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1. 서 론

 현재 우리나라에서 사용되고 있는 등부표의 종류는 10가지 정도이며, 가장 작은 등부표가 LT-10이고, 길이 1 m로 해상환경에 열악한 현실이다. 따라서 등부표 1.0 m의 LT-10와 4.4 m의 LL-26 사이의 소형 크기이며, 제작 비용 및 유지 보수가 용이한 등부표의 개발이 필요한 시점이다.

 우리나라의 경우 관측용을 포함한 부표 개발의 대부분을 외국 기술에 의존하고 있는 실정이며, 4~5개의 외국 전문 업체가 세계 시장을 장악하고 있는 구도이다. 반면 우리나라의 부표 관련 기술 수준은 현재로써 외국 설계를 단순히 모방하는 수준에 그치고 있다(Kim et al., 2009).

 한편 항로의 설정과 항만시설 설치, 준설 및 해양사고로 인한 침선 등 부표시스템의 적용범위는 용도에 따라 다양하며, 항만 입·출항시 적용되었던 부표시스템이 연안 해역에서 도 항해 원조를 위해 그 수요가 날로 증가하고 있다. 국제항로표지 협회에서는 97 %이상의 부표시스템의 운영률을 유지하도록 권고하고 있어 부표류의 운동학적 안정성면에서 유체역학적인 연구가 필요하다(Gim, 2008).

 특히 주변의 환경적 외력으로 인한 고정표지만큼 신뢰도가 떨어지기 때문에 유실, 위치 이동 등의 사고에 대비하기 위한 안정성 검토가 필요한 특징을 가지고 있다.

 본 연구에서는 해상계측을 포함한 소형 부표의 개발을 위해 먼저 안정성 확보를 검토하고자 하였다. 다양한 해상환경에서 조우각과 선속변화에 따른 내항성능 특성을 응답진폭비, 부가저항계수 등의 수치해석을 시행하였다(Han et al., 2012; Gim et al., 2010).

이를 위하여 소형 크기의 등부표를 제시하고 이에 따른 안정성 확보를 위해 조우각과 해상환경에 따른 운동성능에 대한 수치해석을 통해 그 안정성을 검토하였다. 

2. 등부표 개념설계

 해상 계측용 부표의 설계를 위해 노출되어질 환경과 유사한 수심 10 m, 풍속 45 m/s, 조류 2 kt, 파고 1.5 m 이내의 자연조건에서 항만 및 어항설계(제13편 항로표지 시설)을 참고하였다(MOF; Ministry of Oceans and Fisheries, 2012).

2.1 설계계산

 등부표의 중요한 요소중 하나인 중심 위치 결정을 위해 등부표의 세부 항목의 중량과 기준선에서 각 세부 항목의 중심까지의 거리를 선정하여 1차모멘트 및 관성모멘트를 구하여 Table 1에 정리하여 나타내었다.

Table 1. The details of Buoy

Table 1의 중량과 모멘트를 식(1)을 통해 등부표의 중심위치값 도출하였다. 

 여기서, KG : 기준선에서 중심까지의 거리(m)
            MC : 중량의 모멘트(kgf)
            W : 총중량(kgf)

 식(2)를 통하여 등부표의 주요제원중 하나인 흘수 값을 도출하였다.

 여기서, d : 흘수(m)
            d₁ : 표체의 하부의 경사부의 높이(0.03 m)
            d₂ : 수직부 표체의 수면 아래쪽 깊이(0.01 m)
            V′: 수직부 표체의 공간(0.02 m²)
            V₁ : 미통과 중추의 체적(0.02 m²)
            V₂ : 표체의 경사부공간(0.16 m²)
            A′: 수직부 표체의 단면적(1.13 m²2)

 식(3)과 (4)를 통해 부심중심위치 값을 도출하였고, 식(2), (3), (4)를 통해 도출된 KG, KB, BM으로 GM 값을 도출 확인할 수 있었다.

 여기서, KB : 기준선에서 부심까지의 거리(m)
            M_B : 각 부위 배수체적의 기준면데 대한 모멘트(m⁴)
            V : 배수체적(m³)

 여기서, BM : 부심으로부터 경심까지의 높이(m)
            I_X : 표체 흘수면의 단면 2차모멘트(m⁴)
            R : 표체 흘수면의 반지름(0.6 m)
            V : 배수체적(m³)

 또한 바람에 의한 경사각은 식(5), 조류에 의한 경사각은 식(6), 조류에 의한 경사각은 식(7)으로 각각 도출하였다.

 여기서, Pa : 공기의 밀도(0.125 kgf·S²/m⁴)
            Va : 풍압을 받는 부재에 대한 풍속(31.50 m/s)
            Aa : 풍압을 받는 부재의 투영면적(m²)
            C_D : 부재의 항력계수

 여기서, Pw : 해수의 밀도(105 kgf·S²/m⁴)
            Vc : 조류력을 받는 부재에 대한 조류속(1.02 m/s)
            Ac : 조류력을 받는 부재의 투영면적(m²)
            C_D : 부재의 항력계수

 여기서, θ2 : 수직선에 대한 경사각도
            α : 파경사의 최대각도
            T : 파의주기(8.00 sec)
            t : 부표의 진동주기(3.02 sec)
            H : 파고(1.50 m)

 등부표의 각 세부 항목의 1차모멘트 및 관성모멘트를 통하여 얻어진 값과 수치계산을 통해 주요제원을 도출하였다.

2.2 주요제원 및 선형

 등부표의 구성은 Lantern, Tower, Buoy body, Weight balance로 총 4가지의 파트로 구분 하였으며, Tower의 최상단에서 Weight balance의 최하단까지의 길이가 2.1 m이며 , Buoy body의 최대 폭이 1.2 m인 부표의 주요제원은 Table 2와 같고, 주요제원이 적용된 등부표의 도면은 Fig. 1과 같다.

Table 2. Dimension of buoy

Fig. 1. Drawing of buoy.

3. 해석조건

 등부표의 선형적 특성으로 좌·우 대칭형 구조이기 때문에 모든 입사파에 대한 해석을 하지 않고 향파, 선수사파, 횡파에 대해서만 해석을 실시하였다(Ryu, 2013).

 또한, 등부표 개념 설계시 고려되었던 해상조건과 동일한 해상조건을 해석조건으로 제시하였고, 조류력을 표현하기 힘들기 때문에 선속으로 대체하였다. 해상 계측용 부표는 최악의 해상 환경에도 대처해야 하기 때문에 잠잠한 해상에서 강한 바람이 부는 해상환경까지 노출시켰으며, 불규칙파는 ITTC 스펙트럼을 사용하였다. 해석프로그램은 Maxsurf 17과 Seakeeper을 이용하였고, 세부적인 해석조건은 Table 3과 같다.

Table 3. Sea state and encounter angles

4. 수치해석 결과

4.1 응답진폭비

 Fig. 2와 Fig. 3은 조류와 조우주파수에 따른 상하동요 및 종동요에 대한 운동응답 진폭비에 대하여 비교한 결과 이다. Fig. 2의 상하 진폭비를 보게 되면, 향파와 선수사파에서는 상하동요 0.8 값을 유지하다가 조우주파수 1.8~4.0 부근에서 미소하게 증가하는 것을 확인하였다.

Fig. 2. Heave RAO as a function of speeds and encounter frequency.

Fig. 3. Pitch RAO as a function of speeds and encounter frequency.

 횡파에서는 조우주파수 1.8~2.0 사이에서 미소하게 감소하나 상하동요 0.8 값을 유지하는 것을 확인하였다.

 Fig. 3의 종요 진폭비를 보게 되면, 전체적으로 0에서 최대값을 보이며, 감소하는 경향을 보이며, 조류가 0 kt에서는 종요 진폭비가 매우 미소한 것을 확인 할 수 있었다. 향파 및 선수사파에서는 조우 주파수 0에서 최대값을 보이며, 조우주파수 증가에 따라 값이 감소하는 경향을 보이나 조우주파수 2.0~2.2 미소하게 증가하는 것을 확인하였다.

 횡파에서는 조우주파수 0에서 최대값을 보이며, 조우주파수 증가에 따라 값이 감소하는 것을 확인하였다.

4.2 부가저항 계수

 Fig. 4는 해상조건에 따른 부가저항에 대한 결과 해석값이다. 전체적으로 조류가 2 kt로 강하고 향파에 노출되었을 때의 부가저항 계수 값이 가장 높게 나타나는 것을 확인 하였다.

Fig. 4. Added resistance as a function of Beaufort scales.

 뷰포드 스케일 2와 뷰포드 스케일 4에서는 향파이고, 조류가 강할 경우에 가장 큰 값을 보였고, 입사각이 180°에서 90°로 진행됨에 따라 부가저항계수 또한 감소하는 것을 확인할 수 있었다.

 뷰포드 스케일 6에서는 뷰포드 스케일 2, 4와 비슷한 경향을 나타내지만 입사각이 90도이고 조류가 0.5~1.3 kt 사이에서 높은 부가저항값을 나타내었다.

 Table 4는 해상조건에 따른 최대 부가저항값을 나타내는 조우각 및 조류상태에 대하여 정리하여 나타내었다.

Table 4. Max. values of added resistance

4.3 RMS Motion

 Fig. 5와 Fig. 6은 해상조건에 따른 상하 RMS Motion과 종요 RMS Motion 해석 값이다.

Fig. 5. RMS Heave motion as a function of speed and encounter frequency.

Fig. 6. RMS Pitch motion as a function of speed and encounter frequency.

 Fig. 5는 뷰포드스케일 2, 4, 6에서 조류가 강하며, 조우각이 90°에서 180°로 이동 할수록 RMS 값이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.

 Fig. 6는 조우각이 90이고 조류가 강할 경우에 종요 RMS Motion이 강하게 나타나는 특성을 확인 하였으며, 뷰포드스케일 2,4,6에 따라 응답치의 최대값은 증가하는 추세를 보였으나, 응답치에 대하여 매우 유사한 경향을 나타내는 것을 확인하였다.

 조우각이 180°이며, 조류가 강할 경우에 작은 응답치를 보였으며, 조류가 약할 경우에 높은 응답치를 보였다.

 조우각 120°에서 90°로 이동함에 따라 응답치가 증가하는 것을 확인 할 수 있었으며, 조우각이 90°이고 저속인 구역에서 매우 작은 응답치를 나타내는 것을 확인하였다.

 Table 5와 Table 6은 해상조건에 따른 최대 RMS 값을 나타내는 조우각과 조류에 대하여 정리하여 나타내었다.

Table 5. Max. values of RMS Heave motion

Table 6. Max. values of RMS Pitch motion

5. 결 론

 본 연구에서는 소형인 표준형 등부표에 대한 설계에 대한 방향을 제시하였고, 도출된 주요목과 선형을 통해 수치 시뮬레이션으로 안정성을 우선 검토하였다.

 1. 현재 표준형 등부표 LT-10과 LL-26의 중간 크기인 1.2 m의 등부표에 대하여 중량 및 모멘트, 수치 계산을 통해 주요목 및 적정 선형을 제시할 수 있었다.

 2. 상하동요 응답 진폭비는 조우주파수에 무관하게 0.8의 응답의 영역에서 거의 일정하게 나타났으며, 종요 응답 진폭비는 조우주파수 0에서 가장 높게 나타나고 조우주파수 2.0~2.2에서 소폭 상승하지만 조우주파수 증가에 따라 전체적으로 감소하는 운동응답 특성을 보였다.

 3. 부가저항계수는 조류가 상대적으로 강하며 향파에서 높은 값을 나타냈으며, Heave RMS Motion은 조류가 강하며, 향파일 경우 Pitch RMS Motion은 조류가 강하며, 횡파일 경우 가장 높은 값을 보였다.

 본 연구는 소형인 등부표 개념설계를 위해 수치해석을 통하여 안정성을 우선 검토하였다. 향후 연구과제로는 제안된 등부표를 목업 제작하여 실제 수조실험을 통한 실험값과 수치해석 값을 비교하고, 제안된 등부표의 안정성에 대한 신뢰도 확보가 필요하다.