대한조선학회논문집 Journal of the Society of Naval Architects of Korea Vol. 48, No. 2, pp. 158-164, April 2011 DOI : 10.3744 / SNAK.2011.48.2.158 유진원 1 이영길 2, 박애선 1 하윤진 1 박정규 1 최영찬 1 인하대학교대학원조선해양공학과 1 인하대학교기계공학부조선해양공학전공 2 A Study on the Resistance Performance of Korean High-Speed Small Coastal Fishing Boat Jin-Won Yu 1 Young-Gill Lee 2, Ae-Seon Park 1 Yoon-Jin Ha 1 Cheong-Kyu Park 1 Young-Chan Choi 1 Dept. of Naval Architecture and Ocean Engineering, Graduate School, Inha University 1 Dept. of Naval Architecture and Ocean Engineering, Inha University 2 Abstract The study on the improvement of resistance performance is very important for coastal fishing boats in Korea, because the prices of fuel oil are gradually risen and the demand of high-speed fishing boats is increased lately. This study is concerned with the improvement of the resistance performance for Korean high-speed small coastal fishing boats. A semi-planing hull form of Korean small coastal fishing boat is selected in the role of initial hull. From the modification of the hull form parameters and the local characteristics of the hull form, the improvement of the resistance performance is achieved. The resistance performances of the initial and the modified hull forms are estimated by using a numerical simulation method. Also, ship model tests are carried out in ship model basin. Keywords : High-speed small coastal fishing boat( 고속소형연안어선 ), Hull form design( 선형설계 ), Resistance performance( 저항성능 ), Numerical simulation( 수치시뮬레이션 ), Model test( 모형시험 ) 1. 서론 최근한반도연안에서조업이가능한고속소형어선의수요는증가하고있지만, 영세한국내어업종사자들은, 건조비증가등의이유로선형을개선하기보다는고마력엔진을사용하여어선의속력을높이고있다. 또한국내외어업환경은자원의감소, 유류비상승에따른채산성악화와수산물시장개방등의문제를겪고있다 (Kang 2006). 어업환경의변화, 연근해수자원고갈문제및해양레저선박의수요증가에대처하기위하여복합어선과같은새로운선형개발이요구되고있다 (Cho et al., 2002). 우리나라어선은작업성, 안전성이우수한선형이선호되어, 이와같은분야외의어선에관한연구가많이이뤄지지않고있는실정이다. 특히저항성능에관한자료나연구는매우드물게이루어졌다. 하지만최근유가상승들의이유로어선의저항성능에관한연구의필요성이고조되고있다. 이에따라국내에서연근해소형어선근대화사업및소형어선의마력추정과선형설계에관한연구, 우리나라어선의저항성능및선형요소에관한연구등의어선저항성능향상에관한연구가진행되었다 (Kim and Lee 1984; Lee 1984; Lee et al., 2006; Kang et al., 2007; Lee et al., 2008; Yu and Lee 2008; Jee et al., 2009). 근래에는 20knots 이상의고속어선이많이이용되고있지만, 고속어선의저항성능에관한연구가부족한실정이다. 선행연구 (Yu et al.(2010)) 에서 20knots 에서운항하는국내연안어선을대상으로하여, 저항성능이향상된선형을설계하였다. 하지만고속어선에대한수요증가에따라, 20knots 이상에서운항하는어선에대한추가적인연구가필요하다. 본연구에서는한국의영해안에서 25knots 로운항하는어선을대상으로, 유효마력을감소시킬수있는선형요소를산출하고, 국부적인선형특성을추가적으로보정하여, 저항성능을향상시킬수있는선형을설계한다. 설계된선형에대한수치시뮬레이션과모형시험을수행하여, 저항성능의향상정도를확인한다. 본연구의선형설계결과를바탕으로, 좀더우수한저항성능을가지는한국형고속소형연안어선을제시하고자한다. 2. 연구대상선형및선형보정 2.1 연구대상선형 25Knots 로운항하는국내고속연안어선중에서선형자료가공개되어있는 G/T 9.77 톤낚시어선 (Korea Ship Safety Technology Authority 2009) 을연구대상선형으로선정하였다. G/T 9.77 톤낚시어선의배수용적은 17.00 m3이지만, 선행연구 (Yu et al., 2010) 에서사용되어진국내연안어선의선형요소범위를본연구의선형설계에활용하기위하여, 배수용적을 12.87 m3로 접수일 : 2010 년 8 월 26 일 승인일 : 2011 년 3 월 3 일 교신저자 : younglee@inha.ac.kr, 032-860-7340
유진원 이영길 박애선 하윤진 박정규 최영찬 축소 ( 축척 :1/1.112) 한선형을초기선형 (25)(Scaled initial hull(25)) 으로하여연구를진행하였다. 이는국내연안어선중에가장건조척수가많은 4.99 톤급어선에본연구결과를적용하기위함이다. Fig. 1 은초기선형 (25) 의선도이며, Table 1 은초기선형 (25) 의 선형요소를나타내고있다. Fig. 1 Lines of the initial hull Table 1 Principal dimensions of the initial hull Principal dimension Initial hull Scaled initial hull(25) (scale:1/1.112) L WL(m) 13.62 12.25 B(m) 3.40 3.06 B C(m) 3.30 2.94 T(m) 0.70 0.63 WSA(m 2 ) 50.5 42.94 (m 2 ) 17.00 12.87 LCB(%) -8.86-8.86 C B 0.531 0.531 C P 0.741 0.741 초기선형 (25) 은차인선형과직선단면형상을가진고속선형으로, 설계속력 (Fn=1.17) 에서속력과선형의관계 (Savitsky 1985) 에따른선체지지방식을보면, 활주형선박에속한다. 활주선형은고속영역에서단면형상이저항성능에큰영향을미친다. L WL/B 와단면형상에따른저항성능을보면, L WL/B=4.0 을갖는활주선형이 25Knots 에서운항하는경우, 오목단면형상 (Concave section shape) 또는볼록 오목단면형상 (Inverted bell section shape) 이저항성능에유리한것으로파악되어진다 (Lee and Lee 1998). 특히, L WL/B 가커질수록볼록 오목단면형상이저항성능에는좋은것으로나타나고있다. 초기선형 (25) 은직선단면형상 (Straight section shape) 을가지고있는데, 이는생산성을높이고건조단가를낮추기위한것으로추측된다. 또한, 초기선형 (25) 은차인폭이중앙보다선미부분이넓고, 트랜섬부분까지일정하게유지되어, 충분한복원력을확보한선형으로판단된다. 활주선에대한모형시험결과 (Koelbel 1978) 를보면, 20 내외의선저경사각이활주선에적절함을알수있다. 이는초기선형 (25) 의선저경사각 (19.5 ) 과유사한수치이다. LCB 는활주성능과밀접한관계를가지고있으며, 일반적으로트랜섬에서 LCB 까지의거리는 L WL 의약 40~45% 정도의위치가적 당하다 (Niwa 1971). 초기선형 (25) 의 LCB 위치는약 41% 정도로, 비교적활주성능에좋은지점에위치한것으로판단된다. 2.2 선형보정 선형설계는 20knots 연안어선설계 (Yu et al., 2010) 와마찬가지로선형요소를보정하여유효마력을최소화시키는과정과 그후, 선형특성을보정하여저항을보다더감소시키는과정을 단계별로수행하였다. 선형요소결정에있어서는저항성능만을 고려하면운동성및작업성등의실용성이결여될수도있기때 문에본연구에서는이에대비하기위하여어선의기본적인특성 이포함될수있도록한국연안실적어선의주요요목 (Korea Ship Safety Technology Authority 1995) 을참고하였다. 설계속력은초기선형 (25) 의선속인 25knots (Fn =2.68) 로, 반 활주선형 (semi-planing)(2.5 Fn <4.0) 에속하는속력이다. 정지 된상태의수선길이를이용한 Froude 수 (Fn) 은, 속도에따라수선 길이의변화가심한고속의소형선박에서의각속도에따른올바 른 Froude 수의표현이되지못함으로, 정지시의배수용적의세제곱근을이용한 Froude 수 (Fn ) 를사용하여연구를수행하였다. 20knots 연안어선설계에서사용한한국어선의유효마력추정 프로그램 FISH-K(Lee et al., 2006) 는 Fn =2.1 까지만추정할수 있기때문에, 본연구에서는 Fn =1.0 ~ 4.0 까지추정가능하 고, 활주선의저항추정에활용되는회귀방정식인 Radojcic method (Toshikazu 1992) 를이용하여유효마력을추정하였다. Radojcic method 의저항추정식 Y 는회귀해석을통하여도출된 회귀계수들과활주형선박의저항에영향을미치는주요선형요 소들을이용한식 (1) 의다항식으로부터구할수있다. 여기서 X 1, X 2, X 3, X 4 는선형요소들에의한파라메타들을정규화한것으로 식 (2) 과같다. 추정식 Y 는배수량 100000lbs 인선박의단위배수 량에해당하는저항값 (lbs) 으로, 구하고자하는실선의저항 (R) 및유효마력은식 (5) 과식 (6) 을통하여구한다. (4) (1) (2) (3) JSNAK, Vol. 48, No. 2, April 2011 159
여기서, L p 는차인선의길이, A p 는활주면의면적, B pa 는활주면의평균폭 (=A p/l p), B M 은 L p/2 에서평균선저경사각 ( ), L g 는트랜섬후단으로부터 LCB 중심까지의수평거리, R 100000 은배수량 100000lbs 인선박의저항값 (lbs), 는배수량 (ton), C f 는 Scheonherr 의마찰저항계수, Cα 는 correlation allowance, R 은실선의저항 (kg), V 는속력 (m/sec) 이다. 첫번째선형설계의단계는선형요소를보정하는것으로, 어선의저항을좌우하는주요선형요소를개선함으로써저항성능을향상시키는과정이다. 초기선형 (25) 을대상으로, Ap/ 2/3, Lg/Lp, Lp/Bpa, BM 을변수로하여, Radojcic method 저항추정값이감소될수있는선형요소값들을산출하고, 이들선형요소들로부터변수선정조건등을고려하여 L WL, B, B C, D, T, WSA 등을비례식및추정식을통하여산출하였다. 산출된값이국내연안어선실적선의주요요목범위를벗어나면이를제외시키고위과정을반복한다. 실적선의주요요목범위를벗어나지않고 Radojcic method 를이용한유효마력이최소가되는선형요소와주요요목수치들을최종적으로선택하여선형설계를수행하였다. Table 2 Comparison of the principal dimensions between the scaled initial hull(25) and the designed hull(25) Principal dimension scaled initial hull(25) Designed hull(25) L WL(m) 12.25 12.25 B(m) 3.06 3.06 B C(m) 2.94 2.70 T(m) 0.63 0.63 ( m3 ) 12.87 12.87 WSA( m2 ) 42.94 41.80 LCB(%) -8.86-8.86 C B 0.531 0.531 L p 12.39 12.39 A p 29.47 26.97 L g 5.04 5.04 B pa 2.38 2.18 B M 19.5 18.5 며, Toshikazu (1992) 의연구에서도실험값과비교하여저속구간에서추정값의오차가크게나타나는유사한결과를보이고있다. Fig. 2 Sectional area curves of the scaled initial hull(25) and the designed hull(25) Fig. 3 Comparison of the estimated EHP between the scaled initial hull(25) and the designed hull(25) (a) Modification of the hull form parameters Table 2 는초기선형 (25) 과출력된선형요소들로보정한설계선형 (25)(Designed hull(25)) 의선형요소를비교한것이다. 초기선형 l(25) 과비교하여설계선형 (25) 의활주면과활주면의평균폭이줄어들었고, 이에따라차인폭이감소하였다. 또한평균선저경사각이작아졌다. Lg 는초기선형 (25) 이가지는 LCB 의위치가적절하다고판단하여, 초기선형 (25) 의선형적특성을유지하도록변화시키지않았다. Lg 를변화시키지않고선형설계를수행하였기때문에, Fig. 2 와같이설계선형 (25) 의횡단면적곡선 (sectional areas curve) 은초기선형 (25) 의횡단면적곡선과같다. Fig. 3 은 Radojcic method 를이용한추정유효마력을비교한것으로, 설계속력에서설계선형 (25) 의유효마력이초기선형 (25) 보다약 5% 감소한결과를보여주고있다. Fn =2.33 이하에서초기선형 (25) 의유효마력이설계선형 (25) 보다낮게추정되고있다. 이는추정프로그램자체에내재되어있는저속구간에서의추정오차로보여지 (b) Modification of the hull form characteristics Fig. 4 Frame line modification for the designed hull(25) 선형설계는상용선박설계프로그램인 Ez-Ship 을사용하였으며, Fig. 4 의 (a) 에서와같이초기선형의차인폭이좁아지지만, 선저경사각을낮춰줌으로서, 횡단면적의증감이같도록하였다. 선형설계의두번째단계는선형특성을보정하는단계이다. 활주선의단면형상및장폭비와저항성능과의관계에대한연구 (Lee 1998) 를보면, 25knots 에서볼록 오목단면형상이저항성능면에서우수한선형으로검증되었다. 이는폭이좁아질수록저항성능은단면형상에의해좌우되어진다는것을의미한다. 이점을참고하여선형요소가보정된선형을대상으로볼록오목단면형상을갖도록 160 대한조선학회논문집제 48 권제 2 호 2011 년 4 월
유진원 이영길 박애선 하윤진 박정규 최영찬 선형특성을보정하였다. Fig. 4(b) 는선형특성변화에따른선형보정을보여주고있다. 볼록한부분과오목한부분의단면적을같게하여, LCB 와배수용적의변화가없도록보정하였다. 볼록한부분에서오목한부분으로변하는변곡점및곡률의정도는, 초기선형 (25) 과선형이유사하고볼록 오목형상의단면을가진활주선 (Naoki 2005) 을참고하여보정하였다. Fig. 5 는선형특성까지보정된설계선형 (25) 을초기선형 (25) 과비교하여나타내었다. Fig. 6 Grid system for calculation Fig. 5 Comparison of the hull forms between the scaled initial hull(25) and the designed hull(25) 3. 수치계산과모형시험의결과고찰 3.1 수치계산 초기선형 (25) 과설계선형 (25) 에대한저항성능의차이를확인하기위해수치계산을수행하였다. 계산조건은 Table 3 과같으며, 상용코드인 Fluent 6.3.26 을사용하였다. 계산영역은 Fig. 6 과같이선체를중심으로선미방향은배길이의 4.0 배, 선수, 폭, 깊이방향으로는각각 2.5 배이다. Fig. 7 은초기선형 (25) 과설계선형 (25) 의파형을비교한그림이다. 초기선형 (25) 과설계선형 (25) 에서발생되는파형을비교해보면, 설계선형 (25) 의선수부근에서발생하는발산파의파고가높은부분이초기선형 (25) 에비하여크게차이는없지만, 선미후류부분의파고가낮은영역이조금감소하였다. 이는선형요소보정에의한차인폭감소에기인한것으로판단된다. 특히차인폭감소의영향이, 항주자세로인하여, 선수부보다선미부의파형변화에좀더크게작용하는것으로판단된다. Table 3 Calculation conditions Scaled initial hull(25) Designed hull(25) Scale 1/17 1/17 LWL(m) 12.25 12.25 BC(m) 3.06 3.06 draft(m) 0.63 0.63 WSA(m 2 ) 42.94 41.8 Number of grids about 900,000 Turbulence model Pressure-velocity coupling Calculate of free surface Realizable k-ε SIMPLE VOF(Volume of fluid) Fig. 7 Comparison of the wave contours between the scaled initial hull(25) and the designed hull(25) Fig. 8 (a), (b) 는선체에작용하는압력분포와선측파형을나 타낸것이다. 설계선형 (25) 의경우초기선형 (25) 에비하여, 압력 의최대치는비슷해보이지만, 국부적으로압력이높게나타나는 stagnation line 부근에서, 높은압력의영역이작아진것을확인 할수있다. 이는초기선형 (25) 과설계선형 (25) 의단면형상의차 이에기인한것으로판단된다. 항주상태에서선체와자유수면이 맞닿는부분의수면아래단면형상이설계선형 (25) 의경우볼록 한형상으로되어있다. 이로인하여직선형상을갖는초기선형 (25) 에비하여, 유동이좀더멀리돌아서빠져나가게되어, 상대 적으로설계선형 (25) 에서높은압력의영역이작아진것으로파 악되어진다. Fig. 8 (b) 에서선수부분의선측파형이급하게변화 하여국부적으로는침수표면적이증가한것으로보이지만, Fig. 8 (c) 에서보이는것처럼차인폭이감소하여, 총침수표면적은줄 어들게된다. Table 4 는각선형들의저항성능차이를비교한것이다. 압력 저항 (Pressure resistance, RP) 과점성저항 (Viscous resistance, RV ; 선체표면마찰에의한저항을뜻함.) 을비교했을때설계선 형 (25) 이초기선형 (25) 에비해각각 3.9%, 7.9% 감소하였고, 전저항을비교했을때는 5.4% 감소하였음을확인할수있다. 수계산에서산출된전저항계수를 2 차원외삽법에의한모형선 - 실선저항추정법으로실선의전저항을추정하여유효마력을비 교하면약 6.5% 감소할것으로추정된다. JSNAK, Vol. 48, No. 2, April 2011 161
3.2 모형시험 (a) Front View (b) Side View 초기선형 (25) 과설계선형 (25) 의저항성능을보다자세히파악하기위하여모형시험을수행하였다. 모형선은예인전차의예인속도를고려하여 1/17 축척으로제작되었다. 각선형들의모형시험을 Fn =0.86~2.68 에서수행하였으며, Fig. 9는설계속력 Fn =2.68 에서모형시험을수행한사진들이다. 초기선형 (25) 과설계선형 (25) 의파형은크게차이가나지않는것을확인할수있다. 따라서초기선형 (25) 과설계선형 (25) 의조파저항성능면에서는크게차이가없을것으로판단된다. Fig. 10에서잉여저항계수를확인하여보면전속도영역에서설계선형 (25) 이초기선형 (25) 에비하여거의일정한폭으로감소된것으로확인할수있으며, 설계속도의경우약 10.8% 가감소하였다. 이는잉여저항계수의감소에있어서조파저항보다는형상저항이감소한것으로판단된다. 형상저항의감소는설계선형 (25) 의차인폭과침수표면적의감소로인한것으로판단된다. 일반적으로형상저항은유체의점성과관계가있다고가정하고있기때문에, 수치계산결과 (Table 4) 에서의점성저항감소와실험결과에서의잉여저항 ( 그중형상저항 ) 의감소가서로관련되어있는것으로판단된다. 트림과침하량을보면, 초기선형 (25) 과설계선형 (25) 이크게차이가없는것으로나타나항주자세의변화가없는것으로파악된다. 설계속도에서유효마력을비교하면설계선형 (25) 이초기선형 (25) 에비하여약 7% 감소하는결과를보이고있다. (c) Bottom View Fig. 8 Comparison of the pressure distributions between the scaled initial hull(25) and the designed hull(25) Table 4 Comparison of the resistance components between the scaled initial hull(25) and the designed hull(25) scaled initial Designed hull(25) hull(25) Ship speed(m/s) 3.12 3.12 R VM(CFD) (N) 2.54 2.34 R PM(CFD) (N) 4.10 3.94 R TM(CFD) (N) 6.64 6.28 C VM(CFD) ( 10-3 ) 3.52 3.33 C PM(CFD) ( 10-3 ) 5.69 5.59 C TM(CFD) ( 10-3 ) 9.21 8.92 C FM(ITTC1957) ( 10-3 ) 3.96 3.96 C RM ( 10-3 ) (C TM(CFD)-C FM(ITTC1957)) 5.25 4.96 C FS(ITTC1957) ( 10-3 ) 1.95 1.95 C TS ( 10-3 ) (C RM+C FS(ITTC1957)) 7.20 6.91 R T[kN] 25.5 23.9 EHP[ps] 446 417 (a) Scaled initial hull(25) (Model number: IT10-05) (b) Designed hull(25) (Model number: IT10-06) Fig. 9 Photographs of the hull forms during the model test at Fn =2.68 162 대한조선학회논문집제 48 권제 2 호 2011 년 4 월
유진원 이영길 박애선 하윤진 박정규 최영찬 추정유효마력, 수치계산으로얻어진유효마력, 실험을통하여얻어진유효마력을비교하여보면, 설계속력에서의추정유효마력감소율 (5%) 보다실험, 수치계산을통하여얻어진유효마력의감소율 (7%,6.5%) 이더크게나타나고있다. 이는유효마력추정에서포함되지않은선형특성보정의영향까지고려되어나타난결과로, 이를통하여선형특성보정에따른저항성능향상정도를간접적으로파악할수있겠다. 4. 결론 저항성능이보다우수한한국형고속연안어선의선형설계를위하여설계속력 25Knots(Fn =2.68) 에서선형보정을통한선형설계를수행하였다. 이후수치계산과모형시험을수행하여저항성능향상을확인하였다. 1) 한국의소형연안어선의저항성능을향상시키고자두단계에걸쳐선형설계를하였다. 첫번째, 선형요소보정은어선의저항을좌우하는주요선형요소를개선함으로써저항성능을향상시키는과정으로, 초기선형에비해저항을감소시킬수있는선형요소조합을산출하여보정하였다. 두번째, 선형특성보정에서는국부적인선형특성을보정하여선형설계를수행하였다. 2) 모형시험을통하여초기선형에비하여선형요소보정선형은 Fn =2.68 에서유효마력이약 5%, 선형특성까지보정한선형은약 7% 정도감소하였다. 이를통하여선형요소만보정하는방법보다선형특성까지보정하는방법이더욱효과적임을알수있었다. 3) 선형요소와국부적인선형을보정하여저항성능을검토하는연구는앞으로한국고속소형연안어선의저항성능을향상시킬수있는주요한하나의선형설계기법이될수있을것이다. 앞으로도저항성능향상과고속어선에대한연구는지속적으로진행되어야하며, 본연구가다른종류의선박에대한에너지절감형선형설계에도효과적인참고자료가될것으로기대된다. 후기 이논문은 2009 년도정부 ( 교육과학기술부 ) 의재원으로한국연 구재단의지원을받아수행된연구임 (No. 2009-0073832) 참고문헌 Fig. 10 Comparison of C R, Trim, Sinkage and EHP curves Cho, J.H. Park, C.H. Back, Y.S. & Kang, B.Y., 2002. A Study on The Hull Form Development Plan of Multi-purpose Costal Small Ship. Proceeding of the Annual Spring Meeting, KSOE, pp.237-242. Jee, H.W. Lee, Y.G. Kang, D.S. Ha, Y.J. Choi Y.C. & Yu, J.W., 2009. Resistance Performance of Korean Small Coastal Fishiong Boat in Low-Speed Range. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 46(1), pp.10-23. JSNAK, Vol. 48, No. 2, April 2011 163
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