한국해양공학회지제 28 권제 2 호, pp 102-110, 2014 년 4 월 / ISSN(print) 1225-0767 / ISSN(online) 2287-6715 Original Research Article Journal of Ocean Engineering and Technology 28(2), 102-110, April, 2014 http://dx.doi.org/10.5574/ksoe.2014.28.2.102 운송바지선의예인안정성에관한모형시험및수치해석연구 남보우 * 홍사영 * 김진하 * 최성권 * 김종욱 ** * 선박해양플랜트연구소 ** 현대중공업 ( 주 ) Experimental and Numerical Study on Towing Stability of Transportation Barge Bo Woo Nam *, Sa Young Hong *, Jin Ha Kim *, Sung Kwon Choi * and Jong-Wook Kim ** * Korea Research Institute of Ships & Ocean Engineering, Daejon, Korea ** Hyundai Heavy Industry Co. Ltd., Ulsan, Korea KEY WORDS: Towing stability 예인안정성, Barge 바지선, Towline 예인줄, Model test 모형시험 ABSTRACT: This paper presents the results of an experimental and numerical study on the towing characteristics of a barge. A series of model tests were carried out at the Ocean Engineering Basin of KRISO. A model with a 1:50 scale ratio was constructed out of wood. First, force coefficient tests were performed in order to obtain the surge, sway, and yaw force coefficients of the barge. The focus was the effect of skeg on the force coefficients. The stability parameter was calculated from the force coefficients. Next, towing tests in calm sea were carried out with different towline lengths and towing speeds. The trajectories of the barge and the towline tensions were measured during the tests. The measured trajectories were compared with numerical simulation results using a cross-flow model. The towing stability of the barge in a calm sea is discussed in detail. 1. 서론예인 (Towing) 을통한이송작업은단독또는복수의예인선 (Tug) 이예인줄 (Towline) 로연결된부선 (Towed ship) 을끌고가는형태로이루어진다. 이때예인시거동특성은부선의수면하부형상, 스케그의유무, 예인속도, 예인줄제원등의다양한조건에의해영향을받는다. 잘못설계된예인작업 (Towing operation) 은부선의과도한평면운동을야기하여근해에서의충돌사고로이어질수있으며, 예인줄에과도한장력을유발할수있다. 또한예인선의불필요한추력소모로인하여비경제적인이송작업으로이어질수있다. 이를막기위해서예인작업에대한선행평가를통해올바른이송설계를진행할필요가있다. 예인작업시부선의안정성을평가하는방법은크게두가지로분류된다. 하나는모형시험을통해예인안정성 (Towing stability) 을직접평가하는방법이며, 다른하나는부선의운동을수학모델로근사하여수치시뮬레이션을수행하는방법이다. 모형시험을이용한경우추가적인수치계산없이직접적으로예인안정성을판별할수있는장점이있다. 하지만 Latorre(1998) 이 지적한바와같이모형선과실선의축척비에따른효과 (Scale effect) 로인해실선보다모형선에서저항이과도하게발생하며, 이는예인시거동이실제보다안정적으로평가하게하는요인이된다. 즉, 모형시험결과를실선으로확장적용할때주의를요하게된다. 후자의경우부선에대한운동모델이확립이되면다양한환경조건에대해용이하게예인안정성을평가할수있는장점이있지만, 운동모델에필요한유체력미정계수또는항력계수들을정확히산정할필요가있다. 이를위해서추가적인실험또는 CFD(Computational fluid dynamics) 계산이보완적으로수행되어야한다. 예인안정성과관련된기존연구로는 Yasukawa et al.(2006) 에의해 2가지바지선의예인안정성에대한수치해석연구를조종운동방정식을이용하여수행한바있다. Fitriadhy and Yasukawa(2010) 은풍하중하에서의예인안정성에대한수치해석연구를진행하였다. Nam et al.(2013) 은조종운동모델과 Cross-Flow 모델을이용하여바지선의예인안정성에관한수치시뮬레이션을진행하고, 두수치해석모델모두모형시험결과와비교했을때예인안정성에관한신뢰도있는결과를제시 Received 11 March 2014, revised 10 April 2014, accepted 11 April 2014 Corresponding author Sa Young Hong: +82-42-866-3930, sayhong@kriso.re.kr c 2014, The Korean Society of Ocean Engineers It is noted that this paper is revised edition based on proceedings of Annual Autumn Conference of KSOE 2012 in Busan. 102
운송바지선의예인안정성에관한모형시험및수치해석연구 103 함을보여준바있다. 본연구에서는바지선의예인시거동특성을살피고자일련의모형시험및수치해석연구를진행하였다. 모형시험에서는유체항력계측시험과예인시험이수행되었다. 이때스케그의유무에따른예인안정성특성과예인줄의길이및예인속도에의한예인시거동특성변화를중점적으로검토하였다. 비교를위해 Cross-flow 모델기반의수치해석결과를같이제시하였으며, 수평면거동과예인줄에걸리는장력에대해비교를수행하였다. 일련의모형시험및수치해석연구를통해바지선의예인안정성에미치는여러인자들의영향에대해고찰을수행하였다. 2. 모형시험 Table 1 Marine characteristics of Maritime Swift Barge Item Prototype Model LOA (m) 76.200 1.524 B (m) 24.384 0.488 D (m) 4.880 0.098 T (m) 3.800 0.076 Displ. (ton) 6555.000 0.052 하여탈부착이가능하도록제작하였다. 모형의선수동요관성 반경은 Fig. 1(c) 에서처럼 Bifilar suspension method를이용하 여 5% 이내의오차범위내에서조정하였다. 2.1 바지선모형정수중예인바지선의거동특성을파악하고자선박해양플랜트연구소 (KRISO) 해양공학수조 (Ocean engineering basin) 에서모형시험을수행하였다. 실험모델은현대중공업이운용하고있는 Maritime swift barge를고려하였으며 (Fig. 1), 축척비 1:50의목재모형을제작하여시험에사용하였다. 실선과모형선의주요제원은 Table 1에정리하였다. 바지선선미에있는두개의스케그 (Skeg) 는 Fig. 1(b) 와같은형상을가지고있으며, 길이가약 6.5m이다. 본모형시험을위해스케그는알루미늄을이용하여만들었으며, 스케그의유무에의한영향을검토하기위 2.2 모형시험조건모형시험은유체항력계측시험과예인시험두가지로나누어진행되었다. 먼저 2축로드셀을중앙부에서선수와선미방향으로 0.5m 떨어진위치에설치하고바지선을예인하며유체항력을계측하였다. 이때 0도부터 180도까지 10도간격으로선수각을바꾸어가며전후, 좌우방향의힘과선수동요모멘트를계측하였다. 예인속도는 1.543, 2.572, 3.601m/s (3knots, 5knots, 7knots) 를고려하였다. 이때상하동요와종동요, 횡동요는구속하지않고자유롭게움직일수있도록로드셀을취부하였다. Fig. 2(a) 는항력계측시험모습을보여주고있다. (a) Hull (b) Skeg (c) Experimental model Fig. 1 Maritime swift barge
104 남보우 홍사영 김진하 최성권 김종욱 (a) Force coefficient test Fig. 2 Snapshots for model test 예인시험에서는 Fig. 2(b) 에서처럼정수중예인줄에연결된바지선을 CPMC(Computerized planar motion carriage) 를이용하여일정한속도로예인하는시험을진행하였다. 이때예인줄은바지선의앞쪽끝단에매달았으며, 초기변위를주기위하여발사대를정중앙보다바지선의폭만큼벗어난위치에설치하였다. 예인시험중에는바지선의 6자유도운동과예인줄의장력을계측하였으며, 예인속도는두가지 (2.572m/s, 3.601m/s) 를고려하였다. 스케그의유무에따른바지선의수평면거동특성및예인줄의장력을계측하였으며, 예인줄를바지선길이의 1배와 2배로바꾸어가며예인안정성에미치는영향을검토하고자하였다. 3. 수치시뮬레이션저속운동가정아래 Wichers(1988) 이제안한 Cross-flow model 을이용하면, 예인바지선에대한저주파수평면운동방정식은식 (1)~(5) 와같이표현될수있다. 이경우바지선의전진속도는입사하는조류로대체되어고려되며, 선체에작용하는유체력은항력계수에의한준정상조류력 (Quasi-steady current force) 과 Cross-flow에의한동적조류력 (Dynamic current force) 의합으로표현된다 (Wichers, 1988). sin (1) cos (2) (3) (4) (b) Towing test (5) 여기서,, 는무차원화된조류력계수이며, 조류의입사각 ( 또는바지선의진행방향 ) 의함수이다. 와 는각각조류속도와방향에해당하며, 조류속도는예인속도 () 와동일하다,, 는각각전후, 좌우, 선수동요이며, 이때전후동요는예인속도가제외된성분이다. 와 는 Cross-flow에의한동적조류력성분이며, 이에대한좀더자세한설명은 Wichers(1988) 에서발견할수있다. 와 은선체의운동을고려한상대조류속도와방향에해당하며, 식 (6)~(9) 와같이정의된다. 과 은선체의상대속도에해당한다. (6) tan (7) cos (8) sin (9) 4. 결과및고찰 4.1 항력계수항력계측시험을통해바지선에작용하는전후방향, 좌우방향힘과선수동요모멘트를계측하였다. 계측된유체항력을 Fig. 3 에도시하였다. 스케그에의한영향을검토하기위하여스케그의유무에의한항력계수를같이제시하였다. Fig. 3(b) 를보면스케그가있을경우바지선에작용하는좌우방향측면력 ( ) 은스케그가없는경우보다 20%~40% 가량증가하였음을확인할수있다. 이러한측면력의증가는선수동요가발생했을때반작용모멘트를발생시키기때문에예인안정성을향상시키게된다. 또한스케그가없는경우 90도를중심으로측면력이각도에
운송바지선의예인안정성에관한모형시험및수치해석연구 105 (a) Fx (b) Fy (c) Mz Fig. 3 Force coefficient of a barge without skeg (left) and with skeg (right) 따라대칭적으로발생하는경향을보이지만, 스케그가있는경우 90도이하의각도에서더큰측면력이발생하였다. 이는후방에위치한스케그에작용하는유체력에의해 90도이하각도에서바지선에작용하는측면력이상대적으로크게증가하였기때문이다. 반면 Fig. 3(c) 를보면스케그를부착함에따라 90도이상의각도에서는양의모멘트 ( ) 가상대적으로다소줄어드는경향을보여주고있으며, 90도이하의각도에서는음의모멘트가크게증가하였다. 특히 180도근방에서의모멘트곡선의기울기를보면스케그를장착함에따라기울기가낮아졌음을알수있다. 이는바지선이앞으로전진할때선수동요를유발 하는작용모멘트가줄어듦을의미하기때문에예인안정성에좋은결과로이어지게된다. 유체항력의무차원화계수는전반적으로좌우방향측면힘 (Lateral force, Fy) 을제외하고는예인속도와관계없이유사한값을보여주었다. 다만측면힘의경우선속이증가할수록항력계수도증가하는경향을볼수있다. 이는예인속도에따라바지선의횡방향자세가변화하여측면방향투영면적이증가하였기때문이다. Fig. 4는이러한선속에따른 Heel각도의증가경향을건현의크기를통해보여주고있다. 선속이 3.601m/s 일경우 1.543m/s 일때보다더작은건현이관찰되며, 이는더많은
106 남보우 홍사영 김진하 최성권 김종욱 (a) 90 deg, 1.543 m/s Fig. 4 Comparison of freeboard height of barge 면적이수면하부에노출되었음을의미한다. Table 2는항력계수로부터도출된유체력계수들을두가지보간법에따라제시하고있다. 여기서 는측면력과선수동요모멘트의비를나타내는안정성인자 (stability parameter) 로써작은값을가질수록예인안정성이좋아짐을의미한다. 보간법에상관없이스케그를부착함에따라예인안정성이향상되었음을안정성인자를통해확인할수있다. 하지만, Sine함수를이용해보간했을때안정성인자값이 Piecewise-Linear 보간법을이용했을때보다다소크게산출되었다. 특히스케그가있는경우에는약 3배가량이커지게됨을볼수있다. 이러한차이는뒤에제시될예인시부선의거동특성에중요하게영향을줄수있다. 4.2 예인안정성 (1) : 스케그효과스케그유무에따른바지선의좌우동요와선수동요시계열을 Fig. 5에보여주고있다. 스케그가없는경우에바지선의좌우동요는바지선폭의약 2.5배가량발생하며, 선수동요는주기적으로약 ±도움직이는 Slewing( 또는 Fishtailing) 운동을한다. 반면스케그가있을경우에는바지선의수평면거동은급격하게줄어들며점차안정을찾아간다. 이러한수평면거동은스케 (b) 90 deg, 3.601 m/s 그를취부함에따라예인안정성이크게향상되었음을확인해주고있다. 수치계산결과에서도스케그부착됨에따라수평면거동이크게줄어드는경향을잘보여주고있다. 다만, 수치시뮬레이션에의한결과가모형시험보다전반적으로다소크게예측해주고있으며, 이는부선에대한현 Cross-flow 수치모델이실제보다감쇠력을적게추정해주고있다고사료된다. Fig. 6은스케그유무에따른예인줄에걸리는장력을도시하고있다. 스케그없는경우선수각이전환되는시점에서예인줄에큰장력이유발되는것을볼수있다. 반면스케그가있는경우장력변화가미미하고, 일정한저항값에대응되는장력이주로발생한것을볼수있다. 이러한관찰은스케그를부착함에따라수평면운동뿐만아니라예인줄의장력을크게낮출수있음을의미한다. 저항값 ( ) 을기준으로봤을때스케그가없는경우에는정수중저항의약 7~8배에해당하는예인력이요구되는반면, 스케가가있는경우에는저항의 2배가량의예인력을이용하여바지선이예인될수있음을알수있다. 모형시험에서계측된예인줄장력시계열을보면짧은주기의진동을연속적으로볼수있는데, 이는예인줄에달린무게추에의하여공진이발생했기때문이다. 본수치계산에서는예인줄을단순스프링-댐퍼모델을이용해서모사했기때문에이러한 Table 2 Comparison of force coefficients and towing stability parameter Sine Interpolation Piecewise-Linear Interpolation w/o skeg w/ skeg w/o skeg w/ skeg -0.3646-0.4645-0.4354-0.5672 0.0 0.0 0.0 0.0-0.1605-0.1606-0.1432-0.0630-0.0686-0.0686-0.0583-0.0671 Interpolation function 0.4402 0.3457 0.3289 0.1111 sin sin sin sin sin sin
운송 바지선의 예인안정성에 관한 모형시험 및 수치해석 연구 (a) without skeg 107 (b) with skeg Fig. 5 The effect of skeg on trajectories of towed barge ( m s ) (a) without skeg Fig. 6 The effect of skeg on towline tension ( (b) with skeg m s ) 공진특성이 관찰되지는 않는다. 모형시험 결과에서는 초기에 과도한 장력이 유기되는데, 이는 초기 가속도 구간에서 발사대 에서 잡고 있던 바지선이 출발하는 과정에서 발생한 천이 응답 교하여 제시하고 있다. Sine 보간법으로 근사했을 경우에는 모 형시험 결과와 많은 차이를 보이는 반면, Piecewise-Linear 보간 법을 이용한 경우 모형시험과 일치도 높은 결과를 얻을 수 있 으로 볼 수 있다. Fig. 7은 항력계수에 대한 보간법에 따라 수치해석 결과를 비 었다. 이는 앞서의 안정성 파라미터에서 고찰한 바와 유사하게 보간법에 따라 예인안정성 수치 시뮬레이션 결과가 달라질 수 Fig. 7 Comparison of simulation results with different interpolation scheme (w/o skeg, m s )
108 남보우 홍사영 김진하 최성권 김종욱 있음을 의미한다. 또한 동시에 정확한 수치 시뮬레이션을 위해 서는 항력계수 데이터가 정도 높게 계측될 필요성이 있음을 시 사한다. 동한 거리( )를 slewing distance라고 정의했을 때, 예인속 도가 증가할수록 slewing distance가 증가하는 특성을 Fig. 8에 서 확인할 수 있다. 예인속도 2.572m/s 조건(Fig. 8(a))에서 slewing distance 가 약 7.8이지만, 예인속도 3.601m/s조건(Fig. 4.3 예인안정성(2) : 예인줄 길이 및 예인속도 효과 예인줄(Towline)의 길이와 예인속도(Towing speed)는 부선의 8(b))에서는 10.7에 해당한다. 이러한 증가는 근본적으로 예인속 수평면 운동 주기 및 크기에 영향을 준다. Fig. 8은 두 가지 예 Fig. 10는 예인줄 길이에 따른 장력 변화를 비교하여 제시하 고 있다. 긴 예인줄을 이용한 경우 장력이 다소 감소했음을 확 인할 수 있으며, 이는 Fig. 11의 수치계산결과에서도 분명히 관 인줄 길이와 예인속도 조건에 대한 바지선의 수평면 운동 결과 를 제시하고 있다. 동일한 예인속도 조건에서 예인줄이 길어질 수록 부선의 Slewing 운동 주기가 늘어나게 되며, 이로 인해 좌 도의 변화로부터 기인한 결과로 볼 수 있다. 경향은 Fig. 9의 수치 시뮬레이션 결과에서도 분명히 관찰된다. 찰된다. 수치계산에서는 바지선길이의 1배부터 3.5배까지 예인 줄을 증가시켰을 때, 예인속도나 스케그의 유무와 상관없이 예 인줄 장력이 점차 감소하는 경향이 나타났다. 스케그가 있을 경 Slewing 운동의 한 주기( )동안 바지선이 진행방향으로 이 우 바지선 길이의 약 2.5배 이상이 되면 장력은 최소가 되었으 우운동 진폭이 증가하는 경향을 보임을 확인할 수 있다. 이러한 (a) m s (b) m s (c) m s (d) m s Fig. 8 The effect of towline length on trajectories of towed barge from model tests Fig. 9 Comaprison of sway(left) and yaw(right) motion of the barge with different towline lentghs from present numerical simulations ( m s )
운송바지선의예인안정성에관한모형시험및수치해석연구 109 (a) ms (b) ms Fig. 10 The effect of towline length on towline tension (a) ms Fig. 11 Comparison of towline tension with different towline length from numerical simulations (b) ms 며, 그값은정수중저항값에대응된다. 5. 결론본논문에서는운송바지선의예인안정성에관한인련의모형시험및수치해석연구를수행하였다. 예인작업에관련된다양한설계인자에대해예인안정성에미치는영향을검토하였으며, 다음과같은결론을얻을수있었다. 수치계산결과에따르면스케그가있을경우바지선길이의약 2.5배이상이되면예인줄장력은최소가되었다. (3) Cross-flow 모델기반의수치해석기법을이용할경우본바지선에대한예인안정성특성을잘모사할수있었다. 다만, 항력계수에대한보간법에따라수치시뮬레이션결과가달라질수있기때문에이에대한신중한선택이요구되어진다. 후기 (1) 스케그를부착함에따라바지선의수평면거동은급격하게줄어들어안정을찾아가는경향을보였으며, 예인줄및예인속도에관계없이예인안정성이향상되었다. 또한수평면거동의감소로인하여예인줄에걸리는장력도급격히감소하였다. 이러한스케그의영향은측면력과모멘트의항력계수에서도관찰할수있으며, 안정성파라미터를산출함으로써스케그유무에따른예인안정성향상특성을살펴볼수있었다. (2) 예인줄이길어질수록부선의 Slewing 운동주기가늘어나게되며, 이로인해바지선의좌우운동진폭이증가하는경향을보인다. 또한예인속도가증가하게되면 Slewing distance가길어지며, 또한바지선의좌우운동진폭이증가하는경향을보인다. 반면예인줄이길어짐에따라예인줄의장력은낮아지며, 본연구는선박해양플랜트연구소에서수행중인산업통상자원부산업원천기술개발사업 해저및해상생산플랜트설치설계핵심기술개발 (No.10038598) 과제의지원으로수행된연구결과중일부임을밝히며, 연구비지원에감사드립니다. References Latorre R., 1998. Scale Effect in Towed Barge Course Stability Tests. Ocean Engineering, 15(4), 305-317. Nam, B.W., Park, J.Y., Hong, S.Y., Sung, H.G., Kim, J.W., 2013. Numerical Simulation of Towing Stability of Barges in Calm Water. Journal of Ocean Engineering and
110 남보우 홍사영 김진하 최성권 김종욱 Technology, 27(1), 67-73. Fitriadhy, A., Yasukawa, H., 2010. Slewing Motion Characteristics of a Towed Ship in Steady Wind. Proceedings of the 29th International Conference on Ocean, Offshore and Artic Engineering (OMAE2010-20673). Wichers, J.E.W., 1988. A Simulation Model for a Single Point Moored Tanker. Marine Publication, No. 797. Yasukawa, H., Hiritaka, H., Nakamura, N., Matsumoto, Y., 2006. Simulation of Slewing Motion of a Towed Ship. Journal of the Japan Society of Naval Architects and Ocean Engineers, 4, 137-146.