파랑 중 선박의 운항효율성능 예측 기법에 대한 연구

Abstract

최근 국제해사기구 (International Maritime Organization, IMO) 산하의 해양환경보전위원회 (Marine Environmental Protection Committee, MEPC) 는 국제사회의 온실가스 저감 노력에 동참하기 위해 선박에서 배출되는 온실가스 감축 방안을 논의하였으며, 에너지 효율에 관한 규칙을 도입하였다. 이로 인해 선박의 에너지 효율 설계지수 (Energy Efficiency Design Index, EEDI)의 계산이 의무화 되었으며, 운항효율을 향상 시키기 위한 다차원적인 노력이 이루어 지고 있다. 선박의 운항효율을 향상시키기 위한 많은 방법 중 하나로 부가저항을 감소시키는 방법이 주목 받고 있다. 부가저항이란 선박이 실제해상에서 운항하는 경우 바람이나 파도와 같은 환경하중에 의해서 증가하는 저항을 말하며, 이러한 부가저항은 선박에 따라서 정수 중 저항보다 15-30%까지 커지는 경우도 있다. 따라서 부가저항을 정확히 예측하고 이를 효과적으로 감소시키고자 하는 연구들이 활발히 진행되고 있다. 특히 최근 선박이 대형화 됨에 따라서 일반 해상에서의 파랑 에너지는 선박의 길이에 비해서 상대적으로 짧은 파장 쪽으로 집중되며, 이로 인해서 단파 영역에서의 정확한 부가저항 계산이 중요해 지고 있다. 일반적으로 단파장 영역에서는 선수부 형상의 영향이 상대적으로 큰 영역이며, 포텐셜 기반의 해석 기법으로는 정확하게 계산하는 데에는 어려움이 있는 것으로 알려져 있다. 따라서 단파장 영역에서의 부가저항 계산시 포텐셜 기반의 해석 기법의 적용 가능 범위를 정확하게 파악할 필요가 있다. 부가저항 연구와 더불어 선박의 운항효율에 대한 연구도 활발하게 이루어 지고 있다. 선박의 운항효율 평가는 주로 정수 중에서 운항하는 선박의 성능 대비 실제해상에서 운항하는 선박의 속도 저감량 혹은 소비 마력의 증가량에 대한 계산을 통해서 이루어 진다. 최근에는 선박의 운항효율에 대한 해석 절차가 국제 기구에 의해서 제시되고 있으며, 그 예로 ITTC-Recommended Procedure (모형시험 자료를 사용한 불규칙파 중 소비마력 증가 예측방법)과 ISO-15016: 2015 (선박의 시운전 결과를 사용하여 선박의 속도와 파워 성능 평가 방법) 등이 있다. 이러한 해석 절차는 일반적으로 선박의 속도 성능을 추정하기 위해서 선박의 종 방향 저항 및 추력만을 고려 하며, 선박의 선수각의 변화 및 이로 인한 저항 증가를 고려하지 않는 것이 일반적이다. 따라서 선박의 조종-내항 연성해석과 같은 고차원화 된 해석기법을 적용하여 엄밀한 운항효율에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서 수행한 내용은 크게 세 가지로 구분 할 수 있다. 첫 번째 연구 내용은 포텐셜 기반의 랜킨패널법을 적용하여 파랑 중 부가저항을 해석할 수 있는 프로그램을 개발하고, 이를 이용하여 선수파 및 사파에서의 부가저항을 해석하는 것이다. 이를 위해서 비스플라인 함수 (B-spline function)를 도입한 고차 랜킨패널법을 사용하였으며, 부가저항을 해석하기 위한 기법으로는 물체 표면에서의 2차 압력 (2nd-order pressure)을 적분하는 압력직접적분법 (direct pressure integration method)을 적용하였다. 정도 높은 부가저항 계산을 위해서는 일반적인 운동 계산에 필요한 패널보다 더 조밀한 패널이 필요하며, 이에 대한 기준 제시를 위해서 패널에 대한 부가저항 수렴도 테스트를 수행하였다. 또한, 선수파 및 사파에서의 부가저항 계산을 수행하였으며, 운동 및 부가저항 결과를 기존의 실험 값과 비교하여 현재 개발된 프로그램의 계산 정확도를 확인하였다. 마지막으로 단파장 영역에서의 부가저항 해석을 수행하여 포텐셜 기반의 본 해석 프로그램이 적용 가능한 범위에 대해서 논의하였다. 본 연구의 두 번째 내용은 파랑 중에서 선박의 조종성능을 해석하는 것이며, 이를 위해서 조종운동과 내항운동의 연성해석을 수행할 수 있는 프로그램을 개발하였다. 개발된 프로그램을 사용하여 S175 컨테이너 선에 대한 규칙파 중에서의 선회시험을 수행하였으며, 선회 궤적, 선박의 자세 및 운동 시계열을 실험 결과와 비교하였다. 이를 통해서 파도가 조종성능에 미치는 영향에 대해서 연구하였으며, 조종성능의 변화에 미치는 중요한 요소가 무엇인지에 대해서 검토하였다. 본 연구의 세 번째 내용은 자유항주 시뮬레이션을 수행하여 선박의 운항효율을 해석하는 것이다. 이를 위해서 앞서 개발한 조종-내항 연성 해석 프로그램에 궤적 추적 기법 (trajectory tracking method)을 도입하였으며, 지정된 항로를 따라 운항할 수 있도록 타에 대한 제어기를 설계하였다. 이렇게 개발된 자유항주 시뮬레이션 프로그램을 사용하여 실제 해상에서 운항하는 선박의 운동을 모사하였으며, 환경조건을 변화시켜 가면서 환경하중이 없는 상태와 비교하여 선박의 운항 효율이 어떻게 변화하는 지에 대해서 검토하였다. 또한 대표 해상상태 (representative sea condition)에서 자유항주 시뮬레이션을 수행하여 정수 중 대비 속도 저감 량을 계산하였으며, EEDI의 기상보정계수 (weather factor, fw)값을 추정하였다. 이를 통해서 자유항주 시뮬레이션 프로그램의 활용 가능성에 대해서 확인하였다.