1. 서 론
해양교통안전정보시스템(MTIS, 2023)에서 조사한 2023년도 선박 관련 해양사고의 통계자료에 따르면 전체 해양사고 3,417척 중 어선은 2,261척으로 66%를 차지하고, 10톤 미만의 소형 선박에 관한 사고는 2,355척으로 69%를 차지한다. 선박 사고의 종류를 조사하였을 때 낮은 조종성능으로 인한 충돌, 접촉, 좌초 사고는 510건에 달한다. 어선은 다른 어선들과 근접 운항하는 경우가 많아, 선회 반경이 작고 빠른 방향 전환이 가능해야 한다. 어선은 또한 기상 변화에 따라 파도와 조류의 영향을 크게 받으며, 순간적인 조종이 필요한 경우가 많다. 이에 어선의 초기설계 시 충분한 조종성능 평가가 필요하다.
운항 중인 선박의 안전을 확보하기 위해 국제해사기구 (International Maritime Organization, IMO)는 2002년에 조종성능과 관련된 기준(선회성능, 변침성능, 침로 안정성)을 제정하였다. 이후 2004년부터 길이 100m 이상의 모든 선박 은 IMO의 조종성능 기준을 충족해야 한다(IMO, Resolution MSC.137[76]). 그러나 10톤 미만의 소형 선박에 대해서는 해당 기준이 적용되지 않고 있다.
소형 어선의 조종성능에 관한 선행연구들을 찾아보면, Lee et al.(2018), Kim and Lee(2021)에 의해 대형 트롤 어선을 경험식을 통해 운항 시뮬레이션을 구현하여 조종성능을 추정하였으며, Kim(2022)은 국내 조업 중인 153척의 어선 타면적 비율을 조사하여 대다수의 어선이 국제적 기준에 미달하여 타면적을 설계하고 있음을 통계적으로 확인하였고, 국내 어선의 조종성능 향상을 위한 타면적 설계 기준마련을 위한 기초 자료를 제시하였다. Kim et al.(2023)에 의하여 9.77톤급 소형 어선을 대상으로 구속모형시험을 수행기반 유체력 미 계수를 추정하여 시뮬레이션을 통하여 대상 어선의 조종성능을 검토한 바 있다. Lee et al.(2024)는 CFD를 활용하여 4.99 톤급 재화 중량에 따른 소형 어선의 조종성능 변화를 연구하여 소형 어선 조종성능 평가의 기초자료를 제시하였다. 상선의 경우 CFD를 활용한 조종성능 평가에 관한 연구는 다양하게 진행되었다. Kim et al.(2021)은 컨테이너선의 CFD 기반 조종 시뮬레이션을 구현하여 파랑 중 선박의 기동성을 추정하기 위한 수치해석 접근법을 제시하였다. 또한, Song et al.(2024)은 CFD를 활용하여 자유항주 시뮬레이션을 구현하여 컨테이너선의 GM 변화와 선박의 조종성능 간의 상관관계를 도출하였다.
이에 본 연구는 선박의 조종성능 평가 기법에 관해 설명하고, RANS 기반 CFD 시뮬레이션 툴인 STAR-CCM+를 활용하여 선박의 조종운동 시뮬레이션을 구축하였다. 구축한 시뮬레이션을 바탕으로 어선의 주요 제원의 변화에 따른 대상 선의 변침성능 및 침로 안정성을 평가하였으며 그에 따른 조종성능의 경향성을 파악하였다. 이를 토대로 어선의 초기 설계 단계에서 조종성능을 고려한 주요 제원의 선정 가능성에 대하여 고찰하는 것을 연구목적으로 하였다.
2. 선박 조종성능 평가
2.1 선회성능 평가
선박의 선회성능은 직진하는 선박에 최대 타각을 발령하여 최소 540° 이상의 선회를 수행하여 선회전진거리(advance), 선회가로이동거리(transfer), 선회직경(tactical diameter) 및 정상 선회직경(steady turning circle) 등 네 가지 지표를 계측하여 평가한다. Fig. 1에서 볼 수 있듯이 선회전진거리는 선박의 선수 각이 90°되었을 때 시작점으로부터 선박의 중심까지의 전진거리이다. 선회가로이동거리와 선회직경은 선박의 선수 각이 각각 90°와 180°되었을 때 초기 진로로부터 선박 중심까지의 횡 방향 이동 거리이다. 계측된 지표의 값이 작을수록 선회성능이 좋다고 판단한다.
2.2 변침성능 평가
변침성이란 방향타를 작동했을 때 그에 대한 반응이 얼마나 신속하게 발생하여 새로운 항로로 방향을 바꾸는가 하는 능력으로 보통 지그재그 조종시험(zig-zag maneuver)을 행하여 1차와 2차 과도선수각(overshoot angle)의 크기로 판단한다. 지그재그 조종시험은 일정한 속도로 직진 중인 선박의 타각을 대체로 10°또는 20°을 발령하여 방향타의 작동과 함께 선박은 선회하기 시작하며 선박의 선수 각이 방향타 각도와 같아질 때까지를 기다린다. 선박의 선수 각과 방향타 각도가 같아지면 방향타를 반대편 현으로 최대한 빠른 속도로 작동한 후 선박의 선수각이 방향타 각도와 같아질 때까지 유지한다. 이러한 과정을 반복하여 시험을 완료한다. 지그재그 조종시험의 결과는 선박조종에 있어서 방향타의 효과뿐만 아니라 선박의 직진 안정성과도 밀접한 관계가 있다.
Fig. 2는 일반적인 선박의 10°/10°지그재그 조종시험의 결과이다. 시험 결과를 평가하는 가장 주요한 지표는 1차와 2차 과도선수각으로 그 값들이 작을수록 선박의 변침성능 및 직진성능이 좋다는 뜻이다.
2.3 조종성능 평가에 대한 IMO 규정
2002년 IMO에서는 선박의 조종성능 기준을 제정하였다. 100m 이상의 모든 선박에 대해서 10°/10° Zig-Zag Test와 20°/20°Zig-Zag Test의 1st Overshoot angle과 2nd Overshoot angle, Turning Test의 Advance length와 Tactical diameter에 대한 기준은 Table 1과 같다. 소형 어선에 대한 조종성능 기준이 확립되지 않은 실정이기에 본 연구의 유효성을 검증하기 위하여 IMO 조종성능 기준을 활용하여 조종성능을 평가하였다.
3. 어선 조종성능 시뮬레이션 및 검증
3.1 대상 선형
본 연구에서 선정된 대상선은 4.99톤급 연안복합/자망어선이다. 해당 어선은 개정된 어선법에 따른 톤수를 가지도록 설계되었고 설계 도면은 Fig. 3에 나타내었다. 사용된 3D-model은 설계사로부터 협조를 받아 입수하였고 Fig. 4에 나타내었다. 축척비는 1:11을 가지며 주요 제원은 Table 2에 나타내었다.
3.2 조종 시뮬레이션 모델링
본 연구에서 소형 어선의 조종성능을 평가하기 위해 RANS(Reynolds Average Navier-Stokes) 기반 수치해석 프로그램인 STAR-CCM+(19.04.007-R8)을 활용하여 조종 시뮬레이션을 수행하였다. Fig. 5는 CFD 조종 시뮬레이션에 대하여 수행된 방법론을 나타내었다. 이 방법론은 크게 세 가지 단계에 걸쳐서 진행되었다. 첫 번째 단계에서는 Dynamic Overset Grid 기법을 사용하여 선체와 타의 움직임이 계산영역과 분리되도록 하였다. 방향타에 적용된 Overset Grid는 선박 조종을 위하여 좌현과 우현으로 타의 움직임을 제어할 수 있다. Body Force Method는 회전하는 프로펠러의 효과를 나타내기 위하여 사용하였고, Table 3에 프로펠러 모델에 대한 파라미터를 나타내었다. 또한, 반류의 비대칭성이 적은 대상선의 선형 특성을 고려하여 Goldstein 최적 분포를 사용하여, 프로펠러 하중이 반경 방향에 따른 하중 분포만 적용되도록 하였다. 프로펠러의 회전수를 PI 제어를 통해 선박의 설계 선속에 상응하는 회전수에 도달하도록 제어기를 설정하였다.
여기서, n은 프로펠러의 회전수이며, n0는 초기 회전수이다. 과 은 비례와 적분 gain이며 espeed는 식(2)와 같이 정의하였다.
Vtarget은 목표 선속인 3.02 knot이며, Vship은 선박의 속도를 나타낸다. 두 번째 단계에서는 선박의 조종 시험을 수행하기 전 목표 선속인 3.02 knot에 도달하도록 하였다. 선박의 목표 선속에 도달하면 프로펠러의 회전수를 고정한 다음 조종 시뮬레이션을 진행하였다. 조종 시뮬레이션은 10°/10°, 20°/20° Zig-Zag test와 37°turning test를 수행하였다.
3.3 격자계 구성 조건 및 경계 조건
본 연구에서 적용된 격자계 구성조건은 Fig. 6과 같으며 수치해석에 사용된 Overset Grid와 경계 조건은 Fig. 7, Fig. 8 에 나타내었다. Trimmed cell mesher를 사용하여 공간 격자와 선체의 격자를 생성하였고, 선체 표면에 Prism layer 격자를 생성하였다. 총 격자 수는 1,396,441개이며, 선체와 자유수면 주위에 격자를 더 많이 배치하였다(Kim, 2017).
3.4 조종 시뮬레이션 검증
3.4.1 시뮬레이션 불확실성 추정
본 연구에서는 조종 시뮬레이션의 공간 및 시간 불확실성을 검증하기 위해 GCI(Grid Convergence Index)기법이 사용되었다(Celik et al., 2008). 검증을 위한 연구는 대상선의 10°/ 10°Zig-Zag test에 대해서 수행되었다.
대상선의 1st Overshoot angle을 불확실성 계산의 변수로 선정하였고, 그 결과를 Table 4, Table 5에 나타내었다.
3.4.2 시뮬레이션 유효성 검증
본 연구에서 구현된 조종 시뮬레이션의 검증을 위하여 37° 좌 선회 시뮬레이션을 대상선의 도면을 토대로 제작된 강원1호의 해상 시운전과 비교하였고, 해상 시운전과 달리 시뮬레이션은 정수 중에서 진행되었다. 해상 시운전에 사용된 강원1호는 Fig. 9에 나타내었다.
Fig. 10에 해상 시운전과 CFD 시뮬레이션의 37° 좌 선회 궤적을 나타내었다. CFD 좌 선회 시뮬레이션 결과는 Table 6 에 나타내었고 Fig. 10과 Table 7에서 알 수 있듯이 Max transfer가 과잉 예측을 나타내도록 약간의 이동된 궤적을 보였다. 해상 시운전 시 기상조건으로 인한 선회경 감소가 일부 오차의 원인으로 판단되며, 해상 시운전 시 제공받은 계측 데이터인 Max transfer/LBP 값으로 유효성 검증을 진행하였고 Tactical diameter, Transfer, 그리고 advance의 추가적인 검증은 시운전 데이터 값의 부재로 인하여 진행하지 못하였지만, Max transfer/LBP의 값이 2.25%의 작은 오차율을 보이므로 해당 시뮬레이션의 유효성을 마쳤다.
4. 주요제원에 따른 어선 조종성능 평가
4.1 주요 제원에 따른 모델 선정
시뮬레이션 검증을 위해 사용된 4.99톤급 어선과 주요 제원이 유사한 구상선수 선형 9종을 선정하였고 Table 8에 주요 제원을 나타내었다. 선정된 선형 9종을 주요 제원 비에 따라 분류하여 Table 9에 나타내었다. Fig. 11에서 볼 수 있듯이 상대적으로 폭이 넓은 비대형 선형 5종, 상대적으로 길이가 긴 세장형 선형 4종인 두 그룹으로 분류되었으며 상대적으로 비대한 선형 5종의 선회성능이 우수할 것이라 예상되며, 반대로 상대적으로 세장형인 선형 4종의 변침성능이 우수할 것으로 예상하였다.
4.2 조종성능 평가
4.2.1 선회성능 평가
주요 제원에 따라 선정된 9개의 선형들의 조종성능 시뮬레이션을 수행하기 위해서는 선정된 선형을 가지는 어선에 대한 시운전이 선행되어야 하나, 대상 선형이 초기 설계 단계에서 결정 되어진 것으로 시제선 건조 및 이를 이용한 선회시험 및 지그재그 시험 등의 조종 성능 평가 시험을 수행하는 것은 매우 어렵습니다. 따라서 본 연구에서는 3장에서 수행한 대상선의 조종성능 시뮬레이션 및 검증의 결과를 만족하는 수준의 시뮬레이션 모델을 활용하여 9개의 선형들에 대한 조종성능 시뮬레이션을 수행하였습니다.
먼저, 주요 제원에 따른 대상 선형들이 선회성능을 평가하기 위하여 37°Portside Turning simulation을 수행하였다. Fig. 12와 Table 10에서 볼 수 있듯이 상대적으로 폭이 넓은 비대형 선형 5종이 상대적으로 길이가 긴 세장형 선형 4종 보다 작은 Advance, Transfer와 Tactical diameter를 가지는 것을 확인하였다. 이는 선박의 폭이 넓고 길이가 짧을수록 선회 성능이 상대적으로 우수하다는 것을 확인할 수 있다. 모든 선형의 Advance length와 Tactical diameter는 Table 1에 해당하는 IMO 기준을 만족하였다.
상대적으로 비대한 선형 5종의 Tactical diameter의 범위는 3.27~3.30LPP를 가졌으며 상대적으로 세장형인 선형 4종의 Tactical diameter의 범위는 3.37~3.4LPP를 가지는 것을 볼 수 있다. 특히 B/D가 가장 큰 7번 선형과 L/B가 가장 큰 8번 선형을 비교하였을 때 둘 간의 Turning Circle의 차이는 Fig. 13 에서 확인할 수 있으며 Tactical diameter의 차이는 3.24%의 차이를 보였다.
4.2.2 변침성능 평가
주요 제원에 따른 대상 선형들의 변침성능을 평가하기 위해 10°/10°Zig-Zag simulation을 수행하였다. Fig. 14에서 대상 선형들의 시뮬레이션 결과를 나타내었고 1st Overshoot angle 과 2nd Overshoot angle을 Table 11에 나타내었다. 특히 B/D가 가장 큰 7번 선형과 L/B가 가장 큰 8번 선형의 1st Overshoot angle을 비교하였을 때 6.32%의 차이를 보였고 Fig. 15에서 볼 수 있듯이 10°/10°Zig-Zag test에서는 상대적으로 세장형인 8번 선형이 상대적으로 비대한 7번 선형보다 비교적 작은 Overshoot angle을 보였다.
10°/10°Zig-Zag simulation에 이어 주요제원에 따른 대상 선형들의 변침성능의 차이를 더 알아보기 위해 20° /20° Zig-Zag simulation을 수행하였다. Fig. 16에서 시뮬레이션 결과를 나타내었으며, 1st Overshoot angle과 2nd Overshoot angle을 Table 12에 나타내었다. 마찬가지로 B/D가 가장 큰 7번 선형과 L/B가 가장 큰 8번 선형의 1st Overshoot angle을 비교하였을 때 5.16%의 차이를 보였다. Fig 17에서 볼 수 있듯이 20° / 20° Zig-Zag test에서도 상대적으로 세장형인 7번 선형의 Overshoot angle이 상대적으로 비대한 8번 선형보다 비교적 작은 값을 가졌지만 변침성능에 큰 차이를 보이진 않았다.
4.3 고찰
4.99톤급 소형 어선의 주요 제원에 따른 조종성능의 평가 결과는 다음과 같다. 선회성능 평가의 경우 L/B가 3.4 미만이고 B/D가 3.8 이상일 경우 Tactical diameter가 3.27~3.3LPP의 범위를 가진다. L/B가 3.4 이상이고 B/D가 3.6 미만의 선형들의 Tactical diameter는 3.29~3.41LPP의 범위를 가진다.
선회성능의 경우, L/B에 따라 선회성능에 큰 차이는 없었으나 선박의 길이가 짧고 폭이 넓어 L/B가 작은 선형들이 상대적으로 우수한 성능을 보였다. 변침성능 평가의 경우 L/B가 3.4 미만이고 B/D가 3.8 이상의 선형들의 1st Overshoot angle이 10°/10°Zig-Zag test 결과 6.07°~6.49°의 범위를 가졌으며 20°/20°Zig-Zag test 결과 17.28°~18.01°의 범위를 가졌다. L/B가 3.4 이상이고 B/D가 3.6 미만의 선형들의 1st Overshoot angle은 10°/10°Zig-Zag test 결과 6.02°~6.23°의 범위를 가졌으며 20°Zig-Zag test 결과 16.95°~17.73°의 범위를 가졌다. 주요 제원의 차이가 변침성능의 결과에는 큰 영향을 미치지는 않은 것을 확인하였다.
5. 결 론
본 연구에서는 4.99톤급 소형 어선의 주요 제원 변화에 따른 조종성능 변화를 연구하였다. CFD 기반 수치해석 프로그램인 STAR-CCM+을 활용하여 자유 항주 시뮬레이션을 구축하여 항해 시운전 선회시험과 비교하여 시뮬레이션을 검증 하였다. 시뮬레이션 검증에 사용된 대상선과 주요 제원이 유사한 선형 9종을 선정하여 10°/10°Zig-Zag test, 20°/20° Zig-Zag test 그리고 37°Portside turning test를 진행하여 조종 성능을 평가하였다.
선회성능 평가에서는 L/B가 작고 B/D 큰 선형 5종의 Tactical diameter의 범위는 3.27~3.3LPP를 가지며 반대로 L/B 가 크고 B/D가 작은 선형 4종의 Tactical diameter의 범위는 3.29~3.41LPP가지므로 선박의 길이가 짧고 폭이 큰 제원을 선정하면 상대적으로 우수한 선회성능을 가질 수 있음을 보였다. 변침성능 평가에서는 L/B가 작고 B/D가 큰 선형 5종의 1st Overshoot angle과 L/B가 크고 B/D가 작은 선형 4종의 1st Overshoot angle보다 비교적 큰 값을 가졌으나 차이가 크지 않아 주요 제원에 따른 변침성능 큰 차이가 없음을 확인하였다.
본 연구에서는 주요 제원 변화와 4.99톤 소형 어선의 조종 성능과의 상관관계를 도출하였으나 주요 제원이 다양한 선형에 대하여 시뮬레이션을 진행하지 못하여 성능 차이가 명확하지 못하였다. 어선 초기설계단계에서 조종성능을 고려한 주요 제원 선정을 위해서는 선박의 제원 변화가 큰 경우에 대한 시운전 및 시뮬레이션을 이용한 조종성능 평가에 관한 연구가 향후 필요할 것으로 판단된다.
