2009 년도한국과학기술협의회공동학술대회 5 월 28( 목 )~29 일 ( 금 ) 창원컨벤션센터 (CECO) Retractable Azimuth Bow Thruster 적용에따른저항성능고찰 김도준 *, 오선호 *, 이창훈 *, 이무열 *, 김현정 *, 한정일 * STX 조선 * A study on resistance characteristic of the ship with Retractable Azimuth Bow Thruster Do-Jun Kim *, Sun-Ho Oh*, Chang-Hoon Lee*, Moo-Yeol Lee*, Hyun-Jung Kim*, Jung-Il Han* STX Offshore & Shipbuilding Abstract In this study, the ship resistance performance with the new type machinery to Retractable Azimuth Bow Thruster was practiced by CFD code. Retractable Azimuth Bow Thruster is composite system to combine the Tunnel thruster and Azimuth thruster that used to maneuverability improvement and auxiliary propulsion. Hull applied on the new concept system will be changed the resistance characteristics, caused by increasing the form resistance and variation of vessel surrounding the flow patterns. In this paper, the azimuth bow thruster results have been compared with conventional bow thruster. Although the free surface is approximated by the symmetry plane in this work, the computed results are useful for evaluation of the resistance performance. Keyword : Resistance( 저항 ), Retractable Azimuth bow thruster ( 리트랙터블아지무스바우스러스터 ), CFD( 전산유체역학 ), LPG 선 (LPG Carrier) 1. 서론선박의안정성과환경에대한규정이강화되고상사고예방에대한선주들의관심이커지면서선주들의요구가점차다지고있다. 당사에서는이미개발이완료된 LPG 선형에대신개념장치인리트랙터블아지무스바우스러스터 (Retractable Azimuth Thuste) 의설치를 요청받았고이에대한성능평가를고려하게되었다. Fig. 1 과같이리트랙터블아지무스스러스트란선체내에위치하는경우터널스러스터 (Tunnel thruster) 로사용할수있고, 선체밖에서는아지무스스러스트 (Azimuth Thuster) 로사용할수있는장치로써조종성향상및유사시보조추력으로도사용이가능하다.
수들에 의 달라지게 되는데, 통상적으로 전저 항의 1~2% 영향을 끼치는 것으로 알려져 있다. 그러나 이번에 적용될 신개념 장치의 경우 일반 적인 바우스러스터 보다 개구부의 형상도 복잡 하고 선측뿐 아니라 선저에 유체 흐름도 변화시 키기 때문에 이에 대한 저항 성능 고찰이 필요 하게 되었다. 일반적으로 선수 부가물에 대한 연구 방법에는 상사법칙에 근거한 실험적 접근 법(EFD)과 물리법칙에 근거한 수치계산법(CFD) 을 통한 유동장 석을 들 수 있다. 실험적 방 Fig. 1 Retractable Azimuth Thruster 회 법은 이러한 부가물에 대한 영향을 정량적으로 평가할 수 있으나 결과를 얻기 위서는 많은 Table 1 Principal Dimensions T(m) 7 Froude No.(Fr) 0.22 할 수 없으나, 빠른 시간 안에 국부 유동에 대 한 영향을 판단할 수 있고 저항 성능 우위 비교 가 가능하다는 장점이 있다. 본 연구를 진행하 는데 있어서의 목적은 설계 관점에서의 석 기 법 마련과 계약 조건 준수에 있기에 수치적 연 구 석 방법을 사용하였다. 연구 방법은 기 개발된 선형에 스러스터를 설치한 형태의 모델링을 한 국 후의 저항값을 전산석을 통하여 계산하고 이 수 산 를 일반적인 형태의 바우스러스터와 비교하였다. 한 터 14.6 아직 그 계산의 정성적, 정량적 결과들은 도출 센 speed(knot) 의 0.72 정 보 CB 은 실제 유동현상에 근사에 의한 석방법으로 협 2.57 술 B/T 시간과 비용이 소요된다. 수치석적 연구 방법 학 기 6.06 과 L/B Type : Retractable Azimuth Thruster Power : 450kw 1,200RPM 2. 석 방법 2.1 대상선형 석을 위한 선형으로는 6.5K LPG 선으로서 실선의 주요 제원은 Table 1, Fig. 2 과 같다. 본 연구에서는 1/17.2 의 축척비를 가지는 모델을 가지고 모형시험과 동일한 조건에서 계산을 수 행하였다. Bow thruster 는 Fig. 3 와 같이 RAT Fig. 2 Configuration of Retractable Azimuth Thruster (Retractable Azimuth Bow (Conventional Bow Thruster) Thruster), CBT 2 가지 type 에 대하여 분석하였다. 두 가지 형태가 가지는 차 바우 스러스터와 같은 부가물의 경우 선체에 이점은 CBT 가 선측으로만 개구부가 존재하는 유체 흐름을 방하고 이로 인하여 선체 저항은 반면, RAT 의 경우 선저로 이송이 가능하도록 증가하게 된다. 일반적 바우 스러스터에 의한 출입을 위한 추가적인 개구부가 존재한다는 점 선체 저항 증가는 선형, 선속, 개구부의 위치와 이다. 크기 또는 바우 스러스터의 개수 등 다한 변
Fig. 4 Grid system for CFD analysis 회 (a) Retractable Azimuth Thruster (RAT) 또한, 격자계 자체에 의한 영향을 최소화하기 의 위하여 개구부 내부의 격자를 제외한 외부의 격 협 자구성은 동일하게 하도록 유지하였다. Fig. 4 는 본 연구에서 사용되어진 O-H 격자계와 개구 터 술 부 주위의 격자구성을 보여주고 있다. 석조건 과 (b) Conventional Bow Thruster (CBT) 센 바우스러스터와 같이 복잡한 형상주위를 잘 연 구 모사하기 위서는 벽면특성을 잘 표현 줄 수 있는 적절한 난류 모델의 선정이 필요하다. 본 Fig. 3 Type of Bow thruster 국 2.3 수치석 및 검증 정 보 학 기 의 Reynolds 수는 1.2 107 이다. 연구에서는 선체성능 석을 위 공학적 요구 에 비교적 적합한 결과를 주면서도 석 비용 산 2.2 격자 생성 및 석 조건 저항은 점성에 의한 마찰저항과 형상저항을 고 모델을 도입하고, 같은 2-equation model 로서 려할 수 있다. 본 연구에서는 조파저항의 영향 복잡한 난류 유동장을 보다 정도 있게 모사할 수 면에서는 경제적이라고 알려져 있는 표준 k-e 한 바우스러스터를 설치함으로써 발생하는 주요 수 있는 것으로 알려진 k-w 모델을 추가로 적 며, 모델과 격자생성을 위 3 차원 CAD 상용프 용하여 그 결과를 검증차원에서 상호 비교하였 로그램인 Rhino 3.0 와 Gridgen V.15 을 사용하 다. 먼저 수치석의 타당성을 검증하기 위 였다. 외부 유동장의 크기는 선체주위 수치에 개구부가 없는 경우에 대 모형시험결과와 비 영향을 주지 않아야 하므로 선체 길이 L 을 기 교하였다. Fig. 5 는 속도의 변화에 따른 마찰저 준으로 선수방향으로 L, 폭 방향으로 L, 선미방 항을 나타낸 것으로 ITTC1975 년 모형선-실선 향으로 2L 의 범위를 고려하였다. 평균 80 만개 상관곡선과 비교하여 나타내었다. k-e 난류모델 정도의 격자를 생성하였고 선체표면 근처 점성 이 ITTC 곡선과 더 유사한 경향성을 나타냄을 유동을 고려하기 위 최초 격자점까지의 거리 확인할 수 있었고 k-e 보다 k-w 난류모델의 저 는 평균 10-4 로 Y +가 20 이하의 값이 되도록 항값이 더 높은 경향을 보였다. Fig. 6 은 대상 위치하였다. 격자계는 선체의 유동석을 위 선형의 수치석을 통한 유선의 흐름을 나타내 서 일반적으로 사용되는 O-H 격자를 구성하였 었다. 자유수면에 대한 영향이 미고려 되었으나 으며 thruster 가 설치될 개구부의 내부는 비정 초기 유선의 흐름각과 개구부 주위의 유동상태 렬로 이루어진 hybrid 격자를 사용하였다. 를 판단할 수 있다. 을 고려하지 않은 이중모형 석을 수행하였으
Table 2 Variation of resistance with Grid number Case No. of Cell C VM ( 10 3 ) Grid A 50,000 2.285 Grid B 100,000 2.536 Grid C 200,000 3.001 Grid D 300,000 3.170 Grid E 400,000 3.265 Grid F 500,000 3.351 Grid G 600,000 3.389 Fig. 5 Frictional resistance coefficients Grid H 700,000 3.390 Fig. 6 Estimated streamline around hull (Fr=0.22) 3. 결과분석 (a) RAT (Retractable Azimuth Bow Thruster) 3.1 Grid dependency check 수치석의정확도을판단하기위서격자수에따른영향을조사하였다. 모형선에대한예인수조의조건과동일하게하고 5 만개의격자수를갖는 Grid A 를기준으로일정크기로증가시키면서계산을수행하였으며, 선체표면에서최초격자점까지의거리는일정하게하였다. 수렴여부는 residual 값이 10-4 이하의값이되면수렴으로판정하였다. Table 2 에서와같이 70 만개이상이면격자수영향에대한안정성을확보할수있을것으로판단된다. (b) CBT (Conventional Bow Thruster) Fig. 7 Pressure distribution around bottom hull
3.2 선체저항성능비교 Fig. 7 은 RAT, CBT 두가지형태의스러스터를선체하부에서바라본모습이다. RAT 의경우, 선저중앙개구부의앞쪽에서압력강하가발생하고뒤쪽에서는높은압력이걸리게된다. 이러한압력변화가개구부주변의복잡한유동을만들어저항을증가시키는것으로판단된다. Fig. 8 는 RAT, CBT 스러스터주위의유동을가시화한것이다. RAT 는주로개구부의위쪽에서내부로유입된흐름이복잡한유동을발생시킨후선저부로빠져나오는것을확인할수있다. CBT 의경우에도개구부로유입된흐름이다시개구부의아랫부분으로유출되는것을확인할수있다. Table 3 Comparison of resistance coefficient Type Barehull (CFD) C FM ( 10 3 ) C VPM ( 10 4 ) C VM ( 10 3 ) 2.675 7.259 3.401 RAT 2.67 7.580 3.427 CBT 2.672 7.455 3.418 Table 3 은 Barehull, RAT, CBT 세가지형태에관한계산결과를나타내었다. 점성저항성분중마찰저항의성분이많은부분을차지하지만점성압력저항이저항성능의우위를차지하는중요한요소가된다는것을확인할수있다. 점성압력저항에대한정밀한계산과감소방안에대한연구가필요할것으로보여진다. 계산된마찰저항과압력저항의값은각각선체표면에걸리는전단응력과법선응력을적분한값이기때문에실제선박의점성저항, 잉여저항과직접비교할수는없으나정성적인경향을도출각각의형상이가지는특성은파악할수있을것으로판단된다. 4. 결론 (a) RAT 신개념장치인리트랙터블아지무스바우스러스터 (Retractable Azimuth Thuste) 의설치에따른저항성능평가를위전산석을도입하였고이를통하여스러스터설치에따른주변유동을모사할수있었다. (b) CBT Fig. 8 Flow path line around bow thruster 1. CBT에비하여 RAT의저항증가가나타났으며, 개구부주변에발생하는복잡한유동으로인한영향임을구현할수있었다. 2. 부가물과개구부가없는경우, 일반적으로사용되는 k-e 난류모델이경향성측면에서는잘맞는것으로판단된다. 향후스러스터가설치된모형시험결과를이용하여복잡한형상의경우에대서고찰볼필요성이있다. 3. 정량적인결과를도출하기에어려움이있으
나, 각형태에따른저항특성과우열은판단할수있었다. 4. 향후개구부의위치와크기및다한변수를고려한정도높은수치석기법과이를검증할수있는시험기법확립이요구된다. 참고문헌 김성표, 박제준, 전동수, 김용수, 이춘주, 바우스러스터터널그리드개선을위한연구, 대한조선학회논문집, 제 43 권, 제 3 호, pp. 304~312. 황보승면, 손석호, 저항, 추진관점에서의 Bow Thruster 영향에대한실험적고찰, 선박설계연구회동계연구발표회, pp.5-1 ~ 5-7 K Taniguchi, et al. Investigation into the Fundamental Charateristics and Operating Performances of Side Thruster. Mitsubishi Technical Bulletin, Vol 35, May 1966. E Lehn, Practical Method for Estimation of Thrust Losses, FPS-2000 Mooring and Positioning, Part 1.6 Dynamic Positioning Thruster Efficiency 박동우, 김민규, 강선형, 2003, 저항, 자항시험에있어서의불확실성석, 대한조선학회논문집, 제 40 권, 제5호, pp. 1~9. R Sharma, Computer-aided Design of Bow Thruster for Marine Vehicles, IE(I) Journal. Vol 86, January 2006. J. L. Beveridge. Design and Performance of Bow Thruster, Marine Technology, October 1972, pp 439-453