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선박의 파랑 중 부가저항 추정을 위한 모형시험 및 파형 해석 : Towing Test and Wave Pattern Analysis for Prediction of Added Resistance on Ships in Waves

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Authors

이재훈

Advisor
김용환
Major
공과대학 조선해양공학과
Issue Date
2018-02
Publisher
서울대학교 대학원
Keywords
비정상 파형 계측예인 모형시험운동 실험부가저항파고 비선형성
Description
학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 공과대학 조선해양공학과, 2018. 2. 김용환.
Abstract
however, some nonlinearity and differences are shown in local points.
Based on repeat tests for various incident wave amplitudes, relation of the motion responses and added resistance on the incident wave amplitudes are analyzed. Wave amplitude differences induce changes both in motion responses and added resistance. In the short wavelength condition, motion responses show low nonlinerity
in the meanwhile, added resistance shows differences and wave pattern shows corresponding trend.
From above results, unsteady wave field measurement and its applicability is verified, and related characteristics and further possible investigations are contained.
자유수면상에서 물체가 전진하면서 일으키는 조파 현상의 해석은 Michell의 이론적 연구 이래 선박유체역학 분야에서 중요하고 흥미로운 주제로 자리잡아 왔다. 이론적인 접근과 더불어 실험적인 접근법을 바탕으로 정수 중 진행하는 선박에 의한 교란 파형 계측 및 이에 대한 분석과 활용 등이 다양하게 이루어졌다. 예를 들어, 선형 변화에 따른 저항 및 파형의 변화 양상을 살피거나, 계측 결과를 바탕으로 파형 함수를 역으로 추정하는 등의 연구들이 진행되었다. 이러한 연구들의 목적은 주로 조파저항의 최적화 문제 등을 풀기 위함이었고, 직접 압력 적분법 혹은 전저항 계측법에 대비하여 안정적인 결과를 얻을 수 있는 장점이 있다고 알려져 있다.
정수 중 항행하는 선박 주위의 정상(steady) 상태 유동에 관한 실험적 연구가 활발히 이루어진 것과는 대조적으로, 파랑 중 진행하는 선박 주위의 비정상(unsteady) 교란 파형과 관련된 실험적 연구는 비교적 많지 않다. 파랑 중 운항중인 선박 주위에는 선박의 운동으로 인한 반사파와 방사파 외에도 쇄파, 난류 및 후류 등이 복합적으로 존재하며, 이러한 비선형성분들이 시간에 따라 변동하며 나타나는 현상에 대하여 수렴된 결과를 얻기 위해서는 기존의 정상파 해석보다 주의깊은 접근이 필요하다. 일부 선행 연구들에서, 일렬로 배열된 고정 파고계를 바탕으로 파형 함수를 재구성하여 교란 파형을 추정하거나, 운동이 제한된 고정된 선박 주위의 교란 파형을 분석하는 시도들이 있었고, 파랑 중 교란 파형의 실험적 해석에 대한 가능성을 보여주었다.
한편, 선박의 선형 운동응답 문제 등은 안정적인 해석이 가능해지고 새로운 선박 규제 등이 도입되면서, 파랑 중 선박의 비선형 운동 및 부가저항 등 고차 문제에 대한 연구들이 활발히 이루어지고 있다. 현재 선형 포텐셜 이론 기반 계산, 전산유체역학, 모형시험 및 실선 시운전 등을 바탕으로 한 다양한 연구들이 진행되고 있다. 다만, 고차 성분에 대한 해석에서는 해석 기법 및 세부적인 접근 방식에 따른 결과의 산포(scatterness)가 선형 운동응답 해석에 비하여 크게 나타나게 된다. 이로 인하여 현재까지도 단파장 영역에서의 해석을 비롯한 파랑 중에서의 부가저항 예측 및 운항 효율 추정에 대해 여러 논의와 연구가 진행 중이다. 기법들의 정밀도를 비교 검증하고 해석의 고도화를 달성하기 위해서는 신뢰도가 확보된 검증용 데이터가 필요하며, 이러한 목적을 위해 선형수조 모형시험을 바탕으로 다양한 조건에 대한 실험적 계측 및 분석을 통해 실험 데이터베이스를 구축할 수 있다.
본 연구에서는 파랑 중 진행중인 선체 주위의 교란된 파형 해석을 위한 실험적 분석법을 제안하고, 선형 계산과의 비교 검증 및 고찰을 수행하였다. 다수의 비접촉식 파고계를 바탕으로 파형 계측 분석법을 정리하고, 최대 800개 지점에서 파고 계측을 수행하여 평균값, 선형 성분, 비선형 성분 등으로 분석을 수행하였다. 본 논문에서 제시하고 있는 계측법은 국제수조협의회(ITTC) 권고안에 따라 수행 가능한 통상적인 모형시험 수행과 동시에 수행 가능하다. 동일 지점에 대한 파형 계측 반복 시험을 바탕으로 파랑 중 파형 계측 및 부가저항 모형시험의 신뢰도를 파악하였고, 주요 결과들을 기존에 발간된 참조 결과들과 비교하였다. 이러한 교란 파형 해석법을 바탕으로, 수학 선형인 수정된 Wigley 선형 및 액화천연가스 운반선인 S-LNGC에 대하여 파기울기, 파장비, 선속 등에 대한 영향을 살필 수 있도록 다양한 조건에 대하여 교란 파형 계측 및 분석을 수행하였다.
실험적 해석 결과를 검증하기 위하여 수치계산과의 비교 분석을 동시에 수행하였다. 서울대학교 해양유체역학연구실에서 개발한 포텐셜 기반 랜킨 패널법 수치계산 프로그램(WISH)을 바탕으로 선형 계산을 수행하고, 다양한 입사파 조건에 대한 파형 비교 분석을 통해 선형 및 비선형적 특징들을 고찰하였다.
또한, 본 연구에서는 부가저항에 미치는 파고의 비선형 영향에 대한 분석도 수행하였다. 일반적으로 부가저항은 파고의 제곱에 비례한다고 가정하여, 파고에 의한 비선형성은 구체적으로 다루지 않는 경우가 많다. 하지만 부가저항 자체가 비선형 힘이고, 접수면 형상 및 상대 운동 등에 적지 않는 영향을 받는다는 것을 고려해보면, 선박 형상을 포함한 비선형성에 대한 논의는 필수적이다. 이에 다양한 입사 파고 조건에 의한 자세변화, 운동, 부가저항과 교란 파형을 함께 살펴보고, 입사 파고의 영향을 고찰하였다.
이상의 연구를 통하여 파랑 중 교란 파형 계측의 신뢰도 및 활용 가능성을 확인하였고, 고도화된 실험적 분석을 바탕으로 파랑 중 선박에 의한 비정상 교란 파형에 대한 해석을 수행하고 고찰하였다.
Nonlinear unsteady wave pattern is one of the key characteristics in ship hydrodynamics. Based on the non-contact wave measurement technique, instantaneous free surface near the ship model is obtained during the wave added resistance test in regular head waves. One of the main purpose is the construction of the fine-quality validation database. Therefore, the uncertainty analysis is adopted for the added resistance test, and the sensitivity analysis is conducted for the repeated unsteady wave-field measurement. During the measurement, ship motion is free in the vertical plane, which includes surge, pitch, and heave. Added resistance and motion responses are validated with published data, and shows reasonable agreement.
Wave-fields are measured with ultra-sonic wave probes with repeated runs to cover the large measurement area. Field domain can cover the whole wave field near the ship model. Instantaneous free surface elevation is obtained on equi-spaced Cartesian grid with up to 820 discrete points. Signals on various locations are analysed based on discrete Fourier transform
majority of the frequency components lies on the zero frequency and on the multiples of the wave encounter frequencies. Therefore, Fourier series up to 3rd order with basis of encounter frequency are applied for the each free surface elevation data. Analysed results includes the comparison of the unsteady wave pattern for different hull forms, wave periods, and wave amplitudes. Distinct characteristics can be discovered between various conditions, and nonlinear characteristics are clearly shown.
For the validation purpose, linear calculations with Rankine panel method are compared with experimental data sets including time instant snapshots and maximum amplitude plots. Overall trend shows reasonable agreement between numerical and experimental results
Language
Korean
URI
https://hdl.handle.net/10371/140719
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College of Engineering/Engineering Practice School (공과대학/대학원)Dept. of Naval Architecture and Ocean Engineering (조선해양공학과)Theses (Ph.D. / Sc.D._조선해양공학과)
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