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ISSN : 1229-3431(Print)
ISSN : 2287-3341(Online)

Journal of the Korean Society of Marine Environment and Safety Vol.24 No.5 pp.628-636
DOI : https://doi.org/10.7837/kosomes.2018.24.5.628

Motion Analysis of Light Buoys Combined with 7 Nautical Mile Self-Contained Lantern

Bo-Hun Son^*, Seok-Won Ko^**, Jae-Hyoung Yang^**, Se-Min Jeong^**†

^*Department of Naval Architecture & Ocean Engineering, Chosun University, Gwangju 61452, Korea
^**Department of Naval Architecture & Ocean Engineering, Chosun University, Gwangju 61452, Korea

First Author : bohun1213@gmail.com, 062-230-7135

Corresponding Author : smjeong@chosun.ac.kr, 062-230-7218

Received 20180727 Review 20180827 Accepted 20180828

Abstract

Because large buoys are mainly made of steel, they are heavy and vulnerable to corrosion by sea water. This makes buoy installation and maintenance difficult. Moreover, vessel collision accidents with buoys and damage to vessels due to the material of buoys (e.g., steel) are reported every year. Recently, light buoys adopting eco-friendly and lightweight materials have come into the spotlight in order to solve the previously-mentioned problems. In Korea, a new lightweight buoy with a 7-Nautical Mile lantern adopting expanded polypropylene (EPP) and aluminum to create a buoyant body and tower structure, respectively, was developed in 2017. When these light buoys are operated in the ocean, the visibility and angle of light from the lantern installed on the light buoys changes, which may cause them to function improperly. Therefore, research on the performance of light buoys is needed since the weight distribution and motion characteristics of these new buoys differ from conventional models. In this study, stability estimation and motion analyses for newly-developed buoys under various environmental conditions considering a mooring line were carried out using ANSYS AQWA. Numerical simulations for the estimation of wind and current loads were performed using commercial CFD software, Siemens STAR-CCM+, to increase the accuracy of motion analysis. By comparing the estimated maximum significant motions of the light buoys, it was found that waves and currents were more influential in the motion of the buoys. And, the estimated motions of the buoys became larger as the sea state became worser, which might be the reason that the peak frequencies of the wave spectra got closer to those of the buoys.

Key Words : Lightweight light buoy , Environmental loads , Mooring system , Motion analysis , Computational Fluid Dynamics (CFD)

7마일 등명기를 결합한 경량화 등부표의 운동 해석

손 보훈^*, 고 석원^**, 양 재형^**, 정 세민^**†

^*조선대학교 선박해양공학과
^**조선대학교 선박해양공학과

초록

현재 운용되고 있는 대형 등부표는 대부분 철소재로 제작되어, 부식과 침식에 취약할 뿐 아니라 중량이 커서 설치 및 유지보수 가 어렵다. 또한, 주위를 항해하는 선박과 충돌시 등부표 및 선박의 구조적 피해는 물론 인명피해를 발생시키기도 한다. 이러한 철소재 등 부표의 문제점들을 해결하고자 친환경, 경량화 재질을 사용한 등부표가 주목을 받고 있고, 최근 국내에서도 부체와 상부구조물에 각각 친 환경 경량소재인 EPP(Expanded Polypropylene)와 알루미늄 소재를 적용한 경량 등부표가 개발된 바 있다. 등부표가 본연의 기능을 수행하기 위해서는 복원성능 및 파랑중 (동적) 운동성능의 확보가 중요한데, 경량화 등부표는 기존의 철재 등부표와 중량 분포 및 운동특성이 다르 기 때문에 이에 관한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 새롭게 개발된 전원일체형 경량 7마일 등부표의 복원성능과 다양한 환경조건(파도, 바람, 조류)하에서의 운동성능을 평가하였다. 계류시스템을 고려한 운동해석에는 ANSYS사의 AQWA를 사용하였으며, 운동성능 추정의 정 도 향상을 위하여 상용 CFD SW인 Simens사의 STAR-CCM+를 사용해 추정한 풍하중 및 조류하중을 운동해석에 사용하였다. 추정된 등부 표의 유의운동의 최대값을 비교한 결과, 바람보다는 파도와 조류가 운동성능에 상대적으로 큰 영향을 미치며, 해상상태가 나빠질수록 (Beaufort No. 3이상) 운동이 급격히 커지는 것으로 예측되었다. 이는 해상상태가 나빠지면서 불규칙 파 에너지 스펙트럼의 최대 주파수가 등부표의 고유주파수에 근접하기 때문으로 추정된다.

키워드 : 경량 등부표 , 환경하중 , 계류시스템 , 운동해석 , 전산유체역학

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Funding:

1. 서 론

등부표는 주간에는 형태나 색으로, 야간에는 상부에 설치 된 등명기로, 근처를 항해하는 선박에게 항로 정보를 제공 하며, 암초의 유무나 수심이 얕은 지역 등 위해요소를 알리 는 기능을 수행한다. 이런 등부표는 항만·연안 해역 및 내륙 수로 등에 설치되며 실해역의 풍랑, 조류, 바람 등의 환경하 중에 의한 표류를 방지하기 위해 계류된다.

현재 운용되고 있는 대형 등부표는 대부분 철소재로 제작 되어, 부식과 침식에 취약할 뿐 아니라 중량이 커서 설치 및 유지보수가 어렵다. 또한, 주위를 항해하는 선박과 충돌시 등부표 및 선박의 구조적 피해는 물론 인명피해를 발생시키 기도 한다. 이런 철소재 등부표의 문제점을 해결하기 위하 여 최근에는 친환경 경량화 신소재를 사용한 등부표가 주목 받고 있다. 해외의 경우 프랑스의 Gisman 사는 Polyethylene을, 호주의 Sealite 사는 플라스틱 소재인 Polyurethane Form을 적 용하였으며, 미국의 Tideland Signal 사는 외부에서 가해지는 충격과 침수의 피해를 줄이기 위해 외부는 Polyethylene 소재 를 적용하고, 내부를 Polystyrene Form을 충진하여 부표를 제 작한 바 있다. 최근 국내에서도 부체와 상부구조물에 각각 친환경 경량소재인 EPP(Expanded Polypropylene)와 알루미늄 소재를 적용한 전원일체형 등명기를 결합한 경량 등부표가 개발된 바 있다(Jeong et al., 2017).

등부표가 본연의 기능을 수행하기 위해서는 복원성능 및 파랑중 (동적) 운동성능의 확보가 중요하다. 복원성이 부족 한 경우는 등부표가 전복될 수 있으며, 파랑 등으로 등부표 가 운동하면 등부표에 설치되어 있는 등명기의 광달거리 및 각도가 변화하여 등부표의 기능을 제대로 하지 못하는 경우 가 발생한다. 또한, 광달거리가 긴 등명기가 상향경사시에는 항공기가 다른 광파설비(표지)로 오인할 우려도 있다.

(등)부표에 관한 연구로서, Ryu et al.(2013) 철재 등부표에 대한 설계에 대한 방향을 제시하였고, 도출된 주요 요목과 형상을 통해 운동 해석을 수행하여 안정성을 검토하였다. Hong et al.(2001)은 수조 모형시험을 통한 극한 환경하에서의 등부표의 동력학적 거동 및 계류삭의 장력을 추정하기 위한 모형시험 기법을 정립하였다. Kim et al.(2009)은 기 개발되어 있는 해양 기상관측 부표에 관한 정적 및 동적 거동을 파악 하여 극한 환경하에서의 부표의 안정성 평가기법을 확립하 으며, Keum et al.(2009)은 기 개발된 해양관측 부표의 계류 예정지역의 관측자료를 통한 동적 피로하중을 토대로 계류 시스템에 대한 정적 및 동적 안정성 평가를 수행하였다. 최 근 개발되고 있는 경량화 등부표는 기존의 철재 등부표와 중량 분포 및 운동특성이 다르기 때문에 이에 대한 연구가 필요하며, 관련 연구로서 Jeong et al.(2017)은 경량화 등부표 의 정적 안정성과 불규칙파 중에서의 운동 안정성을 평가한 바 있다.

본 연구에서는 새롭게 개발된 전원일체형 7마일 등부표 들의 복원성능과 다양한 환경조건(파도, 바람, 조류)하에서 의 운동성능을 평가하였다. 계류시스템을 고려한 운동해석 에는 ANSYS사의 AQWA를, 운동성능 추정의 정도 향상을 위 하여 상용 CFD SW인 Simens사의 STAR-CCM+를 사용해 추 정한 풍하중 및 조류하중을 운동해석에 사용하였다.

복원 성능 및 운동성능 추정을 위해 본 연구에서 수행한 연구의 순서를 Fig. 1에 보이고 있다.

2. 복원성능 평가

먼저 복원성능 계산과 운동성능 추정을 위해 2차원 설계 도면을 기반으로 하여 상용 CAD 프로그램 Rhinoceros를 사 용하여 모델링을 수행하였다. 등부표의 고유주기 추정에 필 요한 질량관성 모멘트의 개략적인 산정과, 적정 흘수 확보 를 위한 중추질량(Stabilizing weight) 산정을 위해 등부표의 주요 구조물을 그룹화하여 수계산(manual calculation)을 수행 하였고, 추정된 관성모멘트의 정확도를 확인하고자 Ansys Mechanical의 결과와 비교하였다. Fig. 2는 그룹화된 구조물과 각 구조물의 재질을 보이고 있으며, 그림에서 K′은 수계산 의 편의를 위해 설정한 기준선으로 등부표 부력체의 최하단 부를 기준으로 하였다. 본 연구의 대상인 LL-22, 24 및 26형 경량화 등부표(Fig. 3)는 숫자가 클수록 대형으로 설치수심이 깊어진다. 주요 제원의 차이로서는 중추로부터 부력체 최하 단까지의 길이가 각각 2.28 m, 2.58 m, 3.28 m이고, 부력체의 직경은 2.2 m, 2.4 m, 2.6 m이다. 단, 부력체의 높이는 1.5 m로 동일하다. 산출된 무게중심과 관성모멘트를 ANSYS사의 Mechanical의 계산결과와 비교하여 Table 1에 나타내었다. 좋 은 일치를 보임을 알 수 있으며, 이후 계산에서는 ANSYS Mechanical의 결과를 사용하였다.

등부표가 상부 구조물의 무게를 견뎌내면서, 파도에 전복 되지 않기 위해서는 운용 경험상 0.4 ~ 0.5 m의 흘수가 확보 되어야 하며, 이를 위해서는 적절한 중추(stabilizing weight)의 질량을 추정하여야 한다. 수계산 결과, 중추를 제외한 등부 표의 흘수는 0.23 ~ 0.26 m로 추정되었으며, 흘수를 조정하기 위한 질량을 추정하기 위해 등부표를 1 cm를 침수시킬 때 필요한 질량인 TPC(Tonnage Per Centimeter)를 식(1)을 통해 산 출하였다.

T P C = 0.01 \times π R^{2} \times ρ_{s e a}

(1)

여기서 ρ_sea는 해수의 밀도, R은 수선면의 반지름이다. 산 출된 TPC는 각각 0.039, 0.046과 0.054 ton/cm이며, 이를 이용 하여 중추의 질량변화에 따른 흘수를 계산하여 Table 2에 보 이고 있다. 0.4 ~ 0.5 m의 흘수 조건을 만족하기 위해 필요한 중추 질량은 1000 kg으로 설정하였으며, 이후의 계산과 운동 해석은 중추 질량 1000 kg이 적용된 조건에서 수행하였다.

등부표의 정적 안정성의 평가를 위해 정적 안정성과 관련 된 중요 높이인 무게중심 G로부터 경심(meta-center) M까지의 거리 GM을 산출하였으며, GM의 부호와 크기에 따라 기본 적인 복원성능을 알 수 있다. Table 3에 보이는 것처럼, 등부 표의 무게중심(K′G)이 부력중심(K′B)보다 아래에 위치하므 로 안정하며, GM이 0보다 크므로 안정적인 복원성능을 가 지고 있음을 확인할 수 있다.

3. 운동 해석

환경조건에 의해 등부표가 운동하면, 등부표에 설치되어 있는 등명기의 광달거리 및 각도가 변화하여 등부표의 기능 을 제대로 하지 못하는 경우가 발생한다. 또한, 본 연구의 대상인 등부표의 경우, 등명기의 광달거리가 7마일이므로 상향경사가 발생하면 항공기가 다른 광파설비(표지)로 오인 할 우려도 있다. 이와 관련하여 중요한 등부표의 운동은 회 전운동인 Pitch와 Roll로서, 운동해석을 수행하여 운동의 경 향 및 최대값 변화를 추정하였다.

3.1 운동 방정식

부유체의 운동방정식은 식(2) ~ (3)과 같다.

(m + m_{a}) \ddot{x} + c \dot{x} + k x = F

(2)

(I + I_{a}) \ddot{θ} + c \dot{θ} + k θ = M

(3)

여기서, m은 부유체의 질량, m_a는 부가질량(added mass), c는 부유체의 감쇠 계수, k는 부유체의 복원력 계수, F 는 부 유체에 전해지는 외력, x는 부유체의 변위, I_a는 부가질량에 의한 관성모멘트, θ는 부유체의 각변위이다.

3.2 해석 조건

불규칙파를 고려하기 위한 파 스펙트럼은 완전 발달된 해 상상태를 나타내기 위해 제안된 Pierson-Moskowitz 스펙트럼 식(4)를 이용하였다.

S_{w} (ω) = \frac{1}{2 π} \frac{H_{s}^{2}}{4 π T_{s}^{4}} {(\frac{2 π}{ω})}^{5} exp (- \frac{1}{π T_{s}^{4}} {(\frac{2 π}{ω})}^{4})

(4)

여기서, H_s는 유의파고, T_s는 유의주기이며, Beaufort wind scale 1~ 4에 대응하는 값을 이용하였다(Table 4).

포텐셜 기반의 운동해석 프로그램에서는 풍하중 및 조류 하중을 직접 계산할 수 없기 때문에 일반적으로 간단한 형 상에 대한 풍하중 및 조류하중 항력계수를 이용한다.

본 연구에서는, 운동 해석의 정도를 높이기 위해 Simense 사의 STAR-CCM+를 이용한 CFD 시뮬레이션을 수행하여 풍 하중과 조류하중을 추정하고, 이 값을 운동해석에 사용하였 다. 시뮬레이션 수행시 흘수를 기준으로 풍하중 영역과 조 류하중의 영역을 나누어 따로 계산을 수행했으며, 자유수면 은 고려하지 않았다. 난류모델은 Two-layer all y+ 처리를 적 용한 Realizable k-ε model을 사용하였다. LL-22, 24 및 26형 등 부표의 풍하중과 조류하중 추정을 위한 CFD 수행시 사용한 격자 수는 각각 327만, 346만 및 335만개와 75만, 78만, 83만 개이며, y+는 30~100이 되도록 하였다. CFD 해석시 이용한 계산 영역, 격자계 및 경계조건을 각각 Fig. 4, 5 및 Table 5에 나타내었다.

CFD 해석을 통해 추정된 Beaufort wind scale 4에서의 입사 각도에 따른 풍하중과 조류하중 항력계수를 Fig. 6과 7에 보 이고 있다. 3가지(LL-22, 24 및 26형) 등부표에 작용하는 항 력계수의 차이는 크지 않음을 알 수 있다.

LL-22, 24 및 26형 등부표의 운동해석을 위한 모델링을 Fig. 8에 보이고 있다. 운동에 실제적인 영향을 주는 부분만을 고 려하도록 간이화했으며, 상부의 구조물은 전체중량과 질량 관성모멘트를 고려하여 운동해석에 반영하도록 하였다. 등 부표의 설치 예정해역의 수심은 약 20 m로, 계류는 천수 영 역에 적합한 체인(Chain)방식이며 등부표 최하단부에 체인으 로 연결된 1점 계류 시스템을 고려하였다. 사용한 계류선의 물성치를 Table 6에 보이고 있으며, 횡방향 및 종방향 항력 계수는 DNV-OS-E301(DNV, 2010)을 참조하였다.

3.3 운동응답 스펙트럼

불규칙파 중에서 부유체의 유의운동(Significant motion)은 선형 중첩의 원리를 적용하여 구해지며, 운동응답 스펙트럼 의 표준편차를 이용하여 유의운동이 식(6)과 같이 구해진다.(5)

S_{R} (ω) = R A O^{2} (ω_{e}) S_{w}

(5)

ϕ_{1 / 3} = 2 \sqrt{\int S_{R} (ω_{e}) d ω_{e}}

(6)

여기서, S_R은 운동응답 스펙트럼, S_w은 파 스펙트럼, ϕ_1/3은 유의운동을 나타낸다.

3.4 운동해석 결과

등부표의 모델별 선수파에 대한 Pitch와 Roll 진폭응답함 수(RAO)를 각각 Fig. 9 ~ 10에 각각 나타내었다. Pitch의 경우 전반적으로 높은 값이 나타나고 있으나, 이는 점성에 의한 감쇠효과가 고려되지 않은 것이 원인으로서 추정된다. 선수 파에 대한 Roll은 직관적으로도 알 수 있듯이 매우 작은 값 이 추정되고 있다.

다양한 환경조건에 대한 등부표의 운동성능을 확인하기 위하여, Fig. 11에 보이는 바와 같이 파도, 바람 및 조류의 입 사각을 조합한 13가지 조건에 대해서 Beaufort 1 ~ 4의 해상상 태에 대해서 운동해석을 수행하였다.

Pitch와 Roll의 유의운동의 최대값을 Fig. 12과 13에 보이고 있다. 대형화 될수록, 다시 말해 LL-26형이 LL-22 및 24형 보 다, 상대적으로 큰 운동을 보인다. 직관적으로 예측할 수 있 는 바와 같이 파도와 조류의 입사방향이 운동에 큰 영향을 주며, 바람의 등부표의 운동에의 영향은 상대적으로 작은 것을 알 수 있다. Beaufort wind scale 2이하에서는 전반적으로 운동이 작게 나타나지만, Beaufort wind scale 3이상에서는 운 동이 급격하게 증가하여 20˚를 넘는 운동이 나타날 것으로 예측된다. 이는 Beaufort wind scale이 커질수록, 파 스펙트럼 의 피크 주파수가 등부표들의 고유진동수에 근접하고(Fig. 14), 포텐셜 기반의 운동해석 프로그램이 점성에 의한 감쇠 효과를 반영하지 못함에 기인한다고 생각된다.

4. 결 론

본 연구에서는 새롭게 개발된 전원일체형 경량 7마일 등 명기를 결합한 등부표의 복원성능과 다양한 환경조건(파도, 바람, 조류)하에서의 운동성능을 평가하였다. 계류시스템을 고려한 운동해석에는 ANSYS사의 AQWA를 사용하였으며, 운동성능 추정의 정도 향상을 위하여 상용 CFD SW인 Simens사의 STAR-CCM+를 사용해 추정한 풍하중 및 조류하 중을 운동해석에 사용하였다.

안정적인 복원 성능은 확보하였으나, Beaufort wind scale 3 이상의 해상상태에서는 운동이 급격히 커지는 것으로 예측 되며, 이는 파 스펙트럼의 피크 주파수가 등부표의 고유진 동수에 근접하였기 때문으로 보인다. 최대 pitch 값 등, 등부 표의 운동성능에 관한 명확한 기준 및 규정은 없지만, 부가 물 개발 등을 통한 운동성능 향상을 위한 연구가 필요하다. 이후, 포텐셜 이론 기반의 운동해석 프로그램에서 제대로 고려되지 않는 점성감쇠계수의 추정 및 운동해석에의 적용 에 관한 연구와 운용시 관측예정인 실해역에서의 운동과 비 교를 수행할 예정이다.

후 기

이 논문은 조선대학교 2018학년도 학부생 새싹형 연구인 재 지원프로그램(학부 장학금 사업)의 지원을 받아 연구되 었습니다.

Figure

Fig. 1.

Procedures for stability evaluation.

Fig. 2.

Grouping of sub-structure for calculation of properties related to hydrostatic stability.

Fig. 3.

Important positions regarding stability of light-buoys.

Fig. 4.

Computational domains for (a) wind- and (b) current-loads estimation by CFD.

Fig. 5.

Grid systems for (a) wind- and (b) current-loads estimation by CFD.

Fig. 6.

Estimated wind load and moment with respect to model under wind velocity 6.75 m/s.

Fig. 7.

Estimated current load and moment with respect to model in current velocity 2 kts (=1.0288 m/s).

Fig. 8.

Simplified model for motion analysis.

Fig. 9.

Pitch RAO with respect to model.

Fig. 10.

Roll RAO with respect to model.

Fig. 11.

Cases for motion analysis.

Fig. 12.

Estimated significant pitch motion amplitude.

Fig. 13.

Estimated significant roll motion amplitude.

Fig. 14.

Wave spectra and natural frequencies of light-buoys.

Table

Table 1.

Estimated center of gravity and moment of inertia

Table 2.

Draft variation of light-buoys by changing stabilizing weight

Table 3.

Distances from base lines to important positions regrading stability of light-buoys

Table 4.

Environmental condition regarding Beaufort wind scale

Table 5.

Boundary conditions for numerical simulations

Table 6.

Properties of mooring line

Reference

Det Norske Veritas(2010), Offshore Standard DNV-OS-E301 Position Mooring.
Hong, K. Y. , C. K. Yang and H. S. Choi(2001), An Experimental Method for Analysis of the Dynamic Behavior of Buoys in Extreme Environment , Journal of Ocean Engineering and Technology, Vol. 15, No. 3, pp. 134-141.
Jeong, D. S. , S. M. Jeong, S. S. Jeong and J. H. Yang (2017), Stability Evaluation of a LL-24-type Lightweight Light-Buoy Adopting EPP , Journal of Advanced Engineering and Technology, Vol. 10, No. 2, pp. 297-303.
Keum, D. M. , T. W. Kim, D. S. Han, W. B. Lee and J. M. Lee(2009), Design of Oceanography Buoy - Part : MooringSystem , Journal of Ocean Engineering and Technology, Vol. 23, No. 1, pp. 89-95.
Kim, T. W. , D. M. Keum, D. S. Han, W. B. Lee and J. M. Lee(2009), Design of Oceanography Buoy - Part I: Structural Integrity of Hull , Journal of Ocean Engineering and Technology, Vol. 23, No. 1, pp. 81-88.
Ryu, Y. C. , Y. C. Seong and G.W. Lee(2013), Numerical Simulation for New Marine Instrumentation Buoy, Journal ofthe Koerean Society of Marine Environment & Safety, Vol. 19, No. 5, pp. 497-502.