1.서 론

급변하는 국제 조선시장에서 국내 선박의 경쟁력 확보를 위해서 수요시장 요구에 대응하는 핵심기술 확보가 절실해 지고 있으며, 이산화탄소 배출량 제한을 의무화하는 EEDI (Energy Efficiency Design Index), SEEMP(Ship Energy Efficiency Management Plan) 등의 국제협약이 점차 강화됨에 따라 친환 경 선박에 대한 시장의 관심이 매우 높아지고 있다. 이러한 국제시장의 흐름에 맞추어 국내 대형선박 건조의 조선소들 은 발 빠르게 수요기술 확보를 위해 자체연구를 통한 에너 지 절감 장치(ESD, Energy Saving Device) 개발의 기술대응을 하고 있으나, 중소형 조선소는 연구인력 및 기술 인프라 부 족에 따라 관련 기술의 확보 기반이 열악한 현실이다. 따라 서 관련 연구의 기술적용을 통한 중소형 조선소의 주력선종 기술 확보가 시급한 실정이다(Park and Cho, 2014).

Choi et al.(2009)는 프로펠러 면에 유입되는 축방향 속도분 포의 불균일성을 완화시키는 와류생성기(vortex generator)를 선박에 부착하여 수치적 방법으로 속도성능 추정 방안을 제 안하였고, Park et al.(2009)은 선미에 유동제어평판을 부착하 여 평판의 역할을 수치해석 관점으로 유동특성 분석으로 접 근하였다. 유동제어평판 부착 위치 변화에 따라 개선된 프 로펠러 상단유동을 확보할 수 있었다.

이처럼 프로펠러 유입유동 제어를 목적으로 하는 연구에 는 프로펠러 유입류 가속 및 균일화시키는 반류유동제어장 치 연구(Lee and Choi, 2009)와 선체 저항, 공칭반류 변화를 위한 유동 제어 fin 부착 연구(Wie and Kim, 2012)가 있다.

본 연구는 국내 중소형 조선소의 주력선종의 효율 향상을 위한 에너지 절감 장치(ESD, Energy Saving Device)를 설계하 기 위한 정성적 유동특성 분석 연구이다. 프로펠러 상단으 로 유입되는 유동 제어를 위한 부가물 형태의 선미 빌지 부 착 수직판(V-Plate, Vertical Plate)에 관한 연구로서 선미유동 에 대해 유체역학적 특성변화에 대하여 언급하였다. 수치시 뮬레이션을 이용한 계산결과와 모형시험 결과를 비교하여 수치시뮬레이션의 유용성을 검토하였으며, 수치시뮬레이션 은 Ansys CFX 프로그램을 이용하였다.

2.대상선박

대상선박은 24K tanker이며 주요제원과 선형을 Table 1과 Fig. 1에 각각 나타내었다.

대상선박에 대한 수직판 제원과 부착위치 선정을 위하여 회류수조에서 Model(1)에 대한 유동가시화 시험을 수행하였 으며, 예인수조에서 Model(2)의 저항시험을 통해서는 상호 유동특성 및 정략적 수치를 비교하였다. 최종 결정된 수직 판 부착 유무에 대해서는 수치해석을 통하여 유동특성 분석 과 전저항 및 공칭반류를 비교하였다.

3.수치해석

3.1.수치해석법

자유표면 계산과 수직판 부근 점성 계산의 정도 향상, 격 자 민감도에 따른 벽 근처의 점성영향 계산을 위하여 벽 근 처의 국부적인 Reynolds No.를 표현하는 Y+ 와 격자수를 변 화시켜가며 저항을 추정하였다.

해석조건은 Bank(2010), Yang et al.(2010)에서 KRISO Container Ship(KCS;C_B=0.650) 및 본 연구 대상선박과 유사한 KLNG (C_B=0.749)의 저항추정에 약 0.19 ~ 4.81 %의 해를 보임에 따라 Table 2, 3과 같이 난류모델과 자유수면 해석기법을 적용하 였으며, y+ 값은 평균 80이 되도록 격자를 선정하였다.

계산을 위한 격자는 Fig. 2(a)와 같이 ICEM CFD의 Hybrid grid를 활용하였으며(Kim et al., 2015), Fig. 2(b)는 수치계산을 위한 경계조건을 나타낸 것이다. 프로펠러 상단 유입유동을 개선하기 위하여 bare hull 상태의 선미벌브 및 빌지 주변의 유동특성을 정성적으로 분석하였다.

3.2.Bare hull에 대한 수치해석결과

수치해석은 24K Tanker의 Model(1)과 (2)로 구분하여 수행 하였다. 유동가시화를 위한 회류수조 Model(1) 조건에서 선 미부의 공통된 유동현상을 상호 확인하고, 유동 제어를 위 한 수직판의 제원 및 부착위치에 대한 설계범위를 선정하고 자 하였다.

Table 4는 대상선박의 설계속도 14 knots에서 Model(1)과 (2) 의 Reynolds number를 비교한 것이다.

Fig. 3은 설계속도 14 knots에서 유선 및 압력분포를 나타 낸 것이다. (a)와 (b)에서 프로펠러 상단 유입유동은 측면 유 선 St. 1~2 구간에서 프로펠러 전방 하강류를 확인하였으며, 반폭 유선 St. 3 ~ 5 구간에서는 0.4b (b=Breadth/2)에서 0.45b로 완만하게 선측방향으로 돌아서 프로펠러로 유입되었다.

(c)의 압력분포는 St. 5 지점 범위의 선미벌브에서 압력손실 에 따른 저항성분으로 작용하는 가장 낮은 음압지역을 보였 다. 선미 압력회복 및 프로펠러 상단 유동을 제어하기 위해 선미 전단의 선미 빌지 영역(St. 3~5) 에서 유동제어가 필요한 것으로 판단되었다. Model(1)과 (2)의 선미 압력분포 차이는 선박 scale ratio에 따른 Reynolds number 차이로 사료되었다.

Fig. 4는 Model(1)과 (2)의 반류분포를 나타낸 것이다. 선미 빌지부터 흐르는 유동흐름은 프로펠러 상단 유동에 영향을 주어 반류가 높아짐에 따라 유동의 에너지 손실로 연결되는 것으로 판단된다. 또한, 프로펠러 전방 하강류의 제어를 통 하여 프로펠러에 유입되는 반류의 개선이 가능할 것으로 판 단된다.

각기 다른 Rn에서 Model(1)과 (2)에 대한 수치해석을 수행 하여 Rn에 따른 유동특성의 변화가 크지 않음을 확인하였 다. 따라서 bare hull에 대한 유동특성은 회류시험과 비교하 고, 저항성능은 예인수조시험과 비교하여 수치해석을 검증 하고자 하였다.

4.모형시험

4.1.유동가시화 시험

Narita et al.(1981)와 Korkut(2006)는 Duct-type ESD 부착에 따른 주변유동을 분석하기 위하여 각각 잉크를 이용한 유동 가시화 기법 및 Tuft 기법을 활용하였다. Lee and An(2012)는 Tuft-grid 기법을 적용하여 프로펠러 단면유동을 분석하여 ESD의 설계 자료로 활용하였다.

본 연구에서는 선미유동 분석을 위하여 설계속도에서 Model(1)에 대해 회류수조 유동가시화 시험을 수행하였다. bare hull 상태에서의 선미유동 검토 및 수직판 적용을 위한 유동제어 지점을 고찰하였다. Fig. 5는 선미 유동가시화를 위 한 잉크분사 지점을 나타낸 것이다. 분사된 잉크의 흐름을 통해 프로펠러로 유입되는 유동과 선미유동을 분석하였다.

Fig. 6(b) Ⓒ에서 선미하부에서 선측으로 돌아나오는 와류 영역을 시험을 통하여 확인하였으며, 선미벌브 하단 Ⓐ지점 으로 유입되는 영역 Ⓑ를 확인하였다. 이러한 유동가시화 결과는 (c) 수치해석의 선미유동과 비교하여 유사함을 확인 하였으며, 프로펠러 상단 유입의 와류 영역을 고려하여 유 입유동 제어지점을 St. 3~5로 선정하였다.

4.2.저항시험

저항성능평가에서는 회류수조시험 결과보다 예인수조시 험 결과의 정도가 높다. 따라서 수치해석으로 계산된 전저 항에 대해 예인수조시험과 비교를 수행하였다. Fig. 7은 예인 수조시험을 위한 Model(2)의 모형을 나타낸다.

Table 5는 Model(2)에서 모형시험과 수치계산 결과를 대상 선박 설계속도에서 비교한 것이다. 수치해석과 약 0.91 %의 전저항 차이가 확인되었다.

Fig. 8은 Model(2)의 모형시험과 수치계산의 선속별 전저 항 결과를 비교한 것이다. 상호간 유사한 정량적 결과를 확 인하였으나, 모형시험에서 수치해석 결과가 약 0.67 ~ 3.16 % 차이를 보였다. 이러한 결과의 차이는 격자 및 적용 난류모 델에 대한 계산조건 영향으로 사료되며, 향후 경계조건과 자유표면 근처에서의 격자배치, 속도변화에 따른 트림변화 등 수치해석에 있어서 구체적인 검토가 필요한 부분이다.

5.수직판 부착 유동특성 분석 결과

수직판의 형상 및 선미 부착위치는 Fig. 9에 나타내었다. 선미벌브와 빌지 사이에 선체 x축 방향의 긴 평판을 xy평면 에 수직으로 부착되며, 상세 제원은 Table 6과 같다.

24K tanker의 bare hull 상태와 선미 빌지로부터 흐르는 프 로펠러 상단으로 유입되는 유동을 제어하기 위하여 수직판 을 부착한 상태의 전저항 및 공칭반류 변화를 확인하였다.

Fig. 10은 수직판 부착상태에서의 측면 및 선저 한계유선 (limiting streamlines), 압력, 반류분포를 비교한 것이다. Bare hull 상태보다 프로펠러 상단 유입유동의 직선화로 개선된 흐름을 확인하였다.

수직판이 적용된 Fig. 10(b)에서는 St.3~4 지점의 0.45b에서 0.4b로 유동 영역이 감소되어 프로펠러 상단으로 수평하게 유입되는 것을 확인할 수 있다. 또한 측면유선 St.1~3 영역에 서 선미벌브 만곡부로 유입되었던 Fig. 3(a) bare hull의 유선 과는 달리 (a)에서는 수직판 부착에 따라 프로펠러 전방 하 강류 소멸되어 유동이 트랜섬 방향으로 이동됨을 확인하였 으며, 선미 만곡부 와류에 의한 3차원 박리 현상이 줄어듦을 확인하였다.

Fig. 10(c)에서는 수직판을 붙이기 전보다 부착할 때 선저 압력이 선수 쪽으로 등압력선이 이동됨을 확인되었다. 이러 한 압력회복에 따라 선미의 압력손실 저항 감소로 형상저항 개선 영향이 있을 것으로 사료되었다.

Fig. 10(d)의 반류분포 변화에서는 수직판에 의한 3차원 박 리현상 감소로 보싱 주위의 둥근 반동심원 형태의 반류 등 고선의 크기가 크게 줄어들었으며, 프로펠러 상단의 유입되 는 유속이 증가되어 평균 공칭반류가 감소하였음을 확인할 수 있고, 개선된 반류분포는 추진기 유기 진동을 개선할 것 으로 예상된다.

Table 7은 수직판 적용에 따른 24K tanker의 예인수조모형 스케일의 전저항 계수 및 평균 공칭반류를 비교하여 나타낸 것이다.

수직판 적용으로 Fig. 10의 (c)와 같이 St. 1~2 영역의 선저 압력이 커짐에 따라 전저항 계수는 약 0.109 (▽3.04 %) 만큼 감소하였다. 또한, 프로펠러 상단 유입유동 제어에 따른 프 로펠러 전방 하강류 소멸로 프로펠러 상단으로 유입되는 유 속이 증가되어 평균 공칭반류는 0.0795 (▽18.8 %) 만큼 감소 하였다.

6.결 론

선미유동 제어를 위한 수직판 부착을 통하여 선미 압력분 포, 유선과 반류분포 개선을 확인하였다.

회류수조를 이용한 유선가시화 시험과 수치해석의 유선 비교로 유사한 유동특성을 확인하였으며, 예인수조시험과 수치해석 결과 비교로 설계속도에서의 저항 추정의 유용성 을 확인하였다.

수직판 설계 적용으로 전저항 감소와 프로펠러 상단 유입 유동 제어를 통하여 평균 공칭반류 감소를 확인하였고, 연 료절감 효과 및 추진기 유기 진동 개선을 기대할 수 있었다.

향후 본 연구에서 설계된 수직판의 연료절감 효과를 확인 하기 위한 예인수조시험 수행과 수직판의 최적과 설계를 통 한 연료절감효과 극대화가 필요할 것으로 사료된다.