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ISSN : 1229-3431(Print)
ISSN : 2287-3341(Online)
Journal of the Korean Society of Marine Environment and Safety Vol.31 No.1 pp.96-108
DOI : https://doi.org/10.7837/kosomes.2025.31.1.096

A Study on the Evaluation of Turning Performance of Small Fishing Vessels

Hwewoo Kim*,**, Sanghyun Kim***†, Kyungwoo Lee****, Hyeongseok Yoon**, Hyogeun Lee**,*****, Changwoo Song**,******
*Republic of Korea Navy, Korea
**Inha University, Naval Architecture Ocean Engineering, Incehon 22212, Korea
***Professor, Inha University, Naval Architecture Ocean Engineering, Incehon 22212, Korea
****Professor, Mokpo National Maritime University, Department of Naval Architecture & Ocean Engineering, Korea
*****Researcher, HD Korea Shipbuilding & Ocean Engineering
******Researcher, Samsung Heavy Industries Co., Ltd.

* First Author : sbsn1133@gmail.com, 032-860-8812


† Corresponding Author : kimsh@inha.ac.kr, 032-860-7344
January 21, 2025 February 10, 2025 February 25, 2025

Abstract


The performance evaluation of ships is essential to prevent maritime accidents; however, compared to that of large commercial vessels, the evaluation of fishing vessels remains insufficient. Specifically, for fishing vessels under 5 tons, no evaluation is conducted during the design stage. Unlike commercial ships, the maneuverability of fishing vessels is often neglected during the design process or assessed using empirical formulas. For small fishing vessels, significant variations in weight and center of gravity occur depending on loading conditions. Therefore, even if maneuverability is evaluated through sea trials after design, these trials may not fully reflect actual operating conditions. Consequently, the performance evaluation of small fishing vessels should be distinguished according to loading conditions. This study focuses on a 4.99-ton standard fishing vessel, utilizing the K-SHIP program from the Korea Maritime Transportation Safety Authority to evaluate weight and center of gravity under different loading conditions, and subsequently analyze the turning performance of the vessel. Uncertainty in the CFD simulations was validated using the GCI method, whereas the simulation results were verified for accuracy using sea trial data. The findings indicate that the turning performance of the vessel at the design speed under the ‘Full Loading DEP’ condition is representative of its maneuvering performance at that speed. Moreover, the simulation results across various speeds highlight the importance of selecting operating speeds that consider the turning performance of small fishing vessels.


CFD , Maritime accident , Loading condition , Small fishing vessels , Turning performance

소형어선의 선회성능 평가에 관한 연구

김혜우*,**, 김상현***†, 이경우****, 윤형석**, 이효근**,*****, 송창우**,******
*대한민국 해군
**인하대학교 대학원 조선해양공학과
***인하대학교 조선해양공학과 교수
****국립목포해양대학교 조선해양공학과 교수
*****HD현대중공업 연구원
******삼성중공업 연구원

초록


해양사고 예방을 위해 선박의 성능 평가는 필수적이지만, 대형 상선에 비해 소형선박에 대한 성능 평가는 여전히 미흡한 상황이다. 특히 5톤급 미만의 선박에 대해서는 설계 단계에서 어떠한 평가도 이루어지지 않는다. 일반적인 경우 소형선박 특히 어선에 대한 조종성능 평가는 상선과 달리 설계 과정에서 다루어지지 않거나 경험식에 의존하여 검토되는 경우가 많다. 본 연구의 대상으로 하는 소형어선의 경우 적재 재화상태에 따라 중량과 무게중심의 변동이 크기 때문에, 설계 후 항해 시운전을 통해 조종 성능을 평가하더라도 해당 재화상태가 실제 운항 상황을 충분히 반영하지 못할 수 있다. 이에 따라 소형 어선의 성능 평가는 재화 상태 별로 구분하여 검토될 필요가 있다. 본 연구에서는 4.99톤급 표준 어선을 대상으로 한국해양교통안전공단(KOMSA)의 복원성 평가프로그램(K-SHIP)을 활용하여 적재 재화상태에 따른 중량과 무게중심을 평가하고, 이를 바탕으로 선회 성능을 분석하였다. CFD 시뮬레이션의 불확실성은 GCI 기법으로 검증하였으며, 시운전 데이터를 사용해 시뮬레이션 결과의 정확성을 검증하였다. 연구 결과 소형 어선은 만재 출항 재화상태에서의 선회 성능 평가가 해당 선속에서의 대표 성능을 충분히 반영하는 것으로 평가 되었으며, 선속별 선회성능 시뮬레이션 결과 소형 어선의 선회 성능을 고려한 운항 속력 선정이 필요함을 확인하였다.


CFD(Computational Fluid Dynamics) , 해양사고 , 적재상태 , 소형어선 , 선회성능

    1. 서 론

    한국해양교통안전공단(이하 KOMSA)에서 제공하는 통계 자료에 따르면 우리나라에서 2023년도에 발생한 전체 해양 사고 3,417척 중 어선의 사고는 2,261척으로 66%를 차지하며, 20톤 미만의 소형어선에서 발생한 사고는 2,441척으로 전체 사고 선박의 71%를 차지한다(MTSIS, 2023).

    Kim et al.(2020)의 어선의 업종별 해양사고의 원인과 대책에 관한 연구에 따르면 2010년부터 2019년까지 어선의 해양 사고 발생 비율은 충돌사고가 전체 대비 71.7%(440척)이라고 밝혔다. 이러한 충돌사고를 예방하고 소형 어선의 안전한 운항을 도모하기 위해서는 설계과정에서부터 저항 추진, 조종 등을 비롯한 선박의 성능에 대하여 보다 정밀한 평가와 이해가 필요하다.

    어선의 성능평가는 주로 건조가 완료된 이후에 실선을 이용한 부표 방위법과 DGPS를 이용한 시운전법을 조종성능 평가 방안으로 사용하며 어선 설계단계에서 조종 성능을 평가하는 연구는 부족한 실정이다. 이는 설계 비용 등 여러 가지 원인이 있지만, 어선의 중량이 부정확한 것도 한가지 이유가 된다.

    어선의 경우 만재중량이 하나로 결정되지 않는다. 2022년 KOMSA에서 공표한 ‘안전복지를 강화한 표준어선형에 관한 기준’에 따르면 어선은 적재 기준에 따라 표준 재화상태를 지정하여 만재 톤수를 가정해 사용한다(Government of Korea, 2022). Kim et al.(2024)의 연구에 따르면 표준 재화상태는 어선의 조업 환경에 따라 만재출항, 만재입항, 어장발, 부분만 재입항이라는 재화상태를 가정하며 재화상태에 따라 중량은 1톤에서 5톤 내외의 차이가 발생하며 적재물의 적재 위치에 따라 무게중심에도 차이가 발생한다. 그러므로 어선의 성능평가는 먼저 적절한 만재재화상태를 선정해야 하며 이는 향후 어선의 성능평가 재화 기준으로 활용될 수 있을 것 이다.

    국내ㆍ외의 선행연구 사례를 살펴보면 소형어선의 조종 성능에 대한 연구는 많지 않다. 먼저 국내 연구 사례로는 어선의 조종 성능 특성에 관한 연구(Lee et al., 2018)에 따르면, 어선의 조종 성능을 경험식을 이용해 평가하고, 실선 시운전과 비교했을 때, 두 경우 모두 IMO(International Maritime Orgazination) 조종 성능 기준을 만족했으나 두 데이터 간에 큰 차이가 발생함을 확인했다. 이는 상선 기반으로 만들어진 경험식이 어선의 조종 성능을 평가하기에 부족하며, 어선의 형상 및 운동 특성을 고려한 파라미터가 필요하다는 결론에 도달했다. 국내 어선 타 면적비 설계 현황 분석 연구 (Kim et al., 2022)에서는 상선에 비해 설계 기준이 명확하지 않은 어선의 한계를 지적하며, 153척의 어선을 조사한 결과, 107척이 저자가 설정한 최적 타 면적비를 만족하지 못한 것으로 나타나 어선에 대한 조종 성능 평가의 필요성을 강조했다.

    해외 연구 사례로는 Yoshimura and Ma(2003), Yoshimura and Masumoto(2012)에 의하여 길이 20m 이상 어선들의 구속모 형시험 기반 시뮬레이션 및 미계수 추정식이 개선된 바 있으며 최근 RANS 기반의 CFD 기법을 활용한 연구에서는 Choi et al.(2023) 연구에서 소형어선의 선형 및 타 형상에 따른 운항성능을 평가한 연구가 있었으며 Lee et al.(2024)에 의하여 표준어선형 어선의 표준재화상태에 따른 소형어선의 조종성능을 평가한 사례가 있었다.

    본 연구에서는 이러한 점을 고려하여 4.99톤급의 소형어선에 대해 CFD 시뮬레이션을 이용하여 선회성능을 평가하고 선회성능 평가 절차에 관해 연구하였다.

    2. 선회성능 평가 기준

    선박의 조종성능 중 선회성능이란 가능한 작은 선회반경으로 배가 선회할 수 있는 능력이다. Fig. 1은 Turning Test 시뮬레이션을 나타낸다.

    ITTC-Recommended Procedures(2002, ITTC)에 따르면 Turning Circle tests는 전진하는 선박에 대해서 좌, 우현에 대해서 최대 타각을 발령했을 때 선회궤적(Turning Circle)을 평가하는 시험이다. 선회시험의 모든 Parameters를 얻기 위해서는 최소한 540도 이상의 선회궤적이 필요하며 이로써 얻어지는 주요 정보는 선회직경(Tactical diameter), 전진거리(advance), 횡이동거리(Transfer), 정상선회시 속력감소(loss of speed on steady turn), 선수각(Heading angle, Ψ)이 90° 회전시까지 소요 시간(Time to change heading 90 degrees), 180° 회전시 까지 소요시간(Time to change geading 180 degrees) 5가지 이다. 이 중에서 선회직경, 전진거리, 횡이동거리는 선박의 선회성능을 평가하는 주요한 요소로 활용되어 진다.

    이때 IMO(resolution MSC. 137[76])에서는 상선에 대한 선회 성능(Turning capability)으로 전진거리 및 선회경이 각각 선체 길이의 4.5배, 5.0배 이하가 되도록 제시하였다. 하지만 해당 기준은 길이 100m 이상의 선박 또는 모든 위험 화물을 수송하는 화학물질 탱커와 LNG 선박에 적용되는 기준으로 소형 어선에 적용하기에는 한계가 있다. 하지만 일반적으로 그 값이 작을수록 선회성능이 좋다고 판단하고 있다.

    한편 Kim et al.(2022)의 국내어선 타면적비 설계현황 분석 연구에서 살펴본 바와 같이 일본의 경우 일본 자국 어선법(법률 제 778호) 제 22조 제 3항의 어선 검사 규칙 제 6조(성능) 에는 일본어선의 조종성에 관한 평가 규칙을 규정하고 있다. Table 1에서 볼수 있는 바와 같이 특히 선회력 시험의 경우 IMO 기준과 일본 선회력 시험 기준을 비교하면 IMO에서 선체 길이의 5배 이내로 제한한 반면 일본 어선 검사 규칙은 업종과 길이에 따라 다르지만 대부분 국제기준보다 엄격하게 관리하고 있다.

    반면에 우리나라의 경우 법령상 어선의 조종성에 관한 규칙은 존재하지 않고, 한국해양안전교통공단의 어선 검사 지침상 선체 길이가 24m 이상의 어선만 속력시험, 조타시험, 후진력시험, 투양묘시험, 기관시험을 실시하도록 하고 있다.(특히 24m 미만의 어선은 필요한 경우가 아니라면 별도의 시험을 실시하지 않으며, 조타시험 및 후진시험은 성능 평가가 아닌 작동상태 확인 수준의 검사를 시행하고 있다 (KOMSA, 2017).

    본 연구에서는 상용 CFD 프로그램인 STAR-CCM+(ver. 19.02)를 활용하여 4.99톤급 소형어선을 대상으로 조종시험 시뮬레이션을 구축하고 항해 시운전을 통해 해당 시뮬레이 션을 검증 하였으며 KOMSA에서 배포한 복원성 평가프로그램(K-SHIP)을 활용하여 대상선의 표준 재화상태에 대한 중량 및 무게중심 데이터를 구하고, 재화상태별 선회성능의 차이에 대해서 검토하였다. 먼저 선회성능 평가에 적절한 만재 재화상태를 결정 하였으며 최종적으로 해당 만재 만재 재화 기준에서 항해속력 별 선회 시험을 수행하여 국제해 사기구와 일본의 조종성능 평가 규칙에 따라 조종성능 평가를 수행하였다.

    3. 대상선의 주요제원 및 재화상태

    3.1 대상선의 형상 및 주요제원

    대상선은 우리나라 소형 어선 중 가장 많은 비율을 차지하는 4.99톤급 소형 어선이다. 실제로 건조된 어선에 대해 검증을 수행하기 위해 조선소에 협조를 받아 해당 어선의 일반 배치도를 확보하였고, 해당 선박에 대해 3D 모델링을 통해 선형을 복원했다. 대상선의 사진, 일반 배치도는 Fig. 2, Fig. 3과 같으며, 대상선의 주요 제원은 Table 2과 같다.

    3.2 대상선의 러더 및 프로펠러

    3.2.1 대상선의 러더

    대상선의 러더는 일반적으로 소형어선에서 많이 사용되는 Plate rudder 형태로, 도면에 표시된 크기를 참고해 제작하였다. 대상 러더의 시스템은 수동 조타 시스템(DPS300S) 으로, 조타 시스템의 제원을 참고하여 최대 선회 각도가 좌 우현 37도까지 선회가 가능하고, 전타 회전수는 좌현 최대 타각(-37deg)에서 우현 최대 타각(+37deg)까지 6.4바퀴로 타 회전속도는 11.563deg/s로 설정하였다.

    Table 3은 설계한 대상선의 러더형상과 주요 제원이며 러더의 평균길이(Chord_mean) 0.478m, 높이(Span) 0.725m, 종횡비(Aspect ratio) 1.517, 러더 면적 0.360m2 로 제작되었다.

    3.2.2 대상선의 프로펠러 및 단독특성

    시뮬레이션에서 대상어선의 프로펠러는 Star-ccm+의 가상 디스크 프로펠러(Virtual disk)를 활용하였다.

    어선의 프로펠러 개방 수역 단독특성에 대한 데이터는 Hwang-bo(2024)의 연구에서 사용된 4.99톤급 연안 복합 어선의 프로펠러를 사용하였으며, 해당 프로펠러는 소형어선의 표준형으로 개발된 프로펠러이다.

    성능평가는 Potential flow 기반으로 프로펠러의 성능을 예측하고, CFD 기반의 개방수역 프로펠러 단독테스트를 통해 테이터를 추출하였으며 이를 Potential flow 기반의 예측과 비교하여 검증하였다.

    Table 4은 대상선의 프로펠러 형상 및 주요제원이며 직경 (Diameter) 91 mm, 날개 수(No. of blades) 3개, 피치비(Pitch ratio) 0.835, 블레이드 면적(Area ratio) 0.4344인 프로펠러이다.

    프로펠러 개방수역 단독특성 곡선 및 테이블은 Fig. 4, Table 5와 같다. 여기서 J는 전진비, KT는 추력 계수, KQ는 토크 계수, η₀는 프로펠러 효율을 나타낸다.

    3.3 대상선의 재화상태

    선박의 조종 성능 평가는 주로 상선을 대상으로 수행되며, 상선은 선박의 만재 재화상태를 기준으로 조종 성능을 평가하는 것이 일반적이다. 하지만 어선의 경우 항해 시점에 따라 만재 재화상태가 달라지며, 앞서 언급한 표준 어선형 어선에 관한 기준에서 표준 재화상태를 Table 6과 같이 규정하고 있다.

    표준 재화상태는 조업차 출항하는 상태를 나타내는 만재출항(Full load departure), 조업 종료 후 입항하는 상태를 나타내는 만재입항(Full load arrival), 어장에서 조업 후 출발하는 상태를 의미하는 어장발(Fishing ground departure) 그리고 어창의 20% 또는 40% 포획한 상태를 의미하는 부분만재입항(Partial arrival)으로, 총 4가지를 표준 재화상태로 규정하고 있다.

    Kim et al.(2024)은 4.99톤급 표준어선형 어선의 표준재화상 태 화물을 Table 7와 같이 설명하였으며, 대상선에 대해 각각 만재출항 재화상태에서 16.173톤, 만재입항 재화상태에서 17.973톤, 어장발 재화상태에서 18.273톤, 부분만재입항 재화 상태에서 15.213톤을 나타내었다. 이는 경하상태에 비해 선박의 중량이 크게는 55%, 작게는 29%의 차이를 보인다.

    또한, 재화상태는 단지 중량의 차이뿐만 아니라, 화물의 종류에 따라 적재 위치가 달라지므로 무게중심에도 차이가 생기는데, 무게중심의 경우 만재입항과 어장발은 상대적으로 선수 방향에, 만재출항과 경하상태에서는 선미 방향에 위치하는 경향을 보인다.

    대상선의 선회 성능을 평가하기 위한 재화상태는 경하상태, 만재출항, 만재입항, 어장발, 부분만재입항의 총 5가지 재화상태가 있으며, 선회 성능 평가 시 적절한 만재 재화상태의 선정이 필요하다.

    4. 선회성능 시뮬레이션 및 검증

    4.1 지배방정식

    시뮬레이션은 상용 수치해석 CFD(Computational Fluid Dynamics) 프로그램인 STAR-CCM+(Version 19.02)을 활용하여 수행하였다. 지배 방정식은 연속 방정식(Continuity Equation) 과 RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes Equation) 방정식, 식 (1)과 (2)를 사용하였다.

    ∂ ( ρ u ¯ i ) ∂ x i = 0
    (1)

    ∂ ( ρ u ¯ i ) ∂ t + ∂ ∂ x j ( ρ u ¯ i u ¯ j + ρ u ¯ ' i u ¯ ' j ) = − ∂ p ¯ ∂ x i + ∂ τ ¯ i j ∂ x j
    (2)

    이때, ρ는 유체의 밀도, xi (i = 1, 2, 3)는 직교 좌표계, ui 평균 속도 벡터, ρu′iu′j 는 레이놀즈 응력, p 는 평균 압력 그리고 μ는 동점성계수를 의미하고, τij는 평균 점성 응력 텐서 성분(Mean viscous stress tensor components)를 의미하며, 뉴턴 유체의 경우 식(3)으로 나타낼 수 있다.

    τ i j ¯ = μ ( ∂ u ¯ i ∂ x j + ∂ u ¯ j ∂ x i )
    (3)

    유동 문제를 수치적으로 계산하기 위해 계산 영역을 유한한 개수의 인접 제어 부피로 나누는 유한 체적법(FVM)이 사용되었다.

    4.2 수치해석 조건

    수치해석의 난류 모델은 Realizable K-ε model을 사용하였 으며, 어선의 선체 표면의 격자는 STAR-CCM+ 프로그램 내 부의 Trimmed Cell Mesh와 Prism Layer Mesh 기법을 사용하였다. 벽 경계층은 y+ 벽 처리법 (y+ wall funtion method)을 사용하였으며 선체 근처의 유동을 정확히 예측하기 위해 y+ 값이 30보다 높은 값을 달성하도록 하였다.

    자유 표면을 나타내기 위해 VOF (Volume of Fluid) 모델을 사용하였으며, 자유 표면의 효과를 정확하게 묘사하기 위해 자유 표면 영역 근처의 격자를 보다 조밀하게 구성하였다. 시간과 공간의 이산화를 위해 2차 차분법을 적용하였으며, 전체 격자 수는 약 140만 개다.

    선박의 중량 정보는 DFBI (Dynamic Fluid Body Interaction) 기법을 사용하여 정의하였고, 중첩 격자(Overset mesh) 기법을 사용하여 선박의 운동을 위한 Hull overset과 러더의 움직임을 위한 Rudder overset 격자를 사용하여 선박의 운동을 묘사하였다.

    선박의 프로펠러는 앞서 프로펠러 단독 특성 테이블을 이용하여 Virtual Disk 기법으로 모델링되었으며, 세부 격자의 형태와 격자계 구성은 Fig. 5과 같다.

    시뮬레이션의 경계 조건으로는 유입(Inlet), 측면(Side), 유출(Outlet), 하부(Bottom) 경계면에 Velocity Inlet 조건을, 상부(Top) 경계면에 Pressure Outlet 조건을 설정하였다. 시뮬레이션의 시간 간격(Time step)은 CFL number가 1이하가 되도록 시뮬레이션에 사용된 최소 격자의 크기를 고려하여 0.005s를 사용하였다.

    4.3 선회 시뮬레이션 결과

    시뮬레이션의 선회 성능을 평가하기 위해 선박은 Virtual Disk의 회전 속도를 RPS (Revolutions Per Second) 기법으로 고정시켜 사용하였으며, 시뮬레이션은 선박의 속력과 저항 및 선박의 움직임이 안정적인 수준에 도달한 후부터 선회 운동을 수행하였다. 선회 운동은 좌현 선회에 대해 수행하고 Fig. 6은 선회 운동 시뮬레이션의 모습을 나타낸다.

    좌측 상단의 그래프는 시뮬레이션이 20초간 직진하다가 20초부터 러더가 동작하여 좌현 37도로 회전하여 유지되며, 이에 따라 선수각이 좌현으로 360도까지 회전하는 모습을 보여준다. 좌측 하단에서는 선박이 러더 동작 시점부터 360도 좌현 선회한 항적을 보여준다. 우측에 보이는 그림은 선회 기동에 따른 자유 표면의 형상을 나타내며, 맨 우측에 있는 색상 막대는 자유 표면의 높이를 나타낸다.

    4.4 시뮬레이션 검증(Verification & Validation)

    4.4.1 수치적 불확실성 검증(Verification)

    수치해석의 불확실성을 검증하기 위하여 공간수렴 분석을 수행하였다. 메시 수렴 동작의 경우 Celik et al.(2008)의 연구를 참고하여 GCI(Grid convergence index) 방법을 이용하였으며 검증 변수로는 선회 기동 정의를 참고하여 속도(Speed), 저항(Resistance), 전진거리(Advance), 선회직경(Tactical diameter), 횡이동거리(Transfer)를 검증 변수로 지정하였다.

    수치해석을 위한 격자의 크기를 h1, h2, h3, 그리고 전체 계산 격자 수를 N1, N2, N3 라고 하면 r21, r32는 다음 식(4)와 (5)로 정의된다. 이때 r은 그리드 세분화 계수(Grid refinement factor)를 의미한다. 이때 Celik et al.(2008)의 연구에 따르면 hfine/hcoarse는 1.3이상 사용할 것이 권고된다.

    r 21 = h 2 h 1
    (4)

    r 32 = h 3 h 2
    (5)

    이때 각 격자의 크기는 식(6)과 같이 계산할 수 있으며 이 때 ΔVi 는 i번째 격자의 체적을 의미하며 N은 수치 계산에 사용되는 격자의 수를 의미한다.

    h = [ 1 N ∑ i = 1 N ( Δ V i ) ] ( 1 / 3 ) , j = 1 , 2 , 3
    (6)

    명목 차수(Apparent order) P는 식(7), (8), (9)을 통해 계산되며 이때 ϕ1, ϕ2, ϕ3는 각각 세밀 (Fine), 중간 (Medium), 거친 (Coarse) 격자의 해석 결과를 의미하며 ε21, ε32 는 각각 Fine과 Medium, Medium과 Coarse 조건에서의 수치해석 결과의 차이를 의미한다.

    p = 1 ln ( r 21 ) | ln ( ε 32 / ε 21 ) + q ( p ) |
    (7)

    q ( p ) = ln ( r     21 p − s r     32 p − s )
    (8)

    s = 1     ⋅     s g n ( ε 32 ε 21 )
    (9)

    외삽된 값(Extrapolated Values, ϕ   e x t 21 )은 식(10)을 통해 정의 할 수 있으며 정밀한 격자계의 GCI 값을 추정하기 위한 근사 상대 오차 (Approximated relative error, e   a 21 ) 및 외삽 상대 오차 (Extrapolated relative error, e   e x t 21 )는 각각 식(11)과 (12)을 사용하여 얻을 수 있으며 미세 격자의 수렴 지수(Fine grid convergence index, G C I f i n e 21 )는 식(13)과 같다.

    ϕ   e x t 21 = r     21 p ϕ 1 − ϕ 2 r     21 p − 1
    (10)

    e   a 21 = | ϕ 1 − ϕ 2 ϕ 1 |
    (11)

    e   e x t 21 = | ϕ   e x t 21 − ϕ 1 ϕ   e x t 21 |
    (12)

    G C I   f i n e 21 = 1.25 e   a 21 r   21 p − 1
    (13)

    GCI 기법을 활용한 수치적 불확실성은 전진속도, 저항, 횡 이동거리, 전진거리, 전술선회경에 대해 각각 0.737%, 0.173%, 0.44%, 0.441%, 0.087%로 평가되어 해당 시뮬레이션은 신뢰할 만하다고 판단된다. Table 8은 GCI 시뮬레이션 결과를, Fig. 7은 Fine, Medium, Coarse Mesh 조건에서의 선회 시뮬레이션 결과를 나타낸다

    4.4.2 대상선의 항해 시운전 및 정확도검증(Validation)

    연구에 활용된 어선은 동해안 속초 인근 연안에서 연안 복합 조업을 수행하는 어선이며, 연구의 선회 시험 검증을 위해 해당 어선에 승선하여 조업 종료 후 복귀하는 중에 선회 시험을 수행하였다. Fig. 9는 항해 시운전 항적을 나타낸다.

    시운전 시 기상은 기상청에서 제공하는 동해 57번 부이의 기상 정보로 최대 파고 0.3m, 유의 파고 0.2m, 파향 174도, 풍속 2.8m/s, 수온 19.3도, 간조 02:27, 만조 11:02이다.

    항해 시운전은 조업을 마치고 복귀하는 길에 좌현과 우현으로 각각 2회씩 수행하였으며, Fig. 8의 좌측 사진은 조업 전에 어선의 적재물을 나타내는 사진이고, 우측 사진은 조업 종료 후 복귀하는 중에 시운전 시 적재된 적재물의 모습을 나타낸다. Table 9은 선박의 시운전 당시 적재물의 종류와 무게를 나타낸 것이다. 이때 어선의 중량은 당시에 측정되지 못하여 일부 오차가 있을 것으로 예상된다.

    Fig. 10은 항해 시운전 중 선회 시험의 항적 데이터를 나타낸 것으로, 항적 데이터는 정확도를 고려해 DGPS (Differential Global Positioning System)를 활용하여 항적 및 속력을 측정하였다. 한편, 시운전 당시 평상 항해 속력인 10kts 를 유지하며 시운전을 진행하고자 했으나, 기상 등 외부 조건으로 인해 속력 유지에 어려움이 있었다. 그래서 좌현과 우현으로 총 2번의 선회 시험 중 선회 시작 전 속력이 안정화되어 10kts로 유지된 항적을 도시하였다.

    선회 시험에서 최대 횡이동거리 (Maximum transfer) 를 기준으로 좌현 2.934 LPP, 우현 2.9 LPP를 보였다. 좌현 선회를 기준으로 시뮬레이션의 검증에 활용하였다.

    CFD 시뮬레이션과 항해 시운전의 선회 시험 결과는 Fig. 11과 같다. 최대 선회경을 기준으로 CFD는 3.09 Lpp, 항해 시 운전은 2.934 Lpp로, 오차율은 약 5%이다. 따라서 CFD 시뮬 레이션은 정확도 측면에서 신뢰할만 하다고 판단하였으며 오차의 원인은 설계오차와 시운전 시 파고와 기상 조건 등 외부 요인에 의한 것으로 예상된다.

    5. 대상선의 선회 성능 평가

    5.1 선회 시뮬레이션을 통한 만재 재화 기준의 선정

    5.1.1 동일한 프로펠러 회전수(rps)에서의 선회성능

    먼저 만재 재화상태를 기준으로 선회 시뮬레이션을 수행하였으며, 방법은 앞선 시뮬레이션과 동일하게 시뮬레이션 시작 시부터 선박의 움직임과 저항, 그리고 속력이 안정화 되는 시간까지 전진한 후 선회 시험을 수행하였다.

    재화상태의 중량에 따라 변화하는 선박의 흘수는 VOF 조건에서 해수면의 높이를 통해 구현하였으며, DFBI (Dynamic Fluid Body Interaction) 조건에서 선박의 초기 중량과 무게중 심을 변경하면서 시뮬레이션을 진행하였다.

    Fig. 12은 만재출항 재화상태를 기준으로 선회 시작 전 자유 수면의 웨이크(Wake) 형상으로, 모든 재화상태에서 웨이크 형상을 잘 나타내 주었다.

    재화상태는 각각 Case 0 : 항해 시운전 재화상태, Case 1 : 경하상태, Case 2 : 만재출항 재화상태, Case 3 : 만재입항 재화상태, Case 4 : 어장발 재화상태, Case 5 : 부분만재입항 재화상태를 나타내며, 선회 시험 결과는 Fig. 13과 같다.

    Table 10은 시뮬레이션 결과를 정리한 표이다. 먼저 시뮬레이션 조건은 항해 시운전 재화상태 (Case 0)에서와 동일한 RPS를 유지한 경우이다. 이해를 돕기 위해 속력은 Full scale 비율로 조정하여 설명하였다. 속력은 경하상태 (Case 1)에서 13.944 kts로 가장 높은 속력을 나타내었고, 만재 입항 재화 상태 (Case 4)에서 9.877 kts로 가장 낮은 속력을 나타내었다.

    저항은 속력과 반대로, 경하상태 (Case 1)에서 8.557 N으로 가장 낮았고, 만재 출항 재화상태 (Case 2)에서 9.564 N으로 비교적 낮게 나타났으며, 만재 입항 재화상태 (Case 3)에서 18.164 N으로 가장 크게 나타났다.

    선회 성능의 평가에 활용되는 전진거리, 횡이동거리, 그리고 전술선회경에서는 만재입항과 어장발 재화상태에서 우수한 성능을 보였으며, 만재출항 재화상태에서 상대적으로 불리한 성능을 확인할 수 있었다. 경하상태에서는 다른 재화상태와 비교할 때 높은 속력으로 인해 선회성능에 불리한 결과를 보였다.

    시뮬레이션 결과로 볼 때, 선박의 선회 성능은 전술 선회경을 기준으로 평가하면 중량이 가장 높을수록 우수한 선회 성능을 보이며, 어장발 재화상태에서 가장 우수한 선회 성능을 확인할 수 있었다. 전진거리 및 횡이동거리를 기준으로는 저항이 가장 큰 만재입항 재화상태에서 가장 우수한 선회 성능을 확인할 수 있었고, 만재출항 재화상태에서 가장 보수적인 결과를 보였다.

    5.1.2 동일한 항해속력(10kts)에서의 선회성능

    동일한 속력(10kts)에서의 선회 성능에 대해 알아보았다. 방법은 동일하게 시뮬레이션 시작 시부터 선박의 움직임과 저항, 그리고 속력이 안정화되는 시간까지 전진한 후 선회 시험을 수행하였다.

    Fig. 14은 선회 시험 결과를 나타내며, Table 11은 저항 및 속력, 전진거리, 횡이동거리, 전술선회경 결과를 정리한 표이다. 실선 기준으로 속력 10kts를 유지하기 위해 프로펠러의 회전수를 조절해 주었다. 이때 프로펠러의 회전수는 선박의 중량을 기준으로, 중량이 높은 어장발 재화상태에서 가장 크고, 경하상태에서 가장 낮은 결과를 보였다.

    저항은 경하상태(Case 1) 6.624N으로 가장 작고 만재출항 (Case 2) 재화상태에서 9.646 N으로 나타났으며, 만재입항 (Case 3) 재화상태에서 18.264 N으로 가장 크게 나타났다. 이는 저항이 어선의 중량에 따라 단순히 증가하지 않으며, 중량이 상대적으로 작고 무게중심이 가장 선수 쪽에 위치하는 만재입항 재화상태가 어장발 재화상태보다 더 큰 저항을 보인 것을 의미한다.

    선회 성능은 전술선회경을 기준으로 경하상태에서 가장 우수한 선회성능을 보였으나, 경하상태는 Case 0의 항해 시 운전 재화상태와 큰 오차를 보였다.

    한편, 어선의 선회 성능은 모든 표준재화상태에서 유사한 경향을 확인할 수 있었다. 구체적으로는 항해 시운전 재화 상태의 결과와 비교할 때, 모든 표준재화상태에서 전술선회 경을 기준으로 최대 0.4%, 전진거리를 기준으로 최대 2%, 횡 이동거리를 기준으로 최대 0.8%의 차이를 보이며 대체로 유사한 선회성능을 나타냈다. 이는 모든 표준재화상태가 해당 선박의 조종 성능을 대체로 잘 나타내고 있음을 보여준다.

    한편, 어선의 선회 성능을 평가하기 위한 기준으로는 모든 재화상태에서 유사한 선회 성능을 나타내지만, 어선의 표준재화 상태 중에서 만재출항 재화상태는 어획물의 적재에 따른 영향을 배제하여 선회성능을 표준화된 조건에서 일관되게 평가할 수 있는 재화상태이며 다른 재화상태와 비교 할 때 상대적으로 높은 전진거리로 인해 운항 초기의 안전 성과 기동성을 보수적으로 평가할 수 있는 재화상태로 판단된다. 따라서 선회성능 판단을 위한 재화 기준으로 ‘만재출항 재화상태’를 선정하였다.

    5.2 만재출항 재화상태에서 선속별 선회성능

    어선의 선회 성능을 평가하기 위한 재화 상태별 선회성능 비교 결과 ‘만재출항’ 재화상태에서 어선의 선회성능을 보수적이고 일관되게 평가 할 수 있는 재화상태임을 확인하였 다.

    다음으로 만재출항 재화상태에서 선박의 설계 속력에 따른 선회 성능을 평가하였다. 설계 속력을 10 kts, 12 kts, 14 kts, 16 kts의 4가지 경우로 나누어 선회 성능을 평가하였다.

    Fig. 15은 시뮬레이션의 웨이크(Wave) 형상을 나타내고, Fig. 16은 선회 시험 결과이며, Table 12은 시뮬레이션 결과를 정리한 표이다. 시뮬레이션 결과 선회 성능은 항해 속력을 증가시킬수록 상대적으로 불리한 결과를 보였다. IMO 선회 성능에 대한 기준과 일본의 선회 성능 검사 규칙에 따라 살펴보면, Fig. 17에서 확인할 수 있는 것처럼 해당 대상선은 설계 속력 10, 12, 14, 16 kts 조건에서 모두 IMO 조종 성능 기준을 만족하지만, 일본의 검사 규칙상 연안복합어선에 해당하는 기준(others)에는 항해 속력 14 kts 이상일 경우 조종 성능을 만족하지 못한다는 것을 확인할 수 있다.

    6. 결 론

    4.99톤급 표준 어선형 소형 어선의 선회 성능에 대해 RANS 기반의 CFD 시뮬레이션을 구성하고, 실제 해당 어선의 항해 시운전을 통해 그 시뮬레이션을 검증하였으며, 소형 어선에 대한 표준재화상태의 조종 성능을 평가하여 어선의 조종 성능을 검증하기 위한 재화상태를 선정하고, 속력 별 조종 성능 시뮬레이션을 수행하였으며 그 결과는 아래와 같다.

    첫째, 어선의 조종 성능을 평가하기 위해 RANS 기반의 CFD 시뮬레이션을 구성하였으며, 기존에 상선 기반의 경험식 또는 MMG 조종 운동 수학 모델을 사용하지 않고, CFD 시뮬레이션을 구성하여 어선의 조종 성능을 평가하는 방법의 유효성을 확인하였다.

    둘째, 어선의 표준재화상태에 대한 선회 시험을 통해 각 재화상태별 조종 성능의 차이를 확인하였다. RPS를 동일하게 유지한 경우와 속력을 동일하게 유지한 경우 대체로 어 장발 재화상태에서 가장 우수한 조종성능을 확인하였다. 하지만 동일한 속력을 유지하고 선회시험을 한 경우에서 모든 표준재화상태에서 유사한 선회성능을 확인할 수 있었으며, 이 중에서 만재출항 재화상태는 조종 성능을 평가할 때 가장 보수적인 재화상태로 확인하였다.

    셋째, 만재출항 재화상태를 기준으로 어선의 조종 성능을 평가하였을 때 선회 성능은 어선의 속력에 큰 영향을 받으며, 속력을 10 kts, 12 kts, 14 kts, 16 kts로 가정하여 시뮬레이 션했을 경우, 해당 어선은 모든 속력에서 IMO에서 제시하는 조종 성능을 만족하지만, 일본의 어선 조종 성능 평가 기준에 의거하면 14 kts부터는 요구기준을 만족하지 못하는 것으로 확인하였다.

    소형 어선에 대한 선회 성능 평가는 해양에서 지속적으로 발생하는 어선에 의한 해양 사고를 방지하기 위해 필요한 요소 중 하나이다. 이때 어선의 선회 성능을 평가하기 위해서는 표준재화상태 중 ‘만재 출항’ 재화상태를 이용하여 조종 성능을 평가하는 것이 해당 어선의 선회 성능에 대한 보수적인 평가 방식이며, 만재출항 재화상태는 해당 어선의 조종 성능을 잘 대변해 주는 것으로 확인하였다.

    또한 어선의 조종 성능은 항해 속력에 큰 영향을 받으므로, 요구되는 선회 성능에 대한 이해를 바탕으로 해당 어선의 운항 속력을 결정하는 것이 우수한 선회 성능을 보장할 수 있는 방법으로 판단된다.

    소형 어선에 대한 해양 사고를 예방하기 위해 향후 연구로는 현재 연구를 기반으로 소형 어선의 파랑 중 선회 성능에 대한 연구와 조종 성능 중 침로 안전성을 비롯한 다양한 성능에 관한 연구를 수행한다면 해양 사고를 예방하고 어선에 대한 성능을 올바르게 평가하는 데 도움이 될 것이라고 생각된다.

    후 기

    이 논문은 해양수산과학기술진흥원의 지원을 받아 수행된 연구입니다.(RS-2022-KS221571)

    Figure

    KOSOMES-31-1-96_F1.gif

    Definitions of Turning Test, ITTC (2002).

    KOSOMES-31-1-96_F2.gif

    Picture of the 4.99-ton Class Coastal Fishing Vessel.

    KOSOMES-31-1-96_F3.gif

    GA of the 4.99 ton class coastal fishing vessel.

    KOSOMES-31-1-96_F4.gif

    Propeller open water test results using CFD.

    KOSOMES-31-1-96_F5.gif

    CFD Simulation Domain.

    KOSOMES-31-1-96_F6.gif

    Turning Simulation of Fishing Vessel in CFD.

    KOSOMES-31-1-96_F7.gif

    Turning Results of GCI Simulation Test.

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    Loading Condition of 4.99-ton Class Fishing Vessel (Left: Before Fishing Operation, Right: After Fishing Operation).

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    Turning test trajectory (’24. 6.13. 02:30 ~ 05:30).

    KOSOMES-31-1-96_F10.gif

    Trajectory of Turning Test (Sea trial).

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    Turning Test and CFD Simulation Results.

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    Wave Pattern of CFD Simulation Case 0.

    KOSOMES-31-1-96_F13.gif

    Turning Test Results of CFD Simulation Case 0 to 5.

    KOSOMES-31-1-96_F14.gif

    Turning Test Results of CFD Simulation Case 0 to 5.

    KOSOMES-31-1-96_F15.gif

    Wave Pattern of CFD Simulation Speed at 10, 12, 14, and 16 kts.

    KOSOMES-31-1-96_F16.gif

    Turning Test Results of CFD Simulation Speed at 10 to 16 kts.

    KOSOMES-31-1-96_F17.gif

    Comparison of Results Based on IMO and Japanese Maneuvering Performance Criteria.

    Table

    Japanese turning ability test standard (Kim et al., 2022;Japan rules, 1950)

    NOTE, In the case of fishing boats corresponding to multiple types of fishing boats, the number on the right side of the type of fishing boat recognized as related to the main fishing activity shall be followed.

    The 4.99ton fishing vessel ship specifications

    Rudder specifications of a 4.99 fishing vessel

    Propeller specifications of a 4.99 fishing vessel

    Propeller open water test results using CFD

    Loading Standards According to Standard Goods Status Classification

    Details of Cargo by Loading Conditions

    GCI simulation results

    Estimated Loading Conditions of Sea Trial Test

    CFD Simulation Results for Each Case 0 to 5

    CFD Simulation Results for Each Case 0 to 5

    CFD Simulation Results for Each Speed

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