1. 서 론

정부의 ‘신재생 에너지 3020’ 정책에 따라 2030년까지 신 재생에너지 비중을 20%까지 올리기 위해 태양광발전 및 해 상풍력발전에 많은 투자가 이루어지고 있다. 해상풍력은 기 후위기 대응을 위한 청정에너지일 뿐만 아니라 산업의 탈탄 소화 실현을 위한 유력한 수단이기에 많은 주목을 받고 있 으며, 해상풍력 발전의 용량은 지속적으로 증가할 것으로 예상된다(Kang et al., 2024;Jang et al., 2020;Pham et al., 2021). 이에 따라 해상풍력발전 설비 및 하부구조물뿐 아니라 이를 운영하고 지원하기 위한 해상풍력지원선(Service Operation Vessel, SOV)의 기술개발이 요구되고 있다.

SOV는 일반적으로 해상풍력 발전소의 운영 및 유지보수 를 위한 작업자 및 장비 이동을 위해 사용되는 선박이다(Yin et al., 2022). SOV의 설계, 엔지니어링 및 운영을 위해서는 바 람, 파도, 조류 등 다양한 해상 조건에서의 성능이 고려되어 야 한다. 특히 SOV의 경우, 갑판 상부에 작업 인원 및 장비 를 이송하기 위한 갑판교(Gang-way)가 설치되지만, 제한적인 갑판 면적과 갑판교의 운동성능 향상을 위해 갑판교의 위치 가 고정됨에 따라 거주구(Deckhouse)와의 거리가 충분하지 못한 경향이 있다. 이는 풍하중으로 인한 갑판교와 거주구 사이에 상호작용을 증가시키기 때문에, 갑판교와 거주구의 공역학적 상호작용에 대한 평가가 필요하다.

일반 선박의 경우 상부 구조물에 대한 공역학적 성능 평 가에 대한 연구가 다양하게 수행되었다. Haddara and Soares (1999)는 적재 조건에 따른 유조선의 풍하중을 추정하기 위 하여 수치 예측과 실험 결과를 비교하였으며, Wnęk and Soares(2015)은 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD) 해석을 통하여 LNG 운반선 및 부유물에 작용하는 풍 하중을 추정하여 풍동실험 결과와 비교하였다. Janssen et al.(2017)은 풍향각 조건을 변화시키며 컨테이너선의 풍하중 에 대한 CFD 해석을 수행하여 풍동실험 결과와 비교하였다. 또한 4종류의 해석 모델을 구성하여 기하학적 단순화의 영 향을 분석하였다.

이와 같이 일반 선박의 상부 구조물에 대한 공역학적 성 능 평가는 다양하게 수행되었으나, SOV의 상부 구조물인 갑 판교와 거주구의 공역학적 상호작용에 대한 연구는 부족하 다. Zhao et al.(2024)는 O&M(Operations and Maintenance) 시뮬 레이터를 사용하여 다양한 운영 조건을 분석하였으나, SOV 상부 구조물의 공역학적 성능평가에 대한 연구는 수행되지 않았다.

이에 본 연구에서는 전산유체역학을 이용하여 갑판교와 거주구의 공역학적 상호작용을 평가하고자 한다. 풍속, 풍향 및 갑판교와 거주구의 상호 거리를 변화하며, 갑판교 및 거 주구의 하중과 주위 유동장의 변화를 비교한다. 갑판교 및 거주구의 하중은 주요 공역학 계수인 항력과 양력 계수를 이용하여 평가한다. 또한 주위 유동의 변화로 인해서 발생 하는 진동 특성을 확인하기 위해 환경 조건의 변화에 따른 주기의 차이를 확인하고자 한다.

2. 해석 방법

2.1 대상 선박

본 연구의 대상 선박은 SOV이며, 주요 제원과 SOV의 형 상은 Table 1과 Fig. 1에 나타내었다. 갑판교(GW)와 거주구 (DH)의 주요제원과 형상은 Table 2와 Fig. 2에 나타내었다. 상 부 구조물인 갑판교의 경우 복잡한 구조를 가지고 있으나, 해석의 불확실성을 제거하고 전반적인 영향을 확인하기 위 하여 사각형으로 단순화하였다.

2.2 수치해석 기법

갑판교와 거주구의 공역학적 상호작용을 평가하기 위해 상용 프로그램인 STAR-CCM+13.02를 사용하였다. 해석에 사용된 비압축성 유체에 대한 지배방정식은 연속방정식 (continuity equation)과 Reynolds-averaged Navier-Stokes 방정식이 며 직교 좌표에 대한 텐서 표기는 식(1) 및 (2)와 같다.

여기서 u_i는 x_i의 좌표계에 따른 속도 성분이며, p는 압 력의 점성 계수, ρ는 유체의 밀도, t는 시간, μ는 유체의 점 성 계수이다.

선체 주위 자유수면 영향을 고려하지 않기에 중력가속도 는 고려하지 않는다. 속도-압력 상호 연계를 위해서 Semi-implicit method for pressure-linked equation(SIMPLE) 기법 을 적용하였으며, 난류 모델은 k-ω SST(Shear Stress Transport) 를 적용하였다.

2.3 경계 조건 및 격자 시스템

본 계산을 위하여 적용된 계산 영역은 Fig. 3에서 보는 바 와 같이 유동방향이 양(+)의 x축, SOV의 좌현이 양(+)의 y축 이며 중력의 반대방향이 양(+)의 z축으로 하는 직교 우수 좌 표계를 사용하였다. 경계 조건은 입구 경계에서 균일류 조 건을 적용하였고, 출구 경계에서 대류 경계 조건을 적용하 였다. 무한 원방 에서는 대칭 경계 조건을 고려하였으며, 자 유수면이 갑판교 및 거주구와 충분한 거리가 있음에 따라 자유수면 경계에서도 대칭 경계 조건을 적용하였다. SOV 표 면에는 비점착 조건(no-slip)을 적용하였다.

해석에 사용된 SOV, 갑판교와 거주구 표면 격자를 Fig. 4 에 나타내었다. SOV, 갑판교와 거주구 표면의 유동을 정확 히 예측하기 위해 y+는 1로 설정하였다. 갑판교 및 거주구 형상을 따라 8개의 프리즘 층(prism layer)을 구성하였으며, 프리즘 층의 총 두께는 0.008m로 설정하였다.

2.4 격자 의존성 평가

격자 개수에 따른 해석 결과의 차이를 확인하기 위해 격 자 의존성 평가를 수행하였다. 격자 개수를 변경하여 Coarse, Medium 및 Fine 격자 시스템을 고려하였으며, 격자수는 약 100만 개, 200만 개와 300만 개로 각각 선정하였다. 각 격자 시스템의 격자 분포를 Fig. 5에 나타내었다. 해석 조건은 상 호 거리 D1, 풍속 V1 그리고 풍향 WD1으로 통일하였다. 각 격자에 대한 해석 결과는 갑판교 및 거주구의 주요 공역학 계수인 항력계수(C_D), 양력계수(C_L) 및 압력계수(C_P)를 이용 하여 평가하였으며 식(3), (4) 그리고 (5)로 계산하였다.

여기서 F_D, F_L과 A는 항력, 양력 및 갑판교와 거주구의 투영 면적을 나타내고, p는 국부압력 그리고 p∞는 자유류(Static) 압력을 나타낸다.

갑판교 및 거주구의 격자 의존성을 파악하고자 시계열 데 이터를 활용하여 항력의 평균인 C_D,Avg.와 양력의 진폭인 C_L,RMS를 고려하였다. 격자 시스템에 따른 결과를 Fig. 6에 나 타내었다. 격자 시스템의 변화에 따른 C_D,Avg.와 C_L,RMS의 차이 는 약 1% 이내임을 확인하였다. 이에 본 연구에서는 Medium 격자 시스템을 CFD 해석에 사용하였다.

2.5 조건 변화에 따른 해석 케이스

풍속, 풍향 및 거리에 대한 영향을 파악하고자 각 조건의 변화에 따른 해석 케이스를 Table 3에 나타내었다. 갑판교와 거주구의 상호 거리와 풍향 조건은 Fig. 7에 나타내었다. 갑 판교와 거주구의 상호 거리는 3.0m에서 9.0m까지, 풍속의 경 우 10m/s에서 50m/s까지, 풍향의 경우 0°에서 90°까지 선정하 였다. 각 조건을 조합하여 해석을 수행하였으며, 그에 따른 해석 케이스의 조합은 밑줄(“_”)을 이용하여 표기하였다.

3. 결 과

3.1 풍속 변화에 따른 해석 결과

풍속 변화에 따른 해석 결과를 검토하였다. 갑판교와 거 주구의 상호관계가 가장 큰 조건에 대한 비교를 위해 상호 거리는 D1 조건으로, 풍향은 WD1 방향으로 선정하였다.

시계열 데이터를 바탕으로 항력의 평균, 양력의 변동폭과 양력 변동 주기 값을 Fig. 8에 나타내었다. 갑판교의 C_D,Avg.는 풍속 변화에 따라서 전반적으로 비슷한 경향을 보이며, C_L,RMS의 경우 V3 조건보다 높은 풍속에서 약간 증가하나, 이 후 큰 차이 없이 비슷한 경향을 보인다(Fig. 8(a)).

거주구의 경우, V3 조건보다 높은 풍속에서 C_D,Avg.와 C_L,RMS가 증가한다(Fig. 8(b)). 갑판교의 항력과 양력의 최대 변화량은 각각 약 1.5%, 2.1%로 나타나며, 거주구의 항력과 양력의 최대 변화량은 각각 약 6.8%, 30.8%로 거주구의 하중 변화가 갑판교에 비해 더 큰 것을 확인할 수 있다. 이는 유 속 변화로 인한 갑판교 후류의 변화가 거주구에 영향을 미 치는 것으로 추정할 수 있다. 거주구의 C_L,RMS 변동 주기의 경우 풍속 증가에 따라서 점차적으로 감소한다(Fig. 8(c)). 이 에 따라 거주구의 주기는 약 1.8초에서 0.3초로 감소하며, 거 주구의 구조물의 공진주기에 따라 설계에 영향을 미칠 수 있을 것으로 판단된다.

풍속 변화에 따른 상부 구조물 주위 유동장 비교를 위하 여 갑판교만 포함한 z/L_BP = 0.375 평면과 거주구 및 갑판 교를 모두 포함한 z/L_BP = 0.29 평면을 선정하였으며 이를 Fig. 9에 나타내었다.

수평 평면상의 유동 분포를 비교하기 위해 무차원화된 길 이 방향 속도 분포를 Fig. 10에 나타내었다. z/L_BP = 0.375의 평면에서는 거주구의 영향이 적음에 따라 유속이 증가하더 라도 갑판교 근처의 후류 영역은 큰 차이를 보이지 않는다.

z/L_BP = 0.29의 평면에서는 거주구 후류 영역의 낮은 속도 분포 영역이 V1 조건에 비해 V3와 V5 조건에서 증가하는 것 을 확인할 수 있다. V3와 V5 조건에서의 후류 영역은 유사 한 속도 분포를 보이며, 이는 앞서 비교한 Fig. 8의 C_D,Avg.와 C_L,RMS의 속도별 차이를 설명한다. 전반적으로 갑판에 가까 운 높이인 z/L_BP = 0.29 에서, 갑판교 앞쪽에서 넓은 영역의 낮은 속도를 보인다. 이는 갑판이 시작되는 지점에서부터 유동의 박리로 인해 큰 속도 정체 영역이 발생함을 확인할 수 있다.

3.2 풍향 변화에 따른 해석 결과

풍속 및 풍향 변화에 따른 공역학적 계수의 차이를 Fig. 11에 나타내었다. 갑판교와 거주구의 상호거리는 D1 조건으 로 고정하였으며, 풍속의 경우 V1에서 V3 조건을 고려하였 다. 갑판교의 C_D,Avg.는 WD1 방향에서 가장 큰 값을 가지며, 선측으로 유동방향이 변화함에 따라 C_D,Avg.값이 감소하는 경 향을 보인다. 속도 변화에 따른 공역학적 계수의 차이는 거 주구의 C_D,Avg.에서 약간의 변화를 확인할 수 있으나, 전반적 으로 속도의 영향은 미비한 것으로 판단할 수 있다. 갑판교 의 C_L,RMS는 WD1에서 WD2까지 증가하다가 WD3에서 약간 감소하였다(Fig. 11(a)). 거주구의 C_D,Avg. 와 C_L,RMS 또한 속도 변화에 따른 공역학적 계수의 변화가 크지 않음을 Fig.11(b) 에서 확인할 수 있다.

풍향 변화에 따른 유동의 변화를 확인하기 위해 거주구와 갑판교를 포함한 z/L_BP = 0.25 평면에서 압력 계수 분포를 Fig. 12에 나타내었다. Fig. 11에서 확인한 바와 같이 각 풍향 조건에서 풍속 변화에 따른 압력 분포의 변화는 크지 않음 을 확인할 수 있다.

3.3 갑판교와 거주구 간의 거리 변화에 따른 해석 결과

갑판교와 거주구의 거리는 주위 유동의 경향에 밀접한 영 향을 준다. 이에 상호 간의 거리 변화에 따른 해석 결과를 검토하였다. 상호 거리 변화에 따른 갑판교 및 거주구의 항 력의 평균, 앙력의 변동폭과 양력 변동 주기 값을 Fig. 13에 나타내었다. 풍속의 경우 V3 조건으로 고정하였으며, 풍향 의 경우 WD1 방향을 고려하였다. 갑판교의 경우 거리가 증 가할수록 C_D,Avg.값은 증가하는 경향을 보이며, C_L,RMS는 대체 로 감소하는 경향을 보인다. 양력 변동 주기 값은 상호 거리 가 증가함에 따라 약 0.5초에서 0.8초로 증가함을 확인할 수 있다(Fig. 13(a)). 거주구의 경우 D1에서 D2 조건으로 상호 거 리가 증가하여도 유사한 C_D,Avg.값을 보이나, 거리가 가장 먼 D3 조건까지는 증가하는 경향을 보인다(Fig. 13(b)). 갑판교와 유사한 경향으로 거주구의 C_L,RMS값은 상호 거리가 증가함에 따라 감소하며, 양력 변동 주기 값은 점차 증가하는 결과를 확인할 수 있다.

상호 거리 변화에 따른 수직 평면상의 압력 분포를 Fig. 14에 나타내었다. D1에서 D3 조건으로 상호 거리가 증가함 에 따라 갑판교의 상부에 발생하는 양의 압력 분포가 점차 커지는 경향을 보이며, 이에 따라 갑판교의 항력 평균값이 증가하는 것으로 추정 할 수 있다(Fig. 14(a)). D1에서 D3 조 건으로 상호 거리가 증가함에 따라 거주구 상류의 음의 압 력 분포가 점차 커지는 경향 또한 갑판교 및 거주구의 항력 평균값의 감소를 설명한다.

4. 결 론

본 연구에서는 전산유체역학을 이용하여 해상풍력지원선 의 갑판교와 거주구의 공역학적 상호작용을 평가하였다. 풍 속, 풍향 및 두 구조물의 상호 거리의 변화에 따른 공역학적 계수인 항력 및 양력 계수와 함께 양력 변동 주기를 확인하 였으며, 주위 유동을 분석하였다. 갑판교의 경우 풍속 변화 에 따른 하중 계수의 변화가 미비하나, 거주구의 경우 일정 풍속 이상에서 평균 항력 계수 및 양력 변동 폭이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 상호 거리의 변화에 의해서 갑 판교 및 거주구의 평균 항력 계수는 증가하며, 양력의 변동 폭과 주기는 감소함을 확인할 수 있었다. 전반적으로 해상 풍력지원선의 갑판교와 거주구의 하중에 크게 영향을 미치 는 인자는 상호거리와 갑판으로부터 떨어져 나온 자유유동 의 후류 영역임을 확인하였다. 향후 정확한 형상의 갑판교 와 거주구 구현 및 모형실험을 통해 갑판교와 거주구의 공 역학적 상호작용에 대한 검증이 필요할 것으로 판단된다.