1.서 론

소득수준 향상과 여가시간이 증가함에 따라 레저 스포츠 를 즐기는 사람이 늘어나고 있다. 이에 따라 수상 레포츠의 일환인 마리나 산업의 요트와 보트 수요도 늘어나고 있는 추세이다. 마리나 산업은 고부가 가치의 여가시장에 포함되 는 산업이다. 마리나 산업의 세계 시장규모는 2005년부터 2010년 동안 약 300억 달러로 추정되며 매년 43 %씩 증가하 는 추세이다. 선진국의 요트와 보트 보유 비율은 20명 당 1 척으로 우리나라의 4875명 당 1척인 보유비율에 비해 압도 적이며 활성화가 되어있다. 이처럼 한국은 아직 마리나 산 업의 발전이 미약한 상황이지만 최근 마리나 산업의 본격 적인 개발에 노력하는 모습이 활발하다. 국토해양부는 지난 2009년 12월에 제정된 마리나 항만법을 통해서 2010에서 2019년까지 전국 10권역 43개소의 마리나 개발을 추진하는 제1차 마리나 계획을 발표 하였다. 이에 마리나 산업의 발전 에 발맞춰 생산비용이 적고 소비자들이 부담 없이 즐길 수 있는 1인승 레저보트의 연구와 개발필요하다 판단된다.

위와 같은 상황에서 전국의 조선공학과 학생들은 자신들 의 기술을 이용하여 1인승 레저보트에 맞는 선박을 제작하고 있다. 이는 매년 개최되는 인력선 & 솔라보트 축제(HSPVF, 이하 HSPVF라 한다.)의 참여를 위해 인력선 및 솔라보트를 설계 및 제작하는 활동이다. 특히 솔라보트는 친환경에너지 인 태양열을 에너지원으로 구동되는 전장 7 m 이하 1인승 소 형 보트로써 마리나 산업의 일환으로 적당하다고 판단된다. 소형 솔라보트의 연구도 지속적으로 진행되고 있다. Choi et al.(2007)는 삼동선 솔라보트의 설계 과정과 제작 과정을 설 명 했다. Kim and Chea (2011)의 포드형 추진기를 이용한 쌍 동선 솔라보트에 관한 연구에서는 기존 추진기대비 조타성 능이 우수한 포드형 추진기를 솔라보트에 적용하였으며 태 양열을 활용하기 위한 솔라셀의 효율적인 설치를 연구하였 다. 위와 같은 솔라보트의 연구 결과와 학생들의 노력에 힘 입어 HSPVF에 참여하는 소형 솔라보트의 성능은 매년 향상 하는 추세이다.

본 연구는 소형 솔라보트의 속도성능을 초점으로 하여 향 후 개발되는 소형 솔라보트에 정보를 제공하고자 하였다. 연구를 위해 실제 운행되었던 소형 솔라보트에 대해서 유동 해석과 시운전을 통해서 각 속도성능을 상세히 나타내고 유 사 프루드 수(Froude Number)에서 운행되는 선박과 비교하였 다. 또한 속도성능 결과를 토대로 준 추진효율을 추정함으 로써 향후 개발되는 소형 솔라보트 속도성능 추정에 활용되 고자 하였다. 대상 선박은 HSPVF에 참여한 동명대학교 1인 승 솔라보트이다. 연구내용은 아래와 같다.

첫째, 3 m급 이하의 1인승 보트의 설계과정을 설명하였다. 이는 2장에 기술하였다.

둘째, 시운전을 바탕으로 설계속도에서의 제동마력을 계측 하였다. 그리고 상용 C_FD 코드인 STAR-CCM+를 이용하여 보 트의 저항성능을 평가하였다. C_FD 해석은 자유수면과 항주자 세(자세변화)를 모두 고려하였다. 이는 3장에 기술하였다.

셋째, 시운전과 유동해석의 결과를 이용해서 보트의 준 추진 효율 계수 등 추진 성능을 추정하였다. 이는 4장에 기술하였다.

결과물들은 설계된 기존선형의 성능 파악도 있지만, 향후 설계될 보트의 선형설계, 성능 분석 및 향상에 정보를 제공 하고자 하였다.

2.설계 과정

2.1.선형설계

대상선박은 3 m 이하의 소형 보트로써 실제로 운용되고 있 는 선박이 현저히 적어 개념설계 단계에서 모선을 선정하기 가 힘들었다. 참고문헌을 바탕으로 주요치수 측면에서 가장 유사한 선형을 조사하였다. 그 중 Kang(2007)이 제시한 카누 선형을 모선으로 선정하였다. 선수부는 V 형상으로 조파성능 과 내항성능이 우수하도록 설계하였다. 그리고 선체의 중앙 부에서 선미부로 갈수록 복원성능이 우수하고 사람(Human)의 탑승과 동력 체계 설치가 용이하도록 반 타원형 형상으로 설계 하였다. 최종 선도는 라이노(Rhinoceros)와 ORCA 3D를 이용하여 작성하였다. 주요치수는 Table 1에 나타내었는데, 소형 보트의 주요 구성품 설치 그리고 조종자의 신체 등을 고려하여 결정하였다.

선도의 정면도는 Fig. 1에 나타내었다. 최종선형은 복원성 능을 만족하기 위해서 주동체의 양쪽에 보조동체를 달아 3 동선 형태로 구성하였다.

2.2.중량산정

소형 보트의 경하중량은 Table 2에 보여주었듯이 선체 (Hull)를 제외하고는 대부분 기성품으로 구성된다. 총 중량을 줄이기 위해서 선체 경량화에 노력을 기울였다. 그리하여 선체는 F. R. P를 이용하여 제작하였다.

소형 보트의 총 중량은 Table 2에 나타내었으며, 재화중량 에 해당하는 사람(Human)은 50 kg이다.

3.속도성능 평가

속도성능 분석의 주 목적은 설계된 기존선형의 성능 파 악도 있지만, 향후 설계될 보트의 선형설계, 성능 분석 및 향상에 정보를 제공하고자 하였다. 시운전을 통해서는 설계 속도인 3.8 m/s에서 계측된 전류와 전압을 이용하여 제동마 력을 산정할 수 있었다. C_FD에 의한 해석에서는 설계된 기 존선형의 저항성능 분석이 가능하였고 향후 설계될 선형의 저항성능 향상에도 도움이 되고자 하였다. 또한, C_FD에 의 해 추정된 유효마력과 시운전으로부터 얻은 제동마력을 통 해 프로펠러의 준 추진 효율 계수를 산정하였다. 이 효율 계수 역시 향후 설계될 선형의 속도성능 분석에 이용될 예 정이다.

3.1.시운전

대상선박의 제동마력을 확인하기 위해서 시운전을 실시 하였다. 시운전 장소는 잠잠한 해상인 항구 내에서 수행하 였다. 속도 측정은 전용 GPS 측정기를 사용하였다. 제동마력 측정방법은 전류, 전압 전용 계측기를 배터리(Battery)와 모 터 드라이버(Motor-Driver)의 연결 부위에 부착하여 운항시간 1분 동안 전류와 전압을 계측하였다. BLDC 모터의 출력 계 산은 모터에 입력되는 전류, 전압 그리고 모터 효율의 곱으 로 계산한다. 시운전 모습은 Fig. 2에 나타내었으며, 그 결과 속도에 따른 운항자세와 제동마력을 알 수 있었다. Table 3 은 시운전 계측 데이터를 보여주고 있으며, 선속 3.8 m/s 일 때 제동마력은 1680 W가 추정되었다.

3.2.CFD에 의한 저항성능 평가

1)좌표계 및 지배방정식

본 계산을 위하여 적용된 좌표계는 Fig. 3에서 보는 바와 같이 유동방향이 음(-)의 x축이고 선박의 좌현이 양의 y축이며 중력의 반대방향이 양의 z축으로 하는 직교 좌표계를 사용하 였다. 좌표계의 원점은 선체 중심면(center plane)과 중앙면 (midship) 그리고 자유수면(free surface)이 만나는 점에 위치한 다. 계산 영역은 원점에서 선수부 방향으로 3.0 L_PP, 선미부 방 향으로 7.0 L_PP 이며 폭 방향으로 2.5 L_PP 이다. 선체에서 발생 한 자유수면이 계산 영역의 입구, 출구 및 대칭 경계 조건에 의해 왜곡되지 않도록 계산 영역을 설정하였다. 또한 천수 효 과(Shallow water effect)가 발생하지 않도록 깊이 방향으로는 자유수면으로부터 2.0 L_PP이며, 공기에 해당하는 영역의 높이 는 1.0 L_PP 이다. 본 연구에 사용된 모든 물리량은 배 길이(L_PP), 선속(VS) 그리고 밀도(ρ)로 무차원 하였다. 유동의 지배방정 식인 연속방정식과 운동량 방정식은 아래의 정의와 같다.

여기서 좌표축 x_i = (x, y, z)는 각 방향 평균속도 성분이 고 P, R_N 그리고 - u_iu₁ 는 정압, 레이놀스 수 그리고 Reynolds stresses를 나타낸다. Reynolds stress에 대한 난류 종 결(turbulent closure)을 위해 Reynolds stress model을 사용하였 다. U_i= (U,V,W) (Park et al., 2013)

2)수치격자 및 계산조건

상용 C_FD 코드인 STAR-CCM+를 사용하여 대상선박의 설계 속도인 3.8 m/s에서 유동 해석을 수행하였다. 유동 해 석은 자세변화(동적트림)와 자유수면을 모두 고려하였다. STAR-CCM+는 Fluent, C_FX, STAR-C_D 등과 유사하게 유한 체적 기법(finite volume method)을 사용하는 유동 해석 프로 그램이다. STAR-CCM+의 경우 다각형 면을 지원함으로써 다 면체 격자(polyhedral mesh)나 트리머 격자(trimmed/embedded mesh)를 사용할 수 있는 장점이 있다. 특히, 트리머 격자의 경우 작은 수의 격자를 사용하여 선체 주변의 자유수면 해 석에 유리하다(Park et al., 2013).

Table 4에 유동 해석 시 사용된 설정을 나타내었다.

유동해석 영역은 해석 영역의 입구, 출구, 대칭면에 의해 선체에서 발생한 자유 수면이 왜곡되지 않도록 하였다.

총 격자수는 약 60만개 이며 공기와 물의 경계를 고려하 기 위해서 VOF(Volume Of Fluid)를 이용하였다. 난류 모델은 Reynolds stress model을 적용하였다.

3)유동해석 분석

Fig. 5는 선측 파고를 나타내 것이다. 시운전 결과인 Fig. 2 와 비교해 볼 때 선측에서 묘사되는 파형이 흡사한 것을 확 인할 수 있다. Fig 4

Fig. 6은 선체 주위의 파형 모습을 나타낸 것이다. 전체적 으로 선형의 어깨 부근에서 골이 형성 되고 선미부근에서는 마루가 형성되는 캘빈파(Kelvin Wave)가 뚜렷이 나타남을 알 수 있다.

선체에 작용하는 압력분포를 Fig. 7과 Fig. 8에 나타내었 다. 선수부에 국부적으로 큰 압력이 발생하는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 9는 계산 물리시간 30초간 선체 반쪽의 저항 수렴 값 을 보여주고 있다. 선체에 작용하는 저항은 20초부터 30초까 지의 평균값을 사용하였다. 계산된 저항 값은 45.96 N이다. 이를 바탕으로 선체의 총 저항 91.98 N을 확인하였다.

대상선박 운항 시 프루드 수 0.875에서 저항성능을 확인하 기 위해서 각 저항계수를 계산하였다. 저항계수는 해석된 저 항 값을 이용하여 아래의 식(3)°(5)을 활용하여 전 저항 계수 (C_T)와 잉여저항 계수(C_R)을 계산하였다. 단, 마찰저항 계수(C_F) 는 ITTC-1957를 사용하였다. 그 결과 C_T: 0.0118, C_F: 0.0031, C_R: 0.0086이다. C_R이 C_F보다 컸으며 약 3배 가량 차이가 나는 것을 확일 할 수 있었다. 이에 따라 대상선박의 마찰에 의한 저항보다 잉여저항 성분의 영향이 큰 것을 확인하였다.

S: 접수표면적, ρ: 비중량, V: 속도, R_N: 레이놀즈 수

Table 5의 전 저항인 R_T는 대상선박의 알몸저항(R_Bare-hull)과 부가물(Appendage) 저항(R_Appendage)이 포함된 값이다. 대상선박 의 알몸저항은 C_FD에 의한 것이며, 부가물 저항은 스트럿 (Strut)과 타(Rudder)로 구성되어 있다. 이 값은 각 형상의 항력 계수(C_D)로 부터 계산되었다. (Lee, 2012) 그 결과 선속 3.8 m/s 에서 스트럿의 저항은 11.17 N 이며 타의 저항은 0.485 N으로 추정되었다. 유효마력(Effective Power)은 395.33 W가 추정되 었다.

4.준 추진 효율 계수 추정

대상선박의 추진기는 충남대학교에서 제공한 프로펠러로 써 Fig. 10에 나타내었다. 충남대학교에서 제공한 프로펠러 중 중간 피치를 갖는 3번 프로펠러를 사용하였다. 지름은 30 cm 이며 대상선박의 운항 시 추진기의 회전수는 약 500 rpm이다.

준 추진 효율계수의 추정은 다음과 같다. 유동해석 결과 를 바탕으로 Table 55에 기술한 유효마력 395.33 W를 추정하 였고, 시운전 결과로부터 제동마력은 1680 W임을 알 수 있 었다. 이 결과를 바탕으로 아래의 식(6)로부터 전체 효율(Total efficiency)인 η_T 을 구하였다(Jung, 2009). η_T 는 0.23이다.

η_T 는 축 효율(Shaft efficiency, η_S )과 준 추진 효율(η_D )의 함수로 구성된다. η_D 를 구하기 위해서는 η_S 를 알아야 하는 데 η_S 는 다음과 같은 방법으로 구하였다.

대상선박의 경우 z 드라이버 동력계 시스템으로써 모터에 서 뒤쪽 스트럿 축까지 체인으로 연결되고, 스트럿 밑 하부 기어 박스에서 프로펠러의 축과 다시 기어로 연결되어 구동 되는 시스템이다. Choi and Kim(2013)의 z 드라이버 동력 장 치 연구에 따라 축 효율은 0.68로 추정되었다. z 드라이버 구 상도는 Fig. 11에 나타내었다.

η_D 는 아래의 식(7)에 의해 계산되었다. 결과 값은 0.33이다.

5.결 론

본 연구를 통해서 1인승 소형 보트의 속도 성능에 대해서 이해하고, 향후 개발될 보트의 설계 및 개선방안을 예상 할 수 있었다. 연구결과는 앞으로의 1인승 보트의 연구에 유용 하게 사용될 연구 자료 및 방법이라고 생각한다.

이번 연구는 카누를 모선으로 선정하여 3 m 이하의 보트 선형을 설계하고 추진시스템은 Z-Driver로 구성한 뒤 속도성 능을 평가하였다. 성능평가는 크게 2가지로 구분되어서 진 행되었다. 먼저, 배의 설계속도에서 제동마력을 확인하기 위 해서 부산 인근에 위치한 잠잠한 해상상태인 항구 내에서 시운전을 실시하였다. 다음으로 시운전 결과인 배의 설계속 도를 바탕으로 보트의 유동해석을 진행해서 대상선박의 저 항성능과 유효마력을 확인하였다. 그 결과에 대한 고찰은 다음과 같다.(EQ)

속도성능 평가에 관한 고찰

활용방안