1. 서 론

다랑어 선망어업은 국내 원양산업 중 업종별 생산량 1위의 업종으로 연간 생산량이 약 28만 3천 톤에 달하며, 2015년 기준으로 국내에 등록된 다랑어 선망어선은 28척이다. 다랑 어 선망어선이란 원양어선 중에서도 가장 기술적으로 발달 된 어선으로 3 ~ 4척의 보조 작업선과 함께 조업을 수행하며, 어군 탐지를 위한 헬리콥터, 소나, 레이다 등 최신화된 조업 장비를 사용하고 있다(MOF, 2016).

다랑어 선망어업에 대한 연구는 1980년도에 원양어업 회사 들이 다랑어 선망어업의 기술 경쟁력을 높이기 위해 진행되 었다. 어획량 분포 및 조업특성(An et al, 2003;Moon et al., 2005), 태평양 수역 우리나라 다랑어 선망어업의 어획 특성 (Lee et al., 2015), 서부태평양해역에서의 다랑어 선망어업의 어군성상과 연직수온 특성(Kim, 1999), 중서부 태평양 한국 다랑어 선망어선의 조업실태 분석(Park et al., 2016)과 같은 효과적인 조업특성의 파악과 방향에 대한 연구가 수행되어 졌으며, 다랑어 선망어선의 성능향상을 위한 선형개선 연구 (Hong et al., 2015a), 한국 다랑어 선망어업에서의 어구 구성 의 변화(Ryu et al., 2015), 선형개조 선망선의 조종성능(Hong et al., 2015b)과 같은 기술의 현대화와 그에 따른 다랑어 선 망어업 선단에 대한 연구도 활발히 수행되어져 왔다. 하지 만 다랑어 선망어선에 탑재되어지는 보조 작업선의 경우는 관련 연구가 미흡하여 일본에서 20년 전에 설계된 도면으로 제작되고 있는 실정이다. 특히 다랑어 선망어선의 부속선 중 네트보트(Net-boat)는 원양에서 양망을 돕거나 그물을 끌 고 다니기도 하는 등 중요한 역할을 하는 선박이다. 국내에 서 생산·운용되는 네트보트의 경우 프로펠러에 의해 다랑어 와 프로펠러가 손상되는 것을 방지하기 위해 프로펠러 주위 부분을 철망으로 감싸는 형태로 설치하여 운용되어왔다.

이러한 부가물이 선체의 유체성능에 안 좋은 영향을 미치 고 있기에 다랑어의 손상을 방지하며, 철망과 같은 부가물 이 필요치 않은 네트보트의 개발이 필요하다.

네트보트와 같은 소형 작업선에 대해 해외 유사실적선을 살펴보면, 프로펠러가 아닌 워터제트 추진 작업선이 많이 사용되고 있다. 워터제트 추진기에 대해서 워터제트를 적용 한 소형선 연구(Choi, 2009) 및 워터제트 선외기의 개발 연구 (Lee and Lee, 2014)와 같이 연구되어 왔으며, 근래 상용화된 추진기이다. 워터제트 추진의 경우 프로펠러 추진과는 다르 게 선체 하부에 돌출되어 회전하는 장치가 없으며, 따라서 다랑어 보호를 위해 선박의 유체성능에 악영향을 주는 철망 의 필요가 없어진다.

본 논문에서는 기존 운용된 네트보트를 바탕으로 추진기 를 워터제트 타입으로 변경, 그에 따른 선형변환을 수행하 였다. 또한 선형의 성능검토를 위해 활발히 사용되는 CFD (Computational Fluid Dynamics) 해석(Kim et al., 2016)을 활용하 여 기존선형의 철망과 같은 부가물이 저항성능에 미치는 영 향 및 수정선형의 저항성능 변화를 계산하였다. 그리고 수 정선형의 정확한 저항성능의 비교검토를 위해 1/7의 모형선 수조시험을 수행하였다.

2. 네트보트 설계

2.1 추진기 변경 네트보트 설계

본 연구에서 설계하고자 하는 네트보트는 다랑어 선망어 업에서 양망을 돕거나 그물을 끌고 다니며, 또한 해수를 수 면에 뿌려서 다랑어를 유인하는 역할을 한다. 네트보트를 설계하는 데 있어서, 중요한 점은 본선인 다랑어 선망어선 에 탑재되는 부속선이기에 설계에 있어 본선의 탑재공간을 고려하여 주요 치수를 선정하였다.

다랑어 선망어선의 네트보트의 경우, 보통 본선의 중앙부 에 위치하며, 대빗(davit)을 이용하여 물에 내리거나 끌어올 리므로, 2개의 대빗 사이의 간격에 의해 네트보트의 길이가 결정되며, 국내에서 운용중인 네트보트의 경우 보통 6.0 ~ 7.0 m의 길이를 가진다. 또한 본선의 건현(freeboard)과의 충돌 및 길이와 폭의 비를 고려하여 폭의 길이가 2.7 ~ 3.1 m 사이 로 설정되며, 깊이는 추진기의 탑재 공간과 갑판의 작업용 도에 맞추어 설정된다.

네트보트는 그물을 끌기 위해 충분한 예인력(towing force) 이 확보되어야 하며, 이를 위해 기존에 사용되던 네트보트 는 제한적인 길이와 폭에 맞추어 추력과 토크를 최대화 할 수 있는 프로펠러 추진기를 탑재하여 사용되어왔다. 하지만 이러한 프로펠러 추진기를 탑재한 네트보트는 작업 도중 프 로펠러 주위에 다랑어가 몰려들거나 유영 시에 부딪힐 수 있기에, 다랑어 및 프로펠러의 손상사고를 방지하기 위해 프로펠러를 감싸는 형태로 철망을 설치하여 운영되었으며, 이는 선박의 유체성능에 악영향을 미친다.

이를 해결하기 위한 추진기 변경 네트보트 설계를 위해 국내 다랑어 선망어선에서 사용중인 프로펠러 타입의 네트 보트 및 미국의 Reynolds Marine사, Marvik Marine사의 알루미 늄 워터제트 작업선 등 5 ~ 7 m급 유사실적선 17여종의 주요 요목을 바탕으로 중량추정 및 주요요목을 도출하였다.

기존의 속도와 예인력을 맞추기 위해서 엔진의 마력을 참 조하여 워터제트의 치수를 고려한 결과, 엔진과 워터제트의 길이가 기존보다 길어짐으로 인해 단축으로는 중량의 배분 을 맞추기가 어려워 쌍축에 적합한 설계를 수행하였다.

또한 파랑 중 모형시험결과에 따르면 선저 경사각이 커질 수록 파랑 중 선수 상하 가속도가 줄어드는 경향을 보이며, 추진효율이 나빠지는 문제가 발생하는 연구결과(Kihara and Ishii, 1986)를 바탕으로 제안된 선저 경사각 15° ~ 25°에서 추 진효율을 높이고 쌍축의 워터제트의 설치 환경을 고려하여 선저 경사각을 16°로 설정하여 설계를 수행하였다(Park et al., 2012).

설계 결과, 추진기 타입 변화에 맞추어 선형 변화를 수행 하였으며, 기존의 프로펠러타입 선형 대비 침수표면적을 42% 가량 감소시켜 선형 변화에 의한 단순 표면적 개선효과를 볼 수 있었다. 각 선형을 Fig. 1에 나타내었으며, (a)는 기존 의 프로펠러타입, (b)는 워터제트타입의 선형이다. 또한 각 선형의 주요 제원과 변화 비율을 Table 1에 나타내었다.

3. 수치해석

3.1 좌표계 및 지배방정식

수치해석을 수행하기 위해 상용코드인 STAR-CCM+를 사 용하였다. 수치해석을 위한 계산영역 및 격자의 크기는 모 두 실선을 기준으로 하였으며, 좌표계는 Fig. 2와 같이 직교 좌표계를 사용하였으며, 원점은 선미 하부에 위치해 있다. 유동방향은 음(-)의 x축이고 선박의 우현이 양(+)의 y축이며, 중력방향의 반대방향이 양의 z축이다.

유동장의 크기 및 경계조건은 ITTC(2011)의 권장 기준에 따라 선체의 길이를 기준으로 하여 Fig. 3과 같이 수치해석 도메인을 설정하였으며 경계조건도 함께 표시하였다. 또한 수면아래의 부가물 형상이 저항에 미치는 영향을 분석하기 위해서 자유수면(free surface)을 배재한 이중모형(double body) 으로 가정하였다.

본 연구에서는 3차원 정상상태, 비압축성 및 점성 유동으 로 가정하여 계산을 수행하였다. 이에 대응하는 유체의 지 배방정식은 연속방정식과 RANS(Reynolds-averaged Navier- Stokes) 방정식으로 식(1), (2), (3)과 같이 나타낸다.

여기서, S(t)와 V(t)는 각각 표면적 벡터와 검사체적이 고, t는 시간, u는 속도 벡터, dS 는 요소 표면적 벡터, dV 는 요소 벡터, υ는 검사체적의 운동에 따른 표면적 벡터의 이동 속도 벡터, T는 응력 텐서, K 는 체적력 벡터를 나타 낸다. 또한, I는 항등텐서, Re는 레이놀즈 수, ∇은 구배 연 산자, (∙)^T 는 전치 연산자, − u ′ u ′ ¯는 레이놀즈 응력이다. 또한 P 는 정수압이 포함되지 않은 무차원 압력이다.

CFD 시뮬레이션 계산을 위해 지배방정식은 유한체적법에 기초하여 이산화된다(Rosenfeld and Kwak, 1991). 여기서 지배 방정식인 RANS 방정식의 적분형태는 식(4)과 같다.

여기서, 각 항은 순서대로 비정상항(Unsteady term), 대류항 (Convection term), 확산항(Diffusion term) 그리고 생성항(Source term)으로 구성되어있으며, 식(5), (6), (7) 그리고 (8)과 같이 이산화하여 순서대로 나타내었다.

여기서, Φ_f 는 스칼라값, m ˙ f는 접합면에서의 질량유량, G 는 강체 운동, 변형과 같은 격자의 움직임으로부터 계산된 격자 흐름을 나타낸다, 또한 Γ 는 확산계수, ∇Φ은 구배, a 는 면적벡터를 나타낸다. 그리고 S_Φ는 생성된 변수 Φ의 증 가율, V 는 검사체적을 나타낸다.

난류모델은 그동안 선박의 반류 추정을 위해 흔히 사용되 었던 가장 보편적인 모델인 Realizable k-є model(RKE)을 사 용하였다(Yang et al., 2010).

3.2 수치격자 및 계산조건

선체표면 및 공간격자 생성은 선체 주위의 유동의 정확한 해석을 위해 Fig. 4와 같이 Trimmed mesh를 사용하였으며, 그 림에서 보듯이 유동 특성이 복잡한 영역에 격자를 조밀하게 구성하였으며, 선체 표면의 경계층의 표현을 위해 Fig. 5와 같이 Prism layer를 사용하였다. 수치해석을 위해 약 77만개 의 격자를 사용하였으며, 계산의 속도조건은 6 ~ 12 kts의 4가 지 경우이며, Fn의 범위는 0.388 ~ 0.777, Rn은 1.672×10⁷~ 3.344×10⁷ 범위에서 수치해석을 수행하였다. 수치해석에 사용한 기법들을 Table 2에 정리하였다.

3.3 수치해석을 위한 선형 조건

본 수치해석에서는 주로 프로펠러타입 기존선형 선체 하 부의 부가물이 저항에 미치는 영향과 선형변환을 수행한 워터제트타입 선형의 저항성능 개선효과를 검증하는 해석 이다.

이를 위한 수치모형의 크기는 실제 선박과 동일한 Full scale로 설정하였다. 또한 부가물의 영향 파악을 위해 프로펠 러타입 선형 선체 하부의 부가물을 Fig. 6과 같이 크게 스케 그(skeg)와 철망(net)으로 나눴으며, 부가물의 영향을 알기 위 해 Table 3에 나오는 바와 같이 총 3가지의 경우와 워터제트 타입으로 구분하였다. 각각의 선형은 Fig. 7에 도식하였다.

3.4 수치해석 결과

프로펠러타입의 선형에서 부가물이 저항에 미치는 영향 에 대한 수치해석 결과를 속도별로 정리하여 Table 4에 나타 내었다. 해석 결과, 총저항에서 부가물이 차지하는 비중은 최대 54.0%로 절반이 넘는 영향을 보이고 있다. 특히 부가 물 중 철망이 차지하는 비중은 최대 36.9 % 정도로 프로펠러 타입 네트보트의 총저항에 스케그의 2배 이상의 영향을 주 고 있음을 확인하였다.

Fig. 8은 선속 10 kts일 때의 Case 1-2와 Case 1-3의 선체의 유체의 흐름을 나타낸 그림이다. 이를 비교하면, Case 1-3의 경우 철망에 의해 프로펠러로 유입되는 유체의 흐름이 불균 일하게 되어 프로펠러 효율을 감소시킬 가능성이 큰 것으로 보인다.

이상의 결과로부터 선체 하부의 부가물, 특히 철망이 네 트보트의 저항성능에 악영향을 일으키고 있으며, 선형변환 을 통한 제거로 저항성능이 개선될 것으로 판단된다.

추진기 변화에 따른 선형변환에 대한 Case 1-3과 Case 2의 해석 결과를 Table 5에 정리하였다.

해석 결과, Case 1-3 대비 Case 2의 R_T값이 최대 45.6 % 감 소함이 확인되었다. 거의 절반에 가까운 R_T 감소치를 보이 고 있으며, 그 이유로 앞서 나온 바와 같이 Case 2의 침수표 면적이 Case 1-3의 절반에 가깝기에 R_T값 감소에 영향을 끼 치고 있다고 사료된다.

또한 Case 1-3과 Case 2의 부가저항계수를 비교한 Table 6 에 보이는 바와 같이 선형변환을 통한 철망의 제거로 부가 물의 형상저항이 감소하였고, R_T의 감소에 영향을 주었다고 사료된다.

이상의 수치해석 결과를 통해 추진기 타입 변화에 따른 선형 변환이 저항성능을 크게 개선시켰으며, 이는 단순 침 수표면적 감소 및 선형개선에 의한 총 저항 감소에 따른 것 으로 판단하였다.

4. 모형시험

4.1 시험조건

본 연구에서는 중소조선연구원의 회류수조에서 기존의 프로펠러타입 네트보트의 선형과 신형 워터제트타입 네트 보트의 선형을 1/7으로 축소하여 모형선 시험을 수행하였으 며, 해당 회류수조의 제원은 아래의 Table 7과 같다.

모형시험에 사용한 모형선들의 제원은 Table 8에 표기하 였으며, 그 형상은 Fig. 9에 나타내었다.

Fig. 10과 같이 모형선을 제작 후 비교실험을 수행하였으 며, 선형에 의한 성능을 비교하기 위하여 기존 및 신형 네트 보트의 저항을 속도별로 측정하여 성능향상을 검토하였다.

4.2 모형시험

선형별로 5 ~ 10 knot의 속도범위에서 모형시험을 수행하 였으며 프로펠러 타입의 경우 9 kts 이상에서 뭉뚝한 선수부 의 특성 때문에 파를 가르지 못하고 큰 파도를 생성시켜 선 수부의 상갑판으로 넘어오는 현상을 보여 10 kts에서 모형시 험을 수행하지 못하였다. 워터젯 타입은 9 kts에 파를 잘 가 르는 활주형 형태를 보이고 있으며 Fig. 10에 나타내었다. 모 형시험 결과를 Table 9에 정리하였으며, 이를 바탕으로 ITTC-1957 실선 저항 추정법에 따라 각 실선의 저항을 추정 하여 Table 10에 정리하였다.

모형시험 결과, 프로펠러 타입 대비 워터제트 타입에 걸 리는 저항이 약 50% 정도로 크게 줄어들었음을 확인 하였 으며, 이 차이는 높은 속도영역에서 커졌다. 각 선형의 잉여 저항계수를 비교하면 총 저항계수와 마찬가지로 워터제트 타입이 크게 감소하는 것을 볼 수 있는데, 이는 철망의 제거 를 통한 선형 변환으로 부가물에 의한 형상저항 및 조파저 항의 감소로 인하여 저항성능이 충분히 개선되었음을 확인 하였다.

5. 결 론

다랑어 선망어선에 탑재되는 보조 작업선 중 네트보트의 추진기 변경에 따른 선형개발 및 수치해석을 통한 유체성능 검토, 1/7의 축소모형의 수조시험을 통한 선형 별 저항성능 비교검토를 수행하였고, 다음과 같은 결론을 얻었다.