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공학석사학위논문 고속활주선선미인터셉터선저압력계측 모형시험 Pressure Measurements on High Speed Planing Hull with Interceptors 2018 년 2 월 서울대학교대학원 조선해양공학과 박세용 i

고속활주선선미인터셉터선저압력계측 모형시험 지도교수이신형 이논문을공학석사학위논문으로제출함 2018 년 2 월 서울대학교대학원조선해양공학과박세용 박세용의공학석사학위논문을인준함 2018 년 2 월 위원장 ( 인 ) 부위원장 ( 인 ) 위원 ( 인 ) ii

초록 고속활주선은운용속도가높아서임무수행능력이뛰어나기때문에국내외에서군사적목적으로많이채택되는선형이다. 활주선형은속도에따라선저압력분포와항주자세의변화가크고이에따라선형의유체성능변화가크다. 선형의유체성능을일정하게유지하기위하여활주선의항주자세제어가필요하고, 이를위하여선미인터셉터를많이사용하고있다. 그러나선미인터셉터의실제작용원리에대하여유체역학적이해에바탕한개발및활용사례는적다. 따라서선미인터셉터의작용원리에대한이해를넓히기위해속도에따른선저압력계측이필요하다. 현재까지이루어진고속활주선압력계측에관한연구는선미부가물이부착되지않은경우에대하여국한되어있으며, 선미부가물에대한압력계측에관한연구는 Destroyer 선형과선미트림탭에대한연구만이이루어져있다. 즉, 선미인터셉터가고속활주선의대표적인선미부가물임에도불구하고압력계측시험결과가없다. 본연구에서는고속활주선과선미인터셉터에대하여압력계측시험을수행하고선미인터셉터조건에따른저항및항주자세를계측하였다. 또한고속활주선트랜섬선미에서선미인터셉터장착유무에따른국부압력에대한고찰과압력변화에대한추이를분석을수행하였다. 선미인터셉터가장착되지않은경우고속활주선의선미에서대기압보다낮은압력이발생하였다. 선미유동은자유수면과 iii

만나기때문에대기압과같다고알려져있지만, 고속활주선의트랜섬선미형상의급격한곡률변화로인하여유동이박리되어나가기때문에대기압보다낮은압력이발생한다. 선미인터셉터가장착된경우선미에서압력이증가하는것을확인하였다. 압력이증가하는이유는선미인터셉터의영향으로선미에서정체와동이발생하기때문으로알려져있다. 또한선미인터셉터의노출길이와모형선의예인속도가증가함에따라선미인터셉터로인한압력의증가분이커졌다. 항주자세의경우선미인터셉터를장착함에따라트림과부상량모두감소하였다. 또한선미인터셉터의노출길이가증가할수록트림감소량이증가하였다. 이는압력계측결과와비교하였을때선미인터셉터의노출길이가증가함에따라선미에서압력의증가분이커지고, 따라서선미에서발생하는모멘트가커지기때문임을알수있다. 고속활주선과선미인터셉터에대한압력계측시험을수행함으로써고속활주선의선미압력의특성을확인하였고선미인터셉터로인한압력변화를계측하였다. 또한이를통하여고속활주선과선미인터셉터의작용원리를밝혔다. 주요어 : 고속활주선, 선미인터셉터, 항주자세, 압력계측시험 학번 : 2016-21134 iv

Table of Contents Table of Contents... v List of Tables... vii List of Figures... vii 1. 서론... 1 1.1. 연구배경... 1 1.2. 선행연구... 6 1.2.1. 고속활주선선저면압력계측선행연구... 6 1.2.2. 고속활주선선미인터셉터선행연구... 8 1.3. 연구목적... 11 2. 모형선및모형시험... 13 2.1. 모형선... 13 2.2. 고속예인전차시스템... 16 2.2.1. 선형예인수조... 16 2.2.2. 고속예인전차... 17 2.2.3. 계측장비... 21 2.2.4. 압력측정시스템... 25 2.3. 모형시험조건... 33 2.3.1. 시험속도조건... 33 2.3.2. 선미인터셉터조건... 35 v

3. 실험불확실성... 40 3.1. 개요... 40 3.2. 압력계측불확실성... 44 3.2.1. Systematic error... 44 3.2.2. Random error... 45 4. 모형시험결과및고찰... 47 4.1. 저항및항주자세계측결과... 47 4.2. 선미압력계측결과... 54 5. 결론... 63 6. 참고문헌... 65 ABSTRACT... 70 vi

List of Tables Table 2.1-1 Main dimensions of ship... 14 Table 2.3-1 Definition and Application for experiment of planing speed... 33 Table 2.3-2 Speed condition... 35 Table 2.3-3 Condition of height of interceptor... 39 Table 3.2-1 Mean systematic error components... 44 Table 3.2-2 Uncertainty in Pa for 5.43m/s... 46 Table 4.1-1 Difference with barehull for 5.43m/s... 53 Table 4.1-2 Difference with barehull for 6.34m/s... 53 Table 4.1-3 Difference with barehull for 7.24m/s... 54 Table 4.2-1 Pressure raw data for 5.43m/s... 61 Table 4.2-2 Pressure raw data for 6.34m/s... 61 Table 4.2-3 Pressure raw data for 7.24m/s... 62 List of Figures Figure 1.1-1 Classification high speed vessels ( ITTC, 1981)... 3 vii

Figure 1.1-2 Number of different kind of HSMV test carried by facilities (ITTC, 1999)... 4 Figure 1.1-3 Domestic performance vessel PKG... 5 Figure 1.1-4 Foreign performance vessel MK V Special Operations Craft... 5 Figure 1.2-1 Hull pressure without flap(left) and with flap(right) (Maki, 2006)... 8 Figure 1.2-2 Velocity vectors and pressure contours (Brizzolar, 2009)... 11 Figure 2.1-1 Plan of model ship... 13 Figure 2.1-2 Model ship stern with and without pressure sensor. 15 Figure 2.1-3 Yaw guide and interceptor... 16 Figure 2.2-1 SNU towing tank... 17 Figure 2.2-2 High speed towing carriage (Shin, 2005)... 18 Figure 2.2-3 SNU high speed towing carriage model (Kim, 2009)... 19 Figure 2.2-4 Current SNU high speed towing carriage... 19 Figure 2.2-5 High speed towing carriage system (Kim, 2009)... 20 Figure 2.2-6 Velocity plot of high speed carriage (Kim, 2015)... 21 Figure 2.2-7 Schematic diagram of measurement system... 22 Figure 2.2-8 Measurement equipment for trim motion of model ship... 23 viii

Figure 2.2-9 Measurement equipment for heave motion of model ship... 24 Figure 2.2-10 Load cell for 3DOF... 25 Figure 2.2-11 SingleTact sensor... 26 Figure 2.2-12 Pressure estimation for 7.24m/s... 27 Figure 2.2-13 Pressure sensor calibration... 28 Figure 2.2-14 Pressure sensor calibration result... 29 Figure 2.2-15 NI USB-6210... 30 Figure 2.2-16 LabView front panel... 30 Figure 2.2-17 Schematic diagram of SingleTact sensor and NI USB-6210... 31 Figure 2.2-18 Pressure sensor set up... 32 Figure 2.2-19 Pressure sensor installation... 32 Figure 2.3-1 Composition of lift estimation... 34 Figure 2.3-2 Ratio of composition of lift... 34 Figure 2.3-3 Schematic pressure distribution of trim tab and interceptor... 36 Figure 2.3-4 Interceptor model... 36 Figure 2.3-5 Interceptor installation... 37 Figure 2.3-6 Experimental data height of interceptor versus boundary layrer thickness (Mohammad, 2013)... 38 ix

Figure 2.3-7 Estimation of boundary momentum thickness... 39 Figure 3.1-1 Errors in measurement (ASME, 2005)... 41 Figure 3.1-2 Possible measured values with 95% confidence (ASME, 2005)... 43 Figure 3.2-1 Ratio random error to systematic error for 5.43m/s. 45 Figure 4.1-1 Resistance of model ship... 48 Figure 4.1-2 Trim of model ship... 48 Figure 4.1-3 Rise of C.G. of model ship... 49 Figure 4.1-4 Experiment image for 5.43m/s... 50 Figure 4.1-5 Experiment image for 6.34m/s... 51 Figure 4.1-6 Experiment image for 7.24m/s... 52 Figure 4.2-1 Pressure sensor numbering... 54 Figure 4.2-2 Pressure distribution for 5.43m/s... 56 Figure 4.2-3 Pressure distribution for 6.34m/s... 57 Figure 4.2-4 Pressure distribution for 7.24m/s... 58 x

1. 서론 1.1. 연구배경 일반적인상선들의경우적은연료를소모하여많은적재화물을운송하기위한목표를가지고있다. 이러한특징으로인하여적재량및운송효율을증가시키기위한목적으로선박의크기는점점대형화되고선박의속도는점차느려지고있다. 이러한저속대형선박의연구와달리군사및레저등의목적으로고속선의연구가수행되어왔다. 군사적목적으로설계된고속선들은적군정찰및고급기동을이용한상대교란등의특수목적에사용되며, 이는현대해상전에서군의전투력에중요한부분이되었다. 고속선은저속선에비해짧은임무수행시간으로임무수행의효율성이증대되고, 선박의소형화를가능케하여대형선박이접근하기어려운환경에서의임무수행을할수있게되는장점이있다. 고속선의중요성이증대되어감에따라 20 세기중반이후부터고속선은조선공학에서하나의연구분야로연구되어왔다. 1981 년부터국제수조협의회 (International Towing Tank Conference, ITTC) 는고속선위원회를조직하여고속선에대한연구를종합하여정리하였다. 영국조선학회 (The Royal Institution of Naval Architects, RINA) 는고속선만전문으로취급하는학회인 HSMV(High Speed Marine Vehicle) Symposium 을 3 년마다개최하고있다. 또한미국조선학회 (The Society of Naval Architects and Marine 1

Engineering, SNAME) 역시고속선관련학회인 FAST(Fast Sea Transportation) Conference 를 2 년마다개최하여전세계의고속선관련연구내용들을서로공유하고있다. Figure1.1-1 은 16 차 ITTC (1981) 에서정의한고속선의분류이다. 주선체와독립적인몰수체를설계하여추가적부력및양력을얻는다동선 (Small Waterplane Area Twin Hull, SWATH), 선체의일부분중침수된부분에의하여받는부력과양력으로선체중량을지지하는단동선 (Semi-displacement, planing hull) 중반배수량 (Semidisplacement) 과활주선 (Planing hull), 선체와독립된날개를설계하여날개가받는양력에의해선체중량을지지하는수중익선 (Submerged foils, surface-piercing foils), 선체와수면사이의 air-cushion 효과를이용하여선체의중량을지지하는호버크래프트 (SES, ACV) 와같이선체중량을지지하는방식에따라 4 종류로구분하였다. 2

Figure 1.1-1 Classification high speed vessels ( ITTC, 1981) 또한 22 차 ITTC(1999) 에따르면전세계각연구기관에서 고속선의모형시험연구의대상으로가장많이사용되는선형은 활주선형 (Planing hull), 반배수량형선형 (Semi-displacement hull) 그리고쌍동선 (Catamaran) 이다. 3

Figure 1.1-2 Number of different kind of HSMV test carried by facilities (ITTC, 1999) 3 종류의고속선형중활주선형은다른 2 가지선형에비해운용속도가빠르기때문에임무수행능력이우수하다. 또한선저형상이단순하여설계및성능추정이용이하다는장점때문에 Fig 1.1-3 과 Fig 1.1-4 와같이국내외에서군사적목적으로활주선형을채택하고있다. 4

Figure 1.1-3 Domestic performance vessel PKG Figure 1.1-4 Foreign performance vessel MK V Special Operations Craft 활주선형은고속에서항주시에선체의중량의대부분을선저에서발생하는양력이지지하여선미일부만이침수되어활주하여침수표면적이작아져저항이작아고속에서운용이가능하나, 운용속도별항주자세의변화가크다. 이러한항주자세는활주선형의성능에영향을주게되므로임무수행능력에 5

큰영향을미치게된다. 최근활주선형의항주자세를제어하기위해서부가물을많이사용하고있다. 대표적인부가물로는선미인터셉터가있다. 활주선의항주자세를결정하는것은선저면의압력분포로, 활주선의항주자세와운동특성을알기위해선저면의압력분포를추정하는것은매우중요하다. 선저면의압력분포를추정하기위해서는압력측정시험을통한데이터의축적이필요하다. 그러나선저면압력계측시험의난이도로인하여수행된시험의수와축적된데이터의양이매우적은실정이다. 특히부가물을장착한선저면압력계측시험의결과는거의전무하다. 1.2. 선행연구 본연구의목적은고속활주선의선미선저면과선미인터셉터에대한압력을계측하여인터셉터의작동특성을이해하는것으로관련선행연구는다음과같이정리된다. 활주면과고속활주선에대한선저면압력계측에대한실험적선행연구들을알아보고, 그이후선미인터셉터에대한실험과전산유체역학선행연구들을알아본다. 1.2.1. 고속활주선선저면압력계측선행연구 Sottorf(1934) 는실험적으로활주면의선저경사각, 종방향곡률, 횡방향곡률, 트림등이미치는영향을실험을통하여알아보았다. 이때 Sottorf(1934) 는활주면의압력을계측하기위하여서활주면에 6

오리피스를설치하고동튜브와유리튜브로구성된차압계로압력을측정하였다. Kapryan and Boyd(1955) 또한활주면에대한압력계측실험을수행하였다. Kapryan and Boyd(1955) 는 1 개의평판과 4 개의 V-shaped 활주선에대하여수은을이용한차압계를설치하여압력을계측하는실험을수행하고압력분포를트림, 평균침수길이등에대하여나타내어서각변수들이미치는영향을연구하였다. Allen and Jones(1978) 는실선선체의구조에가해지는압력을구하기위하여서활주선과공기부양선에대하여스트레인게이지와압력계를이용하여압력을계측하고분석하였다. Grigoropoulos and Damala(2001) 는더블차인활주선형에대하여피토관과 Membrane-type 압력센서를이용하여선저면의압력을계측하였으며, Stagnation line 을예측하기어렵기때문에센서의장착밀도가높아야한다고주장하였다. Maki(2006) 은트랜섬플랩으로인한선미유동의변화를계측하기위하여선미에와플랩에서압력계측을수행하였다. 그결과트랜섬선미형상으로인하여대기압보다낮은압력이선미에서발생함을확인하였다. 트랜섬플랩이장착되는경우압력이선미에서증가하였다가플랩을따라유동이빠져나가며대기압보다낮은압력이다시발생하는것을확인하였다. 7

Figure 1.2-1 Hull pressure without flap(left) and with flap(right) (Maki, 2006) Karl et al(2010) 은 1 가지활주선형에대하여 4 가지조건으로정수중과파중에서선저면압력계측실험을수행하였다. 압력계측에사용된압력센서는전자식압력계를사용하여측정하였다. N. Santoro et al(2014) 또한활주선형에대하여파중에서전자식압력계를이용하여슬래밍으로인한압력을계측하였다. 선행연구사례들을바탕으로본연구에서선미인터셉터를장착한경우선미에서압력이증가할것으로예상된다. 1.2.2. 고속활주선선미인터셉터선행연구 Bannikov(1976) 와 Bannikova et al(1978) 은선미인터셉터에대하여 실험을수행하였다. 폭이 0.3m 이고선저경사각이각각 0, 15, 30 도인활주면에대하여선미인터셉터의노출길이를변경하며 8

실험을수행하였고, 그결과로선미인터셉터로인한추가적인양력과저항에대한경험식을도출했다. Tsai et al(2003) 과 Tsai and Huang(2003) 은 1/20 비율의 20m 급경비정모형선과 1/10 비율의 30m 급경비정모형선을이용하여선미인터셉터와플랩이장착된인터셉터에대하여실험을수행하였다. 선미인터셉터의노출길이는 0.5, 1.0, 1.5mm 임에도불구하고트림과저항을감소시켰다. 또한각각의모형선에서플랩이장착된인터셉터가적절한크기와각도를가지는경우에트림과저항이선미인터셉터와플랩에비하여더줄어드는것을확인하였다. Syamsundar and Datla(2008) 은주상체활주선의선미에인터셉터를부착하여 3 가지무게중심위치와 3 가지노출길이에따라실험을수행하였다. 실험결과를이용하여 Savitsky(1964, 2007) 이제안한고속활주선의항주자세및저항추정방법에선미인터셉터로인한영향을추가하였다. Day and Cooper(2011) 은 1/7 비율의 18m 급요트모형선을이용하여선미인터셉터에대한실험을수행하였다. 종방향밸러스팅의변화에따라실험을수행하였고정수중과파중에대하여모두실험을수행하였다. 또한인터셉터와 Gurney 플랩과실험결과를비교하였다. Rijkens(2013) 은인터셉터에대한트랜섬형상의영향을계측하기위하여, 3 가지의트랜섬형상을제작하여실험을수행하였다. 트랜섬형상에따라서음의양력과양의양력이모두발생하는 9

것을확인하였다. 또한양의양력이발생하는경우에는트랜섬형상의영향을받지않는것을확인하였다. Brizzolar(2003) 는전산유체역학을이용하여평판에장착된인터셉터에대한국부유동을 2 차원조건에서해석하였다. 경계층이인터셉터에미치는영향을알아보기위하여경계층조건을바꾸어가며해석을수행하였고, 인터셉터에주요하게작용하는변수를확인하였다. Molini and Brizzolar(2005) 는인터셉터로인하여발생하는압력과양력을예측하기위하여포텐셜플로우모델을도입하여계산을수행하고, 그결과를반영하여전산유체역학해석을하였다. 전산유체역학해석수행의결과인터셉터로인하여발생하는양력은노출길이에비례하고유동속도의제곱에비례한다는결론을얻었다. 이어서 Villa and Brizzolar(2009) 는주상체활주선과선미플랩, 인터셉터두가지부가물에대하여 RANSE 기법을이용하여해석을수행하였다. 이를통하여선체표면의유동, 스프레이, 부가물, 선수에서발생하는파등을확인하였다. 전산유체역학선행연구들을통하여선미인터셉터가선미에서압력증가를시키는방식으로선체의항주자세를제어하는역할을하고, 노출길이가증가함에따라선미에서압력증가량이증가할것으로예상된다. 10

Figure 1.2-2 Velocity vectors and pressure contours (Brizzolar, 2009) 1.3. 연구목적 본연구에서는고속활주선과선미인터셉터에대한실험을수행하여트랜섬선미에서의유동과인터셉터의작용원리에대하여이해하는것을목표로한다. 압력계를이용하여선저면의압력을계측하며, 불확실성해석을통하여계측된압력데이터에신뢰도를제공한다. 연구목적을달성하기위해수행된연구절차는다음과같다. 고속예인전차의경우예인전차와달리운용속도가높아전차의진동이크고, 고속예인전차에추가적으로장비를설치할수있는공간이적다. 따라서기존에압력계측실험에주로사용되던압력계들의경우사용하는것에어려움이있다. 본연구에서는위와같은문제를극복하기위하여고속예인 11

전차에서압력계측실험수행을위한압력센서로써접촉식센서를선택했다. 또한접촉식센서의사양을결정하기위하여 Morabito(2014) 의추정식을이용하여실험에서발생할수있는압력을추정하였다. 접촉식센서를도입한결과고속예인전차에추가적으로장착할장비가적고크기가작아고속예인전차를이용한압력계측실험에적합한것을확인하였다. 또한선미인터셉터의영향을계측하기위하여압력센서를선미에설치하였다. 고속활주선의선미선저면과선미인터셉터유무에따른압력계측실험을수행한다. 압력계측결과에대하여불확실성을해석하여압력데이터에대한신뢰도를검증하고, 선미인터셉터유무에따른압력계측결과의차이의비교를통하여선미인터셉터의작용원리에대한물리적고찰을수행한다. 12

2. 모형선및모형시험 본연구에서는서울대학교선형예인수조의고속예인전차에설치된계측시스템을이용하여고속선모형시험을수행하였으며, 압력계측을위한시스템을추가적으로구성하여장착하였다. 계측시스템은연직면자세계측장비, 분력계와신호를받기위한앰프로구성되어있다. 압력계측시스템은압력계와신호를받기위한앰프로구성되어있다. 2.1. 모형선 본연구에서이용된선형은여객선 Olive 를모선으로하는 23m class 활주선형으로 19th, 20th ITTC 의 High-Speed Marine Vehicle Committee 에서협력연구프로그램의대상선형으로선정하였다. Figure 2.1-1 Plan of model ship 13

실선과모형선의주요제원은 Table 2-1 과같다 Table 2.1-1 Main dimensions of the test model Full scale Model ship LOA[m] 26.40 1.61 LWL[m] 23.20 1.50 Breadth[m] 5.20 0.30 Depth[m] 2.40 0.14 Draft[m] 0.87 0.04 Dispalcement[kg] 47,000 12.0 LCG from A.P.[m] 10.21 0.67 Scale ratio - 1/15.33 모형실험을수행하기위하여실선을 1 / 15.33 축척비로축소한모형을제작하였으며, 크기는수선간길이 1.5m 폭 0.3m 이다. 또한모형선제작시에압력센서를설치하기위하여선미에 10 개의슬릿을설치하였다. 압력센서설치이후슬릿을메우고방수작업을수행하였다. 14

Figure 2.1-2 Model ship stern with and without pressure sensor 선미에는인터셉터의장착을위하여서추가적인작업을 수행하였고선수에는예인실험중발생할수있는횡동요를 방지하기위하여서가이드를설치하였다. 15

Figure 2.1-3 Yaw guide and interceptor 2.2. 고속예인전차시스템 2.2.1. 선형예인수조 서울대학교선형예인수조의길이, 폭, 수심은 110 m, 8 m, 3.5 m 이고중저속에서운용되는예인전차와고속에서운용되는 고속예인전차등의장비가설치되어있다. 16

Figure 2.2-1 SNU towing tank 2.2.2. 고속예인전차 서울대학교선형예인수조의고속예인전차의상세한설계내용은신정일 (2005) 의연구에기재되어있다. 당시의전차는수조측벽과수조에설치된레일을따라서이동하는외팔보형형태였다. 전차의소재는 Aluminum profile 을소재로사용하였고, 모형선및계측장비를포함한예인전차의중량은약 230kg 으로경량이기때문에높은등속도를얻을수있다. 그러나측벽에설치된레일의정렬상태에따라외팔보끝부분의변위가변하여모형시험의신뢰도를저하시킨다. 17

Figure 2.2-2 High speed towing carriage (Shin, 2005) 이에김동진 (2009) 등은시험의정확도를높이기위하여수조양쪽레일을지지하는양팔보형의전차의필요성을제시하였다. 김동진 (2009) 는가볍고운행시변형이적은형상을찾기위하여다양한양팔보형전차를설계하고 Ansys Workbench 10.0 을분석하였다. 그결과로다음과같은형태를설계및제작하였다. 속도제어방법은신정일 (2005) 의방법인속도제어방식을택하였으며속도에따른감속거리를확보하기위하여감속리미트위치를다르게하였다. 18

Figure 2.2-3 SNU high speed towing carriage model (Kim, 2009) 고속예인전차예인방식은 Wire-Drum 방식으로전차의연결된와이어를드럼에감아이를서보모터로예인하여최대설계속도 15m/s 까지운용될수있다. 현재서울대학교예인수조고속예인전차는 Fig 2.2-4, Figure 2.2-5 와같다. Figure 2.2-4 Current SNU high speed towing carriage 19

Figure 2.2-5 High speed towing carriage system (Kim, 2009) 김영민 (2015) 는예인전차와고속예인전차의속도제어성능을확인하기위해, 동일선형에대해예인전차와고속예인전차를이용한저항계측결과를비교하였다. 그결과고속전차를이용한실험에서의시계열분산이예인전차에비해큰것을확인하였다. 그리고고속전차의성능을개선하기위하여고속예인전차를모델링하고제어방법을적용하여시뮬레이션을하였다. 그결과예전의제어방식보다오버슛이적게발생하도록하는제어게인을제시하였다. 20

Figure 2.2-6 Velocity plot of high speed carriage (Kim, 2015) 2.2.3. 계측장비 고속예인전차를이용하여연직면운동계측시험을수행할때 계측장비의구성은다음과같다. 21

Figure 2.2-7 Schematic diagram of measurement system(top) and coordinate system(bottom) 일반적인저항시험시스템과같이좌우동요운동은고정, 상하동요와종동요운동에대하여서는자유도를가지도록 구성되어있다. Figure 2.2-7 상단에서볼수있듯이상하동요와 22

종동요운동의변위와각변위는 potentiometer 를이용하여측정되며저항의경우 strain gauge 가설치된로드셀을이용하여측정하였다. 로드셀에서계측할때의기준좌표계는하단에표시하였다. 각센서들의전기신호는 HBM 사의 Quantum X MX440 Data Acquisition System 을이용하였다. Figure 2.2-8 Measurement equipment for trim motion of model ship 종동요를계측하기위한장비는 Figure 2.2-8 에나타내었다. 이기표 (2011) 에의하여모형선의트림변화로인한추력선의변화가있어도항상바뀐추력선으로예인력이가해지도록개발되었다. 짐볼은모형선에직접적으로장착이되기때문에레이저를이용하여정확히무게중심에위치시킨다. 이와같은작업이수행되지않는경우, 예인력을전달하는 Figure 2.2-8 의축에장착시선수동요가존재할수있다. 23

Figure 2.2-9 Measurement equipment for heave motion of model ship 연직면상하동요를계측하기위한장비는 Figure 2.2-9 에나타나있다. 모형선에예인력을제공하는데, 이예인력을하나의로드셀 (Loadcell) 을이용하여계측하도록하였다. 또한모형선의배수량에서로드셀과종동요계측기의무게가반영되지않도록상부에같은무게의추가설치되어있다. 24

Figure 2.2-10 Load cell for 3DOF 모형선에작용하는힘을계측하기위한로드셀은 X, Y 방향에대한힘과 Z 방향에대한모멘트를계측할수있게설계되었으며, 실험에서계측하는값인 X 방향힘에대하여 200N 까지계측할수있다. 장비의외관은 Figure 2.2-10 에나타나있다. 2.2.4. 압력측정시스템선행연구들에서는선저면의압력을측정하기위하여차압계나전자식압력계를이용하여측정하였다. 차압계와전자식압력계를사용하는경우선저면에구멍을만들어센서를설치하는방식으로실험을수행하며추가적으로큰부피의장비설치가필요하다. 그러나고속예인전차의경우예인전차와달리운용속도가 25

높아전차의진동이크고, 고속예인전차에추가적으로장비를설치할수있는공간이적다. 따라서본연구에서는선행연구들과달리압력측정을위하여서 tactile 형식의센서를이용하였다. Tactile 센서는접착식센서로측정하고자하는부위에접착을시켜서사용할수있으며추가적인설치되는장비의부피가작다. 실험에사용한 tactile 센서는 Single Tact 센서로시스템의구성은압력을측정하는센서부, 센서에서나오는신호를받기위한앰프부로구성되어있다. Figure 2.2-11 SingleTact sensor SingleTact 센서는센서부의지름이 8mm 와 15mm 인 2 가지종류로각각 1, 10, 100N 과 4.5, 45, 450N 으로센서별로측정범위가나뉜다. 실험시발생하는압력의크기보다작은범위의압력센서를사용할경우큰범위의압력을계측할수없고또한너무큰범위의압력센서를사용할경우압력의미소변화를 26

측정할수없으므로실험에서압력이얼마나발생할것인지를 예측하여센서를선택하여야한다. Figure 2.2-12 Pressure estimation for 7.24m/s 압력추정에사용된방법은 Morabito(2010) 으로시험조건속도중최대속력에서압력을추정하였다. 그결과최대속력에서 1.33kPa 으로추정되었다. 따라서실험에사용될 Single Tact 센서로센서부의지름 8mm, 힘 1N 인센서를택하였다. 즉, 압력을최대 19.89kPa 까지측정할수있는센서를택하였다. 27

Figure 2.2-13 Pressure sensor calibration 압력센서의전압출력값에대한압력계측값을획득하기위하여센서의감지부에무게를올리는방식으로교정시험을수행하였다. 압력센서교정시험의범위는앞서추정한최대압력범위를포함하도록수행되었다. 총 10 개의센서에대하여각각수행하여교정값을획득하였으며센서의전압값과압력계측값이선형적임을확인하였다. 압력데이터는실험에서압력센서를통하여얻어진전압에교정시험을통하여획득한교정값을곱해주어서압력데이터를획득한다. 28

Figure 2.2-14 Pressure sensor calibration result 29

압력센서의전압데이터를받기위하여 NI 사의 NI USB-6210 과 LabView 를이용하였다. NI USB-6210 의경우아날로그신호를받을수있는채널의개수가총 16 개로압력계측시험에서사용하는총 10 개의 Single Tact 센서의출력을모두받을수있다. Figure 2.2-15 NI USB-6210 Figure 2.2-16 LabView front panel 30

SingleTact 센서는센서구동에필요한전압와그라운드에연결되어야하고센서의출력부가 NI USB-6210 에연결되어야한다. 이때센서연결에필요한그라운드는 NI USB-6210 의그라운드와센서전원의그라운드로동시에연결되어야한다. 따라서그라운드의통합을위하여서브레드보드 (Bread board) 를이용하였다. 최종으로연결된압력계측시스템의구성은다음과같다. Figure 2.2-17 Schematic diagram of SingleTact sensor and NI USB-6210 31

Figure 2.2-18 Pressure sensor set up Figure 2.2-19 Pressure sensor installation 32

2.3. 모형시험조건 2.3.1. 시험속도조건 압력계측시험을수행하기위한속도조건은활주선의특징이 나타날수있는활주구간으로설정하였다. 활주구간은 D V Savitsky(1992) 의경우 F n (Froud number, gl ) 이 1.2 보다클 경우로정의하고 OM Faltinsen(2005) 의경우선체중량의대부분을 동유체력으로지지할경우로정의한다. 두가지조건은다음과 같이실험에적용하였다. Table 2.3-1 Definition and Application for experiment of planing speed Definition Application D Savitsky (1992) F n >1.2 F nb >2.54 OM Faltinsen (2005) 선체중량의대부분을동유체력으로지지할경우 정유체력과동유체력을추정하여비교 이때 FnB 는폭프루드수로 V / gb 이다. OM Faltinsen(2005) 의 정의를적용하기위하여 Savitsky(1964, 2007) 의양력추정방법을 이용하여정유체력과동유체력을추정및비교하였다. 33

Figure 2.3-1 Composition of lift estimation Figure 2.3-2 Ratio of composition of lift 34

위의조건들을만족하는속도를예인속력으로결정하였으며, 결정된모형선시험예인속력은다음과같다. Table 2.3-2 Speed condition Case 1 2 3 F nb [ V / gb ] 3.0 3.5 4.0 Speed[m/s] 5.43 6.34 7.24 2.3.2. 선미인터셉터조건고속활주선의항주자세를제어하기위한대표적인선미부가물로는트림탭과인터셉터가있다. 선미트림탭은선미에서일정한각도를가지는판으로, 유동의방향을바꾸는방식으로압력을증가시킴으로써고속활주선의항주자세를제어한다. 선미인터셉터의경우선미에서수직으로내려진판으로, 유동을막는방식으로인터셉터앞에서압력을증가시킴으로써항주자세를제어한다. 35

Figure 2.3-3 Schematic pressure distribution of trim tab and interceptor 본연구에서사용한선미부가물은선미인터셉터로모형선에 Figure 2.3-5 과같이장착되었다. Figure 2.3-4 Interceptor model 36

Figure 2.3-5 Interceptor installation 선미인터셉터는경계층의두께의영향을많이받고경계층두께보다인터셉터의노출길이가클경우항력발생량만이증가하는것으로알려져있다. 선미인터셉터에대한선행연구중 Mohammad(2013) 의연구결과에따르면선미인터셉터실험적연구들의인터셉터노출길이와경계층두께의관계는 Figure 2.3-6 과같이나타났다. 경계층의두께보다인터셉터의노출길이가작은것은확인이가능하지만, 경계층의두께와인터셉터의노출길이사이의일정한기준을찾을수없다. 37

Figure 2.3-6 Experimental data height of interceptor versus boundary layrer thickness (Mohammad, 2013) 본연구에서는선미인터셉터의노출길이를결정하기위하여 A Molini(2005) 가수행한선미인터셉터의전산유체역학계산결과를참고하였다. A Molini(2005) 의연구결과에따르면선미인터셉터의노출길이가일정한경우에경계층모멘텀두께가증가하면인터셉터로인하여발생하는압력이감소하는경향을보였다. 이는경계층모멘텀두께가증가하면인터셉터의효율이떨어지는것으로볼수있다. 따라서선미인터셉터의노출길이를경계층모멘텀두께에따라결정하였다. 경계층의운동량두께의추정은 1/7-Power 추정방법을사용하였으며결과는 Figure 2.3-7 에나타나있다. 38

Figure 2.3-7 Estimation of boundary momentum thickness 최종결정된선미인터셉터의노출길이시험조건은 Table 2.3-3 과같다. Table 2.3-3 Condition of height of interceptor Case 1 2 3 Boundary layer momentum thickness ratio 0 50 100 [%] Height of interceptor [mm] 0 1.0 2.0 39

3. 실험불확실성 3.1. 개요 실험에서계측의불확실성은실험의신뢰도를제공하는요소로최근실험의결과를제공함에있어서계측된실험결과의불확실성을제공하는것이중요시되고있다. AIAA(American Insitute of Aeronautics and Astronautics) 와 ASME(American Society of Mechanical Engineers) 에서불확실성에대한연구를많이진행하였으며, 선박해양유체역학실험불확실성에대해서는 ITTC(International Towing Tank Conference) 에서체계화를진행하고있다. 본연구의실험불확실성은분석의대상은압력계측, 저항, 항주자세이며 ASME(2005) 의절차를따라서진행하였다. ASME(2005) 에따르면실험의불확실성은 systematic 과 random error 로구성되어있다. Systematic error 는반복실험을수행하는동안상수로남아있는불확실성으로반복실험의평균과실제값의차이를나타낸다. Random error 는반복실험을수행하는동안무작위로변하는불확실성으로몇가지의무작위불확실성의합으로나타낸다. 불확실성의구성은 Figure 3.1-1 에나타나있다. 40

Figure 3.1-1 Errors in measurement (ASME, 2005) Systematic error 를추정하기위하여 ASME 에서는계측관련 계수들의민감도를이용하여 data reduction equation 을구성한다. 예를들어압력계측을분석하기위한압력계수 CP 는압력 p, 유체의밀도 ρ, 선속 U 로구성된다. C P ( ) pv = (3-1) 1 2 ρ ( T) U 2 또한압력 p 는압력계에서제공되는아날로그신호인전압 V 와관계가있고유체의밀도 ρ 는온도 T 와관계가있다. 이를 41

data reduction equation 으로구성하면압력측정의 systematic error 는 다음과같다. 2 2 2 δ Cp Cp Cp Cp p U p δ ρ δρ U δ = + + (3-2) p δ p= δv V 2 (3-3) ρ δρ = δt T 2 (3-4) 위에서편미분항이의미하는것은각항의민감도이고 δ 항이 의미하는것은각항의 systematic error 이다. 식에서확인할수 있듯이구성된항들의 systematic error 의 root-sum-square 를 C p 의 systematic error 로정의한다. Random error 는반복실험의결과를다음과같은통계적처리를 통하여계산할수있다. X = N j= 1 N X j (3-5) s X = N ( X ) 2 j X j= 1 N 1 (3-6) s X = s X N (3-7) 42

X 는실험데이터들의평균, sx 는실험데이터들의분산, sx random error 를의미한다. Systematic error 와 random error 를이용하여실험데이터의 error 는다음과같이나타난다. ( ) ( ) 2 2 u = b + s (3-8) X X X 위에서 b 는 systematic error 를의미한다. 실험데이터의신뢰구간 X 95% 를포함하기위한표시범위는 X ± 2u X 으로 Figure 3.1-2 와같이나타난다. Figure 3.1-2 Possible measured values with 95% confidence (ASME, 2005) 43

3.2. 압력계측불확실성 압력계측의 systematic error 와 random error 는다음과같이해석된다. 3.2.1. Systematic error 압력계측의 systematic error 의구성성분은식 (3-2) 에서확인할수있듯이압력계의오차, 밀도의오차그리고예인속도의오차로구성된다. 압력계의오차의경우압력계의성능표에서획득하였고밀도의오차는 ITTC 에서제공하는밀도표와온도계측을통하여획득하였다. 그리고예인속도의오차는고속예인전차의예인속도를반복계측하여획득하였다. Systematic error 를구성하는각항의오차들은 Table 3-1 과같다. Table 3.2-1 Mean systematic error components Mean systematic error components V[m/s] 5.43 6.34 7.24 C p p δ p 0.0027 0.0015 0.0015 C p δρ ρ 3.3094E-07 1.0169E-07 1.5474E-07 C p U δ U 1.1736E-04 4.6969E-05 1.8065E-04 44

3.2.2. Random error 불확실성중 random error 를획득하기위하여서각케이스에대하여반복실험을수행하였다. 반복실험의결과와식 (3-7) 을이용하여획득하였다. 대표적인케이스인 5.43m/s 에대하여 10 회수행하였으며, 이때전체불확실성에서 systematic error 에대한 random error 의비는다음과같은수준으로나타났다. Figure 3.2-1 Ratio random error to systematic error for 5.43m/s 45

Figure 3.2-1 에서보이듯이불확실성의전체적경향에 systematic error 가지배적인항임을알수있다. 각압력센서의 Pa 단위불확실성은 Table 3.2-2 에표기하였다. Table 3.2-2 Uncertainty in Pa for 5.43m/s 46

4. 모형시험결과및고찰 모형실험의결과는각각저항및항주자세계측결과와선미 압력계측결과에대하여서나타내고고찰할것이다. 4.1. 저항및항주자세계측결과 선미인터셉터의노출조건에따른실험결과를저항, 트림, 부상량에대하여서그래프에표시하였다. 각그래프에서가로축은폭프루드수로통일하였고실험값인세로축들은무차원화하였다. 무차원화의경우저항은선체의무게로, 부상량은초기흘수로무차원화하였다. 또한각그래프에서선미인터셉터가장착되지않은경우빨간색, 선미인터셉터노출길이가 1mm 인경우를파란색그리고선미인터셉터노출길이가 2mm 인경우검은색으로표시하였다. 47

Figure 4.1-1 Resistance of model ship Figure 4.1-2 Trim of model ship 48

Figure 4.1-3 Rise of C.G. of model ship Figure 4.1-1 의그래프에서보이듯이고속활주선의예인속도가증가할수록저항이증가하고선미인터셉터의노출길이가증가할수록저항이증가하는것을확인할수있다. 이는그래프 Figure 4.1-2 와 Figure 4.1-3 의결과에서선미인터셉터의노출길이가증가하는경우에트림과부상량이줄어들기때문에모형선선체의침수표면적이늘어나기때문이다. 또한트림과부상량이줄어드는경우 Figure 4.1-4, Figure 4.1-5, Figure 4.1-6 에서보이듯이선수에서발생하는스프레이가매우커지는것을확인할수있는데, 스프레이발생량의증가는저항의증가에도영향을미친다. 49

Figure 4.1-4 Experiment image for 5.43m/s 50

Figure 4.1-5 Experiment image for 6.34m/s 51

Figure 4.1-6 Experiment image for 7.24m/s 선미인터셉터를부착한경우트림과부상량이감소하는이유는 인터셉터가선미의유동을막음으로써정체와동을발생시키고, 이로인하여압력이증가하기때문이다. 선미에서압력이 52

증가함으로써선수가내려가는방향으로모멘트가발생하게되고그결과트림과부상량이감소하게되는것으로예상된다. 각예인속도에서선미인터셉터부착으로인한저항및항주자세의변화율은다음과같이나타난다. 선미인터셉터의 노출길이가 2mm 인경우항주자세의변화율은거의일정하고 예인속도에따라저항의변화율은증가하는것을확인할수있다. 선미인터셉터부착에따른변화율은 Table 4.1-1, Table 4.1-2, Table 4.1-3 에표시되어있다. Table 4.1-1 Difference with barehull for 5.43m/s Interceptor 1mm Interceptor 2mm Resistance difference [%] Trim difference [%] Rise of CG difference [%] 12.67 20.94-21.03-31.72-0.56-18.88 Table 4.1-2 Difference with barehull for 6.34m/s Interceptor 1mm Interceptor 2mm Resistance difference [%] Trim difference [%] Rise of CG difference [%] 12.67 20.94-21.03-31.72-0.56-18.88 53

Table 4.1-3 Difference with barehull for 7.24m/s Interceptor 1mm Interceptor 2mm Resistance difference [%] Trim difference [%] Rise of CG difference [%] 12.67 20.94-21.03-31.72-0.56-18.88 4.2. 선미압력계측결과 선미압력계측결과를나타내기위하여각센서의위치와 번호를 Figure 4.2-1 과같이결정하였다. 선미와선측차인에 가까울수록센서의번호가커진다. Figure 4.2-1 Pressure sensor numbering 54

압력계측결과는압력단위인파스칼 (Pa) 과압력계수 ( C P ) 로 나타내었다. 압력센서는대기압을기준으로초기값을설정하였기 때문에압력계수또한대기압을기준으로표시된다. 즉, 대기압보다낮은압력에서는음의압력계수로높은압력에서는 양의압력계수로표시된다. 압력계수는예인속도와밀도로 무차원화하였고식 (4-1) 과같다. C P P = (4-1) 1 2 ρv 2 각예인속도와선미인터셉터노출길이조건에따른선미선저면압력계측결과는 3 차원그래프와 2 차원그래프로압력계수에대하여나타내었다. 이에대한파스칼단위의데이터는따로제공하였다. 55

Figure 4.2-2 Pressure distribution for 5.43m/s 56

Figure 4.2-3 Pressure distribution for 6.34m/s 57

Figure 4.2-4 Pressure distribution for 7.24m/s 58

Figure 4.2-2 에서볼수있듯이압력계수를나타낸 3 차원 그래프의 Z 축은압력계수를나타낸다. 실험에서대기압보다 낮은압력이계측되었기때문에음의압력계수를표시하기위하여 Z 축을반전시켜놓았다. 즉, +Z 방향이음의압력계수를 Z 방향이양의압력계수를나타낸다. 그리고 X 축은모형선의종방향위치를나타내고 Y 축은모형선의횡방향위치를나타낸다. 또한위에서정의한센서번호들을각결과들위에표시하였다. 2 차원그래프의세로축도 3 차원그래프의 Z 축과같이압력 계수를표시하였으며가로축은센서번호이다. 그러나 2 차원 그래프의경우압력계수에대하여실험불확실성을표시하기위하여에러바와함께표시하였다. 또한 3 차원과 2 차원그래프에모두선미인터셉터부착조건에따라색을다르게표시하였으며, 이를그래프에범례로표시하였다. 각그래프에서확인할수있듯이선미인터셉터가장착되지않은경우에선미에서전체적으로대기압보다낮은압력이발생한다. 보통선수선저와수면이만나는지점에서정체선 (Stagnation line) 이생성되어큰압력이발생하고, 선미로갈수록압력이회복되어자유수면과만나며선미에서대기압수준의압력이발생하는것으로알려져있다. 그러나활주선선미에서대기압보다작은압력이발생하는이유는, 고속활주선의선저유동이선미트랜섬의급격한곡률변화를따르지못하고박리되며유동이가속되어나가기때문이다. 59

각그래프에서선미인터셉터가장착된경우의결과를보면선미인터셉터의노출길이가크고예인속도가높을수록선미인터셉터로인하여발생하는압력의크기가큰것을확인할수있다. 즉, 선미인터셉터로인하여발생하는압력은노출길이와예인속도에비례한다. 또한선미인터셉터의바로앞부분뿐만이아니라거리가떨어진곳에서도압력이증가함을확인할수있고, 노출길이가증가하는경우에거리가떨어진곳에서의압력도증가했다. 이를통하여선미인터셉터의노출길이가길어지면영향을미치는범위도늘어남을알수있다. 압력계측결과로앞서모형선의항주자세의변화가선미인터셉터로인한선미에서압력증가와그로인한선미의추가적인모멘트라는것을확인할수있다. 즉, 선미인터셉터는선미의유동을막음으로써압력을증가시키는방식으로고속활주선의항주자세를제어하는것을확인하였다. 선미압력계측결과의파스칼단위데이터는다음과같다. 60

Table 4.2-1 Pressure raw data for 5.43m/s Table 4.2-2 Pressure raw data for 6.34m/s 61

Table 4.2-3 Pressure raw data for 7.24m/s 62

5. 결론 본연구에서는고속활주선의선미선저면에대하여선미인터셉터의노출길이조건에따라압력계측실험을수행하였다. 실험을수행할때고속활주선형모형선의자세를구속하지않고예인하였다. 압력계측실험결과선미인터셉터가부착되지않은경우에선미에서대기압보다낮은압력이발생함을확인하였다. 보통선미의유동은자유수면과만나기때문에대기압과동일하다고알려져있지만, 고속활주선의경우선미가트랜섬형상이기때문에선저유동이트랜섬의급격한곡률변화를따르지못하고박리되어나가기때문이다. 선미인터셉터를부착한경우에선미에서압력이증가함을확인하였다. 선미인터셉터의바로앞부분뿐만이아니라거리가떨어진곳에서도압력이증가했다. 선미인터셉터로인하여증가하는압력의크기는노출길이가길수록, 예인속도가빠를수록커졌다. 고속활주선의항주자세는선미인터셉터의노출길이가늘어남에따라트림과부상량이감소되었다. 압력계측결과와비교해보면선미인터셉터가발생시킨압력의증가로인하여선미에서모멘트가발생하고, 이에따라트림과부상량이감소된것을알수있다. 63

본연구를통하여선미인터셉터가고속활주선선미에서작용하는원리를실험적으로확인하였고, 선미인터셉터로인한영향을정량적으로계측하였다. 또한압력계측결과에대한신뢰도를제공하기위하여불확실성해석을수행하고불확실성을제공하였다. 64

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ABSTRACT Pressure Measurements on High Speed Planing Hull with Interceptors Sae-Yong Park Dept. of Naval Architecture & Ocean Engineering Seoul National University High speed planing hull is mostly adopted for military purposes because of its high operation speed and excellent ability to carry out missions. The high speed planing hull has various running attitudes determined by the bottom pressure distribution at the operation speed, and its hydrodynamic performance is greatly affected by the running attitude. To prevent the hydrodynamic performance from degrading, the running attitude control of hull is required, and the stren interceptor is frequently used for this purpose. Therefore, it is necessary to investigate the bottom pressure of high speed planing hull with various speed conditions in order to understand the working principle of the stern interceptor. Most of previous researches of the pressure measurement of high speed planing hull are focused on the pressure distribution of only the bare hull. In other words, despite the fact that the stern interceptor is a typical stern appendage of the high speed planing hull, there is no pressure measurement study of the stern interceptor. In this study, pressure measurement tests on high speed planing hull and stern interceptor were carried out. Moreover, resistance and running attitude with the stern interceptor conditions were also 70

measured during tests. Test results of the bare hull and interceptor appended hull are compared with various speed conditions. When the stern interceptor was not appended, it is measured that the pressure at the stern is less than the atmospheric pressure. Although it is known that the bottom pressure gradually becomes the atmospheric pressure. It is expected that the flow separation induced by the drastic curvature change of the transom stern is the reason why the pressure is lower than the atmospheric pressure is occurred. When the stern interceptor was appended, it was found that the pressure at the stern increased. It is known that the main reason for the pressure increase is the stagnation vortices which are generated from the stern due to the effect of the stern interceptor. And, as the interceptor height and towing speed increase, the increment of pressure at the stern increases. In the case of the running attitude, both the trim and rise of C.G. were reduced when the stern interceptor is appended. Also, the amount of trim reduction increased as the exposure length of the stern interceptor increased. This is because, as compared with the pressure measurement result, as the exposure length of the stern interceptor increases, the increment of the pressure from stern increases, so that the moment generated from the stern increases. In this study, pressure measurement test of the high speed planing hull with stern interceptor was conducted. As a result, the characteristic of the stern pressure of high speed planing hull was identified and the working principle of the high speed planing hull and the stern interceptor was clarified. 71

Keywords: High speed planing hull, Stern interceptor, Running attitude, Pressure measurement test Student Number: 2016-21134 72