1.서 론

최근 해양관광, 어업 생존권 확보 등에 대한 사회적인 관심이 증가하면서 해양 환경에 대한 중요성 또한 크게 증 가하고 있다. 해양오염에 있어서 큰 문제가 되고 있는 분 야는 오랫동안 해저면에 퇴적되어 온 유기 퇴적물로, 이를 효과적으로 제거하기 위한 많은 연구가 수행되어 왔으나 대부분이 준설 방법에 대한 연구로, 제한된 공간에서 이를 효율적으로 운용하기 위한 선박에 대한 연구는 많지 않은 실정이다.

Jeong(2001, 2013) 등은 쐐기형 선수선형을 갖는 쌍동형 청 소선의 선수부 형상과 효율에 대한 연구를 모형시험과 수치 해석을 통하여 수행하여 비대칭 선수선형의 성능개선 효과 를 설명하였고, Kim et al.(2006)은 선체길이 30 m급, 배수량 200톤급 규모의 쌍동형 준설선의 선형개발에 대한 연구를 수행하였으며, 특히 개구형 작업공간(Moon pool)의 유체역학 적인 영향에 대한 체계적인 연구를 수행하였다.

CFD를 이용한 저항추정에 있어서는 Crane 선(Shin et al., 2012)과 활주선(Yoo and Oh, 2013; Park, 2014) 등의 격자민감 도에 따른 벽 근처의 점성영향을 해석하여 저항을 추정하였 으며, Teresa(2014)는 쌍동선 선체 간격변화에 따른 파계, 저 항 등을 분석하였다.

본 연구에서는 연안의 해저면에 누적된 퇴적오염물을 효 율적으로 수거하고, 선체건조가 용이하도록 선수부 형상을 단순화한 쌍동형 수거선의 선형개념과 유체역학적 특성에 대하여 언급하였다.

개발선의 성능은 회류수조 모형시험을 통하여 확인하였 으며, 수치시뮬레이션을 이용한 계산결과와 모형시험 결과 를 비교하여 수치시뮬레이션의 유용성을 함께 검토하였다. 수치시뮬레이션은 Ansys CFX 프로그램을 이용하였다.

2.대상선박 개념설계

선박설계는 퇴적물 수거 시스템의 안정적 탑재 및 효율적 작업환경 배치와 얕은 수심의 경우에도 접근성이 용이하도 록 저흘수 선박의 개념을 도입하였으며, Kim, Lee(2006)의 제 안에 따라 선체 중앙부에 퇴적물 수거가 용이한 개구부를 갖는 쌍동형을 기본선형으로 선정하였다(Table 1).

대상선박의 주요제원은 Fig. 1과 같이 길이 11~13 m, 배수 량 10 ton 내외의 유사 쌍동형 선박의 주요제원 분석을 통하 여 선정하였다.

쌍동형 유사선박의 대부분은 L/B_h가 약 2.3, B_h/T는 약 2.5, S/L은 약 0.28에서 군집하는 제원 특성을 보이고 있으며, 선 속은 저마력(100~200 hp) 범위에서는 Speed/Disp.가 약 10 정 도이며, 고마력(450~550 hp) 범위에서는 Speed/Disp.가 약 20 정도임을 보이고 있다. 여기에서 L은 전장, B_h는 단동체 선 체의 폭, T는 흘수, S는 단동체 중심간 거리, Disp.는 배수량 이다.

통상의 준설선은 항해속도는 10 knots 내외, 작업 시에는 5 knots 이하로 운항하므로 선형은 비교적 단순한 형상을 갖 고 있다. 본 대상선의 항해속도는 내만의 조류를 고려하여 6 knots, 작업속도는 4 knots로 가정하였다. 선미부는 배수량 확보를 위하여 상자형상으로 하였으며, 선수부는 8 knots 이 상의 운항속도 요구 시 Froude Number(Fn)를 고려하여 반활 주선 형상을 갖도록 설계하였다.

Table 2에 개발선 및 모형선의 주요제원을 나타내었으며, Fig. 2에는 대상선의 선형 형상을 나타내었다.

3.모형시험

모형시험은 서일본유체기술연구소의 회류수조에서 수행 되었다. 시험모형은 L=1.0 m 크기로 하드우레탄으로 제작하 였으며, 시험모형을 Fig. 3에 나타내었다.

Fig. 4는 작업속도(4 knots) 및 항해속도(6 knots)에서의 선체 주위에서의 파형을 보인다. 일반적으로 상자형 선미형상을 갖는 선미단에서 나타나는 큰 선미파가 두 속도 모두에서 나타나지 않는다. 그러나 비교적 큰 선수파가 어깨부근에서 나타나고 있으며, 속도가 증가할수록 더욱 강하게 나타나고 있다. 이러한 어깨파는 쌍동선의 두 선체 사이에서 강한 파 간섭을 일으켜 저항성능에 악영향을 줄 것으로 판단된다. 향후 탑재장비의 분포를 수정하여 선수부 어깨부근의 배수 량을 감소시킬 필요가 있는 것으로 판단된다.

Fig. 5는 선속에 따른 침하량 변화를 나타내었다. 전 속도 영역에서 비교적 안정적인 운항자세를 보이고 있으며, 속도 변화에 따른 침하량 변화는 크지 않다. 10 knots 이상 비교적 고속영역에서는 선수부가 약간 부상하는데 이는 선수형상 이 반활주선 개념을 가지고 있기 때문이다.

본 연구의 대상선박이 저속 쌍동형 정화선의 선형에 대한 것으로, 선수부 형상에 대한 개선을 통하여 선수파와 그에 따른 조파저항 성분의 개선이 필요한 것으로 판단된다.

4.수치해석

개발선에 대한 수치해석은 Ansys CFX를 이용하였으며, Table 3의 자유표면에 대한 수치해법과 주요 계산 조건은 적 용된 난류모델(BSL Baseline Reynolds Stress)과 자유수면 해석 기법(Homogeneous Multiphase)이 타 난류모델 및 기법보다 저 항추정에 정도 높은 해를 보임에 따라 해석조건으로 적용하 였다(Bank, 2010).

해석 모델은 실선과 같은 축척비(1:1)로 하였다. 계산을 위 한 격자생성은 ICEM CFD를 이용하였으며, 격자계는 Hexa Mesh로 격자계를 구성하였다.

본 선형은 비교적 단순한 형상이나, 본 대상선의 Fn은 약 0.4 내외이므로 조파저항 성분이 중요한 설계변수이다.

Shin et al.(2012)과 Park(2014) 등은 Crane 선박과 중형 고속 정에 대하여 격자민감도에 따른 벽 근처의 점성영향을 해석 위하여 벽 근처의 국부적인 Reynolds No.를 표현하는 Y+ 와 격자수를 변화시켜가며 저항을 추정하였다.

본 연구에서는 자유표면 계산 정도 향상을 위하여 자유표 면 근처에 격자를 집중시켰으며, 계산조건은 Table 4와 같다.

Fig. 6은 수치계산을 위한 경계조건과 자유표면에서의 격 자계를 나타낸 모습이다.

Fig. 7.에는 유속 4knots 및 6knots에서의 Ansys CFX를 이용 한 점성유동장 해석결과를 모형시험과의 Wave pattern을 비 교하였으며, 계산과의 차이는 두 선체 사이에서의 파 간섭 영향 등의 영향이 작게 계산되었기 때문으로 판단된다.

Table 5에는 계산결과와 모형시험을 통한 실선의 유효마 력 추정결과에 대한 비교를 나타내었다.

모형시험에서는 전저항을 ITTC-1957 곡선을 이용한 마찰 저항(Cf)과 잉여저항(Cr)으로 나누고, 수치계산에서는 조파저 항(Cw)과 점성압력저항(Cvp)의 합인 압력저항(Cp)과 마찰저 항(Cf)의 합으로 나누었다.

Fig. 8에는 Table 5의 전저항(Ct)에 대한 계산결과를 모형시 험과 비교하여 나타내었다. 전반적으로 상호간 유사한 경향 을 보이고 있으나, 계산결과가 시험결과에 비하여 작게 추 정되고 있다. 이는 Fig. 7에서 보는 바와 같이 수치해석에 의 한 선수파가 모형시험에 비하여 비교적 작게 나타나고, 따 라서 두 선체 사이에서의 파 간섭 영향이 작게 계산되었기 때문으로 판단된다. 또한, 향후 경계조건과 자유표면 근처에 서의 격자배치, 속도변화에 따른 항주자세 등 수치해석에 있어서 보다 구체적인 검토가 필요한 부분이다.

5.선형개선

Fig. 4에서 언급한 바와 같이 초기선형의 선수부에는 큰 어깨파가 발생하여 두 선체 사이의 파 간섭에 의한 저항 증 가가 큰 것으로 판단된다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위하여 선형을 수정하여 동일한 수치 Simulation에 의하여 그 성능을 비교하였다. 초기선형에서는 8 knots 이상의 운항속도 요구 시의 Froude Number(Fn)를 고려하여 반활주선 형상을 갖도록 설계하였으나, 쌍동선에서 각각의 단동체가 활주선 의 형태인 경우 두 선체 사이의 파 간섭이 발생하여 저항성 능이 나빠질 우려가 크다. 따라서 선형수정 방향은 선수 Profile 하부의 Stem line과 어깨부 Volume을 앞으로 이동시키 는 선형수정을 하였으며, 단면의 형상은 가공의 편의성을 위해 직선 형태를 유지하였다.

Fig. 9에 초기선형과 수정선형의 비교를 나타내었다.

Table 6은 선형수정에 따른 초기선형과의 주요 dimension 변화를 나타낸 것으로, Lbp 4 %와 W.S.A.(Wetted Surface Area) 1.7 %가 증가하였다.

초기선형 및 선수 수정선형에 대한 선속 4 knots 및 6 knots 에서의 선수부 파형에 대한 수치계산 결과를 Fig. 10에 나타 내었다.

Fig. 11은 초기선형 및 수정선형의 선속에 따른 측면에서 의 파형을 비교한 것으로, 선수선형 변화에 따른 수정선형 파형의 파고 및 파형이 개선되고 있음을 보이고 있다.

Fig. 12는 두 선형의 조파저항에 대한 비교를 위하여 Prohaska 방법에 따라 추정한 형상영향계수 k를 나타낸 것으로, 초기 선형 k = 0.2345에서 수정선형 k = 0.2274로 수치계산을 통하 여 추정하였다.

Table 7 및 Fig. 13은 두 선형의 조파저항에 대하여 수치계 산한 결과를 나타낸 것이다.

Table 8과 Fig. 14에는 선수부 형상변화에 따른 전저항(Ct) 에 대하여 회류수조와 수치계산의 결과를 비교하였으며, 초 기선형에 대한 수치해석(CFX-1) 및 모형시험(C.W.C.) 결과에 대한 비교와 수정선형(CFX-2)에 대한 수치해석 결과를 비교 하였다. 수치해석에 의한 비교에서 수정선형의 저항성능이 작업속도에서 약 2.9 %, 운항속도에서 약 13.7 % 개선되고 있 음을 확인하였다.

6.결 론

해저 유기퇴적물 수거에 적합한 저속 쌍동형 선형의 개념 설계를 수행하였으며, 회류수조(FEL)에서의 실험 및 수치계 산 등을 통하여 선형성능과 선형개선에 대한 방향성을 확인 하였다.

두 선체 사이의 midship 부근에서 발생되는 파 간섭에 대 해서는 수정선형의 파형개선이 확인되고 있으나, 두 선체사 이의 간격에 따른 영향 검토와 함께 자유수면에서 항주하는 쌍동형 선박의 선체의 트림, 침하량 등 항주 거동에 대한 연 구가 필요할 것으로 사료된다.