1. 서 론

해양레저산업은 떠오르는 블루오션으로 북미·유럽권에서 보편적인 여가활동으로 자리잡은 해양레저가 최근 아시아 에서 급성장함에 따라 우리나라에서도 연간 10% 이상의 성 장세를 보이고 있으며, 2020년 시장규모(세계시장+국내시장) 는 약 40조원(400억달러) 규모로 추정된다.

해양레저에 대한 관심 증대는 점차 다양한 수요에 대한 만족이라는 새로운 시장을 만들어 내고 있으며, 승선인원과 실내외 공간 활용 등 선박의 휴먼 인테리어 측면에서 넓은 범위의 공간적 서비스 제공분야로 확대되고 있다.

쌍동형 선박은 넓은 실내외 활용 공간을 제공하지만, 설 계에 있어서는 두 선체 내부 파 간섭에 의한 저항 최소화와 선체 연결갑판에 작용하는 파랑 충격과 항주자세 등을 고려 하여야 한다.

Park et al.(2016)은 쌍동선 선수형상의 변화에 따른 저항성능 의 영향을 검토하고 CFD와 모형시험 결과를 비교하여 저항 과 자유표면 유동특성 관계를 조사하였다. Oh and Yoo(2013) 은 항주자세 및 저항 추정에 대해 상호 비교연구를 수행하 였고, Choi and Park(2013)은 쌍동선형의 선형개발에 활용하 고자 비대칭과 대칭 단동선형을 가진 쌍동선에 대해 저항성 능을 평가하였으며 비대칭 단동선형의 쌍동선의 조파저항 성능 우수성을 수치계산과 모형시험으로 확인하였다.

Jang et al.(2010)은 30 feet급 쌍동선을 대상으로 실선의 유 효마력을 추정하였으며, Kim et al.(2009)은 선박의 무게중심 위치 변화에 따른 항주 자세 영향에 대해 고찰하였다.

본 연구에서는 넓은 갑판공간을 제공하고 있는 쌍동선박 의 선수형상으로 재래식(Conventional)과 반전형(Reverse) 선수 형상에 대해 수치해석을 통한 선형성능을 검토하고, 상대적 으로 저항과 항주자세가 우수한 반전형(Reverse) 선형에 대 해서는 모형선 수조시험을 통하여 그 성능을 분석하였다.

2. 선형 설계

다동선체에서 선수는 Fig. 1과 같이 재래식(Conventional)과 반전형(Reverse), 추 또는 도끼형(Plump & Axe) 선수형상 등 이 있다. 재래식은 선수부 발생파랑의 유동을 수면상향으로 진행시키며, 반전형은 유동을 수면상부에서 아래로 흐르는 파랑관통(Wave-piercing) 형태이다. 추 또는 도끼형은 파도를 좌우로 가르는 선수형상이다. 이러한 반전형과 추 또는 도 끼형 등의 선수형상은 재래식 선수에 비해 조파성능과 파랑 중 거동에 탁월함을 보이고 있다(Keuning et al., 2011).

대상 쌍동선형은 Fig. 2와 같이 재래식 선수(Conventional bow)와 수정 반전형 선수(Modified-reverse bow)의 2가지 형상 으로 설계되었으며, 주요 제원은 Table 1에 정리하였다. 선수 형상(F.P~7station)은 재래식 선수와 반전형과 도끼형을 결합 한 수정 반전형 선수로 설계하였으며, 주요 구획배치를 고 려하여 선미는 서로 같은 형상으로 하였다. 설계속도(Design speed)는 17 knots(NCR; Normal Continuous Rating)이며, 최대선 속은 20 knots(MCR; Maximum Continuous Rating)이다. 해석모델 Geometry 형상은 Fig. 3에서 나타내었다.

3. 수치해석 및 해석조건

사용된 수치시뮬레이션 프로그램은 STAR-CCM+이며, 자 유수면은 VOF법을 사용하였고 난류모델은 레이놀즈 응력의 전달방정식을 풀기위해 Reynolds Stress Turbulence를 적용하 였으며, 계산 조건은 Table 2와 같다. 수치해석 결과는 Fig. 11과 Fig. 12에서 모형시험 결과와 비교 검토하였다.

해석 영역은 -3 x/Lwl 2, -1 y/Lwl 1, -1 z/Lwl 1 이며 해석모델의 생성격자는 Volume mesh로 설정하였고, Surface Re-mesh, Trimmed Cell Mesh, Prism Layer Mesh로 구성하였다. 격자수는 약 250만개이며, 선속에 따른 선체 거동을 계산하 기 위해 격자 모핑법(Mesh morphing) 이용의 DOF model을 사용하였다. Fig. 4는 수치계산을 위한 경계조건과 자유표면 에서의 격자계이다. 본 계산법의 저항력의 점성유동 성분의 민감도는 낮음을 고려하여 y+를 결정하였다(Haase et al., 2012).

해석 영역은 -3≤x/Lwl≤2, -1≤y/Lwl≤1, -1≤z/Lwl≤1 이며 해석모델의 생성격자는 Volume mesh로 설정하였고, Surface Re-mesh, Trimmed Cell Mesh, Prism Layer Mesh로 구성하였다. 격자수는 약 250만개이며, 선속에 따른 선체 거동을 계산하 기 위해 격자 모핑법(Mesh morphing) 이용의 DOF model을 사용하였다. Fig. 4는 수치계산을 위한 경계조건과 자유표면 에서의 격자계이다. 본 계산법의 저항력의 점성유동 성분의 민감도는 낮음을 고려하여 y+를 결정하였다(Haase et al., 2012).

수치해석의 선박 제원과 선속 조건은 수조시험에서의 조 건과 동일하게 적용하였으며, 수치해석의 선속은 Table 3에 나타냈다.

Fig. 5와 Fig. 6은 Conventional 및 Modified-reverse bow 선형 의 파형에 대한 수치해석 결과이다. 공통적으로 선수로부터 발달된 Kelvin형으로, 발산파 생성위치는 항주속도에 따라 Conventional bow는 약 9.8 Station, Modified-reverse bow는 약 10.2 Station에서 위치하여 생성되었다. 선속 증가에 따라 발 산파의 파정은 점차 중앙부 쪽으로 이동되며, 각각 동체의 내부에서 유기된 파는 선속 증가에 따라 선체중앙부 근처에 서 크게 중첩되어 선체 연결 데크에 닿고 있음을 보인다.

두 선형이 동일 수선간장(L.W.L.)임을 감안하면, 항주자세 변화로 조파현상에 변화를 주고 있으며, 이는 상호 파계 비 교를 통해 Modified-reverse bow 선형의 개선된 조파현상을 보 이고 있음을 확인하였다(Fig. 7).

Fig. 7과 Table 4는 13 ~ 20 knots에서 Conventional bow와 Modified-reverse bow 선형에 대한 파형과 전저항 계수(CT)를 비교한 것이다.

Fig. 7의 파형은 동일 선속조건에서 Modified-reverse bow 선형의 선수 발산파가 23°로 Conventional bow의 28° 보다 약 5°의 개선된 파형을 보였다. 이러한 파계형상은 Table 4의 전 저항 계수 비교를 통해서 선속 증가에 따라 Modified- reverse bow 선형의 전저항이 개선되는 것을 확인하였다.

수치해석의 전저항 계수(C_T)는 Modified-reverse bow 선형이 Conventional bow 대비 설계속도 17 knots에서 약 3.64 %, 최대 선속 20 knots에서는 약 2.46%로 전체 선속구간에서 약 2.95% 의 선형 저항 개선을 확인하였다.

Fig. 8은 대상선형 2척의 전저항 계수(C_T)와 항주자세(종경 사(Trim), 침하율(Sinkage))에 대한 것으로 선속 17 ~ 20 knots 구간에서 Modified- reverse bow 선형이 파계개선에 따른 저항 개선과 안정된 항주자세를 보이는 것으로 계산되었다.

4. 모형시험 대상 및 시험조건

Fig. 9의 Modified-reverse bow 선형에 대한 모형시험은 서 일본유체기술연구소(West Japan Fluid Engineering Laboratory) 의 회류수조에서 수행하였다.

시험모형은 수치해석과 동일 축척비의 0.9 m 하드우레탄 으로 제작하였으며, 모형시험의 선속은 실선기준 13 ~ 25 knots 범위(Table 5)에서 선체저항 및 Trim, Sinkage 등을 계측하였 다.

5. 모형시험 수행 및 결과 비교

Fig. 10은 Modified-reverse bow에 대해 설계 선속 17 knots와 20 knots의 모형시험에서 선체 주위 파계형상을 선속별로 나 타낸 것이다. 선속과 선수 및 선미의 종방향 체적 분포에 따 라 선체주위 파계형상이 크게 변화(Park et al., 2016)되었으 며, 선속 증가에 따라 각 선체내부에서 생성된 파의 중첩과 선체연결갑판(Cross-deck)에 파랑충격 등의 영향은 선체중앙 부에서 선미에 이르는 것으로 관찰되었다.

Table 6은 선속변화에 따른 수치해석과 모형시험의 전저 항 계수 결과를 비교한 것이다. 모형시험과 수치해석의 결 과는 경향이 유사며, 각각의 전저항 계수 결과는 수치해석 과 모형시험은 약 1.99 ~ 3.79%의 차이를 보이고 있다.

Modified-reverse bow 선형에 대한 정량적 성능 추정을 위 하여, 모형시험을 통한 선체저항 계측과 ITTC(International Towing Tank Conference)에서 제안한 국제표준방법을 이용하 여 실선의 성능을 추정하였다(K.S.N.A, 2014).

도출된 전저항 결과에 Trim, Sinkage 결과를 포함하여 상 호 그래프 비교는 Fig. 11에 나타내었으며, Wave pattern 및 Trim 결과 비교를 통해 수치해석의 유용성을 확인하였다.

Fig. 12는 Modified-reverse bow 선형에 대해 수치해석 및 모 형시험을 통해 도출된 선속별 유효마력 곡선이다. 최대선속 20 knots의 경우, 약 191마력이 요구되며, 수치해석과 모형시 험은 약 2.40 ~ 4.87%의 결과 차이를 보이고 있다.

6. 결 론

본 연구는 쌍동선 선수형상에 있어서 Modified-reverse bow 적용에 따른 선체주위 파형 및 저항성능을 수치해석과 수조 모형시험으로 그 결과를 비교하였다. 세부결과는 다음과 같 다.

향후, 본 쌍동선 연구 선형에 대해 파랑 중 항주 안정성 검토를 위해 쌍동선 동체의 연결갑판 파랑 충격에 대한 추 가연구가 필요하다.