이눌차만협수로인근 3개지점및진우도 -신자도사이중간 3개지점의연간절대평균유속의크기를비교하여 Table 4에나타내었다. Table 4에서보듯이신항건설단계에따른유속의변화는눌차만북안협수로일부지역에서약간변화할뿐다른정점에서는거의미미한것으로나타났다. 그러나낙동강하구둑방류유무에따른유속의 Fig. 8 Location for comparison of year-average current velocity Table 4 Year-average current velocity at location of comparison of year-average current velocity for simulation cases Year average current speed for each construction stage [m/sec] Year average current speed to existence of discharge of estuary dam [m/sec] Bathemetry before construction of port Bathemetry of st 2nd 3rd 4th 5th with without with without m m m s s s 변화는신항건설전의지형을적용하였을경우는차이가거의나지않는데반하여 2008년지형을적용하였을경우는진우도와신자도사이의협수로지역에서는뚜렷하게차이가남을알수있었다. 이유는전술한것처럼낙동강하구둑근처모래톱이분리되어지류를형성하게됨으로써낙동강하구주변의하구둑방류에의한유속장이차이가나는것으로판단되었다. 결론적으로, 진우도주변해역에서의부산항신항건설로인한

54 198 Namseeg Hong 장기유속장의변화는미미하며, 낙동강하구둑방류유무에의한장기유속장의변화또한울타리섬인근지형의형상에따른지류형성등에의하여차이가나는것으로판단되었다. 본연구에서조사분석한절대연평균유속의변화는장기지형의변화에미치는영향의정도를단순하게판단하는기준으로사용할수있으나, 국부적인장기침 퇴적양상을나타내지는못한다. 그러므로다음절에서시뮬레이션시나리오별장기 ( 연간 ) 침 퇴적양상을조사하였다. 5.2 부산항신항건설단계별침 퇴적변화 Fig. 9에나타낸 A, B 및 C영역에서의부산항신항건설단계별침식및퇴적량을 Table 5에, 1단계대비침식및증감비율을 Table 6에나타내었다. 부산항신항건설로인하여건설단계가진행될수록대부분퇴적이증가하는경향을보이며, 그런경향은 A영역이가장크게나타나며, 다음으로 B영역, C영역의순서로작게나타났다. 즉, 부산항신항에서멀어질수록영향이줄어듦을알수있었다. 영역내지역별침 퇴적양상을조사하기위하여 1단계대비침 퇴적증감두께분포를 Fig. 10부터 Fig. 12에나타내었다. Table 6 Erosion and deposition rate for each construction to 1 st stage Area Erosion and deposition percent rate to 1 st stage [%] 2 nd 3 rd 4 th 5 th A Deposition Erosion Total nd 3 rd 4 th 5 th B Deposition Erosion Total nd 3 rd 4 th 5 th C Deposition Erosion Total (a) 2nd (b) 3rd (c) 4th (d) 5th B area Fig. 10 Distribution of thickness of erosion and deposition for each construction stage to 1 st construction stage at A area A area C area Fig. 9 Area for comparison of year-erosion and deposition Table 5 Erosion and deposition rate for construction stage Area Erosion and deposition rate for each stage [m 3 ] 1 st 2 nd 3 rd 4 th 5 th A Deposition Erosion Total st 2 nd 3 rd 4 th 5 th B Deposition Erosion Total st 2 nd 3 rd 4 th 5 th C Deposition Erosion Total (a) 2nd (b) 3rd (c) 4th (d) 5th Fig. 11 Distribution of thickness of erosion and deposition for each construction stage to 1 st construction stage at B area Fig. 10는 A영역의 1단계대비증감두께분포를각단계 (2단계부터 5단계 ) 별로나타낸것으로 표식지역은퇴적우세영역, 표식영역은침식우세영역으로눌차만입구남측해안의협수로지역에주로퇴적이발생하는것으로나타났다. 반면, 눌차도와진우도사이는침식이주로발생하며눌차도주변해안에집중되는경향을띠고있다. Fig. 11은 B영역의 1단계대비증감두께분포를각단계 (2단계부터 5단계 ) 별로나타낸것으로건설이진행됨에따라거의변화가나타나지않다가 5단계에접어들어진우도남측전면 ( 표식지역 ) 에약간의지형변화가나타났다. Fig. 12는 C영역의 1단계대비증감두께분포를각단계 (2단계부터 5단계 ) 별로나타낸것으로 4단계부터 5단계에와서 표식지역에퇴적이집중되어나타난다. 즉, 진우도동측및신자도서측끝부분에국부적으로퇴적이집중되어나타날뿐다른

55 Morphological Change in Seabed Surrounding Jinwoo-Island Due to Construction of New Busan Port 199 B area B area A area C area A area C area (a) 2nd (b) 3rd (a) (b) Fig. 13 Area for comparison of year-erosion and deposition; (a) before construction, (b) bathemetry of 2008 (c) 4th (d) 5th Fig. 12 Distribution of construction stage at C area. thickness of erosion and deposition for each construction stage to 1 st 하였을경우와비교하였다. Fig. 13은부산항신항건설전및 2008년경우의지형및침 퇴적변화조사를위한 3개영역 (A, B 및 C영역 ) 을나타내었으며, A, B 및 C영역에서의방류유무에따른침식및퇴적변화비교를 Table 7에나타내었다. Table 7에서보듯이신항건설전과 2008년의경우경향상뚜렷한차이는나지않으나, 방류로인한영향은 C영역에서지배적으로나타났다. 세부영역별방류유무에따른침 퇴적특성을조사하기위하여 Fig. 14부터 Fig. 16에방류의경우미방류대비토사증감두께분포도를신항건설전지형및 2008년지형의각각의경우에대하여나타내었다. 지역의침 퇴적양상에는거의변화가없었다. 결론적으로, 부산항신항건설이진우도주변지형에미치는영향은눌차만인근지역에서만나타나며, 진우도및신자도주변에서는극히일부분 ( 진우도동측및신자도서측끝해안 ) 에국부적으로나타나는데이는앞절에서기술한바와같이진우도주변해역에서의부산항신항건설로인한장기유속장의변화는크지않다는결론과일맥상통하는결과이다. 5.3 낙동강하구둑방류유무에따른침 퇴적변화낙동강하구둑방류유무에따른침 퇴적변화를조사하기위하여 Hong(2010a) 에수립하여적용했던모델결과와동일모델에하구둑방류만을제거하여하구둑방류에의한지형반응만을조사하였다. 2010년수립된모델의경우수심및지형은부산항신항건설전과 2008년수심및지형을적용하였으므로, 본과업에서도동일한수심및지형에하구둑방류만을제거하여방류를포함 (a) (b) Fig. 14 Distribution of thickness of erosion and deposition due to discharge at A area.; (a) before construction, (b) bathemetry of 2008 Table 7 Comparion of erosion and deposition rate due to dischage of estuary dam Area A B C Classification with [m 3 ] Bthemetry before construction Bathemetry of 2008 without [m 3 ] percent to without [%] with [m 3 ] without [m 3 ] percent to without [%] deposition erosion total deposition erosion total deposition erosion total

56 200 Namseeg Hong 년 지형을 적용하여 낙동강 하구둑 방류유무에 따른 진우도 주 변지형 변화를 조사하는 것으로 ①의 경우와 ②의 경우 시뮬레 이션의 주요 조건이 서로 다르므로 정량적 상대비교 대신 정성 적 상대비교를 통하여 신항 건설(신항 영역은 현상태, 울타리섬 영역은 신항 건설 전)로 인한 영향과 낙동강 하구둑 방류 영향 을 정성적으로 비교하였다. Fig. 17부터 Fig. 19는 A, B 및 C영역에서 신항 건설단계별 영 향의 시뮬레이션 결과 중에서 1단계 대비 5단계 증감 분포와 하구둑 방류의 영향으로 인한 증감 분포 비교를 나타낸 것이다. Fig. 17에서 보듯이 A영역에서는 신항 건설로 인한 영향이 하구 둑방류에 의한 영향보다 우세하나, Fig. 18의 B영역에서는 신항 건설보다 하구둑 방류의 영향이 진우도 주변 지역에 한정되어 (a) (b) 우세하게 나타남을 알 수 있었다. Fig. 15 Distribution of thickness of erosion and deposition due to discharge at B area; (a) before construction, (b) bathemetry of 2008 (a) (b) Fig. 16 Distribution of thickness of erosion and deposition due to discharge at C area.; (a) before construction, (b) bathemetry of 2008 A영역에서는 방류로 인해 전반적으로 지형변화가 발생하 며, 특히 2008년 지형을 적용한 경우가 좀 더 크게 발생함을 알 수 있다. B영역에서도 A영역과 유사한 경향을 보이며 A영 (a) (b) Fig. 17 Comparison at A area between effect of port construction and effect of dischage of estuary dam.; (a) Change of thickness of erosion and deposition due to port construction (b) Change of thickness of erosion and deposition due to port construction 역에 비하여 영향이 좀 더 증가함을 알 수 있다. 그러나 C영 역에서는 방류로 인한 영향이 신항 건설 전 지형을 적용한 경우나 2008년 지형을 적용한 경우 둘 다 상당히 크게 미침 을 알 수 있으며, 신항 건설 전은 진우도와 신자도 북쪽 영역 에서, 2008년의 경우는 진우도와 신자도 사이 및 남쪽 영역 에서 방류로 인한 영향이 두드러짐을 알 수 있다. 결론적으로 낙동강 하구둑 방류로 인한 영향은 눌차만 주 변 지형에 비해 진우도와 신자도 주변지형에 지배적인 영향 을 미치며, 파랑 및 방류 등에 의한 낙동강하구 지형의 전반 적인 지형변화가 유속장의 변화를 발생하고, 이것이 방류로 인한 지형변화 양상에도 영향을 미침을 알 수 있다. 5.4 신항 건설 영향과 낙동강하구둑 방류 영향의 정성적 비교 Table 3에서 보듯이 본 과업에서 수행한 시뮬레이션은 ①울타 리섬 영역은 부산항 신항 건설 전의 지형을 적용하면서 부산항 신항 영역만 건설단계별로 변화시켜 진우도 주변 지형변화를 조사하는 것과, ②과업 전체영역을 부산항 신항 건설 전과 2008 (a) (b) Fig. 18 Comparison at B area between effect of port construction and effect of dischage of estuary dam.; (a) Change of thickness of erosion and deposition due to port construction (b) Change of thickness of erosion and deposition due to port construction

57 Morphological Change in Seabed Surrounding Jinwoo-Island Due to Construction of New Busan Port 201 References (a) (b) Fig. 19 Comparison at C area between effect of port construction and effect of dischage of estuary dam.; (a) Change of thickness of erosion and deposition due to port construction (b) Change of thickness of erosion and deposition due to port construction 이런경향은동진할수록더증가하여 Fig. 19에서보듯이하구둑방류영향이상대적으로신항건설의영향보다두께분포변화가상당히많이차이남을알수있다. 즉, 진우도주변지형의변화에미치는영향은부산항신항건설보다낙동강하구둑방류에의한영향이상대적으로지배적이라고판단되었다. 지금까지의결과분석으로부터, 진우도주변의지형변화는부산항신항건설로인한영향이적으며, 하구지역의방류및외해파랑에의한전형적인하구지역에서발생하는하구지형변화중에있는것으로판단되었다. 6. 결론본연구에서부산항신항건설이진우도주변지형에미치는영향을조사하기위하여간접적정성적인검토를위한시나리오작성및모델을수립하여시뮬레이션을수행함으로써, 하구둑방류유무에따른진우도주변지형반응과신항건설단계별진우도주변지형의침 퇴적양상을상대적으로비교하여다음과같은결론을얻었다. (1) 신항건설의영향은눌차만인근지역이영향이크고진우도주변지역으로동진할수록영향이상대적으로적은것으로나타났다. (2) 하구둑방류의영향은진우도와신자도주변에서크고서진할수록영향이상대적으로적은것으로나타났다. (3) 신자도동쪽지형의변화는하구둑방류로인하여발생하며, 낙동강울타리섬의지속적인지형변화로인한유속장의변화가진우도주변지형의변화를발생시키는것으로판단된다. 또한, 하구둑방류로인한토사공급과이를운반하는파랑의작용도영향을미치는것으로보인다. 결론적으로, 진우도주변의지형변화는부산항신항건설로인한영향이상대적으로적으며, 하구지역의방류및외해파랑에의한전형적인하구지역에서발생하는하구지형변화중에있는것으로판단되었다. Kim, S.Y., Ha, J.S., Sedimentary Faces and Environmental Changes of Nakdong River Estuary and Adjacent Coastal Area. Korean Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 34(3), Kim, B.W., Kim, B.G., Lee, S.Y., Development of Mosaic Aerial Photographs for Shoreline Change Study in Nakdong Estuary. Ocean and Polar Reasearch, 27(4), Jang, S.T., Kim, K.C., Change of Oceanographic Environment in the Nakdong Estuary. The Sea, 11(1), Oh, C.Y., Park, S.Y., Choi, C.U., Jeon, S.W., Change Detection at the Nakdong Estuary Delta Using Satellite Image and GIS. Journal of the Korean Society for Geospatial Information Science, 18(1), Jeon, Y.H., Yoon, H.S., Lee, K.S., Spatiotemporal Variations of Coastal Sediment Transport at Barrier Islands in the Nakdong River Estuary. Journal of the Korean Society of Marine Environment and Safety, 16(2), Kim, K.S., Hong, N.S., The Change of Ocean around Estuary Caused by Change of Shape of Nokdong River Estuary a Sandy Plain. Proceedings of the 17 th Conference of the Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, Mokpo, Kim, K.S., Hong, N.S., Chae, J.W., Lee, J.M., Morphological Simulations near Coastal Area of Jinwoo-do. Proceedings of 12 th Conference of the Korean Association of Ocean and Technology Societies, Jeju, Yoon, H.S., Yoo, C.I., Ryu, C. R., Lee, I.C., Sediment Environmental Change around Jinwoo-do in Nakdong River Estuary. Proceedings of Spring Conference of the Korean Society of Marine Environment and Energy, Hong. N.S., 2010a. The 4 th Project Report of Research and Development for Ocean Environmental Hyraulics of Busan New Port - Spreading of Suspended Sediment and Morphological Change. Busan Port Construction Office, Miinistry of Ocean and Fisheries Hong, N.S., 2010b. Investigation of Reducing Characteristics for the Spreading of Dredging Soil and the Diffusion of Contaminant by Silt Protector Curtain through Three Dimensional Numerical Model Experiment. Journal of Ocean Engineering and Technology, 24(4), Hong, N.S., Kim, G.Y., Kang, Y.G., Three Dimensional Numerical Model for Flow with Silt Protector. Journal of Ocean Engineering and Technology, 22(3), 1-7. Leonard, B.P., The Ultimate Conservative Difference Scheme Applied to Unsteady One-Dimensional Advection. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 88(1), Van Rijn, L.C., Principles of Sediment Transport in Rivers, Estuaries and Coastal Seas. AQUA Publications, The Netherlands.

58 한국해양공학회지제 32 권제 3 호, pp , 2018 년 6 월 / ISSN(print) / ISSN(online) Original Research Article Journal of Ocean Engineering and Technology 32(3), June, Experimental Study on Efficiency of Floating Vertical Axis Wind Turbine with Variable-Pitch Jae-Heui Kim *, Hyo-Jae Jo **, Jae-Hyuk Hwang **, Min-Suk Jang ** and Byeong-Seong Lee *** * Division of Naval Architecture and Ocean Systems Engineering, Korea Maritime and Ocean University, Busan, Korea ** Ocean Science and Technology School, Korea Maritime and Ocean University, Busan, Korea *** Research Institute of Medium and Small Ship-Building, Busan, Korea 부유식가변피치형수직축풍력발전기의발전효율에관한실험연구 김재희 * 조효제 ** 황재혁 ** 장민석 ** 이병성 *** * 한국해양대학교조선해양시스템공학부 ** 한국해양대학교해양과학기술전문대학원 *** 중소조선연구원 KEY WORDS: Variable-pitch 가변피치, Vertical axis wind turbine 수직축풍력발전기, Model test 모형시험, Mechanical power test 기계적출력실험 ABSTRACT: This paper presents the efficiency of a floating vertical axis wind turbine with variable-pitch. A model was designed to use the lift force and drag force for blades with various pitch angles. The blade's pitch angle is controlled by the stopper. To validate the efficiency of the wind turbine discussed in this paper, a model test was carried out through a single model efficiency experiment and wave tank experiment. The parameters of the single model efficiency experiment were the wind speed, electronic load, and pitch angle. The wave tank experiment was performed using the most efficient pitch angle from the results of the single model efficiency experiment. According to the results of the wave tank experiment, the surge and pitch motion of a structure slightly affect the efficiency of a wind turbine, but the heave motion has a large effect because the heights of the wind turbine and wind generator are almost the same. 1. 서론최근무분별한화석에너지사용에따른자원고갈및지구온난화문제로신재생에너지에관한관심과수요가증대되었다. 그중풍력에너지는한때경제적효율성을갖추지못해주목받지못했지만, 오늘날관련기술의발달로효율성이증대되어전세계적으로주목받고있다. 특히유럽및미국과같은기술선진국에서는이미소형풍력발전시스템부터 5MW급이상의대형풍력발전시스템까지개발이완료되어실증단계에있다. 하지만풍력발전시스템의대형화는소음, 전파, 경관등의민원문제를발생시킨다. 또한우리나라와같이협소한국토로인한육상풍력발전보급제한은풍부한부지, 양질의풍력자원을이용할수있고민원문제를해결할수있는해상풍력발전에대한관심을증가시켰다. 풍력발전의원리는바람이갖는운동에너지 (Wind kinetic energy) 를터빈을통해기계적에너지로변환시키고, 변환된기계적에너지를다시전기에너지로변환시키는것이다. 일반적으로풍력발전기는기동풍속 (Cut-in wind speed) 과정격풍속 (Rated wind speed) 사이에서풍속의세제곱과터빈의면적에비례하는에너지를생성하고, 정지풍속 (Cut-out wind speed) 까지일정한출력이유지되다가그이상이되면시스템의안전을위하여멈추도록설계된다. 풍력발전기는회전축의방향과형상에따라수평축풍력발전기 (Horizontal axis wind turbine, HAWT) 와수직축풍력발전기 (Vertical axis wind turbine, VAWT) 로분류된다. 수평축풍력발전기는수직축풍력발전기에비해풍속대비효율은높으나, 바람의방향과각도에따라그효율이크게좌우되어요시스템 (Yaw system) 혹은꼬리날개가필요하기때문에구조적으로복잡해지는단점이있다. 수직축풍력발전기는바람의방향에영향을받지않아요시스템이필요하지않고비교적낮은풍속 Received 2 January 2018, revised 18 May 2018, accepted 7 June 2018 Corresponding author Hyo-Jae Jo: , hjjo@kmou.ac.kr ORCID: c 2018, The Korean Society of Ocean Engineers This is an open access article distributed under the terms of the creative commons attribution non-commercial license ( which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 202

59 Experimental Study on Efficiency of Floating Vertical Axis Wind Turbine with Variable-Pitch 203 의바람과풍향에관계없이발전이가능하다는장점이있다. 특히우리나라와같이기후변화가심하고계절풍의영향을받는지역은수직축풍력발전기가수평축풍력발전기에비해더유용하다 (Sim, 2013). 수직축풍력발전시스템에대한선행연구로 Sheldahl and Klimas(1981) 은서로다른에어포일을적용한수직축풍력발전기의레이놀즈수에따른공력특성을파악하였다. Martin(2011) 은 NREL 5MW급해상용풍력발전기를 1/50로축소제작하여실험을실시하였고, 실험결과를통해부유식풍력발전기의효율을분석하기위한시뮬레이션코드를검증하였다. Oh and Kim(2012) 은해양용소형수직축풍력발전기를설계하고파랑및바람으로인한구조물운동응답이발전효율에미치는영향을파악하였다. Kim et al.(2011) 은 5MW급스파 (Spar) 타입부유식해상풍력발전시스템의파랑및바람중구조물의운동성능을수치해석결과와모형시험결과를비교하였다. 일반적으로항력을이용하는수직축풍력발전기는토크가큰반면발전효율이매우낮고양력을이용하는수직축풍력발전기는높은풍속에서는발전효율이좋으나낮은풍속에서는기동이어렵고효율이매우낮은단점이있다. 본연구에서사용한가변피치형수직축풍력발전기는블레이드에대한바람의방향과로터의회전에따른원심력에의하여블레이드의피치각이시시각각자율적으로조정됨에따라, 양력과항력모두를회전력으로전환시켜발전효율이증가하도록설계하였다. 본연구에서는자체개발한가변피치형수직축풍력발전기의단독발전효율성능을파악하기위해풍동실험을실시하였고, 원형실린더형태의부유체와결합후파랑과바람중부유체의운동에따른발전효율성능을수조실험을통해파악하였다. 단독발전효율실험에선블레이드의피치가변범위에따른분당회전수 (Revolutions per minute, RPM) 와기계적출력 (Power) 을비교 분석하였다. 부유식풍력발전실험에서는단독효율실험결과중가장우수한발전성능의피치가변범위에대해파랑과바람중부유체운동이발전효율에미치는영향을비교 분석하였다. 2. 풍력발전의이론적해석바람은공기라는질량을가지는물질의운동이므로운동에너지공식으로바람의운동에너지를정의할수있다. 공기의질량을 (kg), 속도를 (m/s) 라고할때바람의운동에너지 는식 (1) 과같다. (1) 질량흐름률 (Mass flow rate) 은공기밀도 (kg/m 3 ) 와풍속 (m/s) 그리고바람의방향과수직인블레이드의면적 (m 3 ) 의곱으로식 (2) 와같이나타낼수있다. 공기의흐름에의한에너지출력 (W) 는단위시간당에너지의변화량으로정의되고운동에너지식을출력으로변형시키면식 (3) 과같다. (3) 따라서식 (1) 에식 (2) 를대입하면바람에의한에너지출력 (W) 는식 (4) 와같다. 블레이드의기계적출력 은토크 (N m) 와풍력발전기의회전각속도 (rad/s) 의곱으로식 (5) 와같이정의할수있다. 풍력발전기의회전각속도를분당회전수 RPM으로환산하여계산하면식 (6) 과같다 (Hwang, 2014). (5) 풍력발전기의출력성능을평가하는방법에는발전기의전력을측정하는방법과회전축의토크를측정하는방법이있다. 발전기의전력을측정하면기계적손실과전기적손실을모두고려한전력을측정할수있다는장점이있다. 회전축의토크를측정하는방법은블레이드에서회전축의토크로전환되는효율만을평가할수있다. 즉회전축의토크를전기에너지로변환하며생기는변수를무시할수있다는장점이있다 (Lee, 2014). 본연구에서는풍력발전기의출력성능을평가하기위해기계적인효율만을평가하는회전축의토크를측정하는방법을사용하였다. 3. 실험 실험모델의블레이드길이는 0.28m, 폭은 0.225m이고블레이드의형상은 Fig. 1과같다. 블레이드상 하판 (Top and bottom plates) 의지름은 0.5m로제작되었고총 5엽의블레이드를원형판의중심으로부터 0.22m 떨어져있는위치에결합하였다. 코드길이는 0.225m, 앞전부터회전축중심까지의거리와무게중심까지의거리는각각 0.065m, 0.096m이다. 블레이드는알루미늄 (Aluminium) 재질로블레이드상 하판은충격강도가크고가벼운폴리카보네이트 (Polycarbonate) 재질로제작하였다. 또한블레이드의피치가변범위를제어하기위해블레이드상판에고정나사를삽입한스토퍼 (Stopper) 를설치하였다. (4) (6) (2) Fig. 1 Shape of the blade

60 204 Jae-Heui Kim et al. 는 날개회전구간으로 구분 할 수 있다. 일반적으로 수직축 풍력 발전기는 양력 혹은 항력 중 하나만을 사용한다. 그러나 자체 개발한 수직축 풍력발전기는 바람 및 원심력에 의해 블레이드 피치각이 시간에 따라 변화하면서 양력과 항력 모두를 회전력 으로 전환시켜 최적의 에너지 변환 효율을 낼 수 있도록 설계 되었다. 풍력발전기 단독 발전효율 실험을 위해 Fig. 4와 같이 한국해 양대학교 해양시스템연구실의 2차원 조파수조를 활용하여 간이 형 풍동실험(Wind tunnel test) 환경을 조성하였다. Fig. 2 Mechanical measuring systems 본 연구에 사용된 풍력발전기의 기계적 출력을 측정하는 실 험 장비는 RPM과 토크를 동시에 측정할 수 있는 토크센서와 측정값을 실시간으로 확인할 수 있는 모니터로 이루어져 있으 며, 전기적 부하 장치로 스테핑 모터(Stepping motor)를 장착하 여 Fig. 2와 같이 구성하였다. Fig. 3은 로터의 회전에 따른 블레이드 1개의 움직임을 위치 별로 도식화 한 것이다. 블레이드의 유선형 단면을 따라 흐르는 바람에 의한 양력구간, 블레이드가 바람의 저항을 받아 생기는 항력구간, 블레이드가 회전하며 양력구간과 항력구간이 연결되 바람 발생장치에서 생성된 바람이 2차원 조파수조를 따라 균 일하게 흐를 수 있도록 조파수조 상단부에 덮개를 설치하였다. 또한 후류에 발생하는 바람 에너지를 최소화하기 위하여 풍력 발전기와 벽 사이에 약 15m의 공간을 두었다. Table 1은 단독 발전효율 실험 조건을 나타내고, Fig. 5는 각 실험 조건에 따른 피치 가변 범위를 나타내고 있다. 실험 풍속 범위는 1m/s 간격 으로 3~10m/s이고 풍력터빈의 위치에서 5분간 3회에 걸쳐 측정 한 값을 평균 하였다. 실험은 전기적으로 무부하 상태 그리고 부하상태에 대하여 수행되었다. 무부하 상태에서는 전기적인 부하의 연결이 없기 때문에 발전기 베어링 마찰을 제외한 순수 풍력발전기의 공력 성능을 측정할 수 있다. 따라서 전기적 부하 없이 풍속별 RPM 을 측정함으로써 터빈의 회전이 시작되는 풍속인 기동풍속 (Cut-in speed)을 측정할 수 있다. 실제 해상풍력 발전기의 경우 초기 기동풍속을 낮추기 위해 코깅토크를 저감시키는 다양한 장치가 사용된다. 그러나 본 연구에서는 축소 제작된 실험 모델 의 특성상 코깅토크 저감 장치를 사용할 수 없어 수동으로 스 테핑 모터의 전기적 부하 여부를 선택하여 실험을 수행하였다. Table 1 Design parameters for experimental condition in wind tunnel Wind speed [m/s] Variable-pitch range [deg] Electronic Load -35 ~ ~ ~ 10 Fig. 3 The condition of the blade position following one rotation Fig. 4 Configuration of the single VAWT experiment X -10 ~ ~ ~ ~ +105 Fig. 5 Variable-pitch range of the blade O

61 Experimental Study on Efficiency of Floating Vertical Axis Wind Turbine with Variable-Pitch 205 Table 2 Design parameters for experimental condition in wave tank Variable-pitch range [deg] -10 ~ +105 Wave type - Regular wave Irregular wave Wind speed [m/s] 8 (Irregular wave) 는유의파고 (, Significant wave height) m 와평균주기 (, Mean period) 1.76sec인 ITTC(International towing tank conference) 스펙트럼을사용하였다. 파랑조건은구조물의주파수영역수치해석결과를바탕으로실험수조의조파범위내에서구조물의운동을전반적으로관찰할수있는조건으로선정하였다. 4. 실험결과및고찰 Fig. 6 Configuration of the floating VAWT experiment Fig. 7 Prototype of the wind turbine and the cylindrical type floating body 본실험에서사용된풍력발전기는자체개발하였다. 실증단계전사전연구로서축소모형수준에서의성능을파악하기위해설계되고제작되었다. 부유식풍력발전실험은 Fig. 6과같이중소조선연구원 (Research Institute of Medium & Small Shipbuilding) 의길이 28m, 폭 2m, 수심 2m의해양공학수조에서진행하였다. 부유식풍력발전에적용된부유체는 Fig. 7과같이원형실린더형태의구조물로, 다른형태의구조물보다흘수가깊어상대적으로상하동요에대한응답성능이좋다는장점이있다. 그러나무게중심의위치가구조물의운동성능을크게좌우하기때문에무게중심을낮추기위해토크센서를제거하고지지부 (Support fixture) 의길이를최소화하여풍력발전기를경량화하였다. 경량화를위해토크센서를제거하였기때문에비접촉식 RPM 측정기를이용해 RPM을측정하여각실험조건에대해비교하였다. Table 2는부유식풍력발전각실험조건들을나타낸다. 실험풍속은 8m/s로풍력터빈위치에서 5분간 3회에걸쳐측정한값을평균하였다. 규칙파 (Regular wave) 실험은 1.6sec부터 3sec까지 0.2sec 간격으로 8개의규칙파에대해실시하였으며, 불규칙파 4.1 단독발전효율실험 Fig. 8은기동풍속을측정하기위해전기적무부하상태에서풍속별 RPM만을측정한결과이다. 실험결과모든피치가변범위에서풍동시스템의최저풍속 3m/s일때최초기동이일어남을확인하였다. 또한모든피치가변범위에서풍속이증가함에따른 RPM 증가의양상은비슷한경향을보였고이로서피치가변범위가기동풍속을낮추는것에는거의영향을주지않음을확인하였다. 피치가변범위중 -10 ~ +105 의경우가가장높은 RPM 결과를나타내었다. Fig. 9는전기적부하상태에서피치가변범위에따라풍속별출력결과값을나타내었다. 앞선실험결과와마찬가지로피치가변범위 -10 ~ +105 의경우가장높은출력을가지고가장낮은풍속에서발전이시작된다. 따라서본연구에서사용된가변피치형수직축풍력발전기는가변범위 -10 ~ +105 의경우가최대효율을가지는것을확인하였다. 또한풍속이증가할수록피치가변범위에따른발전가능풍속범위와발전효율의차이가커지는것을확인할수있다. Fig. 8 The RPM by the wind speed following variable-pitch range in no load condition

62 206 Jae-Heui Kim et al. Fig. 9 The power by the wind speed following variable-pitch range in load condition 4.2 부유식풍력발전실험해양공학수조에서실시한부유식풍력발전실험은단독발전효율실험결과발전효율이가장좋은피치가변범위 -10 ~ +105 의경우에대해실시하였다. Fig. 10은파랑조건에따른풍력발전기의 RPM응답을나타낸것이며, Fig. 11은부유식풍력발전시스템의규칙파중운동응답이론해석및실험결과를나타낸그래프이다. Fig. 11에따르면구조물의 Heave 운동응답은 2.4sec의규칙파에서가장크게나타났으며, Surge 와 Pitch 운동응답은 3.0sec의규칙파에서가장크게나타났다. Fig. 10의풍력발전기의 RPM응답과 Fig. 11의구조물의운동응답을비교한결과, 규칙파실험범위중 Surge와 Pitch 운동이가장크게일어나는 3.0sec의규칙파에서 RPM응답과파가없을경우의 RPM 응답은큰차이를보이지않는다. 하지만 Heave운동이가장큰 2.4sec의규칙파에서 RPM응답이가장작게나타난것을알수 Fig. 11 Dynamic response of simulation and experiment of floating VAWT in regular waves Fig. 10 The RPM responses on each experimental case in 8 m/s wind speed 있다. 이는바람발생장치의바람출구와풍력발전기의높이가거의유사하여, 구조물의상하동요에의해풍력발전기가유효바람면적을벗어나기때문으로판단하였다. 또한단독발전효율실험의 RPM응답과 Fig. 10의부유식풍력발전실험의 RPM응

63 Experimental Study on Efficiency of Floating Vertical Axis Wind Turbine with Variable-Pitch 207 답을비교하면부유식풍력발전실험의 RPM응답결과가현저히낮게나타난다. 이결과에대한이유로, 단독발전효율실험에선풍력발전기와바람발생장치간의거리가 1.5m이나, 풍력발전실험에선부유체의위치유지를위한계류시스템때문에설치거리가 2.8m로약 2배정도멀어짐에따라 RPM응답결과가약 75% 감소하였다. 비록두실험을동일한풍속에서수행하였지만멀어진거리로인한풍량감소를가장큰원인으로판단하였다. 여기서풍량이란바람발생장치의덕트를통해이동한공기의양이다. 부유식풍력발전실험의경우개방된공간에서수행되어바람의집중도가떨어졌기때문이다. 5. 결론본연구에서는가변피치형수직축풍력발전기에대해실험을통하여단독발전효율을파악하고, 파랑및바람중부유체동적거동과 RPM운동응답을비교하였다. 각각의실험을통하여얻은결론은아래와같다. (1) 단독발전효율실험결과모든피치가변범위에서풍동시스템의최저풍속인 3m/s에서기동이일어남을확인하였고, 피치가변범위 -10 ~ +105 에서최고효율을나타내었다. (2) 부유식풍력발전실험결과 Surge와 Pitch 운동이가장큰 3.0sec의규칙파에대한 RPM응답은, 파가없는경우의 RPM 응답과큰차이를보이지않았다. (3) 반면, Heave운동이가장큰 2.4sec의규칙파에대한 RPM 응답은모든실험 case 중가장낮게나타났다. 이는부유체 Heave운동으로인해풍력발전기의유효바람면적을벗어났기때문으로보여진다. 추후풍력발전기블레이드형상및크기에따른발전효율에대한연구가필요하다. References Hwang, B.S., Introduction to Wind Energy and Technology. A-JIN, Korea. Kim, M.S., Lee, M.S., Kim, M.W., Shin, H.G., Motion Analysis of 5MW Spar Type Floating Offshore Wind Turbine. The Proceedings of the Society of Naval Architects of Korea, Lee, K.J., A Study on Characteristics of Electrical and Mechanical Properties for Small-Scaled Wind Turbines (M.S. Thesis). Changwon National University, Korea. Martin, H.R., Development of a Scale Model Wind Turbine for Testing of Offshore Floating Wind Turbine Systems. Electronic Theses and Dissertations, The Graduate School of the University of Maine, Oh, M.W., Kim, D.H., Design and Computational Analysis of Small Vertical-Axis Wind Turbine for Ocean Buoy System. Journal of the Wind Engineering Institute of Korea, 16(2), Sheldahl, R.E., Klimas, P.C., Aerodynamic Characteristics of Seven Symmetrical Airfoil Sections Through Aairfoil Sections Through 180-Degree Angle of Attack for Use in Aerodynamic Analysis of Vertical Axis Wind Turbines. Sandia National Laboratories Energy Report, SAND Sim, J.P., Experimental and CFD Analysis of V-Shape Vetrical Axis Wind Turbine (M.Sc. thesis). Gyeongsang National University, Korea.

64 한국해양공학회지제 32 권제 3 호, pp , 2018 년 6 월 / ISSN(print) / ISSN(online) Original Research Article Journal of Ocean Engineering and Technology 32(3), June, Planing Avoidance Control for a Supercavitating Underwater Vehicle Based on Potential Functions Seonhong Kim *, Nakwan Kim **, Minjae Kim ***, Jonghoek Kim *** and Kurnchul Lee *** * Department of Naval Architecture and Ocean Engineering, Seoul national university, Seoul, Korea ** Research Institute of Marine Systems Engineering, Seoul national university, Seoul, Korea *** Agency for Defense Development, Changwon, Korea 포텐셜함수기반초공동수중운동체플레이닝회피제어연구 김선홍 * 김낙완 ** 김민재 *** 김종혁 *** 이건철 *** * 서울대학교조선해양공학과 ** 서울대학교해양시스템공학연구소 *** 국방과학연구소 KEY WORDS: Planing avoidance 플레이닝회피, Supercavitating underwater vehicle 초공동수중운동체, Potential function 포텐셜함수, Planing estimation 플레이닝예측, Planing protection 플레이닝보호 ABSTRACT: In this paper, we focus on planing avoidance control for a supercavitating underwater vehicle based on the potential function method. The planing margin can be calculated using the relative position between the cavity center and vehicle center at the end of the vehicle. The planing margin was transformed into a limit variable such as the pitch angle and yaw angle limit. To prevent the vehicle attitude from exceeding the limit variable, a potential function based planing envelope protection method was proposed. The planing envelope protection system overrides commands from the tracking controller, and the vehicle attitude converges to a desired angle, in which the potential function is minimized. Numerical simulations were performed to analyze the physical feasibility and performance of the proposed method. The results showed that the proposed methods eliminated the planing, allowing the vehicle to follow tracking commands. 1. 서론초공동수중운동체는공동으로운동체를감싸물과접촉하는면적을없앰으로써동일한추력에서도월등한전진속도를얻을수있다. 초공동수중운동체의경우운동체의몸체가공동안으로들어와있어유체력을발생시키지않고전면부의캐비테이터와제어핀의일부만공동밖으로나와물과접촉하면서제어력을발생시킨다. 이때공동내부에서주행하는운동체의몸체가공동벽과충돌하면플레이닝 (Planing) 이발생하게된다. 초공동수중운동체는일반적인수중운동체이상의빠른속도 (100m/s 이상 ) 에서운용하기때문에플레이닝에의한유체력의크기가매우크다. 따라서플레이닝이발생한상황에서운동체를제어하는것은제어로직및제어판성능의한계때문에수행하기어렵다. 따라서플레이닝의발생을사전에차단하기위 한플레이닝회피제어연구가필요하다. 최근국내에서도초공동관련기초연구가국방과학연구소주관으로꾸준히수행되고있고관련논문도다수발표된바있다 (Ahn et al., 2012; Kim and Lee, 2014; Kim and Kim, 2015a; Kim and Kim, 2015b). 초공동수중운동체의플레이닝회피에관한연구도국외에서수행된바있다. Vanek(2008) 에의해제안된방법은 Receding-Horizon-control기법을사용하였고플레이닝을목적함수에포함시켰다. 플레이닝이일어나는조건에대한 metric을구하여플레이닝회피제어를수행하는연구 (Sanarria et al., 2014) 도수행된바있다. 본연구에서는초공동수중운동체가주행중플레이닝이일어나지않도록운동체의자세를제한하는플레이닝회피제어알고리즘에관한연구를수행하였다. 기존에수행된연구는공동의크기변화및공동중심축이동을고려하지않고일정한 Received 18 December 2017, revised 23 May 2018, accepted 7 June 2018 Corresponding author Nakwan Kim: , nwkim@snu.ac.kr ORCID: c 2018, The Korean Society of Ocean Engineers This is an open access article distributed under the terms of the creative commons attribution non-commercial license ( which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 208

65 Planing Avoidance Control for a Supercavitating Underwater Vehicle Based on Potential Functions 209 크기의공동을가정하여연구를수행하였다. 또한, 플레이닝을회피하기위하여새로운제어기를설계하였는데, 이러한기법은제어기설계에사용된초공동수중운동체의동역학의정확도가제어기의성능을결정하기때문에실제운용상황에서제어기의성능을보장할수없다. 본연구에서제안된기법은공동의크기및중심축변화를모두고려한상태에서수행되었으며, 포텐셜기반플레이닝회피알고리즘은기존에설계된제어기와독립적으로작용하는유도법칙을생성하기때문에운동체동역학에대한정보가부족한상황에서도성능을보장할수있다. 플레이닝회피알고리즘은크게플레이닝예측과플레이닝보호로나눌수있다. 플레이닝예측은공동과운동체사이의상대위치를통해계산된여유를한계변수로변환하여수행하였고풀레이닝보호는포텐셜함수를기반으로명령을제한하는방식을사용하였다. 제안된플레이닝회피제어기법은시뮬레이션을통해검증되었다. (a) Longitudinal margin (b) Lateral margin 2. 플레이닝회피제어기설계초공동수중운동체의플레이닝을방지하기위한플레이닝회피제어시스템구조를 Fig. 1에나타내었다. 여기서 Tracking controller는운동체에인가된명령 ( ) 을추종하기위한제어입력을결정하는제어기이다. 플레이닝예측 (Planing estimator) 은플레이닝이발생하는순간의상태변수값 ( 한계변수 ; lim lim ) 을예측, 계산하여플레이닝보호 (Planing protection) 시스템으로전달한다. 플레이닝보호시스템에서는 Tracking controller 에의해결정된제어입력에의한운동체자세변화가운동체한계변수를넘지않도록제어입력 ( 제어명령 ) 을수정하는역학을수행한다. 이를통해수정된제어입력은운동체동역학모델링에전달되어운동체의상태변수를계산하게된다. 운동체동역학모델링은 Kim and Kim(2015a) 의모델링기법을통해수행되었다. (c) Longitudinal limit variable Fig. 2 Planing margin according to the relative position between cavity and vehicle 미에서발생하며이때공동의중심과운동체의중심은일치하지않는다. 본연구에서는공동중심과운동체의상대위치및공동의크기를계산하여종 / 횡축방향플레이닝여유 ( ) 를계산하고이를식 (1)-(2) 를통해종 / 횡축한계변수로나타내었다. lim sin lim sin cos (1) cos (2) 여기서, 는무게중심에서운동체후미까지의거리이고 는운동체반지름이다. 공동의크기가작을수록, 운동체와공동의상대위치가멀수록플레이닝의여유는감소하게된다. Fig. 1 Planing avoidance control system architecture for a supercavitating underwater vehicle 2.1 플레이닝예측운동체의자세변화가플레이닝을발생시키는지여부를판단하는것이플레이닝예측이다. 그렇기위해서는플레이닝발생하는순간의운동체상태변수를계산하여이를한계변수로정의해야한다. 본연구에서는운동체한계변수를종방향 / 횡방향으로나누어계산하였다. Fig. 2(a) 와 Fig. 2(b) 는각각운동체와공동의상대위치에따른종 / 횡축회피한계를나타내고 Fig. 2(c) 는종축한계변수 ( lim ) 를나타낸다. 플레이닝은주로운동체후 2.2 플레이닝보호플레이닝한계변수가결정되면플레이닝보호를통해운동체의자세가한계변수를넘지않도록해야한다. 본연구에서는항공기에적용된포텐셜함수기반비행영역보호 (Flight envelope protection) 알고리즘을초공동수중운동체에적용하였다 (Sun et al., 2017). 포텐셜함수기반명령제한기법은식 (3) 과같은포텐셜함수를정의하여운동체의자세명령을제어한다. (3) 여기서, 는인력성분으로한계변수가기존의제어명령을추종하는명령을생성한다. 은척력성분으로운동체자세가한계변수를넘지않도록하는명령을생성한다. 운동체가종방향운동만한다고가정하면운동체의폐루프시스템은식 (4)-(6)

66 210 Seonhong Kim et al. 과같이표현할수있다. = (4) (5) 이때운동체가정상상태에서수렴하는종동요각을목표종동요각 ( ) 로정의하면식 (13) 과같은결과를얻는다. (13) (6) 식 (5) 에의해결정된 PI제어기의종동요각속도명령이운동체종동요각정상상태오차를 0으로만드는제어기라고가정한다. 제어기는 PI제어기가아닌다른제어기를사용하여도무방하다. 종동요각속도명령 ( ) 는기존 Tracking controller 명령 ( ) 과플레이닝보호시스템명령 ( ) 으로나눌수있다. 이를식 (11) 에대입하면운동체의종동요각명령을결정할수있다. 최종포텐셜함수는식 (14) 와같이표현되며이를 Fig. 3 에나타내었다. lim if (14) lim if (7) 풀레이닝보호시스템은운동체의종동요각이한계보호유발점 ( ) 을넘는순간,, 에만작동한다. 이를이용하여식 (3) 의포텐셜함수를다시표현하면다음과같다. lim if if (8) 포텐셜함수를통해결정된종동요각속도명령은정상상태에서포텐셜함수의값을최소화시키는값으로수렴하게된다. 이수렴값을계산하기위해 Gradient descent method를적용하면식 (9)-(10) 과같다. (9) if if (10) Fig. 3 Potential function for planing avoidance control 3. 수치시뮬레이션제안된초공동수중운동체의플레이닝회피제어알고리즘을검증하기위해서수치시뮬레이션을수행하였다. Fig. 4와 Fig. 5 는 Tracking controller의종동요각속도명령 ( ) 을 5초를기준으로 ±로주었을때각각종동요각 () 과종동요각속도명령 ( ) 을보여준다. Gradient descent method에의해발생된식 (10) 의명령은종동요각속도와같은차원이다. 따라서 라하면식 (7) 은식 (11) 과같이표현할수있다. if if (11) 여기서종동요각이유발점보다작은경우의종동교각속도명령은 Tracking controller 명령과같다 ( ). 정상상태에서는포텐셜함수는최소값으로수렴하고운동체의종동요각속도및종동요각속도명령은 0이되고, (12) Fig. 4 Pitch angle response with planing avoidance control

67 Planing Avoidance Control for a Supercavitating Underwater Vehicle Based on Potential Functions 211 Fig. 5 Comparison of and 유발점과목표종동요각은각각 4 와 5 이다. 종동요각이유발점에도달하기전에는종동요각명령을추종하여증가하지만유발점을지나는순간부터포텐션함수의척력성분이작용하여 종동요각명령 ( ) 이줄어들면서종동요각을목표종동요각 ( ) 으로수렴시키는것을확인할수있다. 초공동수중운동체가수중주행할때에는공동벽면과운동체후미와의거리에따라수시로변하기때문에종동요각한계변수역시상수가아닌변하는값을가지게된다. 따라서유발점과목표종동요각도종동요각한계변수에따라서실시간으로변하는값을가지게된다. Figs. 6-8은심도변경주행을하는초공동수중운동체의플레이닝회피시뮬레이션결과를보여준다. Fig. 6은운동체종동요각제한과목표종동요각, 유발점및운동체종동요각을보여준다. 이때목표종동요각과유발점은한계종동요각과각각 0.5, 2 차이가나게설정하였다. 심도명령은 20m에서시작해 5초, 10초, 15에서각각 5m씩변화를주었다. 심도를변경하기위해서는운동체의종동요각을변화시켜야한다. 이때운동체의종동요각이플레이닝예측에서계산된종동요각한계변수값 ( lim ) 을넘지않도록플레이닝보호시스템이작동된다. Fig. 7은위에서부터차례대로 x축방향이동거리, 심도, 종동요각을 Fig. 8은전진속도, 상하동요속도, 종동요각속도를보여준다. Fig. 6 Pitch limit, desired pitch angle, trigger point and vehicle pitch angle with planing avoidance control Fig. 7 Distance, depth, pitch angle response of depth tracking supercavitating underwater vehicle Fig. 8 Forward/heave velocity, pitch rate response of depth tracking supercavitating underwater vehicle

68 212 Seonhong Kim et al. 4. 결론 References 본논문에서는초공동수중운동체의플레이닝회피제어에관한연구를수행하기위하여포텐셜함수기반플레이닝회피알고리즘을제안하였다. 플레이닝회피알고리즘은운동체의자세를제어하기위한유도법칙으로초공동수중운동체가플레이닝을발생시키지않고주행할수있도록유도명령을생성한다. 본연구에서사용된포텐셜함수기반플레이닝회피기법은운동체의동역학에대한정확한정보없이도유도법칙을생성할수있다. 또한, 유도법칙이제어기와분리되어독립적으로작동하기때문에기존에설게된제어기의변경없이제안된기법을추가함으로써플레이닝회피성능을확보할수있다. 제안된기법을초공동수중운동체동역학모델링과결합하여시뮬레이션을수행하였다. 시뮬레이션을통해제안된기법이플레이닝회피및심도명령추종성능을동시에만족할수있음을확인하였다. 후기본연구는민군협력진흥원민군기술협력센터 ( 위탁과제명 : 받음각변화및분사에따른공동유지및제어연구, 과제번호 14-BR-EN-32) 의지원으로수행되었습니다. Ahn, B.K., Lee, T.K., Kim, H.T., Lee, C.S., Experimental Investigation of Supercavitating Flows. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, 4(2), Kim, H.T., Lee, H.B., Numerical Analysis of Gravity and Free Surface Effects on a Two-Dimensional supercavitating Flow. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 51(5), Kim, S., Kim, N., 2015a. Integrated Dynamics Modeling for Supercavitating Vehicle Systems. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, 7(2), Kim, S., Kim, N., 2015b. Neural Network-based Adaptive Control for a Supercavitating Vehicle in Transition Phase. Journal of Marine Science and Technology, 20(3), Sanabria, D.E., Balas, G.J., Arndt, R.E., Planing Avoidance Control for Supercavitating Vehicles. In 2014 American Control Conference, IEEE, Sun, D., Li, X., Jafarnejadsani, H., Hovakimyan, N., A Flight Envelope Protection Method Based on Potential Functions. In AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference, Grapevine, TX, USA, Vanek, B., Control Methods for High-Speed Supercavitating Vehicles. Ph.D. Dissertation, University of Minnesota.

69 한국해양공학회지제 32 권제 3 호, pp , 2018 년 6 월 / ISSN(print) / ISSN(online) Corrigendum Journal of Ocean Engineering and Technology 32(3), June, Potential Explosion Risk Comparison between SMR and DMR Liquefaction Processes at Conceptual Design Stage of FLNG Wonwo You *, Minho Chae **, Jaeuk Park *** and Youngsub Lim *,**** * Department of Naval Architecture and Ocean Engineering, Seoul National University, Seoul, Korea ** Hyundai Motor Company Co., Ltd., Hwaseong, South Korea *** Samsung Heavy Industries Co., Ltd., Seongnam, South Korea **** Research Institute of Marine Systems Engineering, Seoul National University, Seoul, South Korea FLNG 개념설계단계에서 SMR 및 DMR 액화공정의잠재적폭발위험도비교 유원우 * 채민호 ** 박재욱 *** 임영섭 *,**** * 서울대학교조선해양공학과 ** 현대자동차 *** 삼성중공업 **** 서울대학교해양시스템공학연구소 Corrigendum to: Journal of Ocean Engineering and Technology 32(2), April, 논문정정 : 한국해양공학회지제32권제 2호, pp , 2018 년 4월 위의논문 99 쪽의 4. 결과및검토 에서언급된그림 (Fig. 5) 이누락되었으며, 다음의 Fig. 5 를추가하여정정합니다. Received 14 May 2018, revised 7 June 2018, accepted 7 June 2018 Corresponding author Youngsub Lim: , s98thesb@snu.ac.kr ORCID: c 2018, The Korean Society of Ocean Engineers This is an open access article distributed under the terms of the creative commons attribution non-commercial license ( which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 213

70 214 Wonwo You et al. (a) (b) (c) Fig. 5 Exceedance diagram for (a) case 1 (0.9 MTPA), (b) case 2 (1.8 MTPA), and (c) case 3 (3.6 MTPA)

71 한국해양공학회지제 00 권제 0 호, pp 0-0, 0000 년 0 월 / ISSN(print) / ISSN(online) ) Journal of Ocean Engineering and Technology 2(1), 55-65, September, An Experimental Method for Analysis of the Dynamic Behavior of Buoys in Extreme Environment ( 영문제목 ) Gil-Dong Hong*, Gil-Dong Kim** and Gil-Dong Lee** ( 영문이름 ) *Ocean Development System Laboratory, KORDI, Daejon, Korea ( 영문소속 : 소속명 / 지역명 / 국가 ) **Hyundai Heavy Industry Co. Ltd., Ulsan, Korea 극한환경하의부표운동성능모형시험기법개발 ( 한글제목 ) 홍길동 * ㆍ김길동 ** ㆍ이길동 ** ( 한글이름 ) * 한국해양연구원해양개발시스템연구본부 ( 한글소속 ) ** 현대중공업 ( 주 ) 구조설계부 KEY WORDS: Buoy motion 부표운동, Mooring tension 계류삭장력, Extreme environment 극한환경, ( 영문국문 ) ABSTRACT: An experimental method to investigate the dynamic characteristics of buoys in extreme environmental condition is established. Because the buoy model requires a resonable size for accurate experiment, the test condition in model basin that satisfies the similarity law is hardly compatible with capability of test facilities. ( 중략 ). ( 본문은 1단또는 2단으로작성, 심사완료후 2단으로편집됨.) 1. 서론해양에서다양한목적으로사용되는부표의효과적인운용을위해서는부표의안정성및적절한운동성능의확보가필수적이며, 이들성능의평가를위해서는운동특성및계류장력의파악을위한수조모형시험이요구된다. ( 중략 ). 2. 극한조건의상사 2.1 파랑조건의상사 파랑특성은파고및파주기에의해정의되며, 모형축척비를 λ ( 수식편집기사용 ) 라고할때, 파고의축척비는 λ, 파주기의축척비는 λ ( 수식편집기사용 ) 가된다. 시험수조에서생성가능한파랑의크기는한정되어있으며, 전세 계적으로도대형수조에속하는 KRISO 해양공학수조의파랑생성범위는파주기 0.5~5.0sec, 최대파고 80cm 이다 (Hong, 2001; Kim and Lim, 2002; Park et al., 2003; Mike, 2004; Jordan and Brewerton, 2005; Brown et al., 2006). Received 00 March 2012, revised 00 April 2012, accepted 00 April 2012 Corresponding author Gil-Dong Hong: , gdhong@kriso.re.kr c 2013, The Korean Society of Ocean Engineers It is noted that this paper is revised edition based on proceedings of KAOST 2010 in Jeju. ( 논문투고규정또는 Guide for authors 참조 : 학술지이외에학술대회논문, 연구보고서, 학술기사등모든기발표원고도투고가가능하나투고원고에상기와같이출처를반드시밝혀야함.) 1

72 한국해양공학회지제 00 권제 0 호, pp 0-0, 0000 년 0 월 / ISSN(print) / ISSN(online) ) 2.2 바람조건의상사부표의상하동요, 종동요, 횡동요의 3자유도운동은부표의체적에비례하는복원력에의해일어나며, 복원력이상사되기위한풍력의상사는다음의관계식으로표현된다. F M = F P /λ 3 ( 수식편집기사용 ) ( 번호표시 ) (1) 여기서첨자 M ( 수식편집기사용 ) 과 P 는모형과실부표를각각나타낸다. 힘의작용점을상사시키고, 식 (1) 에따라풍력을상사시키면상하동요, 종동요의 ( 중략 ). 3. 표준형등부표모형시험수심과파고에서모형상사조건과수조시험조건이상이한것은해양공학수조의물리적환경과조파능력의한계에기인한다. 수심의경우에는실해역수심 20m에상사하는계류삭의중량을수조시험수심조건에균일하게분포시키고, 계류삭의강성을스프링을이용하여상사시킴으로서 (Jordan and Brewerton, 1982) 서로다른수심조건의차이를극복하였다. ( 중략 ) 모형시험에사용된부표의제원및특성은 Table 1과같다. Table 1 Computed wind and current forces on buoy models Buoy Force [Kgf] Wind Center [m] Force [Kgf] Current Center [m] LL-26(M) LL LS LNBY (Table 은영문으로작성, 표기되는기호는수식으로작성 ) (Table 은설명내용과분리하지말고원고속에설명내용에이어서삽입 ) 4. 모형시험결과및해석부표의축대칭특성에기인하여직선운동은전후동요와상하동요가 ( 중략 ) 크게나타나는것이일반적이다. 주운동인전후동요, 상하동요, 종동요의최대값 (Maximum value) 을구하여 Fig. 1에도시하였다. ( 중략 ) 2

73 한국해양공학회지제 00 권제 0 호, pp 0-0, 0000 년 0 월 / ISSN(print) / ISSN(online) ) H f (ton) H f (ton) Wave + Current Wave + Current + Wind Wave + Current + Wind + Drift H (m) (a) LL-26(M) 1 0 Wave + Current Wave + Current + Wind Wave + Current + Wind + Drift H (m) (b) LL-30 Fig. 1 Maximum height of tension forces acting on the mooring line at buoy ( 그림은영문으로작성 ) (Figure 는설명내용과분리하지말고원고속에설명내용에이어서삽입 ) 5. 결론 본논문에서는모형시험에서부표의동력학적거동과함께계류삭의장력을조사하였으며, 모형시험결과를확장하여극한 중략 이로부터다음의결론을얻을수있다. (1) 조류력, 풍력및파랑표류력성분에대한상사성을만족하고, 이상으로 ( 중략 ) 추정할수있다. (2) LNBY-100 을제외하고는설계와시험파랑조건의차이가커서부표의동력학적거동을추정하기위한외삽시대체로과대평가하는경향이있다. 후 기 본연구는해양수산부와현대중공업 ( 주 ) 의지원으로수행된연구결과중일부임을밝히며, 연구비지원에감사드립 니다. 참고문헌 All references should be listed at the end of the manuscripts, arranged in English Alphabet order. The exemplary form of listed references is as follows : 1) Single author : (Kim, 1998) 2) Two authors: (Kim and Lee, 2000) 3) Three or more authors: (Kim et al., 1997) 4) Two or more paper: (Lee, 1995; Ryu et al., 1998) 3

74 한국해양공학회지제 00 권제 0 호, pp 0-0, 0000 년 0 월 / ISSN(print) / ISSN(online) ) References, including those pending publications in well-known journals or pertaining to private communications, not readily available to referees and readers will not be acceptable if the understanding of any part of any part of the submitted paper is dependent upon them. Single or two authors can be referred in the text; three or more authors should be shortened to the last name of the first author, like smith et al. 1 Write the reference in order of English alphabet a,b,c ( 작성순서는영어알파벳순 ) 2 Do not drop all of authors involved. ( 관련저자 ( 총저자명 ) 는빠뜨리지말고모두기입 ) 3 Refer to below examples ( 아래의예제를참조 ) 4 Journal names should not be abbreviated. (example for proceedings) Aoki, S., Liu, H., Sawaragi, T., Wave Transformation and Wave Forces on Submerged Vertical Membrane. Proceedings of International Symposium Waves - Physical and Numerical Modeling, Vancouver Canada, (example for journals) Cho, I.H., Kim, M.H., Interactions of a Horizontal Flexible Membrane with Oblique Waves. Journal of Fluid Mechanics, 356(4), (example for books) Schlichting, H., Boundary Layer Theory. 6 th Edition, McGraw-Hill, New York. (example for websites) International Association of Classification Societies (IACS), 2010a. Common Structural Rules for Bulk Carriers. [Online] (Updated July 2010) Available at: < [Accessed August 2010]. web document Anglia Ruskin University, Anglia Ruskin University Library. [Online] Available at: < [Accessed 12 Dec. 2012]. website 참고문헌은일반인이접근할수있는문헌이어야함 ( 예를들어사기업보고서는외부인의열람이불가능하므로참고문헌이될수없음 ). < 주 > 1. 모든원고는 글 (Ver 이상 ) 과 MS Word(Ver 이상 ) 로작성 2. 원고의언어는국문과영문으로한정 ( 기타언어는사용불가 ) 3. 국문및영문원고양식동일 4

75 General Information for Authors Requirement for Membership One of the authors who submits a paper or papers should be member of KSOE, except a case that editorial board provides special admission of submission. Publication type Manuscript is made up of scholarly monographs, technical reports and data. The paper should have not been submitted to other academic journal. Conference papers, research reports, dissertations and review articles can be submitted to JOET. When part or whole of a paper was already published to conference papers, research reports, dissertations, and review articles, then corresponding author should note it clearly in the manuscript. After published to JOET, the copyright of manuscript belongs to KSOE. (example) It is noted that this paper is revised edition based on proceedings of KAOST 2010 in Jeju. Manuscript submission Manuscript should be submitted through the on-line manuscript website ( The date that corresponding author submits a paper through on-line website is official date of submission. Other correspondences can be sent by an to the Editor in Chief, Prof. Yun-Hae Kim, Division of Mechanical & Materials Engineering, Korea Maritime University, 1 Dongsam-dong, Youngdo-ku, Busan 49112, Korea (Tel: , Fax: , yunheak@kmou.ac.kr). The manuscript must be accompanied by a signed statement that it has been neither published nor currently submitted for publication elsewhere. The manuscript should be written in English or Korean and a minimum standard of the proficiency in the English or Korean language should be met before submission to the editorial office. Ensure that online submission or submission by text files are in a standard word processing format (Hangul or MS Word are preferred). Ensure that graphics are high-resolution. Be sure all necessary files have been uploaded/attached. Submission checklist See Authors' checklist for details. Research and Publication Ethics Authorship of the paper Authorship should be limited to those who have made a significant contribution to the conception, design, execution, or interpretation of the reported study. All those who have made significant contributions should be listed as co-authors. Where there are others who have participated in certain substantive aspects of the research project, they should be acknowledged or listed as contributors. The corresponding author should ensure that all appropriate co-authors and no inappropriate co-authors are included on the paper, and that all co-authors have seen and approved the final version of the paper and have agreed to its submission for publication. Hazards and human or animal subjects If the work involves chemicals, procedures or equipment that have any unusual hazards inherent in their use, the author must clearly identify these in the manuscript. If the work involves the use of animal or human subjects, the author should ensure that the manuscript contains a statement that all procedures were performed in compliance with relevant laws and institutional guidelines and that the appropriate institutional committee(s) has approved them. Authors should include a statement in the manuscript that informed consent was obtained for experimentation with human subjects. The privacy rights of human subjects must always be observed. Fundamental errors in published works When an author discovers a significant error or inaccuracy in his/her own published work, it is the author s obligation to promptly notify the journal editor or publisher and cooperate with the editor to retract or correct the paper. If the editor or the publisher learns from a third party that a published work contains a significant error, it is the obligation of the author to promptly retract or correct the paper or provide evidence to the editor of the correctness of the original paper. Article structure Manuscript must consist of as follow : (1)Title, (2)Author s name, (3)Key word, (4)Abstract, (5)Nomenclature description, (6)Introduction, (7)Body (analysis, test, results and discussion, (8)Conclusion, (9)Acknowledgements, (10)Reference, (11)Appendix, etc. Abstract A concise and factual abstract is required. The abstract should state briefly the purpose of the research, the principal results and major conclusions. An abstract should be written in around 300 words and is often presented separately from the article, so it must be able to stand alone. For this reason, References should be avoided, but if essential, then cite the author(s) and year(s). Also, non-standard or uncommon abbreviations should be avoided, but if essential they must be defined at their first mention in the abstract itself. Keywords Immediately after the abstract, provide a maximum of 5 or 6 keywords. Unit Use the international system units(si). If other units are mentioned, please give their equivalent in SI. Equations All mathematical equations should be c1early printed/typed using well accepted explanation. Superscripts and subscripts should be typed clearly above or below the base line. Equation numbers should be given in Arabic numerals enclosed in parentheses on the right-hand margin. They should be cited in the text as, for example, Eq. (1), or Eqs. (1)-(3). Tables Tables should be numbered consecutively with Arabic numerals. Each

76 table should be typed on a separate sheet of paper and be fully titled. AII tables should be referred to in the text. Figures All the illustrations should be of high quality meeting with the publishing requirement with legible symbols and legends. In preparing the illustrations, authors should consider a size reduction during the printing process to have acceptable line c1arity and character sizes. All figures should have captions which should be supplied on a separate sheet. They should be referred to in the text as, for example, Fig. 1, or Figs Reference All references should be listed at the end of the manuscripts, arranged in order. The exemplary form of listed references is as follows : 1) Single author : (Kim, 1998) 2 )Two authors: (Kim and Lee, 2000) 3) Three or more authors: (Kim et al., 1997) 4) Two or more paper: (Lee, 1995; Ryu et al., 1998) References, including those pending publications in well-known journals or pertaining to private communications, not readily available to referees and readers will not be acceptable if the understanding of any part of any part of the submitted paper is dependent upon them. Single or two authors can be referred in the text; three or more authors should be shortened to the last name of the first author, like smith et al. Examples: Reference to a journal publication: Cho, I.H. and Kim, M.H., Interactions of a Horizontal Flexible Membrane with Oblique Waves. Journal of Fluid Mechanics, 356(4), Van der Geer, J., Hanraads, J.A.J., and Lupton, R.A., The Art of Writing a Scientific Article. Journal of Science Communcation. 163, Reference to a book: Strunk, W. and White, E.B., The Elements of Style, 4 th Edition,Longman,NewYork. Schlichting, H., Boundary Layer Theory. 6th Edition, McGraw-Hill, New York. Reference to a proceeding: Aoki, S., Liu, H. and Sawaragi, T., Wave Transformation and Wave Forces on Submerged Vertical Membrane. Proceedings of International Symposium Waves - Physical and Numerical Modeling, Vancouver Canada, Reference to a website: International Association of Classification Societies (IACS), 2010a. Common Structural Rules for Bulk Carriers. [Online] (Updated July 2010) Available at: [Accessed August 2010]. Revised manuscripts Manuscripts reviewed that require revision should be revised and uploaded with a response to the reviewer's comment at JOET editorial manger within two months. Otherwise, the manuscript will be considered as a new manuscript when and if it is resubmitted. Proofs and reprints Galley proofs will be provided as a PDF file to the author with reprint order and copyright transfer form. The author should return the corrected galley proofs within a week with the signed reprint order and copyright transfer form. Attention of the authors is directed to the instructions which accompany the proof, especially the requirement that all corrections, revisions, and additions be entered on the proofs and not on the manuscripts. Proofs should be carefully checked and returned to the JOET editorial office by if the changes are minimal. If the changes are extensive, proofs should be returned by fax only. Substantial changes in an article at this stage may be made at the author's expense. The reprint request form must be returned with the proof. Reprints should be made at the author's expense. Peer review Every manuscript received is circulated to three peer reviewers. The author's name and affiliation is disclosed during review process to reviewers. The review process can be repeated till three times if the request of revision is suggested by reviewers. If the re-review is repeated more than three times, it may not be considered for publication. If two reviewers do not agree to accept the journal, it may not be also considered for publication. Usually the first review process ends within one month. Statistical Review: If there are any complicated statistical analyses in the manuscript, it may be reviewed by statistical editor. Manuscript Editing: The finally accepted manuscript will be reviewed by manuscript editor for the consistency of the format and the completeness of references. The manuscript may be revised according to the opinion of the manuscript editor. Page charge The charge per a paper for the publication is 150,000KRW(Express review service : 300,000KRW) up to 6 pages. Extra rate, 30,000KRW per page, will be charged for more than 6 pages. Page charge include forty copies of offprints. Offprints in color pages or extra copies of offprints will require actual expenses. The charge per a paper for the paper review is 40,000KRW. Rate for the express review service is 240,000KRW. Editing checklist See Authors' checklist for details. Transfer of copyright Transfer of copyright can be found in submission hompage ( Journal abbreviations Journal names should not be abbreviated.

77 Authors Checklist The following list will be useful during the final checking of an article prior to sending it to the journal for review. Please submit this checklist to the KSOE when you submit your article. < Editing checklist > I checked my manuscript has been spell-checked and grammar-checked. 나의원고에오타및문법적오류가있는지확인하였습니다. One author has been designated as the corresponding author with contact details such as - address - Phone numbers 최소한한명의저자는교신저자로지정되었으며, 다음의연락처가표기되었습니다. - 이메일주소 - 전화번호 I checked abstract 1) stated briefly the purpose of the research, the principal results and major conclusions, 2) was written in around 300 words, and 3) did not contain references (but if essential, then cite the author(s) and year(s)). 나는초록이 1) 간결하게연구의목적, 주요결과및결론을포함하고있음을확인하였으며, 2) 300 단어내외의단어로구성되었음을확인하였으며, 3) 참고문헌을포함하고있지않음을확인하였습니다 ( 꼭필요시참고문헌삽입가능 ). I provided 5 or 6 keywords. 나는 5-6개의키워드를사용하였습니다. I checked manuscript consisted of as follow: 1) Title, 2) Author s name, 3) Key word, 4) Abstract, 5) Nomenclature description, 6) Introduction, 7) Body (analysis, test, results and discussion), 8) Conclusion, 9) Acknowledgements, 10) Reference, 11) Appendix, etc. 나는원고가다음의순서로구성되었음을확인하였습니다 : 1) 제목, 2) 저자명, 3) 키워드, 4) 초록, 5) 기호, 6) 서론, 7) 본문 ( 해석, 실험, 결과, 검토 ), 8) 결론, 9) 후기 ( 사사 ), 10) 참고문헌, 11) 부록, 등. I checked color figures were clearly marked as being intended for color reproduction on the Web and in print, or to be reproduced in color on the Web and in black-and-white in print. 나는모든컬러그림이컬러웹이또는컬러 ( 또는흑백 ) 인쇄물에잘나타날수있도록선명한그림을사용하였음을확인하였습니다. I checked all table and figure captions were written in English. 나는원고의모든표제목과그림제목은영문으로작성되었음을확인하였습니다. I checked all table and figure numbered consecutively in accordance with their appearance in the text. 나는본문에서나타나는순서대로표번호및그림번호가지정되었음을확인하였습니다. I checked abbreviations were defined at their first mention there and used with consistency throughout the article. 나는영문약자를원고의첫번째사용에서정의하였으며, 이후원고에서는동일한약자를사용하였음을확인하였습니다. I checked that references were in the correct format for the journal (See Guide for Authors for details). 나는모든참고문헌이본저널의참고문헌표기법 ( 저자가이드참조 ) 에따라서작성되었음을확인하였습니다. I checked all references mentioned in the Reference list were cited in the text, and vice versa. 나는 References 에존재하는모든참고문헌은원고본문에서언급되었으며, 반대로원고본문에언급된모든참고문헌은 References 에표기되었음을확인하였습니다.

78 I checked I used the international system units (SI) or SI-equivalent engineering units. 나는 SI 단위계또는공학적으로인정되어지는단위계를사용하였음을확인하였습니다. < Submission checklist > I checked the work described has not been published previously (except in the form of an abstract or as part of a published lecture or academic thesis). 나는본원고의내용이초록, 단행본, 학위논문등을제외한타저널등에게재된사실이없음을확인하였습니다. I checked when the work described has been published previously in other proceedings without copyright, it has clearly noted in the text. 나는본원고의내용이판권이없는프로시딩에게재되었던경우이를원고에서명시하였음을확인하였습니다. I checked permission has been obtained for use of copyrighted material from other sources (including the Web) 나는웹을포함하여판권이있는자료의사용허가를득했습니다. I have processed Plasgiarism Prevention Check through reliable web sites such as or for my submission. 나는논문표절유사도검사를마친후투고하였습니다. I agree that final decision for my final manuscript can be changed according to results of Plasgiarism Prevention Check by JOET administrator. 나의최종본논문에대한 JOET 자체적인논문표절유사도검토결과에따라최종판정이변경될수있다는사실에동의합니다. I checked minimum one author is member of the Korean Society of Ocean Engineers. 나는저자중 1인이상이한국해양공학회의회원임을확인하였습니다. I agreed all policies related to Ethical Code of Research and Research and Publication Ethics of the Korean Society of Ocean Engineers. 나는연구출판정책과연구윤리규정을확인했으며, 준수할것을서약합니다. I agreed to transfer copyright to the publisher as part of a journal publishing agreement and this article will not be published elsewhere including electronically in the same form, in English or in any other language, without the written consent of the copyright-holder. 나는한국해양공학회지의저작권정책에동의하며, 저작권위임동의서를제출하겠습니다. I made a payment for reviewing of the manuscript, and I will make a payment for publication on acceptance of the article. 나는심사료를납부하였으며, 논문게재확정후게재료를납부하겠습니다. I have read and agree to the terms of Author s Checklist. 나는저자체크리스트모든조항을검토하였으며, 모든조항에동의합니다. Title of article : Date of submission : DD/MM/YYYY Corresponding author : signature address : Print and sign completed form. Fax( ) or scanned file to ksoehj@ksoe.or.kr

79 Research and Publication Ethics Authorship of the paper Authorship should be limited to those who have made a significant contribution to the conception, design, execution, or interpretation of the reported study. All those who have made significant contributions should be listed as co-authors. Where there are others who have participated in certain substantive aspects of the research project, they should be acknowledged or listed as contributors. The corresponding author should ensure that all appropriate co-authors and no inappropriate co-authors are included on the paper, and that all co-authors have seen and approved the final version of the paper and have agreed to its submission for publication. Hazards and human or animal subjects If the work involves chemicals, procedures or equipment that have any unusual hazards inherent in their use, the author must clearly identify these in the manuscript. If the work involves the use of animal or human subjects, the author should ensure that the manuscript contains a statement that all procedures were performed in compliance with relevant laws and institutional guidelines and that the appropriate institutional committee(s) has approved them. Authors should include a statement in the manuscript that informed consent was obtained for experimentation with human subjects. The privacy rights of human subjects must always be observed. Fundamental errors in published works When an author discovers a significant error or inaccuracy in his/her own published work, it is the author s obligation to promptly notify the journal editor or publisher and cooperate with the editor to retract or correct the paper. If the editor or the publisher learns from a third party that a published work contains a significant error, it is the obligation of the author to promptly retract or correct the paper or provide evidence to the editor of the correctness of the original paper. Ethical Codes of Research for The Korean Society of Ocean Engineers [1, Nov amended] All members of The Korean Society of Ocean Engineers, by observing the following codes of conduct and regulations regarding research in the field, will contribute to the development of ocean engineering and the security and prosperity of the society and the nation, thus holding our honesty, reputation and authority in the highest standards. A. Foundational Spirit 1. We make a contribution to mutual prosperity of mankind through ocean development, using the knowledge and technique in the field of ocean engineering. 2. We contribute to fostering the good spirit of citizenship by conducting responsible research. 3. We make efforts to enhance our authority and competitiveness as experts in ocean engineering. B. Fundamental Canons 1. We consider the public security and welfare as a top priority and conform to the principle of sustainable use of ocean in conducting our research. 2. We promote professional development through performing proper research and provide young researchers with the opportunities to develop professionally.

80 3. We respect the public values such as honesty, accuracy, efficiency and objectivity in offering services such as providing expertise or disclosing research results. 4. We do not have unfair competitions with others and solve problems with objective information and processes when there is a clash of interests. 5. We raise common issues only through objective and fair methods. C. Practical Platforms 1. We consider the public security and welfare as a top priority and conform to the principle of sustainable use of ocean in conducting our research. (a) We must acknowledge the fact that the life, security, health and welfare of the public have an absolute reliance over our products such as structures, equipments and machines that are given thought to and made into decision by engineers. (b) We must not propose or approve research plans which cause harm to the public health and welfare. (c) We must conform to the principle of sustainable use of ocean to enhance the quality of the public life and endeavor to improve the ocean environment. 2. We promote professional development through performing proper research and provide young researchers with the opportunities to develop professionally. (a) As we build our career, we must continue to acquire new knowledge and promote intellectual development by keeping track of research results, organizing research methods and raising necessary issues voluntarily. (b) We must be thoroughly honest to the contributions from cooperators, competitors and predecessors and utilize them for our professional development. (c) We, as administrators, must supervise young researchers in a fair manner and, as their advisors, must assist them sincerely to grow into socially recognized members. 3. We respect the public values such as honesty, accuracy, efficiency and objectivity in offering services such as providing expertise or disclosing research results. (a) When we offer service under our responsibility that involves providing professional knowledge, we must act according to professionalism as a commissioner, trying to prevent waste of resources and reporting objective facts, trustworthy data and accurate research results. (b) We prohibit any fraudulent acts in conducting research such as fabrications, forgeries and plagiarism. (c) We must admit our mistakes or errors when they are verified and must not try to justify them by distorting facts or data. 4. We do not have unfair competitions with others and solve problems with objective information and processes when there is a clash of interests. (a) We must not distort the professional, academical qualifications of ourselves and coworkers. We must not fabricate or exaggerate our positions or authorities of the past achievements. (b) Our papers must contain facts and no exaggeration that are contributed to media sources. When publishing a paper or a report which involves multiple researchers, we must allocate authors based on their levels of contributions and mention every person and institution that is concerned and provided assistance. (c) We must not criticise others' achievements in an irresponsible manner by intentionally distorting their professional reputation, prospects and character in both direct and indirect ways. (d) When a clash of interests occur, we must organize a committee composed of authoritative experts in the field and fairly solve the problem based on objective facts and data. 5. We raise common issues only through objective and fair methods. (a) We must be thoroughly objective and honest when submitting expert reports or policy proposals and include relevant, sufficient and appropriate information.

81 (b) When addressing public issues through open debates or forums, we must provide opinions based on objective facts and data and must not cause harm to the public interest by making groundless argument or being involved in private interests with others. (c) We must be honest when explaining our business and its advantages, and must not try to meet our interests by damaging professional honor and coordination with coworkers. 6. All members of The Korean Society of Ocean Engineers must abide by the ethical codes of research stated above. D. The Scope of Manuscript 1. Manuscripts include papers, technical reports and commentaries, and papers must be the ones that are not released in other journals. 2. Journals are the ones that have an appropriate screening of submitted theses and that are published on a regular basis. 3. All manuscripts other than the ones stated in the previous clause can be submitted such as conference papers, research reports, diploma papers and academic articles, provided that their sources are stated according to the 3rd clause of The Regulations on Paper Submission in The Journal of the Korean Society of Ocean Engineers. E. The Definitions and Types of Fraudulent Acts in Research 1. Fraudulent acts in research include all affairs that violates ethical codes of research: fabrications, forgeries, plagiarism, overlapping publications and unfair marking of writers which may occur in every phase of research process, such as in a proposal, conducting, a report or presentation of research results. 2. Fabrication and forgeries refers to an act of distorting the content or outcome of research by making up false data or results. 3. Plagiarism refers to an act of unfairly employing all research results, such as others' publications, research proposals, ideas, hypotheses and theories, without a fair approval or quotation. 4. Overlapping publications refers to two writings published in different media sources that are totally identical in their contents or share the major contents. It is also the case of overlapping publication where the paper published later contains a slightly different viewpoint, yet contains the same or slightly different analysis on the same data from the previous paper. 5. Unfair marking of writers refers to an act of unfairly gaining reputation by pretending to be a real author of a paper without any participation in research. 6. Fraudulent acts also include a behavior of intentionally disturbing investigations regarding assumed misconducts in research or inflicting an injury on an informant. 7. Other fraudulent acts in research refers to all affairs that are generally accepted as the violations to ethical codes of research in the academia. F. Screening System, Processing Criteria and Procedure 1. Screening System (a) Authors must submit a consent form of delegation of copyright which necessitates an author's confirmation on any violations to ethical codes of research. (b) When inspectors raise question on any violations to ethical codes of research, The Committee of Ethical Codes of Research determines its/their compliance to the regulations after examining all materials concerned and giving the contributor a chance to defend him/herself. (c) When any violations to ethical codes of research are found while screening or editing (after the insertion of a paper in an academic magazine), The Committee of Ethical Codes of Research determines its/their compliance to the regulations after giving the contributor a chance to defend him/herself. (d) When any violations to ethical codes of research are called into question after a paper is published, The Committee of Ethical Codes of Research determines its/their compliance to the regulations after giving the

82 contributor a chance to defend him/herself. 2. Processing Criteria (a) All processing criteria regarding fraudulent acts in research follow the regulations and detailed rules for operation of The Committee of Ethical Codes of Research of this society. 3. Processing Procedure (a) When any affair is determined as a violation to the ethical codes of research in the phase of submission or screening, The Editing Commission should report it to The Committee of Ethical Codes of Research. (b) When any affair is determined as a violation to the ethical codes of research after the insertions of a paper in an academic magazine, The Committee of Ethical Codes of Research should immediately cancel its publication and notify the cancellation to the author/s G. Ethical codes of Editing 1. The editor must a strong sense of ethics regarding the codes of conduct in research and in publication. Also, he/she must not have any personal interests with others in the process of edition. 2. The editor must thoroughly keep security in all matters related to the contribution of manuscripts, screening and publication. 3. The editor must be well-informed about the violations to ethical codes of research and make a neutral and impersonal judgement when he/she found any violations. Supplementary Provisions 1. Regulations stated above are enacted after 1 Nov For the manuscripts contributed in academic magazines before 1, Nov. 2008, the 3rd clause in D is not applied. Also, they are not interpreted as violations to the ethical codes of research even if they did not stated their source in the journal of this society. 2. Also, for the papers applicable to the clause D or E, the writer/s can take measures such as cancellation of a paper based on their judgement, or rejection of screening if the paper is under screening. 1, Nov The Korean Society of Ocean Engineers [31, May 2007 enacted] [1, Nov amended]

83 Publishing Agreement Article details Article : Corresponding author : address : DOI : YOUR STATUS I am one author signing on behalf of all co-authors of the manuscript. ASSIGNMENT OF COPYRIGHT I hereby assign to Korean Society of Ocean Engineers, the copyright in the manuscript identified above and any tables, illustrations or other material submitted for publication as part of the manuscript (the Article ). This assignment of rights means that I have granted to Korean Society of Ocean Engineers the exclusive right to publish and reproduce the Article, or any part of the Article, in print, electronic and all other media (whether now known or later developed), in any form, in all languages, throughout the world, for the full term of copyright, and the right to license others to do the same, effective when the Article is accepted for publication. This includes the right to enforce the rights granted hereunder against third parties. SCHOLARLY COMMUNICATION RIGHTS I understand that no rights in patents, trademarks or other intellectual property rights are transferred to the Journal owner. As the author of the Article, I understand that I shall have: (i) the same rights to reuse the Article as those allowed to third party users of the Article under the CC-BY-NC License, as well as (ii) the right to use the Article in a subsequent compilation of my works or to extend the Article to book length form, to include the Article in a thesis or dissertation, or otherwise to use or re-use portions or excerpts in other works, for both commercial and non-commercial purposes. Except for such uses, I understand that the assignment of copyright to the Journal owner gives the Journal owner the exclusive right to make or sub-license commercial use. USER RIGHTS The publisher will apply the Creative Commons Attribution- Noncommercial Works 4.0 International License (CC-BY-NC) to the Article where it publishes the Article in the journal on its online platforms on an Open Access basis. The CC-BY-NC license allows users to copy and distribute the Article, provided this is not done for commercial purposes and further does not permit distribution of the Article if it is changed or edited in any way, and provided the user gives appropriate credit (with a link to the formal publication through the relevant DOI), provides a link to the license, and that the licensor is not represented as endorsing the use made of the work. The full details of the license are available at REVERSION OF RIGHTS Articles may sometimes be accepted for publication but later rejected in the publication process, even in some cases after public posting in "Articles in Press" form, in which case all rights will revert to the author. I have read and agree to the terms of the Journal Publishing Agreement. Corresponding author : name Print and sign completed form. Fax( ) or scanned file to : ksoehj@ksoe.or.kr (Papers will not be published unless this form is signed and returned) signature

84 ( 사 ) 한국해양공학회특별회원 한국해양공학회의특별회원은다음과같으며, 귀사의찬조에진심으로감사드립니다 ( 순서 : 입회순 ). 한국선급 / 현대중공업 ( 주 ) / 대우조선해양 ( 주 ) / 한국해양과학기술원부설선박해양플랜트연구소 / 삼성중공업 ( 주 ) / ( 주 ) 케이티서브마린 / 대양전기공업 ( 주 ) / ( 주 ) 대영엔지니어링 / 한국조선해양기자재연구원 / ( 주 ) 동화뉴텍 / 미래인더스트리 ( 주 ) / 한국조선해양플랜트협회 / ( 주 ) 파나시아 / 한국가스공사 / 선보공업 ( 주 ) / 멀티스하이드로 / SK건설 ( 주 ) 한국해양공학회의특별회원가입방법은학회홈페이지 ( 의입회안내를참고하시고, 기타사항은학회사무국으로연락주시기바랍니다.