CFD 검증용 데이터 구축을 위한 손상 선박의 운동응답에 관한 실험적 연구

Abstract

최근 선박 설계에 있어서 가장 기본적이고 중요시되는 문제 중 하나는 파랑 중 손상 선박의 운동응답이다. 선박이 대형화되고, 손상시 많은 인명피해를 유발할 수 있는 선박의 수가 늘어남에 따라 선박의 운동응답에 대한 지침들이 엄격해지고 있기 때문이다. 손상 선박의 운동응답은 손상 선박의 운동과 침수 유동이 결합된 복잡한 물리 현상으로 비손상선박의 운동응답에 비해서 훨씬 해석이 힘들다. 파랑 중 선박이 손상을 입었을 경우, 손상부를 통한 해수의 출입이 있고, 침수 유동과 선박의 운동이 상호 영향을 주는 난해한 현상들이 발생하게 된다. 손상 선박의 운동응답을 해석하기 위한 방법은 크게 모형시험을 통한 방법과 수치 계산을 통한 방법으로 구분된다. 모형시험을 통한 방법은 많은 시간과 비용이 소요된다는 단점이 있고, 이러한 한계를 극복하기 위해 전산유체역학 (Computational Fluid Dynamics, 약칭 CFD) 방법을 활용한 접근 방법이 최근 각광을 받고 있다. CFD 방법을 통해 손상 선박의 운동응답을 정확히 계산하기 위해서는, CFD에 사용되는 여러 수치 기법들이 꾸준히 개선되어야 한다. 이러한 수치해석 방법의 개발에는 검증 과정을 반드시 거쳐야 하며, 이를 위한 검증용 모형실험 결과가 필수적이다. 손상 선박 운동응답에 관한 많은 실험적 연구들이 이루어지고 있으나, 대부분의 연구들이 당장의 사고 원인 등을 규명하기 위한 현실적 재현에만 치중했을 뿐, CFD 검증을 위한 실험적 연구는 매우 드문 실정이다. CFD계산 결과의 검증을 위한 모형실험에서는 불명확한 요인들이 최대한 배제되어야 할 것이다. 우선은 간단한 손상 구획과 기본적인 시험 조건에 대한 모형시험 결과를 바탕으로 CFD 계산이 검증되고, 점진적으로 CFD 방법을 개발시켜 추후 현실에 가까운 손상 선박의 운동응답 문제를 해결해 나가야 할 것이다. 그러므로 본 연구에서는, CFD 검증을 위한 모형시험을 설계하고 수행하였다. 정수 중 비손상 및 손상 선박의 횡동요 자유 감쇠 시험이 수행되었고, 손상 구획 내 침수 유동을 계측하였다. 비손상 및 손상 선박의 규칙파 중 6자유도 운동응답을 계측하였고, 이렇게 계측된 결과를 이용하여 CFD 검증용 데이터베이스를 구축하였다. 시험에 앞서 모형시험 시 사용될 대상선, 손상 구획 및 시험 조건 등의 결정을 위해 사전 CFD 계산을 수행하였다. 본 논문의 대상 선박은 국제선형수조회의 (ITTC)에서 손상 선박 내부의 침수유동 문제에 대한 비교 시험에 사용되었던 것으로, 영국 Strathclyde 대학의 선박 안전 연구 센터(Ship Safety Research Center, 약칭 SSRC)에서 제공받은 선형이다. 모형선의 길이는 예인수조의 크기와 ITTC 권고 기준을 고려하여 3 m 로 결정하였고 실선과의 축척비는 1/82.57 이다. 손상 구획은 사전 CFD 결과를 반영하여 최대한 단순한 형상으로 제작되었으며, 공기 압축성의 영향으로 인한 CFD 해석의 복잡성을 줄이기 위해 통풍식으로 제작되었다. 침수 유동의 초기 거동에 영향을 주는 수문 개방 시간을 정확히 제공하기 위하여 공압 실린더를 사용한 수문 개방 장치가 고안되었다. 공압 실린더를 이용하여 매 실험마다 동일한 속도와 방향으로 수문을 개방하는 것이 가능했으며, 이를 통해 실험의 재연성을 높였다. 비손상 시와 손상 시의 선박에 대한 정수 중 자유 횡동요 감쇠 시험을 수행하여 선박의 운동과 침수 유동의 상호 영향을 살펴보았고, 두 가지의 수문 부착 형식과 손상 구획이 실험에 사용되었다. 횡동요 자유 감쇠 시험의 경우, 선박이 손상을 입으면서 횡동요 주기가 길어졌으며, 횡동요 감쇠 계수가 커지는 현상을 보였다. 손상 구획 내의 침수 유동은 일종의 감요수조의 역할을 하였고, 이로 인해 횡동요 진폭이 더욱 빠른 속도로 줄어들었다. 횡파 중에 놓인 선박이 손상을 입으면, 침수 유동의 영향으로 좌우대칭의 특성을 잃게 되므로 6자유도 운동응답을 모두 계측하였다. 파랑 중 운동응답 계측을 위해 계류시스템을 제작하였고, 계류시스템은 모형선의 표류는 막아주되, 입사파에 의한 모형선의 조화운동에는 최대한 영향을 주지 않는 방향으로 고안되었다. 비손상 선박의 횡파 중 운동응답에서는 입사파의 주기가 횡동요 고유 주기의 절반일 때 파라메트릭 횡동요가 발생하였고, 손상을 입었을 때는 동일한 입사파 조건에서 파라메트릭 횡동요 현상이 발생치 않는 것을 확인하였다. 파랑 중 운동응답에서는 계류시스템에 의해 선박에 작용하는 계류력을 산출하였고, 이를 데이터베이스에 포함하였다.