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정윤 진
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1 대한조선학회논문집 Journal of the Society of Naval Architects of Korea 제42권제3호 2005년 6월 Vol. 42, No. 3, pp , June 피트급요트의유체력에대한실험적연구 유재훈 *, 안해성 * 한국해양연구원해양시스템안전연구소 * Experimental Study on the Hydrodynamic Forces of 30 Feet Sailing Yacht Jaehoon Yoo * and Haeseong Ahn * Korea Ocean Research & Development Institute * Abstract A model test was carried out, in order to verify the hydrodynamic performances of public 30 feet class sailing yacht. In the initial design stage, the performances and the running attitude of sail yacht including the hull form and sail plan, appendages were estimated by VPP, from which made the representative test conditions. A new experiment system such as captive model device was composed because the running attitude could be changed by wind conditions. The test results show that the minimum resistance is generated in the heeling 20 degree, which was expected in the initial design stage. It is thought to be the useful informations that the keel has an effects on hydrodynamic forces and resistance differences between the upwind and the downwind condition. Keywords: Sailing Yacht( 요트 ), Resistance( 저항 ), Towing Test( 예인시험 ), VPP(Velocity Prediction Program), Upwind( 풍상향 ), Downwind( 풍하향 ), Leeway( 사항 ) 1. 서론국내보급을목적으로 30피트급세일링요트가개발되어진바있으며 ( 유재훈등 2005), 본연구에서는설계되어진선형의유체역학적인특성을접수일 : 2005년 1월 20일, 승인일 :2005년 3월 3일 주저자, jhyoo@kriso.re.kr 주저자, Tel: 예인수조모형시험을통하여확인하고자하였다. 또한실선상태에서의저항을추정하는방법에대해제안하였다. 부착되어진부가물로서 Keel 에대한특성을함께다루었으며, 세일링요트의항주자세를모형시험에재현하기위하여횡경사와사항상태에서의예인시험이가능한구속식예인장치를개발하였다. 일련의모형시험을통하여선형설계에반영되었던기준항주자세에서최소의저항을가지는것

2 234 유재훈, 안해성 을확인하였으며, 사항상태에서 Keel 의유체역학적인역할을파악하였다. 모형시험조건은 VPP(Velocity Prediction Program) 의계산결과중에서 VMG 가각각최대, 최소가되는풍상향의항주최적조건들과풍하향의항주최적조건들을기준으로도출하였다. 또한예인시험을통하여얻어진모형선의저항값을요트의유효마력으로환산하는실선확장방법에대해서도제안하였다. 2. 모형시험조건 세일링요트의항주자세는일반상선과는달리불어오는바람에대해어떤각도로진행하고있는가에따라비교적큰횡경사와사항 (Leeway) 이발생하게된다. 따라서요트에대한예인시험을위해서는우선시험하고자하는요트의속도가어떤바람상태에서만들어진것인지를정의하여야하며이에따라각속도조건에서의항주자세를미리추정하여야한다. 본연구에서는이러한자료를얻기위하여 VPP(Velocity Prediction Program) 의계산결과를사용하였으며, 요트가항해중에경험하게되는광범위한풍향과풍속을대표할수있는조건으로서 VMG(Velocity Made Good) 값이최대가되는풍상향최적점 (Upwind Optimum) 상태와 VMG 가최소가되는풍하향 (Downwind) 상태를기준으로예인시험조건을도출하였다. VPP 계산방법에대한자세한내용은 Oossanen(1993) 에서살펴볼수있다. 예인시험대상은보급형으로개발된 30피트급세일링요트로서개략적인선체의형상은 Fig. 1 과같으며, 정수중횡경사가없는직립상태에서의제원을 Table 1에정리하였다. Fig. 2에는본요트에대해계산된 VPP 의대표적인결과로서풍향, 풍속에대한선속을표시한 Velocity Polar Diagram 을보였으며, 풍상향항주상태와풍하향항주상태에서의최적조건들을함께표시하였다. 이러한각각의최적항주조건들은 Table 2에풍하향항주에대한결과를, Table 3에는풍상향의것을정리하였으며, 이로부터예인시험조건을도출하였다. Fig. 1 Schematic view of test yacht Table 1 Hydrostatics of test yacht (Full scale) Unit Definition Value Loa m Length Overall Lwl m Waterline Length B m Beam (Max) Tc m Draft w/o Keel T m Draft with Keel m3 Displacement Wetted Surface Area m2 Hull m2 Keel 2.84 m2 Rudder 1.18 Fig. 2 VPP results-velocity polar diagram Journal of SNAK, Vol. 42, No. 3 June 2005

3 30 피트급요트의유체력에대한실험적연구 235 Table 2 VPP Results (Downwind optimum) True Wind Apparent Wind Boat Speed Angle Speed Angle Speed Heel Leeway (kts) (deg) (kts) (deg) (kts) (deg) (deg) Table 3 VPP Results (Upwind optimum) True Wind Apparent Wind Boat Speed Angle Speed Angle Speed Heel Leeway (kts) (deg) (kts) (deg) (kts) (deg) (deg) Table 4 Model tests conditions (Upwind) Vs Heel Leeway Fn Vm (kts) (deg) (deg) - (m/s) 일반적인예인시험과같이선속별로시험을수행하기위하여이러한최적항주조건들의결과를삽간하여최종적으로 Table 4와같은풍상향항주에대한시험조건을도출하였으며, 풍하향에대한결과는항주조건에따른횡경사와사항의정도가작다고평가하여예인시험에는직립, 직진상태에서만수행하도록하였다. 예인시험을위한모형선은사용할 3분력계 (3-component load cell) 의용량과예인속도를고려하여축적비 3으로하여목재로제작되었으며, 부가물로서 Keel 과 Rudder 를부착하였다. Keel 은 Keel 자체의유체역학적인특성조사가가능하도록탈, 부착이가능하도록구성하였다. 선체에걸리는유체력을측정하기위하여 3분력계를선체의마스트위치에부착하고구속상태로예인하여배의길이방향으로의힘 (Fx) 과횡방향으로의힘 (Fy), 그리고높이방향축에대한모멘트 (Mz) 를계측하였다. Table 4를보면각각의선속에대한횡경사각도와사항각이다르므로 Fig. 3에나타낸바와같이모형선자체가 3분력계와더불어횡경사및사항상태로조절될수있는예인장치를구성하였다. 구속예인장치를이용해모형선에횡경사를주게되면횡경사각도에따라배수량이변하게된다. 따라서, 직립상태의배수량이일정하게유지될수있는좌, 우측의흘수를미리계산해놓은뒤, 모형선조건에따라예인대차의높낮이를조절하여횡경사각에따른흘수를맞추도록하였다. Table 5 Conditions of model tests Values Remarks Model Scale 3.0 Ls/Lm Model Length 3.047m Loa Towing Speed Towing System Measurement 1.188m/s 2.379m/s Captive Fx, Fy, Mz Min (Vs=4kts) Max (Vs=8kts) Body Fixed Coordinates Load Cell Fx: 100 kgf Fy: 100 kgf Mz: 10 kgf-m 3-Compo Towing Conditions (all tests with Rudder) Downwind with Keel 4~8 kts Upwind Heel Variation Leeway Variation with Keel w/o Keel with Keel with Keel w/o Keel 5~7 kts Vs=6.5kts Leeway=3.0deg Vs=6.5kts Heel=20deg 대한조선학회논문집제 42 권제 3 호 2005 년 6 월

4 236 유재훈, 안해성 Fig. 3 Towing system Fig.5 Forces change by heel angle (Model Scale, Vs=6.5kts, Leeway=3.0deg) Fig. 4 Directions of forces 3. 시험결과 3.1. 횡경사 (Heel) 에의한저항변화먼저세일링요트의횡경사 (Heel) 가저항성능에어떠한영향을미치는지를조사하기위하여설계속도에해당하는선속 6.5 노트에서사항각 (Leeway Angle) 을 3.0 도로고정시킨후횡경사각도만을 0도에서 30도까지변화시키면서모형선을예인하였다. 배에걸리는길이방향힘 (Fx), 횡 방향힘 (Fy), Yawing Moment(Mz) 를계측한후사항각을고려하여저항으로간주할수있는전진방향으로의힘 (Drag) 과횡방향힘 (Side Force) 을산정하였다. 선체를포함한예인방향과각계측력의방향, 그리고저항과 Side Force 의정의는 Fig. 4에표시하였다. 시험결과는 Fig. 5와같으며, 횡경사각도가커질수록저항이줄어들다가 20도횡경사에서최소값을가진후다시증가하는형태를보였다. 이를통하여선형설계시에 20도횡경사를설계조건으로설정하고이에대해수선면및프레임라인을설계한것이유효했다는것을확인할수있었다. 또한, Side Force 의경우, 횡경사되어진모형선에서계측되어진 Side Force 는주로 Keel 에의한양력이라고볼수있으며, 이러한 Keel 의양력이횡경사에의해점차줄어들게됨을살펴볼수있다 사항 (Leeway) 에따른유체력의변화다음으로는선체의사항이미치는영향을조사하였다. 마찬가지로선속 6.5노트를기준으로횡경사를 20도로고정시킨후사항각을 0도에서 3 도까지변화시키며선체에걸리는힘을계측하였다. 본시험에서는사항조건에서 Keel 이가지는 Journal of SNAK, Vol. 42, No. 3 June 2005

5 30 피트급요트의유체력에대한실험적연구 237 유체역학적특성을함께조사하기위해서 Keel 이부착되어진상태와제거된상태에서각각예인시험을수행하였다. Fig. 6에는사항각변화에따른저항과 Side Force 를보이고있는데, 사항각이증가하면전체적인경향으로저항은줄어들며, Keel 이없는경우에는비교적급격하게감소하는경향을보이는반면, Keel 이있는경우에는어느정도이상의사항, 즉 2도이상에서는다시증가하는것을볼수있다. 반면, Side Force 는사항각의증가에따라지속적으로감소하는것을볼수있다. Keel 의존재에따라저항의변화추이가다르다는것은 Keel 자체가가지는형상저항과함께어느정도이상으로사항각이커지게되면 Keel 에서발생되어지는형상저항의증가로인해이러한경향이나타나는것으로판단된다. 이러한 Keel 의유체력을세밀히살필수있도록 Fig. 7과같이두조건의선체에걸리는힘의차이를 Keel 에의한힘으로간주하여표시하여보았다. 사항각이증가함에따라 Keel 의저항은 1도부근에서최소값을가진후증가하는경향으로, Side Force 는선형적으로감소하는모습을보이고있다. 이렇게작은사항각에서비교적작은저항을가지는경향은애초 Keel 의설계에있어서작은받음각에서비교적작은항력을가지도록선택되 어진 NACA 의항력특성과유사한결과를가지고있다는것을확인할수있다. Fig. 8에는사항각변화에따른 Yawing Moment 의변화를나타내었다. Keel의유무에따라도출되어진 Keel 에의한 Yawing Moment 를살펴보면, 사항각의증가에따라선체가가지는 Leeway 방향으로의모멘트가 Keel 에의해어느정도줄어드는효과가나타나는것을볼수있다. Fig. 7 Forces of keel change by leeway angle (Model scale, Vs=6.5kts, Heel=20deg) Fig. 6 Forces change by leeway angle (Model scale, Vs=6.5kts, Heel=20deg) Fig. 8 Yawing moment change by leeway angle (Model scale, Vs=6.5kts, Heel=20deg) 대한조선학회논문집제 42 권제 3 호 2005 년 6 월

6 238 유재훈, 안해성 이러한효과는 Keel 의존재가선체자체의사항 Moment 를줄여줄수있고, 실제항주중인요트에사항이발생하게되는경우 Keel 의배치에의해발생되어진사항의각도를줄여주는효과를얻을수있음을알수있다 실선유효마력의추정수행되어진일련의예인시험결과를바탕으로실선의유효마력을추정하여보았다. 계측되어진선체길이방향으로의힘 (Fx) 을전진방향의힘으로환산한후, 이를저항으로간주하고이를실선의유효마력으로확장하였다. 사용되어진방법은 ITTC '78 에근거한형상계수를사용하는 3차원확장법이며, 저항성분의분리및실선확장은식 (1) 과식 (2) 와같다. (Harvald, 1983) (1) (2) 먼저직립상태로사항각없이예인시켜얻어진풍하향상태에서의모형선의저항값을사용하여형상계수 (k, Form Factor) 를도출하였다. 형상계수도출에는 Prohaska's Method 를사용하였으며, 값을 으로회귀하였다. 이외에실선확장에사용되어진보정계수들의값은 Table 6 에정리하였다. Table 6 Parameters for extrapolation Condition Values ( 1000) Downwind Upwind Form Factor Model-Ship Correlation Steering Resistance Air Resistance Roughness Allowance 모형선실선상관관계를보정하기위해반영하는 는예인시험이수행되어진예인수조에서선체의길이를기준으로산정하여사용하는회귀식으로부터값을결정하였다. 일반상선과는달리항주중에도쉴새없이러더 (Rudder) 를사용하는요트의특성을반영하기위하여 를도입하였다. 일반상선의경우, 직진성향이좋지않은배에대하여 을사용하는경우가있으나, 본연구에서는비교적러더의사용이적은풍하향시에는 을, 러더를많이사용하게되는풍상향시에는 을사용하였다. 이러한구체적인값은그근거가필요하므로, 실선시운전등을통한본격적인연구가필요하다. 그러나본연구에서는실선확장에이와같은 Steering 에의한저항증가분을고려한다는면에서잠정적인값을적용하였다. 수면상부의선체에의한공기저항을반영하는 값은설계요트의수면상부선체의횡단면적을사용하여얻어진 를풍상향시에만적용하였다. 풍하향의경우는바람의방향과배의전진방향이일치하여선속에의해발생하는공기저항이없다고볼수있기때문이다. 모형선-실선간의선체표면거칠기에대한보정인 의값은 ITTC '78 방법에의하여결정하였다. 전체적으로세일링요트에대한실선확장방법은사용되어지는각종보정계수나그방법에대한경험이부족하고, 실선에대한계측자료가취약한상황으로서이에대한많은연구가 Journal of SNAK, Vol. 42, No. 3 June 2005

7 30 피트급요트의유체력에대한실험적연구 239 요구되어지는상황이다. 본연구에서는우선적으로사용할수있는방법중에하나를선택하여고려해야하는모든조건을빠짐없이적용한다는개념에서이와같은실선확장법을적용하였다. 실선확장을위해계산되어진조파저항 ( ) 성분의선속에따른경향은 Fig. 9에나타내었으며, 사용되어진방법에의한실선의저항값은 Fig. 10 과같다. 풍하향항주보다는풍상향항주시의조파저항이매우크게나타나고있으며, 유효마력에서도같은경향을보임을알수있다. 이러한경향은직립되어진항주자세에사항이없는상태인풍하향항주에비해풍상향항주의경우선속에따라 30도까지의횡경사를가지고있으며, 또한사항상태에서항주하게되므로, 이에의한저항이부가되어진것이이유가된다. 최종적으로제안되어진실선확장법으로추정되어진실선의저항값은설계속도 6.5 노트에서풍하향항주중에약 830N, 풍상향시에 1406N 가얻어졌다. Fig. 9 Wave resistance (k=0.3811) 4. 결론 (1) 횡경사변화시험을통해설계항주자세인 20도횡경사에서설계선형이최소의저항을가지고있음을알수있었으며, 이로부터선형의설계가비교적성공적으로이루어졌음을확인하였다. (2) Keel 의설계에있어서작은받음각 (Angle of Attack) 에서비교적작은항력을가지도록선택되어진 NACA 의항력특성과유사한결과를가지고있음을확인하였다. (3) Keel 의존재는작은사항각도에서발생할수있는급격한 Yawing Moment 의양을줄여주는역할을하고있다. (4) 풍하향에비해서횡경사와사항상태에서항주하게되는풍상향항주의경우설계속도를기준으로약 70% 정도의저항증가가있다. (5) 실선상태의저항을추정하기위한확장법을제안하였으나, 정량적인정확성을가지기위해서는실선시운전을통한경험자료의축적이필요하다. (6) 정량적으로정확한모형시험을위해서는 Fig. 10 Resistance of full scale yacht 본연구에서사용된구속식예인장치가아닌동역학적힘에의한자세변화가허용되는자유식예인장치의개발이요구되어진다. (7) 세일링요트에대한정확한선속추정을위한모형시험및실선저항의추정을위해서는파랑중부가저항성분에대한고찰이필요하다. 후기본연구는해양수산부개발과제인 ' 보급형해양레저선박개발 ' 의일부로수행되었습니다. 대한조선학회논문집제 42 권제 3 호 2005 년 6 월

, 1983, Resistance and Propulsion of Ships, A Wiley-Interscience Publication Peter van Oossanen, 1993,

8 240 유재훈, 안해성 참고문헌 유재훈, 반석호, 안해성, 김진, 김상현, 2005, 30 피트급요트의선형개발및성능추정, 대한조선학회논문집, 제42권 1호, pp34-42 유재훈, 박일룡, 김진, 안해성, 반석호, 이평국, 2005, 요트의 Main 세일과 Jib세일사이의간섭효과에대한수치해석, 대한조선학회논문집, 제 42권, 제 1호, pp Harvald, S.A., 1983, Resistance and Propulsion of Ships, A Wiley-Interscience Publication Peter van Oossanen, 1993, Predicting the Speed of Sailing Yacht," SNAME Trans., Vol. 101, pp < 유재훈 > < 안해성 > Journal of SNAK, Vol. 42, No. 3 June 2005

<BCBCC0CFB8B5BFE4C6AEC0C720BCB1C7FC20BCB3B0E82E687770>

<BCBCC0CFB8B5BFE4C6AEC0C720BCB1C7FC20BCB3B0E82E687770> 세일링요트의선형설계 유재훈, 안해성, 반석호 한국해양연구원해양시스템안전연구소 Hull Form Study of Sailing Yacht Jaehoon Yoo, Haeseong Ahn, Suak-Ho Van Korea Ocean Research & Development Institute Abstract An overview of the sailing yacht