6. 선박의 저항(3)

6.1.2 실선의 저항 추정

모형시험의 결과를 이용하여 실선의 저항을 추정하는 식에 근거한 방법이 프루드에 의해 제안된 이래 세계 각국의 시험수조에서는 각자 나름대로의 방법을 개발하여 사용하게 되었다. 이와 같은 상황은 시험기관이 다른 경우 시험 결과를 비교하기 힘들게 하였고, 또한 저항시험 관련 용어와 그 정의의 통일에 대한 필요성이 제기되어 결국 수조 관련 국제기구인 ITTC(International Towing Tank Conference)는 1957년과 1978년 현재 가장 많이 사용하고 있는 두 가지 저항 추정 방법을 제안하였다.

1957년에 제안된 방법은 프루드가 제안한 다음 식에 근거한 방법으로

보통 2차원 외삽법(extrapolation)이라고 불린다.

Cts는 다음 식으로 구한다.

여기서 Cas는 모형선-실선 상관수정계수(model-ship correlation allowance)로 실선의 표면거칠기를 고려한 항이다.

1978년에 제안된 방법은 배의 형상이 평판과는 다른 점을 고려하여 형상계수(form factor)를 도입, 사용하는 방법인데 이 방법에서는 전체 저항을 점성에 기인하는 점성 저항과 조파에 기인하는 조파에 기인하는 조파 저항의 합으로 간주한다. 따라서 다음과 같은 식에 근거하여 Ct를 구하는데

 

 

통상 3차원 외삽법이라고 불린다. 여기서 점성저항계수 Cv, 조파저항계수 Cw는 무차원화된 저항계수이다. Cf는 위의 식을 사용하여 구하므로 두 식으로부터 다음 결과를 얻는다.

이 식에 따르면 3차원 외삽법에서는 잉여저항으 조파저항과 형상 계수에 기인하는 저항, 즉 형상 저항(form resistance)의 합으로 간주하며, 실제로 잉여 저항의 구성 성분 중 프루드수에 따라 결정되는 양은 조파저항뿐이므로 이 방법은 2차원 방법보다는 합리적이다.

3차원 외삽법에서는 모형선의 실선의 Cw가 같다고 가정하므로 물론 2차원 외삽법 보다 합리적이기는 하지만 정확한 형상계수 k의 값을 구하는 것이 쉽지 않으므로 아직도 2차원 외삽법을 사용하고 있는 기관이 적지 않다.

1978년에 제안된 방법에 따르면 만곡부 용골(bilge keel)이 없는 단일프로펠러(single propeller) 선박에 대해서는 다음 식으로 Cts를 구한다.

여기서 Caas는 공기저항계수이다. ITTC 1957 방법과 ITTC 1978 방법을 비교하여 실선의 전체 저항을 추정하는 방법을 보였다.

 

 

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6.1.3 저항시험

선박의 저항추진 성능을 예측하기 위해서는 대개 네 종류의 모형시험을 수행한다. 정수 중에서 일정한 속도로 전진하는 모형선에 작용하는 저항을 계측하는 저항시험(resistance test), 추진기의 단독 성능을 계측하는 프로펠러 단독 시험(Propeller Open Water test, POW test), 모형선에 추진기를 장착하여 저항과 추력을 계측하는 자항시험, 그리고 프로펠러 공동시험(propeller cavitation test)이다. 1872년 프루드가 최초로 예인수조를 건설한 이래 현재 전 세계적으로 약 100여 개의 예인수조가 운용되고 있다.

위에서 언급한 네 종류의 모형시험 중 저항시험에 대해서만 이 절에서 다루고 나머지 시허에 대해서는 추진과 관련하여 다음절에서 다루기로 한다. 저항시험에서는 모형선을 정수 중에서 일정한 속도로 전진시키기 위해 예인전차(towing carriage)를 이용하여 모형선을 견인하다가 시험 속도에 도달하면 예인력을 제거하고 이때 작용하는 저항을 동력계(dynamometer)를 이용하여 계측한다. 모형시험의 정확도에 영향을 미치는 요인은 모형 제작의 정밀도, 수조의 환경, 그리고 계측 시스템의 정확도이다.

저항시험에서 계측하는 주된 물리량은 물론 모형선의 전체저항이지만 좋은 선형의 개발, 개발 중인 선형들의 특성 비교, 저항을 감소시키거나 추력을 향상시키는 장치들의 설계를 위해서는 선체 주위의 파형, 선미부에서의 유속분포 등을 포함하여 국부적인 유동 특성을 가시화 또는 계측할 필요가 있다.

유동가시화(flow visualization) 기법으로는 페인트나 염료를 사용하여 선체 표면에 매우 가까운 곳에서의 유동을 정성적으로 얻어내거나 또는 매우 작은 압핀에 실을 붙들어 맨 터프트(tuft) 등을 사용하는 방법 등이 있다. 보다 정량적인 자료를 얻기 위해서는 물에 매우 작은 입자를 뿌리고 이 입자들을 컴퓨터를 사용하여 광학적인 방법으로 추적하는 PIV(Particle Image Velocimetry) 기법 등이 사용되는데, 이와 같은 방법은 예인수조에서는 사용되기 힘들며 모형선이 정지해 있고 물이 지속적으로 모형선 주위를 흘러가도록 되어 있는 회류수조(circulating water channel) 등에서 적극적으로 활용되고 있다.

선미부 특히 프로펠러가 놓이게 되는 프로펠러평면에서의 유속분포, 즉 반류분포(wake distribution)는 프로펠러 설계를 위해 반드시 필요한 자료이며, 원주방향으로 균일한 분표를 가지지 않으면, 선미부에 발생하는 소음과 진동의 요인이 되므로 설계 초기부터 주의를 요하는 사항이다. 반류분포를 계측하는 데는 특별히 고안된 반류계측체계를 사용하는데 이는 피토관(Pitot tube)과 위치제어를 위한 장치로 이루어지며, 피토관의 작동 원리에 대해서는 유체역학에서 배우기로 한다.

 

 

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6.1.4 선형과 저항성능의 관계

선박의 저항은 배의 기하학적 형태, 즉 선형에 따라 크게 달라진다. 따라서 선형을 설계하기에 앞서 선형이 저항성능에 미치는 영향을 분석하고 평가할 수 있어야만 효율적인 선박을 설계할 수 있다. 원유탱커(crude tanker)나 산적화물선(bulk carrier)과 같이 가능한 한 많은 화물을 싣고 느린 속도로 운항하는 선박과, 여객선이나 컨테이너선 같이 상대적으로 빠른 속도로 운항하는 선박의 형상은 저항 성능의 관점에서 큰 차이를 가진다.

선박의 형상을 선수부와 선미부로 구분하여 살펴보면, 일반적으로 선수부는 조파저항, 선미부는 점성저항에 각각 큰 영향을 미친다. 잘 설계된 상선의 조파저항은 전체저항의 35%를 넘지 않는 것이 상례이므로 우선 선미부의 형상을 최적화하는 것이 선형 설계의 기본적인 절차이다. 또한 선미부의 형상은 프로펠러에 유입되는 유동에 영향을 미치기 때문에 추진효율에 직접적인 영향을 주며, 선체의 소음과 진동에도 영향을 끼쳐 선박의 성능, 나아가 품질과 직결되므로 최근 그 중요도가 더욱 높아지고 있다. 아래에서는 선수 형상과 선미 형상에 대해 개괄적으로 살펴보기로 한다.

 

1. 선수형상

선수부의 형상을 설계함에 있어서는 단면적 곡선(또는 Cp 곡선), 횡단면 형상, 구상선수(bulbous bow) 및 수선면의 도입각(entrance angle) 등이 주요 인자이다.

단면적곡선의 면적 분포를 보면 선수부와 선미부의 체적 분포 비율을 쉽게 알 수 있으며, 종부심(LCB), 즉 단면적곡선의 길이방향 도심의 위치는 방형 계수 Cb 및 Fn의 값에 따라 적절히 결정되어야 한다. Cb가 작고 Fn가 큰 배는 조파 저항의 중요성이 상대적으로 커서 선수부의 체적이 비교적 작은 경향이 있으므로 LCB는 중앙횡단면으로부터 선미쪽에 위치하며, Cb가 크고 Fn가 작은 배는 조파저항의 중요성이 작으므로 선수부의 체적이 커지는 경향이 있어 LCB는 중앙횡단면으로부터 선수 쪽에 위치한다.

선수부의 횡단면형상은 아래 그림에 보인 것과 같이 저속비대선(Cb > 0.8)의 경우에는 U형을 가지며 고속세장선(Cb < 0.7)은 V형을 그리고 중속선(0.8 < Cb < 0.7)은 그 중간 형태인 UV형을 가진다. 저속선의 경우에는 선수만곡부의 곡률반경을 가능한 한 크게 해 주는 것이 저항 성능 측면에서는 유리하다.

선수부 형상의 또 다른 특징은 구상선수는 선수부(forebody)에 기인하여 생성되는 파도와 위상차를 가지도록 설계되어 조파 저항을 감소시킬 뿐만 아니라 선수부에서 자주 관찰되는 쇄파(breaking wave)를 감소시키므로 저속, 고속을 막론하고 채택하고 있으며, 특히 흘수가 매우 작은 밸러스트 상태에서도 그 효과가 작지 않은 것으로 알려져 있다. 구상선수는 높은 벌브, 중간 벌브, 낮은 벌브와 거위목 벌브가 있으며 저속선, 고속선, 크루저 등의 여러 가지 선박의 용도에 따라 적절히 사용되고 있다.

수선면의 형상, 특히 수선면의 도입각은 조파 저항의 크기를 결정하는 주요한 인자이다. 수선면의 도입각은 수선면의 선수 쪽 끝점에서 수선의 접선이 중앙종단면과 만드는 각으로 정의되며, 일반적으로 도입각이 작으면 작을수록 조파 저항은 감소한다.

출처: 네이버 블로그

 

2. 선미 형상

선미부의 형상을 설계함에 있어서는 단면적 곡선, 횡단면 형상, 측면 형상(stern profile) 등이 주요 인자이며, 선미부에는 프로펠러와 타가 위치하므로 이에 대한 고려 역시 필수적이다.

선미부 단면적 곡선의 형상은 가급적 완만하게 변화해야 하며 특히 프로펠러가 놓이게 될 평면, 즉 프로펠러 평면 부근에서는 주의를 요한다.

선미부의 횡단면 형상 역시 U형과 V형으로 구분할 수 있는데, V형은 과거 저속 비대선의 선미부에 많이 채택되었던 형상으로 점성 저항을 줄이는 장점은 있으나, 프로펠러에 유입되는 유동이 불균일하게 되는 단점이 있다. U형은 선미만곡부에서 유동이 선체를 떨어져 나가는 경향이 심하여 형상 저항을 증가시키기는 하지만 프로펠러에 유입되는 유동이 V형에 비하여 훨씬 균일하다는 장점이 있다. 최근에는 U형과 V형의 장점만을 결합한 UV형을 채택하는 경우가 일반적이다. 선미부의 측면 형상은 두 가지 상반되는 요구를 만족시키도록 결정된다. 하나는 수면 아래의 배의 길이를 길게 하면 할수록 저항이 관점에서는 유리한 선형이 될 수 있다는 점이며, 다른 하나는 프로펠러와 선체 사이의 거리를 가능한 한 멀리 해주어야 한다는 점이다. 전자의 요구를 만족시키면서 타와 선체 사이에 프로펠러를 위치시키기 위해서는 프로펠러와 선체 사이의 거리를 확보하기가 쉽지 않은 경우가 대부분이므로 적절한 절충이 요망된다. 프로펠러 위쪽의 측면형상은 수선면의 형상을 고려하여 형상 저항의 증가가 최소화되도록 결정한다.