1.서 론

접이안이나 사고선박 예인 등 선체를 횡방향으로 이동시 유 압력은 수심/흘수비(h/d)에 따라 상당히 달라지고, UKC(under keeel clearance)가 작아질수록 선체를 횡으로 이동시키는데 보다 큰 힘이 필요하게 된다.

유압횡력계수에 대한 연구로는 OCIMF(2008)에서 제시하고 있는 Tanker선에 대한 유압횡력계수로 이는 Maritime Research Institute Netherlands에서 1975 1991년에 실시된 모형시험 결 과값에 해당되며, Inoue(2013)는 VLCC에 대한 유압횡력계수 를 h/d가 포함된 식으로 제시하고 있다.

Lee and Kim(1999)과 Lee et al.(2003)은 선박 접이안시 유체 력을 추정하는 방법으로 CFD(computational fluid dynamics)를 사용하여 수조실험 결과와 비교하였으며, 선체 접이안시 작 용하는 유체력에 수심이 중요한 변수임을 검증하였다.

h/d에 따른 유압횡력계수는 선종에 따라 다소 차이가 나는 것으로 알려져 있지만, 이와 같이 유조선 이외의 다른 선종 에 대해서는 관련 연구가 많지 않다.

따라서 여객선형을 하고 있는 목포해양대학교 실습선을 대상선박으로 하여 수심이 각각 다른 지역에서 횡방향 예인 실험을 실시함으로써 기존에 제시된 유압횡력계수를 이용 한 유압력 이론계산 결과와 상호 비교함으로써 유압횡력계 수의 타당성을 검토하고자 한다.

2.이론계산

선체를 종방향으로 움직일 경우에는 선체에 작용하는 저 항은 수면상부의 풍압력과 수면하부의 해수에 의한 저항으 로 Fig. 1과 같이 다양한 성분으로 구분할 수 있다. 반면, 선 체 횡방향 이동은 접·이안과 같이 이동 속력이 매우 낮기 때 문에 수면하부의 저항은 일반적으로 유압력만으로 구해진 다(SNAK, 2012).

2.1.풍압력

풍압력은 식(1)을 사용하였고, 풍압계수는 풍동실험을 통 하여 정확한 값을 얻을 수 있으나, 여기에서는 Fujiwara가 제 안한 풍압계수를 사용하였다(Fujiwara et al., 1998).

R_a : wind pressure (kgf)

ρ_a : density of air (0.125 kg · sec² / m⁴)

C_a : wind pressure coefficient

A : front projected area (m²)

B : lateral projected area (m²)

θ : relative wind angle

V_a : relative wind velocity (m/s)

2.2.유압력

선체가 유체 중에서 운동 할 경우 유체에 의해 여러 가지 저항을 받게 되며, 이러한 유체의 저항성분 중에서 선체의 가속도 운동에 기인되는 관성력에 의한 부가질량이 크게 작 용하게 되며, 선박과 같이 물체가 수중에 잠겨있는 경우에 는 유체의 밀도에 의해 매우 현저한 값을 나타내게 된다. 또 한 동일한 선박일지라도 선체의 운동방향, 가속도의 크기, 수심이나 항해구역 등에 따라서도 부가질량은 각기 다른 값 을 나타낸다(Lee and Kim, 1999).

여기에서는 유압력 계산에 식(2)를 사용하였고, 유압횡력 계수는 Fig. 2와 같이 h/d에 따라 크게 달라진다. UKC가 작아 질수록 선체를 횡으로 이동시키는데 보다 큰 힘이 필요하다 는 것을 알 수 있다. Fig. 2는 OCIMF에서 제시하고 있는 값 으로 Tanker선에 대한 모형시험 결과값이며(OCIMF, 2008), 기타 다른 선종에 대한 유압횡력계수에 대한 연구는 그리 많지 않다.

R_y : lateral current resistance (kgf)

ρ_w : density of water (104.6 kg · sec² / m⁴)

C_y : lateral current force coefficient

L : length between perpendiculars (m)

d : draft (m)

Yoon(2016)이 제시한 유압횡력계수는 선종이 명시되어 있 지 않아 보편적인 값으로 이해가 되며, 일반적으로 유압횡 력계수는 선종별로 모형실험을 통하여 정해져야 한다.

또한 Inoue(2013)는 VLCC에 대한 유압횡력계수를 식(3)으 로 제시하였으며, VLCC에 비하여 LNG선은 90 %, 컨테이너 선은 85 %, 자동차운반선은 75 %로 제시하고 있다.

β : relative current angle

유압횡력계수를 정리하면 Table 1과 같다. 여기에서 알 수 있듯이 일반선형에 비해 VLCC의 유압횡력계수가 가장 크다 고 일반적으로 알려져 있지만 Yoon이 제시한 일반선형의 유 압횡력계수가 오히려 가장 크게 제시되어 있으며, 동일한 VLCC 선형에 대해서도 유압횡력계수 값에 다소 차이가 있 는 것으로 확인된다.

3.예인실험

3.1.실험장치

실험장치의 구성은 장력을 계측하는 로드셀 1개, 장력값 을 표시 및 저장하는 노트북 1개, 로드셀과 예인삭 및 비트 에 연결하는 샤클 2개 그리고 와이어 1개로 구성된다. 로드 셀의 사양은 Table 2와 같이 최대 20톤까지 장력 측정이 가 능하고, 샤클과 와이어의 파단강도는 40톤이다.

Fig. 3은 예인 실선실험을 수행하기 이전에 대상선박인 목 포해양대학교 실습선 새유달호에서 정박중 로드셀 예비실 험을 실시한 모습이며, Fig. 4는 1초에 10개의 샘플링으로 설 정하여 계측된 장력값을 나타내고 있으며, 실험을 수행하기 위해 본 연구를 통해 개발한 GUI이다. 로드셀, 풍향·풍속계 및 시간 등의 데이터를 디스플레이하고 저장할 수 있도록 프로그래밍하였다.

3.2.실선실험

대상선박은 Table 3과 같이 목포해양대학교 실습선 새유달 호이며, 실선실험은 새유달호의 연안항해 일정에 맞추어 2014년 3월 17일 출항시 실시되었다. 예선은 Table 4와 같이 국제1호와 국제3호가 사용되었으며, 예인삭은 예선에 설치 된 직경 100 mm의 폴리프로필렌 로프(파단강도 90톤)를 사 용하였다.

실험은 수심이 8 m인 목포해양대학교 실습선 부두 이안 조선시와 Fig. 5와 같이 수심이 15 m인 목포항 불무기도 인 근 묘박지 부근에서 선수방위가 180°인 상태에서 북향인 조 류에 직각방향인 동측으로 예인 실험을 실시하였으며, Table 5에서와 같이 풍향/풍속은 남풍 7 m/s, 창조류 0.7 m/s, 파고 0.5 m 미만 조건에서 실시되었다.

풍속은 실습선 풍속계를 통하여 계측되었고, 파고는 0.5 m 미만으로 영향이 상대적으로 작아 계산에서 생략하였으며, 조류는 정박지 부근에서 표류(drifting)하면서 실습선 선속계 를 통하여 확인하였다.

부두에서 이안할 때에는 부두 전면으로써 조류의 영향을 무시하였으며, 정박지에서도 조류의 방향과 직각이 되는 방 향으로 예인함으로써 조류의 영향을 최소화하였다.

로드셀은 Fig. 6에서와 같이 실습선 선수 및 선미갑판에 설치하였으며, 예인삭은 예선 예인삭으로 부두에서 이안할 때에는 30 m를 사용하였고, 정박지 부근에서는 30 m 및 60 m 로 변경하여 예인을 실시하였다.

Fig. 7 및 Fig. 8은 목포해양대학교 실습선 부두 및 불무기 도 인근 묘박지 부근에서 선수미 2척의 예선이 횡방향으로 예인하고 있는 모습을 보여주고 있다.

각종 계측값의 정확한 비교를 위하여 출항전에 실습선의 시각과 실험장치의 시각을 동일하게 설정하였으며, 정지상 태인 피예인 선박을 4~6분정도 일정한 속력으로 예인하면 서 저항을 계측하였다.

4.실험결과 및 분석

h/d 변화에 따른 유압횡력계수를 비교하기 위하여 수심이 서로 다른 곳에서 예인실험을 실시하였고, 또한 예선의 배 출류에 의한 영향을 확인하기 위하여 예인삭의 길이를 변경 하여 실시하였다.

4.1.수심 변화에 따른 유압력 분석

Fig. 9는 수심이 8 m인 목포해양대학교 실습선 부두에서 횡방향 예인에 의한 선수미에서의 장력변화를 보여주고 있 으며, Fig. 10은 수심이 15 m인 불무기도 인근 묘박지 부근에 서의 장력변화를 보여주고 있다(예인삭 길이 30 m).

Fig. 9를 살펴보면, 선수미 장력을 합한 총장력은 예인 초 기에 최대장력인 19.0톤이 측정되었는데, 이는 정지상태인 피예선의 속력을 높이는 과정에서 순간최대장력이 작용한 것으로 판단되고, 점차 예인속력이 증가하여 1 kt(0.51 m/s)의 일정한 예인속력이 유지된 10시 47분 30초부터 10시 49분 00 초까지의 점선으로 표시된 후반부 구역에서는 평균값 13.8 톤의 장력이 작용하고 있음을 알 수 있다.

그 이후에 장력이 증가하면서 큰 폭으로 변화가 일어난 부분은 당시 약 300미터 떨어진 입항 차도선의 항주파 영향 에 의해 형성된 것으로 판단되며 본 연구에서는 분석 대상 에서 제외하였다(항주파가 선체 측면까지 밀려와 부딪히면 서 찰랑거리는 모습을 저자가 현장에서 직접 계측치를 보면 서 확인하였다).

Fig. 10을 살펴보면, 12시 33분 30초부터 12시 37분 00초까 지의 선수미 총장력 평균값은 20.0톤으로 계측되었고, 이 중 선미의 장력이 평균 13.0톤 그리고 선수의 장력이 7.0톤으로 확인된다. 선미의 장력이 크게 계측된 것은 묘박지 부근에 서의 실험에서는 선미의 국제1호가 출력이 더 강하게 작용 되었던 것으로 확인되었다. 그 결과 예인과정에서 선수방위 가 180°에서 200°까지 선회되면서 예인되었으며, 그로 인하 여 조류의 영향을 20° 방향으로 받아 예인 시 상대 유속이 높아지는 결과를 초래하였다.

Fig. 9 및 Fig. 10의 예인실험 실측치와 비교하기 위한 이론 계산 조건과 이론계산 결과는 Table 6 및 Table 7과 같다.

Table 6에서와 같이 실제 실험에서는 상대적인 풍속 및 유 속이 적용되고, 해당 수심에 해당되는 h/d에 따른 유압횡력 계수를 적용하여 유압력을 계산하였다.

Table 7과 같이 이론계산 결과, 수심 8 m인 목포해양대학교 실습선 부두에서 h/d=1.6에서의 유압횡력계수를 1.9로 사용 할 경우 총저항은 14.0톤으로 Fig. 9에서 실측된 13.8톤의 장 력과 거의 유사함을 알 수 있다.

또한 수심이 15 m인 불무기도 인근 묘박지 부근에서의 총 저항은 h/d=3.0에서의 유압횡력계수를 1.3으로 가정할 경우 19.9톤이고, h/d=3.0에서의 유압횡력계수를 1.5로 가정할 경우 22.7톤이 된다. Fig. 10에서 실측된 20.0톤의 장력과 비교해 보면 유압횡력계수를 1.3의 값을 사용해야 일치된다고 볼 수 있다. 이는 Table 1에서 제시된 유압횡력계수의 범위에 상당 히 일치하는 값이다.

4.2.예인삭 길이 변화 고찰

Fig. 11은 Fig. 10과 비교하여 예인삭의 길이를 제외한 모든 조건은 동일한 조건으로 예인실험이 실시되었다. Fig. 11에 서와 같이 예인삭의 길이를 30 m에서 60 m로 변경하여 실시 한 12시 39분 30초부터 12시 43분 00초까지의 평균 장력은 20.0톤으로 Fig. 10과 거의 유사한 패턴을 보이고 있어 예인 삭을 30 m 이상 사용할 경우 배출류에 의한 영향은 거의 없 는 것으로 판단된다.

예선의 배출류 영향은 횡방향 예인 시 예인효율을 상당히 떨어뜨릴 수 있기 때문에 적절한 예인삭의 길이에 대한 제 시가 필요하고, 이는 사용한 추력과 피예선과의 거리에 따 라 달라질 수 있으므로 추후 다양한 실험이 필요할 것으로 판단된다.

5.결 론

접이안이나 사고선박 예인 등 선체를 횡방향으로 이동시 유압력은 h/d에 따라 상당히 달라진다. 따라서 본 연구에서 는 실선실험을 통하여 h/d에 따른 유압력횡력계수를 이론식 에 적용하여 평가하였다.

첫째, h/d=1.6에서의 유압횡력계수를 1.9로 사용할 경우 총 저항이 14.0톤으로 실측된 13.8톤의 장력과 거의 유사함을 알 수 있었다.

둘째, h/d=3.0에서의 유압횡력계수를 1.3으로 가정할 경우 에는 19.9톤이고, 유압횡력계수를 1.5로 가정할 경우에는 22.7톤이다. 실측된 장력 20.0톤과 비교해 볼 때 h/d가 3.0인 경우에는 유압횡력계수를 1.3으로 사용하는 것이 적합할 것 으로 판단된다.

셋째, 예인삭의 길이를 30 m에서 60 m로 변경하여 실시한 예인 결과 장력이 거의 유사한 패턴을 보이고 있어 예인삭 을 30m이상 사용할 경우 배출류에 의한 영향은 거의 없는 것으로 판단된다.

유압력은 UKC가 작을 경우에는 작은 차이에도 유압력에 상당한 차이가 발생되고 유압횡력계수는 선종에 따라 다소 차이가 날 수 있기 때문에 유압횡력계수에 대한 보다 충분 한 연구가 필요하다. 또한 예선의 배출류 영향은 횡방향 예 인 시 예인효율을 상당히 떨어뜨릴 수 있기 때문에 적절한 예인삭의 길이에 대한 제시가 필요하고, 이는 사용한 추력 과 피예선과의 거리에 따라 달라질 수 있으므로 추후 다양 한 실험이 필요할 것으로 판단된다.