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사라 순
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1 대한조선학회논문집 Journal of the Society of Naval Architects of Korea pissn: , Vol. 55, No. 5, pp , October 2018 eissn: , 박세라 유재훈 목포대학교조선해양공학과 FSI Simulation of the Sail Performance considering Standing Rig Deformation Sera Bak Jaehoon Yoo Dement of Naval Architecture and Ocean Engineering, Mokpo National University 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. The shape of a yacht sail made of thin fabric materials is easily deformed by wind speed and direction and it is affected by the deformation of the standing rig such as mast, boom, shrouds, stays and spreaders. This deformed sail shape changes the air flow over the sail, it makes the deformation of the sail and the rig again. To get a sail performance accurately these interactive behavior of sail system should be studied in aspects of the aerodynamics and the fluid-structure interaction. In this study aerodynamic analysis for the sail system of a 30 feet sloop is carried out and the obtained dynamic pressure on the sail surface is applied as the loading condition of the calculation to get the deformations of the sail shape and the rig. Supporting forces by rig are applied as boundary condition of the structure deformation calculations. And the characteristics of the air flow and the dynamic pressure over the deformed sail shape is investigated repeatedly including the lift force and the location of CE. Keywords : Yacht( 요트 ), Sail( 세일 ), Standing rig( 스탠딩리그 ), FSI(Fluid-structure interaction analysis, 유체-구조연성해석 ), Aerodynamics( 공기역학 ) 1. 서론 세일로추진하는요트의세일시스템은세일과세일을달기위한마스트 (mast), 붐 (boom) 그리고마스트를지지하는슈라우드 (shroud), 스테이 (stay), 스프레더 (spreader) 등의스탠딩리그 (standing rig) 로이루어져있다. 세일은직물을기반으로하는두께가얇은복합소재로되어있고리그에의해부분적으로고정되어있어풍압에의해 3차원적인캠버가형성되고, 지지하는리그에의한힘과리그자체의변형, 특히굽힘 (bending) 에의해캠버형상이변화된다. 또한세일러는마스트와붐등의리그를변형하거나세일에장력을가해캠버형상을조절하게된다. 리그의변형에의한캠버형상변화는다시세일주위유동에영향을주게되므로세일에의한양력과항력등추진력을좀더정확하게구하거나선체와세일에대한정밀한설계를위해서는세일주위유동해석과세일캠버와리그의변형이연계된유체-구조연성해석을수행할필요가있다. Trimarch et al. (2009) 이세일의변형을유한요소법 (FEM) 으로계산하고주의유동을경계요소법 (BEM) 으로계산하는유체 - 구조연성해석을수행한바있다. 국내에서는 Lee et al. (2011) 이 2차원요트세일의변형과유동에대해격자변형기법으로유체-구조연성해석을수행한바있으며, Bak et al. (2013a) 은단순한형태의두께가얇은평편한세일이유체력에의해복잡한 3 차원적형태로변형하는것을모사한바있다. 실제적인요트의세일에대해서는 Bak et al. (2013b) 이마스트가없는메인세일만의 3차원적인형상변형에대해부분적 Two-way 기법을사용하여유체-구조연성해석을수행한바있다. 실제세일은세일을지지하는리그의변형과함께캠버형상의변화와세일의뒤틀림 (twist) 등이나타나며, 그로인한유효받음각의변화와유동박리와실속 (stall) 등복합적인유동현상이 3차원적으로발생하고결국양력과항력의변화에의한추진성능의변화가나타날수있다. Bak (2018) 은집 (jib) 세일과메인세일이마스트등의리그와결합되어있는슬루프 (sloop) 형요트의세일과리그의변형에대해유체-구조연성해석을수행하고변형전과변형후의양력과항력의변화에대해고찰한바있다. 본연구는 30ft 급슬루프요트인 'KORDY30' 의세일에대해마스트와붐, 스프레더등의리그를포함하여유체-구조연성해석을수행하였다. 20노트의뵌바람 (apparent wind) 이 20도의각 Received : 17 April 2018 Revised : 4 June 2018 Accepted : 23 July 2018 Corresponding author : Jaehoon Yoo, yoojaehoon@mokpo.ac.kr

2 도로세일에입사되는경우에대해세일주위유동을해석하고얻어진세일표면동압력을세일변형을계산하기위한유한요소해석의하중조건으로적용하였다. 세일을지지하는마스트, 붐과스프레더, 슈라우드, 스테이와같은지지장치로이루어진스탠딩리그를모사하여경계조건으로적용하였다. 유한요소해석으로얻어진변형된세일에대해다시유동해석을수행함으로써리그와세일의변형과그로인한유체역학적성능변화를살펴보았다. 2. 유체 - 구조연성기법 유체-구조연성해석방법은 Direct coupled FSI 기법, Oneway FSI 기법, Two-way FSI 기법으로분류할수있다. Direct coupled FSI 기법은유동및구조해석을한번에계산하는기법이며, One-way FSI 기법은유동해석결과를구조해석의하중조건으로적용하는방법으로서경계면에서의전달은한번만이루어지며구조변형계산은반복하지않는다. Two-way FSI 기법은지속적인반복계산이필요한기법으로변위가유동의영향을많이받고유동또한형상에따라그양상이많이달라지는경우에사용되는방법이다. 본연구에서는세일표면동압력에의해변형되는캠버형상의변화와이로인한유체역학적인힘의변화가반복계산을통해수렴성을확인해야할만큼크지않다는기존의연구결과들 (Bak, 2018; Bak et al., 2013b; Lee et al., 2011) 을바탕으로 One-way 기법을사용하여세일캠버형상이어떤경향으로변형하고이로인한유체력의변화가어떻게나타나는지를살펴보는데주력하였다. 즉, Fig. 1에설명된절차와같이초기세일형상에대한유체력을계산하고이를구조변형의조건으로적용하여얻어진세일의변형된형상의유체력을계산하여서로를비교하여보았다. LS-DYNA 는요소 (element) 에대한하중이요구되기때문에적절한방법으로이를해결해주어야한다. 절점에표현되어있는유체력을요소에대한유체력으로계산하기위한방법으로는적분법이있으나요소의수가많을경우계산에어려움이있어, 본연구에서는유체-구조연성해석이가능하도록 ANSYS Workbench 프로그램을사용하였다. Workbench 는 CFX 와정적구조 (static structure) 시스템을연계하여 CFX 에서계산된유체력을정적구조해석프로그램에분포하중으로적용시켜유체력에의한구조변형을해석한다. 정적구조해석프로그램은유한요소의모델링과구조변형계산을동시에수행하며, 유한요소에 CFX 에서계산된절점에대한압력을정적구조해석프로그램에서분포하중으로계산하여적용시킨다. 본연구에서는두께가얇은구조물의대변형해석이가능한 LS-DYNA 유한요소해석프로그램을사용하여풍압에의해변형되는세일에대한유체-구조연성해석을수행하였다. 3. 변형되지않은세일의유동해석 3.1 세일형상의정의본연구에서는 30ft 급슬루프형요트인 'KORDY30' 의세일시스템과리그를선정하였다. KORDY30 은 Fig. 2와같이마스트하나에집세일과메인세일이마스트앞, 뒤에각각하나씩장착되어있는슬루프형요트이다. KORDY30 의세일형상은 Yoo et al. (2005) 이 NACA 단면중에세일과가장비슷한 NACA a=0.8 mean 라인을기본형상으로가정하여설계하고수치해석을수행한바있으며, Lee et al. (2006), Kim et al. (2011), Yoo and Kim (2006) 은풍동실험을수행한바있다. 세일이바람을받으면세일의상단부의유효받음각이작아지는세일비틀림 (sail twist) 을고려하여집세일은 Table 1, 메인세인은 Table 2와같이정의하였으며, 정의한형상은 Fig. 2와같다. 또한마스트는 25 cm 12.5 cm의타원형단면형상으로높이 (K) 는 m이다. Table 1 Geometrical parameters of the jib sail Location from foot Foot 25% 50% 75% Top Height (mm) 0 2,750 5,500 8,250 11,000 Chord length (mm) 4,680 3,450 2,200 1, Baseline angle (deg) Fig. 1 Procedure of the one-way FSI analysis method 유동계산에필요한격자계는상용프로그램인 ICEM-CFD 프로그램을사용하여생성하였으며, CFX 프로그램으로유체력을계산하였다. CFX 의경우계산된유체력이격자절점 (node) 에대해얻어지는데구조해석에사용한유한요소해석프로그램인 Camber ratio (%) Draft max (mm) Forestay height IG(m) Foretriangle base J(m) 4.0 Area of jib sail( m2 ) 대한조선학회논문집제 55 권제 5 호 2018 년 10 월

박세라 유재훈 Table 2 Geometrical parameters of the main sail Location from foot Foot 25% 50% 75% Top Height (mm) 0 3,000 6,000 9,000 11,900 Chord

9 Main sail foot E(m) 4.0 Area of main sail( m2 ) 25.02 Fig. 3 Grids and topology for fluid analysis Fig. 4 Grids on sail and mast surface 3.

4153 1.0809 C D 0.0661 0.11801 0.1840 C L /C D 10.1748 3.5196 5.8763 3.2 계산조건및가정 세일유동에대한수치계산의가정과조건은다음과같다.

(2) 점성유동계산을위한지배방정식은 RANS(Reynolds Averaged Navier-Stoke s) 방정식이며, 유한체적법을이용하여그해를구하고, 난류유동해석을위해 κ-ω 를기반으로 SST 난류모형을사용하였다.

(2006) 은 y+ 를 50~230 정도를사용하면모형시험과정량적으로좋은일치를보이는것을밝힌바있다. (4) Fig. 3와같은형태로비정규 (unstructured) 격자를총 7,897,075 개사용하였으며, 세일표면에는 Fig.

3 박세라 유재훈 Table 2 Geometrical parameters of the main sail Location from foot Foot 25% 50% 75% Top Height (mm) 0 3,000 6,000 9,000 11,900 Chord length (mm) 4,000 3,000 2,000 1, Baseline angle (deg) Camber ratio (%) Draft max (mm) Main sail hoist P(m) 11.9 Main sail foot E(m) 4.0 Area of main sail( m2 ) Fig. 3 Grids and topology for fluid analysis Fig. 4 Grids on sail and mast surface 3.3 수치해석결과 Fig. 2 Geometry of the jib sail and the main sail Table 3 Lift and drag coefficients of non-deformed sail Jib Main Total C L C D C L /C D 계산조건및가정 세일유동에대한수치계산의가정과조건은다음과같다. (1) 20 노트의뵌바람 (apparent wind) 이 20 도의각도로세일에입사된다. 유체는공기로서밀도 kg/ m3, 점성계수 Pa s 의값을사용하였다. (2) 점성유동계산을위한지배방정식은 RANS(Reynolds Averaged Navier-Stoke s) 방정식이며, 유한체적법을이용하여그해를구하고, 난류유동해석을위해 κ-ω 를기반으로 SST 난류모형을사용하였다. (3) 메인세일의풋 (foot) 길이를기준으로, 20 노트풍속에해당하는 Re= 에대해서수치해석을수행하였다. 세일표면첫번째격자의거리는 y+=100 으로설정하였다. Yoo et al.(2006) 은 y+ 를 50~230 정도를사용하면모형시험과정량적으로좋은일치를보이는것을밝힌바있다. (4) Fig. 3와같은형태로비정규 (unstructured) 격자를총 7,897,075 개사용하였으며, 세일표면에는 Fig. 4와같은형태로서, 집세일에는 95,276 개, 메인세일에는 86,646 개, 마스트에는 122,180개를분포시켰다. Fig. 5 Pressure distribution and limiting streamlines on the non-deformed sails 마스트와세일표면의압력분포와한계유선을살펴봄으로써구조변형에영향을줄수있을것으로판단되는유동의특징을검토하였다. Table 3의집세일과메인세일의양력을비교해보면집세일의양력이메인세일의양력보다더큰것을볼수있다. 이 JSNAK, Vol. 55, No. 5, October

러한결과는 Yoo et al. (2005) 이메인세일이집세일의받음각을키워주는역할을하고, 집세일은메인세일의받음각을줄여주는역할을한다는결과와같은경향을보이고있다. Fig. 5의세일표면동압력분포를비교해보면 windward side 의경우 Cp=0.

세일의구조해석 Table 4 Material properties Sail Mast, Boom, Spreaders Material Kevlar49 aluminium Density 1439.4 kg/ m3 2720.

집세일은유동이들어오는변인러프 (luff) 와세일풋의끝인클루 (clew) 부분이고정되어있다. 메인세일은러프가마스트에부착되어있고세일풋의클루는붐끝의아우트홀 (outhaul) 에고정되어있다.

(2) 유한요소는쉘 (shell) 엘리먼트 (element) 이며삼각형과사각형요소를혼합하여세일과리그의형태가정확하게모델링되도록하였다.

4 러한결과는 Yoo et al. (2005) 이메인세일이집세일의받음각을키워주는역할을하고, 집세일은메인세일의받음각을줄여주는역할을한다는결과와같은경향을보이고있다. Fig. 5의세일표면동압력분포를비교해보면 windward side 의경우 Cp=0.6 면적이집세일이더넓고, leeward side 에는메인세일의받음각이감소하면서집세일보다음압력이약해진것을볼수있다.. 4. 세일의구조해석 Table 4 Material properties Sail Mast, Boom, Spreaders Material Kevlar49 aluminium Density kg/ m kg/ m3 Elastic modulus 124 GPa 68 GPa Poisson ratio Thickness 0.34 mm 4.3 mm 4.1 슬루프요트의리그시스템 Fig. 6은본연구에사용된마스트헤드 (masthead) 리그의구성을개략적으로보여주는그림이다. 집세일은유동이들어오는변인러프 (luff) 와세일풋의끝인클루 (clew) 부분이고정되어있다. 메인세일은러프가마스트에부착되어있고세일풋의클루는붐끝의아우트홀 (outhaul) 에고정되어있다. 마스트의아래는데크에고정되고마스트헤드 (head) 부분은고정되어있지않지만강성이큰와이어 (wire) 와스프레더를설치하여마스트를지지하게된다. 와이어는전, 후에포스테이 (forestay) 와백스테이 (backstay) 가, 좌, 우에슈라우드가설치되어있으며스프레더를통해데크에고정된다. (2) 유한요소는쉘 (shell) 엘리먼트 (element) 이며삼각형과사각형요소를혼합하여세일과리그의형태가정확하게모델링되도록하였다. 유한요소의수는총 25,005 개이며, 집세일 6,875 개, 메인세일 6,942 개, 마스트 8,600 개, 붐 1,148 개, 스프레더 1,440 개를사용하였다. (3) 세일이리그에지지된상태를메인세일은 Fig. 7, 집세일은 Fig. 8 과같은경계조건을적용하여구조해석을수행하였다. Fig. 7 Boundary condition of main sail deformation Fig. 6 Rig system of a sloop sail 4.2 계산조건및가정 세일의구조변형해석의가정과조건은다음과같다. (1) 세일과리그의물성값은 Table 4와같다. 세일은 Kevlar49(Dupont, USA) 의값을사용하였고, 마스트와붐, 스프레더는알루미늄의물성이다. 와이어는장력에의해늘어나거나변형되지않는다고가정하였다. Fig. 8 Boundary conditions of jib sail deformation 424 대한조선학회논문집제 55 권제 5 호 2018 년 10 월

박세라 유재훈 4.3 구조해석결과 Fig. 9는유동에의한동압력이표면하중으로일정하게작용한다고가정할때의세일과리그의변형이다. Table 5에정리한바와같이캠버의깊이방향으로의세일변위는집세일은최대 53.5 mm 메인세일은최대 45.0 mm 이발생하였으며세일의최대변형이발생된 node 의위치는경계조건으로지지되지않은부분인세일의하단부에서발생하는것으로나타났다.

9 Displacement contours of the sail deformation according to time Table 5 Maximum displacement of sail with non-deformed rig with deformed rig difference Jib sail 53.5 mm 53.5 mm 0.0 mm Main sail 44.

5 박세라 유재훈 4.3 구조해석결과 Fig. 9는유동에의한동압력이표면하중으로일정하게작용한다고가정할때의세일과리그의변형이다. Table 5에정리한바와같이캠버의깊이방향으로의세일변위는집세일은최대 53.5 mm 메인세일은최대 45.0 mm 이발생하였으며세일의최대변형이발생된 node 의위치는경계조건으로지지되지않은부분인세일의하단부에서발생하는것으로나타났다. 리그의변형에의해서리그와연동되지않는집세일은최대변위가같은값인반면, 메인세일은리그의변형으로인해세일의변형이 1 mm 더발생하였다. Fig. 10 History of the sail deformations at the node with maximum displacement Fig. 9 Displacement contours of the sail deformation according to time Table 5 Maximum displacement of sail with non-deformed rig with deformed rig difference Jib sail 53.5 mm 53.5 mm 0.0 mm Main sail 44.0 mm 45.0 mm 1.0 mm 이러한변형의수렴성을확인하기위해최대변위를가지는 node 의시간에따른변위를살펴보면, Fig. 10 을살펴보면약 10 초이후에는시간에따른변위의차이가 0.1 mm 이하로서거의일정해지는것을볼수있다. 리그의변형을각방향에서살펴보았으며 Fig. 11 과같다. 옆에서보았을때의마스트는중간부분이세일이위치한선미쪽으로휘어지고, 전진방향에서바라보면스프레더로지지되지않는부위가바람이불어가는쪽으로휘어짐을볼수있다. 붐은이러한마스트의변형에연동하여휘어지고있다. Table 6은변형된리그의각방향으로의최대변위이며, 최대 0.538mm 의변위가세일의풍압이작용하는 y방향으로크게나타나고, 마스트의휘어짐에의해 windward 방향으로도작은변위가나타나고있다. Fig. 11 Comparison of geometry the non-deformed and the deformed rig (scale 1000) Table 6 Maximum displacement of the mast leeward windward x direction mm mm y direction mm mm z direction mm mm Fig. 12 와 Fig.13 은집세일과메인세일에변형전, 후의세일에대해높이에따른단면에서의캠버형상으로서, 풍압에의해두세일이하단부에는러프부근에서의캠버가깊어지고상단부에는 trailing edge 에해당하는세일리치 (leech) 가 leeward로후퇴하는세일비틀림현상이나타나는것을볼수있다. 집세일의경우리그의변형에의한캠버형상의변화가거의나타나지않고있으나, 메인세일의경우세일하단부에서캠버가미세하게깊어졌고, 세일높이의 75% 에는세일의리치부분이미세하게후퇴한것을살펴볼수있다. JSNAK, Vol. 55, No. 5, October

석을수행하였다. 세일표면의압력분포와양력과항력, 풍력중심은어떻게변화하는지조사하고, 리그를고려하지않았을때와비교해봄으로써리그가세일의유체역학적성능에어떠한영향을주는지살펴보았다. 5.1 세일형상의변형에따른유동의변화 변형후의세일표면에작용하는동압력분포및한계유선을살펴보았으며, Fig.

6 석을수행하였다. 세일표면의압력분포와양력과항력, 풍력중심은어떻게변화하는지조사하고, 리그를고려하지않았을때와비교해봄으로써리그가세일의유체역학적성능에어떠한영향을주는지살펴보았다. 5.1 세일형상의변형에따른유동의변화 변형후의세일표면에작용하는동압력분포및한계유선을살펴보았으며, Fig. 14 와같다. Fig. 12 Comparison of camber lines of the non-deformed and the deformed jib sail Fig. 14 Pressure distribution and limiting streamlines on the deformed sails Fig. 13 Comparison of camber lines of the non-deformed and the deformed main sail 5. 변형된세일에대한유동해석 변형된세일의유체역학적성능에어떠한변화가발생하는지살펴보기위해변형전유동해석과동일한계산조건으로유동해 변형전세일의표면압력분포를나타내는 Fig. 5와비교해보면, windward side 의경우세일하단부에는세일의캠버가깊어진부분에서의양압력의분포가더넓어졌으며, 메인세일의상단부에는 Cp=0.6 의양압력범위가좁아진것을볼수있다. Leeward side 의경우하단부에는세일의캠버가깊어진부분에서의음압력이약해졌고, 상단부에는집세일의 Cp= 1.4 와메인세일의 Cp= 1.0 의음압력의범위가줄어든것을볼수있다. 리그변형에따른메인세일의압력변화를살펴보면 windward side 에는하단부에는변화가크게보이지않으며, 상단부의 Cp=0.6 의양압력의범위가다소줄어들었다. Leeward side 에는마찬가지로하단부에는변화가크게보이지않으나상단부에는 Cp= 1.0 음압력의범위가다소줄어든것을볼수있다. 426 대한조선학회논문집제 55 권제 5 호 2018 년 10 월

박세라 유재훈 5.2 세일표면의압력변화 Fig. 15 와 Fig. 16 에는변형전, 후의세일표면의압력변화를 5%, 25%, 50%, 75% 의 4가지세일높이에대해나타내었다. 양압력과음압력의차이가양력에해당한다고볼수있으며, 변형전, 후의압력변화를살펴보면 5% 와 25% 세일높이에는 x/c=0.

2~0.6에서의양력이다소증가하였으며, 75% 의세일높이에는양력이감소한것을볼수있다. Fig. 13 의캠버형상의변화와비교해보면세일하단부에는리그변형으로인해메인세일의캠버가더깊어지면서양력이증가하였고, 상단부에는세일의리치가리그변형으로인해더후퇴하면서세일의유효받음각이감소하고이로인해양력이줄어든것으로판단된다.

Table 7과 Table 8은변형전, 후의메인세일과집세일의양력과항력계수의변화이다. 메인세일과집세일이공통적으로세일의하단부에는세일의캠버증가로인해양력과항력이증가하였으며, 상단부에는양력과항력이모두감소하였는데이는세일후퇴현상으로인한유효받음각의감소에따른것으로볼수있다.

이러한결과는세일상단부에서의변형이세일하단부에서의변형보다더큰영향을주는것을확인하였다.

153 Deformed 0.449 0.063 7.087 Difference +0.66% +1.60% -0.92% Non-deformed 0.226 0.004 60.925 Deformed 0.218 0.002 110.115 Difference -3.73% -46.73% +80.74% Fig.

7 박세라 유재훈 5.2 세일표면의압력변화 Fig. 15 와 Fig. 16 에는변형전, 후의세일표면의압력변화를 5%, 25%, 50%, 75% 의 4가지세일높이에대해나타내었다. 양압력과음압력의차이가양력에해당한다고볼수있으며, 변형전, 후의압력변화를살펴보면 5% 와 25% 세일높이에는 x/c=0. 2~0.6 에서의양력이증가하였고, 이는 Fig. 12 과 Fig. 13 의캠버형상의변화와비교했을때캠버의깊이가커진부위와일치하는것을볼수있다. 75% 의세일높이에는 x/c=0.0~0.25 의양력이감소한것을볼수있으며, 이는세일의유효받음각이감소하면서세일러프근처에서의양력이감소한것으로볼수있다. Fig. 15 Comparison of pressure distributions on the section of each jib sail height 리그변형에따른메인세일의압력변화를비교해보면 50% 의세일높이의하단부에는 x/c=0.2~0.6에서의양력이다소증가하였으며, 75% 의세일높이에는양력이감소한것을볼수있다. Fig. 13 의캠버형상의변화와비교해보면세일하단부에는리그변형으로인해메인세일의캠버가더깊어지면서양력이증가하였고, 상단부에는세일의리치가리그변형으로인해더후퇴하면서세일의유효받음각이감소하고이로인해양력이줄어든것으로판단된다. 5.3 양력, 항력의변화먼저, 리그의변형이없다는가정하에변형전, 후의세일의유체역학적성능변화를조사하기위해세일의추진에관한성분인양력과항력계수를비교해보았으며, 세일의높이방향에따라나타나는유동특성이다소차이가있어세일높이의 50% 를기준으로상단부와하단부로나누어살펴보았다. Table 7과 Table 8은변형전, 후의메인세일과집세일의양력과항력계수의변화이다. 메인세일과집세일이공통적으로세일의하단부에는세일의캠버증가로인해양력과항력이증가하였으며, 상단부에는양력과항력이모두감소하였는데이는세일후퇴현상으로인한유효받음각의감소에따른것으로볼수있다. 세일의변형으로인해전체양력은메인세일, 집세일모두감소하였으며이는하단부에비해상단부에서의양력감소분이더두드러지게나타나면서발생하였다. Table 9는변형전, 후의집세일과메인세일을합했을때의양력과항력의변화이며그결과양력과항력모두감소하였고, 세일의효율을나타내는양항비는감소하였다. 이러한결과는세일상단부에서의변형이세일하단부에서의변형보다더큰영향을주는것을확인하였다. Table 7 Lift and drag coefficients of the lower and upper of jib sail w/o rig deformation Jib Sail C L C D C L /C D Lower Upper Non-deformed Deformed Difference +0.66% +1.60% -0.92% Non-deformed Deformed Difference -3.73% % % Fig. 16 Comparison of pressure distributions on the section of each main sail height Total Non-deformed Deformed Difference -0.81% -1.12% +0.31% JSNAK, Vol. 55, No. 5, October

8 Table 8 Lift and drag coefficients of the lower and upper section of main sail w/o rig deformation Lower Upper Total Main Sail C L C D C L /C D Non-deformed Deformed Difference +0.70% +4.17% -1.80% Non-deformed Deformed Difference -5.30% % +8.80% Non-deformed Deformed Difference -0.55% +0.51% -0.90% Table 9 Lift and drag coefficients of sails without rig deformation Main+Jib C L C D C L /C D Non-deformed Deformed Difference -0.67% -0.05% -0.57% Table 10 Lift and drag coefficients of the lower and upper section of main sail with rig deformation Lower Upper C L C D C L/C D with non-deformed rig with deformed rig Difference +1.06% +1.33% -0.26% with non-deformed rig with deformed rig Difference -1.26% -2.71% +1.49% with non-deformed rig 형되지않은세일의양력인 보다는작은것을나타내고있다. 이러한결과는변형을고려한세일의양력은변형되지않은세일의양력보다는감소하였으며, 결국세일이변형되지않도록하는리그를설계하는것이필요하다는것을알수있다. 5.4 풍력중심 (CE) 의위치변화 세일의캠버형상은바람의변화나리그의변형에따라변화하게되고이로인해힘의작용점도이동하게된다. 이러한변화로인해수면아래선체에작용하는횡저항 (lateral resistance) 중심과의균형이깨짐으로인해우력과모멘트가발생하게된다. 이러한현상은웨더헬름 (weather helm) 나리헬름 (lee helm) 와같은의도하지않은선회력으로나타나고이로인한조타장치의사용이저항증가와불안정한직진성능으로나타나기때문에정확한풍력중심 (CE) 의위치를아는것은설계자에게매우중요하다. 본연구에서는세일의형상변화와리그의변형에따른풍력중심 (CE) 의위치변화를살펴보았다. 각각의방법으로계산된 CE 의위치는세일의횡방향투영면의도심을 CE 로간주하는기존의쉬운방법 (Larsson & Eliasson, 2000) 과비교하였다. 변형전, 후의집세일과메인세일의풍력중심의변화를살펴보면, Table 11 에정리한바와같이집세일은풍력중심이선수방향과아래방향, 메인세일은선미방향과아래방향으로이동하였다. 세일하단부에서의캠버증가로양력이증가하면서 CE 가아래로이동하였고, 세일중앙부근에서의양력이증가하면서집세일은선수방향으로, 메인세일은선미방향으로 CE 가이동하였다. Table 11 Comparison of the CE locations of the non- deformed and deformed sails w/o rig deformation Jib Longitudinal Vertical Centroid(empirical) Non-deformed Deformed Difference Centroid(empirical) Total with deformed rig Difference +0.36% +0.66% -0.31% Main Non-deformed Deformed Table 10 은리그변형에따른메인세일의양력, 항력의변화를살펴본결과이다. 하단부에는양력과항력이증가하였고상단부에는모두감소하였다. 이러한결과는리그의변형으로인해하단부에서의캠버증가와상단부에서의세일후퇴현상이더크게나타남을알수있다. 전체메인세일의경우리그변형으로인해양력과항력이증가하였으며이는리그변형이세일의양력증가에기여하고있는것을나타내고있다. 그러나 Table 8의변 Jib +Main Difference Centroid(empirical) Non-deformed Deformed Difference CE location from the rear side of mast base, unit: m 428 대한조선학회논문집제 55 권제 5 호 2018 년 10 월

9 박세라 유재훈 Table 12 Comparison of the CE locations of the sails with non-deformed and deformed rig Longitudinal Vertical Non-deformed with non-deformed rig Main Deformedwith deformed rig Difference Non-deformed Jib+ with non-deformed rig MainDeformedwith deformed rig Difference CE location from the rear side of mast base, unit: m 리그변형에따른메인세일의풍력중심의변화를살펴보았으며, Table 12 에정리하였다. CE 가선미방향과위방향으로이동한것을볼수있다. 이러한결과는세일의캠버가더깊어지면서 CE 가선미방향으로이동하고, Fig. 16 의메인세일표면의압력변화에서알수있듯이세일하단부에서의양력증가보다상단부에서의양력감소가더크면서 CE 가위로이동한것임을알수있다. Fig. 17 에는이러한조건의변화에따른 CE 의위치를비교해나타내었다. 6. 결론 본연구에서는 30ft 급슬루프형요트의세일에대해유동해석을수행하여얻어진유체력을세일변형의하중조건으로적용하고세일을지지하는리그를유한요소해석의경계조건으로적용하여세일과리그의구조변형을구해내는유체 -구조연성해석을수행하였다. 세일의변형된형상에대해다시유동해석을수행하여변형전의세일형상과변형된세일형상의유체역학적성능을비교할수있었다. 이러한유체-구조연성해석에의해캠버형상의변화, 세일의뒤틀림, 유효받음각의변화, 3차원유동박리에따른실속과풍력중심의변화등복합적인유동현상이함께나타남을살펴볼수있었다. 세일의캠버형상변화는리그의변형과연계되어있으며, 변형이발생한세일의힘은변형되지않은세일과는다소차이가있었다. 세일에의한양력과항력등추진력을좀더정확하게구하거나선체와세일에대한정밀한설계를위해서는세일과리그의변형이연계된유체 -구조연성해석을수행할필요가있음을확인하였다. 후기 본연구는중소벤처기업부지정지역혁신센터사업 (RIC) 중화학설비안전진단센터 (B ) 지원으로수행되었음. References Fig. 17 Comparison of the CE locations of sails Bak, S., Fluid-structure interaction analysis of yacht sails supported by rigs. Ph.D. Thesis.Mokpo National University. Bak, S., Yoo, J. & Song, C., 2013a. Fluid-structure interaction analysis on the deformation of simplified yacht sails. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 50(1), pp Bak, S., Yoo, J. & Song, C., 2013b. Fluid-structure interaction analysis of deformation of sail of 30-foot yacht. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering. 5(2), pp Kim, C., Choi, J. & Kim, H A construction of aerodynamic force measurement system for wind tunnel. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 48(5), pp Larsson, L., Eliasson, R.E. & Orych M., Principles of yacht design. Adlard Coles Nautical, Bloomsbury Publishing Plc: London. Lee, H., Shin. H. & Yoo, J., Analysis of two- JSNAK, Vol. 55, No. 5, October

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