대한조선학회논문집 Journal of the Society of Naval Architects of Korea pissn:1225-1143, Vol. 50, No. 6, pp. 414-420, December 2013 eissn:2287-7355, http://dx.doi.org/10.3744/snak.2013.50.6.414 EG/AD 모형빙정도향상을위한콜드룸에서의생성기법및계측기법연구 조성락 1, 정성엽 1 하정석 1 강국진 1 한국해양과학기술원해양운송연구부 1 An Experimental Study on Generation and Measurement Method of EG/AD Model Ice at Cold Room for Improvement of Its Properties Seong-Rak Cho 1, Seong-Yeob Jeong 1 Jung-Seok Ha 1 Kuk-Jin Kang 1 Maritime Transportation Research Division, KIOST, Daejon, Korea 1 This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Generation and measurement methods of EG/AD model ice, which is used in KIOST ice model basin are investigated for improvement of its properties. Temperature of seed water, air temperature in the freezing phase and the target air temperature in the tempering phase were changed in the cold room, and the properties of model ice was measured in this conditions. We also verified a conventional measuring method of flexural strength of model ice caused a little measuring error in cold room, so that we suggested a new measuring method that must be used higher supports than double the thickness of the model ice. In this study, we improved the generation and measurement technique of EG/AD model ice, and the developed procedure at cold room can be applied to the KIOST ice model basin. Keywords : Ice model basin( 빙해수조 ), Model ice( 모형빙 ), Flexural strength( 굽힘강도 ) 1. 서론 빙해수조는빙해역에서의선박과구조물등의성능을건조전시험하고평가하기위한시설이다. 빙해수조가선형시험수조및해양공학수조와다른가장큰차이점은해빙을모사한모형빙 (Model ice) 을생성하여준비하고정확한해석을위한모형빙의물리적특성을계측해야한다는점이다. 또한목표빙두께및강도로준비된하나의모형빙판 (Ice sheet) 은한번모형시험을수행하고나면깨져버리기때문에다양한조건에서모형시험을수행하기위해서는여러모형빙판이필요하게된다. 따라서선박및구조물의성능을정확히해석하기위해서는여러모형빙판에서시험을수행해야하며, 준비되는여러모형빙판들의두께및강도등의오차를줄이고정확하게물리적인특성을계측하는기술이절대적으로요구된다. KIOST(Korea Institute of Ocean Science & Technology) 빙해수조에서는캐나다 NRC-IOT(National Research Council-Institute for Ocean Technology) 빙해수조에서사용하고있는 EG/AD/S (Ethylene glycol/aliphatic detergent/sugar) 모형빙을개량하여 2009 년부터 EG/AD 모형빙을생성하여시험하고있으며, 2013 년 6월현재약 90 여판의모형빙을생성하였다. KIOST 빙해수 조에서는현재모형빙생성기법외에다양한선형에대한저항 / 자항 / 조종시험기법, 모형시험계측기법및다양한빙상조건에서의시험기법개발로인하여모형빙의정도향상을위한모형빙을별도로생성하기가어렵다. 또한 KIOST 빙해수조에서한판의모형빙을생성하려면많은비용과인원이필요하게된다. 따라서본논문에서는 KIOST 빙해수조부속의콜드룸과축소된소형수조 (Miniature tank) 를이용하여 EG/AD 모형빙의생성기법및계측기법향상을위하여본연구를수행하였다. 2. 선행연구 Timco (1986) 는캐나다 NRC-CHC(Canadian Hydraulics Centre) 에서기존에사용하고있던요소빙 (Carbamide ice) 의파괴후잔류응력문제를개선하고자복합첨가물을이용한새로운형태의 EG/AD/S 모형빙을개발하였다. 새로운모형빙은 1년정도지나면재료특성이바뀌는요소빙에비해오랫동안사용하여도재료특성바뀌지않으며, 단층형구조 (Single layer) 로요소빙에비해하중방향의영향을덜받는특징을가진다. 또한모형빙의탄성계수와굽힘강도의비를나타내는 E/σf 의값이 1500-2500 정도로실해역해빙의값에근사한장점을가지고있다. 국내에서도 접수일 : 2013 년 6 월 24 일 1 차수정일 : 2013 년 9 월 4 일 게재확정일 : 2013 년 10 월 15 일 Corresponding author : scho@kiost.ac, 042-866-3431
조성락 정성엽 하정석 강국진 KIOST 빙해수조건설전, EG/AD/S 모형빙의적용가능성을검토하기위하여 Kim, et al. (2008) 은콜드룸에서얼음핵을분사시키는방법을이용하여 Timco 의결과와유사한모형빙의물리적특성을얻었다. 하지만 EG/AD/S 모형빙은설탕성분으로인한박테리아번식때문에수조수를지속적으로필터링해주어야한다. 이러한번거로움을해결하고, 고가의설탕성분없이기둥형구조로모형빙을생성하기위하여고온에서지방성세제 (Aliphatic detergent) 를완전용해시키는방법을이용하여 KIOST 빙해수조에서는 EG/AD 모형빙을생성하는절차를개발하였다 (Cho, et al., 2010a). 그리고최근에는 EG 성분과 AD 성분의수조수를친환경적으로바꾸기위하여 PG(Prophilene glycol) 성분과친환경세제를이용한모형빙생성기법에대한초기실험을수행하였다 (Kim, 2011). 한편모형빙의물리적특성계측기법은각나라의빙해수조마다고유한노하우 (Knowhow) 와함께측정되고있다. 핀란드 AARC(Aker Arctic Research Center) 에서는시험을수행하는빙상조건 (Ice conditions) 과그빙상조건에서모형빙의특성을측정하는항목들을정리하여발표하였으며 (MARC, 2000), NRC-IOT 빙해수조에서도빙모형시험절차서중모형빙의물리적인특성을계측하고계산하는방법에대해자세하게다루었다 (Jones, 1987). 또한 ITTC(International Towing Tank Conference) 에서는측정기법표준화를위한가이드를제정하여발표하고있다 (ITTC, 1996, 1999). KIOST 빙해수조에서도효율적이고정확하게모형빙의물리적인특성을계측하기위하여다양한계측장비와측정기법을개발하고있으며 (Lee, et al., 2008; Cho, et al., 2011a, 2011b), 지속적으로빙모형시험의정도향상을위해연구를수행하고있다. 3. 모형빙생성기법연구 EG/AD 모형빙의기본생성기법은 Fig. 1과같이 cooling, seeding, freezing 및 tempering 의 4가지단계를거쳐준비하게된다. EG/AD 모형빙의기본생성기법은 Fig. 1과같이 cooling, seeding, freezing 및 tempering 의 4가지단계를거쳐준비하게된다. Cooling 단계에서는수조수표면의온도를최대한떨어뜨리고, 분사된얼음핵이고체로변하여유지될수있는대기온도로맞추어주는과정을말한다. 통상적으로대기온도를 -20 상태로하강시키게되며, 얼음핵이분사되기전에최소 20 30 분정도대기온도를유지시키게된다. Seeding 단계에서는 cooling 단계에서생성된수조수표면의불규칙한얼음을걷어주고, 약 40 의청수를수조 1-3 m 상부에서공기와함께분사시키게된다. 분사된미세크기의물분자는바로고체로상태변화하여천천히수조수표면에안착하게되며, 그때수조내의대기온도는분사된청수의영향을받아약 5 6 정도상승하게된다. 다음으로는실질적으로모형빙의두께를성장시키는 freezing 단계로서, KIOST 빙해수조에서는통상적으로 -20 의상태로모형빙을성장시키고그성장률을측정하고있다 (Cho, et al., 2010b). 마지막으로는모형빙의강도를맞추기위하여대기온도를승온시켜주는 tempering 단계로서, 일반적으로 2 를목표로대기온도를설정해놓고히터를자동제어하여조절하게된다. 본연구에서는 EG/AD 모형빙의기본적인생성기법에서주요변수인분사액온도, 결빙대기온도및목표승온대기온도에따른모형빙의물리적특성변화를살펴보았다. Fig. 1 The air temperature curve during whole generation process of 40 mm thick model ice JSNAK, Vol. 50, No. 6, December 2013 415
EG/AD 모형빙정도향상을위한콜드룸에서의생성기법및계측기법연구 3.1 분사액온도에따른모형빙생성특성모형빙생성과정에서청수를분사하는 seeding 단계는모형빙의물리적 / 역학적특성을결정짓는매우중요한과정이며, 균일한모형빙을생성하는데반드시필요한절차이기도하다. 캐나다 NRC-IOT 수조의경우, 30 분이상의분사시간을고려하여, 노즐의동결을막기위하여약 40 의청수를분사하고있으며, KIOST 빙해수조도비슷한온도조건에서얼음핵을만들어분사를진행하고있다. 본연구에서는축소된수조를사용하기때문에수동의소형분무기를이용하여 1분정도얼음핵을분사하였다. 따라서분사노즐의동결문제를고려하지않고, 분사액 (seed water) 의온도에따른모형빙의생성특성을조사하였다. KIOST 빙해수조에서와같이 40 의분사액온도를기준으로점점분사액온도를낮추어실험을수행하였으며, 최종적으로 0 의분사액온도에서도 1분이상분무기가동결되지않음을확인하고 seeding 절차를수행하였다. 같이결빙온도에서 5 /hour 의변화율을가지고대기온도를올려주고있으며, 약 2 상태로대기온도를유지하면서모형빙을지속적으로 tempering 하면서강도를맞추고있다. 본연구에서는추가로 0 와 4 상태로대기상태를유지시키면서모형빙을 tempering 하여굽힘강도를비교하였다. 본 tempering 강도제어실험을위하여콜드룸내부에더미 (dummy) 의여러물양동이를추가로배치 (Fig. 2) 하여승온단계초기시 5 /hour 의변화율을가지도록구현하였으며, 승온단계중반부에는콜드룸출입문의개폐정도를실시간으로조절하여대기온도를조절하였다. 3.2 결빙대기온도시간에따른모형빙성장률 수조수표면에분사된얼음핵은약 -20 냉풍의영향으로인해수조폭방향과깊이방향으로동시에성장을하다가근처의다른얼음핵과너비방향으로성장이충돌하게되면열자속 (heat flux) 방향인깊이방향으로만성장을하게된다. 얼음핵이깊이방향으로성장하여기둥형구조의얼음이생성되게되며, 깊이방향으로의성장률은수조표면에공급되는냉풍의온도와세기에의해크게결정된다. 본연구에서는냉풍의온도와공급하는냉풍의시간을아래의관계식 (1) 과같이 FDH(Freezing Degree Hours) 로정의하여 FDH 에따른모형빙의성장률을조사하였다. 냉풍의온도는통상적으로사용하는 -20 를기준으로 -18 와 -22 의대기온도에서모형빙의성장특성을실험하였다. 이를통하여목표빙두께생성시, 냉풍의온도와결빙시간을조절하여모형빙을생성할수있으며, 모형빙생성기법을발전시킬수있었다. (1) 여기서, Tf는 freezing 단계에서의대기결빙온도, tf는결빙시간을나타낸다. 3.3 승온대기온도에따른모형빙강도제어기술 Fig. 2 A miniature tank and some dummy buckets for control of air temperature in cold room 4. 모형빙의굽힘강도측정기법연구 모형빙의굽힘강도를측정하는방법은크게두가지로나뉜다. 첫째로, 외팔보 (cantilever beam) 를만든후보의끝단에푸쉬풀게이지로수직하중을가한뒤보의최대파단하중을측정하는방식이다. 보의형상과최대파단하중을이용하여관계식 (2) 로부터모형빙의굽힘강도를계산할수있다. 여기서, P는최대파단하중, L은파단된보의길이, B는보의폭, h는얼음의두께를의미한다. 두번째방법은콜드룸및소형수조등의좁은면적의빙판에서사용하는방법으로, 모형빙을일정크기로잘라내어단순보를만든후중앙지점에수직하중을가한후보의최대파단하중을측정하여선형탄성보이론을통해굽힘강도를계산하게된다. (2) 결빙단계에서목표빙두께보다약간얇게생성된모형빙은승온단계를거치면서목표빙두께에근접하게성장하는동시에모형빙의강도를떨어뜨려목표강도에도달하기위한대기온도조절이필요하게된다. 통상적으로 KIOST 빙해수조에서는 Fig. 1과 본연구에서는통상적으로단순보를이용한굽힘강도계산법 (3) 416 대한조선학회논문집제 50 권제 6 호 2013 년 12 월
조성락 정성엽 하정석 강국진 이외팔보를이용한계산법보다값이크게계측됨을인지하여그원인을찾고정확한굽힘강도값을측정하기위한방법을제안하였다. 즉, 단순보의양지지점의높이가너무낮은경우숙련된굽힘강도계측자라하더라도단순보가파괴된이후에도푸쉬풀게이지에추가의하중을인가하는현상을발견하였으며, 단순보를이용한정확한굽힘강도측정을위해서는충분히높은지지대를사용해야한다는결론을얻었다. 일반적으로모형빙의두께 (h) 정도의지지대높이에서는오차값이많이발견되었으며, 모형빙두께의 2배정도의지지대높이를사용한경우오차가줄어들었다. 따라서콜드룸등소형수조등에서단순보를이용하여모형빙의굽힘강도계측시, 외팔보를이용한굽힘강도값과비슷한값을얻기위해서는지지대의높이를 2h 로충분히높게하여최대파단하중을계측해야한다. 한편모형빙두께보다너무큰직경의원형지지대를사용할경우, 선하중 (line load) 을줄수없기때문에지지대의적당한크기와형태를잘선정해야할것이다. (a) 40 of seed water 5. 실험결과및해석 균일하고반복성 (repeatibility) 이우수한모형빙을생성하기위해서는많은모형빙생성경험과노하우가필요하며, 지속적으로관련기법을개발해야할것으로판단된다. 본연구에서는모형빙생성과정에서주요한변수로작용할수있는분사액온도, FDH 및승온대기온도의변화에따른모형빙의생성특성을비교하였으며, 그실험결과를다음과같이정리하였다. (b) 30 of seed water 5.1 분사액온도변화실험 Fig. 3은분사액온도에변화를주어생성한 3판의모형빙들의결정구조를촬영한사진이다. KIOST 빙해수조에서적용하고있는 40 의분사액의경우, 소형수조에서는상부의얼음핵층이두껍게형성되고있으며, 불균일한특성을보여일부는시편절단시파괴되는현상을보이고있었다. 즉, 분사액이고체로상태변화하지못하고액체로수조수표면에떨어지기때문에얼음상부표면이불균일하거나기둥형구조로수조수표면이성장하는데오랜시간이걸리기때문에얼음핵층이두껍게형성되었을것으로추정된다. 그리고 30 와 0 의분사액의경우, 얇은얼음핵층과일렬로배치된기둥형구조로모형빙이성장했음을확인할수있었으며, 0 의분사액을사용했을경우수조수표면이얼음핵으로덮혀지는결과를얻었다. 따라서콜드룸에서모형빙을생성할경우 0 로얼음핵을분사하여더욱정도가우수한모형빙을생성하는기법을마련하였다. 한편 KIOST 빙해수조에서는 0 의분사액을사용할경우, 노즐이막히는현상이발생하기때문에노즐이막히지않으면서얼음핵층을잘형성할수있는낮은온도의분사액온도에대한추가연구가필요할것으로판단된다. (c) 0 of seed water Fig. 3 Crystal structure of model ices grown by different temperature of seed water. 5.2 FDH 에따른모형빙성장률 Fig. 4는 -18, -20, -22 의결빙대기온도에서 FDH 에따른얼음의성장률을계측하여나타내었다. Seeding 과정에서분사액의온도는 0 로고정하였으며, 소형수조내의위치오 JSNAK, Vol. 50, No. 6, December 2013 417
EG/AD 모형빙정도향상을위한콜드룸에서의생성기법및계측기법연구 Fig. 4 Comparison of ice growth rate at cold room in KIOST with at ice tank in IOT 차를줄이기위하여계측시간에따른계측위치를동일하게수행하였다. 또한기존에발표한캐나다 NRC-IOT 빙해수조의얼음성장률 (Jones, 1993) 도함께비교하여도시하였다. KIOST 콜드룸은내부크기에비하여냉동기용량이크기때문에 NRC-IOT 빙해수조의모형빙성장률보다크게성장하고있음을알수있다. 또한결빙이진행될수록모형빙이성장하는바닥면까지열자속전달률이떨어지기때문에완만하게성장률이둔화되고있음을확인할수있다. 각결빙대기온도 -18, -20, -22 에서모형빙의성장률은각각 3.04 mm/h, 3.49 mm/h, 3.61 mm/h 였으며, 결빙대기온도가다르더라도결빙시간을증가시켜같은 FDH 상에서는거의유사하게모형빙이성장하고있음을검증하였다. 따라서 KIOST 빙해수조에서목표빙두께를맞추기위한각결빙온도별냉동기가동시간을추정할수있게되며이를통하여효율적인냉동기운영과빙모형시험의일정을쉽게조절할수있을것으로판단된다. 5.3 승온대기온도에따른모형빙강도 Fig. 5는승온대기온도에따른모형빙의굽힘강도계측결과를도시하였다. Seeding 단계에서분사액의온도는 0 로고정하였으며, -20 의결빙대기온도로 11 시간동안모형빙을생성하였으며, 굽힘강도는소형수조중앙부에서승온과정이경과하면서매측정시간에 2개의시편을계측하여평균값을나타낸것이다. 또한 4 로대기온도를승온할경우 15 시간의경과시의굽힘강도가매우낮게계측될것으로추정하고경과 9시간에추 가로굽힘강도를계측하였다. 굽힘강도추세선은다항식 2차를선택하였으며, 4 의승온결과는데이터부족으로 13 시간경과이후굽힘강도가올라가는것으로오추정되고있다. 승온대기온도가 0 에서 4 로상승함에따라시간에따른굽힘강도하강률이약간커져굽힘강도가약간낮게계측되고있음을확인하였다. 승온대기온도를높여모형빙의굽힘강도를빨리낮추게되면, 빙모형시험을위한대기시간을줄일수있게되며, 원활하게모형시험일정을조절할수있는장점을가지게될것이다. 6. 결론 본논문에서는 EG/AD 모형빙의생성정도를향상하기위한생성기법및계측기법에대한실험적인연구결과를정리하였다. EG/AD 모형빙을생성하는절차중, 분사액온도에따라모형빙상부층의두께및균일도가차이가남을확인하였으며, 분사액온도가낮을수록모형빙상부의분사층 (seeding layer) 이얇고균일하게성장함을알수있었다. 추후 KIOST 빙해수조에서적용하기위한최적의분사액온도에대한연구가필요할것으로사료된다. 또한결빙대기온도와결빙시간을연계하여 FDH 에따른모형빙의성장률을조사하였으며, 이는대형빙수조에서모형빙생성일정을준비하는데좋은자료가될것으로판단된다. 그리고승온대기온도에따른모형빙의굽힘강도변화추이를통해모형빙의굽힘강도를제어할수있음을알수있었다. 한편모형빙의물리적특성중큰비중을차지하는굽힘강도 418 대한조선학회논문집제 50 권제 6 호 2013 년 12 월
조성락 정성엽 하정석 강국진 Fig. 5 Measured flexural strength curve of model ice vs. tempering time and some different air temperatures in tempering 측정기법의문제점을인지하여, 소형수조등의좁은면적의모형빙에서주로사용하는단순보시험계측법의정도향상을위한기법을개발하였다. 즉, 통상적으로모형빙두께정도의지지대를사용하여단순보시험을수행하였으나, 모형빙의두께보다충분히높은지지대를사용해야계측오차를줄일수있음을확인하였다. 본연구를통해모형빙생성기법및계측기법은앞으로도지속적으로개발하여정도를높여야함을다시한번알수있었으며, 이를통하여빙모형시험의해석정도를향상시킬수있을것으로기대된다. 후기 본연구는한국해양과학기술원주요과제인 빙해수조의모형빙생성및강도제어기술고도화 (PES156D)" 및 빙해수조모형빙의두께분포계측장비와기술개발을위한기획연구 (PES1680)" 의지원으로수행되었으며, 연구비지원에감사드립니다. References Cho, S.R. Lee, C.J. & Jeong, S.Y., 2010a. An efficient EG/AD model ice for the MOERI ice tank. Proceedings of International Symposium Offshore and Polar Engineering Conference, Beijing China, 20-25 June 2010, pp.1183-1187. Cho, S.R. Lee, C.J. & Jeong, S.Y., 2010b. A Study on the Initial Model Ice Generation and Ice Resistance Tests. Journal of Ships & Ocean Engineering, 49, pp.1-9. Cho, S.R. Chun, E.J. Yoo, C.S. Jeong, S.Y. & Lee, C.J., 2011a. The Measuring Methodology of Friction Coefficient between Ice and Ship Hull. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 48(4), pp.363-367. Cho, S.R. Yoo, C.S. & Jeong, S.Y., 2011b. Development of Model Test Methodology of Pack Ice in Square Type Ice Tank. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 48(5), pp.390-395. International Towing Tank Conference(ITTC), 1996. Final Report and Recommendations to the 21st ITTC. Performance in Ice-Covered Waters Committee of the 21st ITTC. ITTC International Towing Tank Conference(ITTC), 1999. Final Report and Recommendations to the 22nd ITTC. Specialist Committee of the 22nd ITTC.ITTC Jones, S., 1987. Ice Tank Test Procedure at the Institute for Marine Dynamics. Report No. LM-AVR-20, : National Research Council of Canada. Kim, J.H. Choi, K. Jeong, S.Y. Seo, Y.K. Cho, S.R. & Lee, C.J., 2008. An Experimental Study for the Mechanical Properties of Model Ice Grown in a Cold Room. Journal of the Korean Society of Ocean Engineers, 22(3), pp.64-70. JSNAK, Vol. 50, No. 6, December 2013 419
EG/AD 모형빙정도향상을위한콜드룸에서의생성기법및계측기법연구 Kim, J.H., 2011. A Study on the Material Properties of Compound Model Ice for Utilization in the Ice Model Basin. Ph.D., Busan: Korea Maritime University, Korea. Lee, C.J. Cho, S.R. Lau, M. & Wang, J.Y., 2008. A Study on Improvement of Ice Model Test Procedure. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 45(5), 562-568. MARC, 2000. Standard Ship Model Tests, Ice Conditions and Analysis Methods at Masa-Yards Arctic Research Center. MARC Report D-114. MARC Timco, G.W., 1986. EG/AD/S : A New Type of Model Ice for Refrigerated Towing Tanks. Cold Regions Science and Technology, 12, pp.175-195. 조성락정성엽하정석강국진 420 대한조선학회논문집제 50 권제 6 호 2013 년 12 월