실험계획법을 CFD에 적용한 부가저항 감소 목적의 선수형상 최적화 연구

Abstract

최근에 국제적으로 친환경에 대한 관심이 증가하고, 국제해사기구(International Maritime Organization, IMO)가 선박의 온실가스 방출을 규제하기 위해서 2013년부터 선박연비제조지수 (Energy Efficiency Design Index, EEDI)를 도입하면서 조선 및 해운업계 에서는 실제 운항 상태에서의 선박의 운항 효율이 주요 관심사가 되었다. 하지만 전통적으로 선박의 선형은 지금까지 정수 중에서 속도성능을 최적화 하는 쪽으로 진행이 되어 왔다. 특히 저속 비대선의 경우 낮은 운항속도와 낮은 조파 저항의 비율 때문에 화물 적재 성능을 극대화 하기 위해 Blunt bow의 형태를 갖추게 되었다. 하지만 이런 Blunt bow를 가진 가진 선박은 파랑 중 운항 시에 incident wave에 의해 bow 부근에서 wave reflection이 발생되며 선박이 주로 운항하는 해상 상태인 단파장 영역에서는 파랑 중 저항 증가의 주된 요인이 되었다. 결국 선수부 형상 최적화가 단파장 영역에서 선박의 파랑 중 부가저항 감소에 중요한 영향을 준다. 본 연구에서는 실험계획법과 전산유체 해석을 활용하여 114K DWT AframaxTanker에 대해 파랑 중 부가저항 감소 목적의 선수 형상 최적화 연구를 진행하였다. 전산유체 해석을 이용하여 선박이 주로 운항하는 단파장 영역(λ/L=0.5)에서 부가저항을 추정하였으며 선수 형상 최적화를 효율적으로 수행하고자 실험계획법을 적용하였다. 실험 계획법을 통해 부가저항에 유의미한 영향을 주는 설계 인자들을 우선적으로 검토 하였으며 검토 결과 단파장 영역에서 부가저항에 가장 영향을 주는 선수 설계인자는 Design Waterline Length(DWL)이었으며 다음으로는 Bulbous Bow Volume(BBV), Bow Entrance Angle(BEA) 순 이었으며, 나머지 설계 인자인 Bow Flare Angle(BFA), Bulbous Bow Height(BBH)는 유의미한 영향을 주는 단일 인자는 아니었다. 또한 5가지 선수 선형설계 인자들 간에 DWL-BFA, DWL-BEA, DWL-BBV, BBH-BBV 조합 조합에서 2차 교호작용이 존재함을 확인하였다. 이런 결과를 바탕으로 반응표면법 및 회귀분석을 이용하여 부가저항을 목적함수로 한 반응표면 모델을 찾아 각 설계인자들의 최적 설계 점을 도출하였다. 또한 반응표면 모델로부터 도출된 최적 설계 점들의 조합을 가진 선형에 대해 모형시험을 수행하였으며 최적선형은 설계 조건이었던. λ/L=0.5에서 전통적인 선수형상을 가진 선형 대비 부가저항이 감소됨을 확인하였다. 이를 통해 실험계획법을 활용한 부가저항 감소 선형최적화 설계기법이 부가저항 감소 선형설계에 타당함을 확인하였다.