슬로싱 충격 압력 발생 과정에서 액체-기체 상변화가 미치는 영향에 대한 실험적 연구

Abstract

본 논문은 액화천연가스(LNG) 화물창 내부에서 슬로싱 현상이 발생할 때 유체의 상변화가 슬로싱 충격에 미치는 영향에 대한 실험적 연구를 다루고 있다. 전 세계적으로 환경 문제에 대한 관심이 증대되고 있고, 온실가스를 비롯하여 황산화물, 질소산화물 등에 대한 규제도 단계적으로 시행되고 있다. 이에 따라 청정 연료인 LNG에 대한 수요가 증가하고 있고, 기존의 LNG 운반선뿐만 아니라, LNG 연료 추진 선박, LNG 벙커링 등 LNG와 관련된 선박 및 해양 구조물의 종류와 크기도 확대되고 있다. 슬로싱 현상은 이러한 LNG 화물창의 설계를 위해 고려되어야 하는 핵심 사안 중 하나이다. 화물창 내부의 슬로싱 하중 추정은 슬로싱 현상의 높은 비선형성으로 인하여 수치적인 계산을 통한 연구보다는 실험적 연구가 더 높은 비중을 차지하고 있다. 기존의 슬로싱 실험 연구들은 비용이나 안전성 측면에서 LNG를 사용하는데 어려움이 있기 때문에, 물과 공기를 이용한 실험들이 주를 이루어 왔다. 그러나 근래에는 액체와 기체 사이의 밀도비, 상변화 등 실제 화물창 내부 현상과의 차이점으로 인한 영향도 고려되어야 한다는 의견들이 점차 강해지고 있다. 밀도비 차이의 경우, 공기 대신 혼합 기체를 이용하여 실제 액화천연가스와 천연가스의 밀도비와 유사한 조건을 구현할 수 있게 되었고, 최근 이와 관련된 다양한 연구들이 수행되고 있다. 다음으로 상변화와 관련하여 슬로싱 충격 시 내부 유체에서 나타나는 변화를 관찰하기 위해 물을 100 °C 이상으로 가열한 상태에서의 슬로싱 실험 연구가 소개된 바 있다. 그러나 이 방법은 수증기로 인해 내부 유동 관측이 어렵고, 높은 온도에서의 실험으로 인해 안전성 확보가 쉽지 않다. 본 연구에서는 끓는점이 물보다 낮은 새로운 액체를 이용하여 가열 조건에서의 슬로싱 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 액체는 무색 무취의 액체인 NOVEC 7000으로, 끓는점은 34 °C이고, 가연성이 없으며 인체에 무해하다는 특징을 가지고 있다. 또한 가열이 가능하고 내부 유동 관측이 가능한 2차원 사각 모형 수조를 제작하여 상온과 끓는점 부근에서의 슬로싱 실험을 수행하였다. 단일 충격 실험과 규칙 운동 실험을 통해 국부적인 유동의 형상과 충격 압력에 관련된 주요 평균값 등을 비교 분석하였다. 이러한 실험적 연구 결과, 기포를 수반한 충격에서 상변화 현상으로 인해 충격 압력의 크기와 진동의 감소가 나타났으며, 기포 내부에서 발생하는 액화 현상도 육안으로 확인할 수 있었다. 또한 규칙 운동 실험 결과, 끓는점에서의 NOVEC 7000 조건에서 상위 10개 최대 충격 압력의 평균값이 가장 작게 나타났고, 압력 상승 시간은 상온의 물을 이용한 경우보다 길게 나타났다. 본 연구에서 수행한 슬로싱 모형 실험 방법을 통해 실제 화물창 내부에서 일어나는 상변화를 고려한 슬로싱 현상을 보다 정확하게 이해할 수 있을 것으로 기대된다.

This paper is introducing an experimental study on the effect of phase transition between gas and liquid when sloshing occurs inside the cargo hold. Interest in environmental issues is growing around the world, and regulations on greenhouse gases, sulfur oxides, and nitrogen oxides are being implemented step by step. Accordingly, the demand for liquefied natural gas (LNG), which is a clean fuel, is increasing, and the types and sizes of related vessels and marine structures, such as LNG fuel ships and LNG bunkering, as well as existing LNG carriers are expanding. Various sea states and loading conditions should be considered in the design of cargo hold, and due to the high nonlinearity of the sloping phenomenon, experimental studies account for a higher proportion than those by numerical calculations. Existing sloshing experiments were mainly conducted using water and air, as there were difficulties in using LNG in terms of cost or safety. As a result, there were challenges such as the difference in the density ratio of liquid and gas, and the phase transition compared to the actual internal phenomenon of the cargo hold. In the case of density ratio difference, a mixture of hexafluoride and nitrogen, an inert gas instead of air, has been able to implement conditions similar to actual cargo, and various related studies have recently been carried out. With respect to the phase transition of internal fluids, there is an experimental study that has heated water above 100 °C, but it is difficult to observe internal flow due to water vapor, and there are also safety concerns due to experiments at high temperatures. In this study, a sloshing experiment was conducted under heating conditions using a liquid whose boiling point is lower than water. The liquid used in the experiment is NOVEC 7000, a colorless and odorless liquid, with a boiling point of 34 °C, which is not flammable and is characterized as harmless to the human body. In addition, a two-dimensional rectangular model tank capable of heating and observing the internal flow was produced to perform sloshing experiments at room temperature and the boiling point. Through single impact experiments and regular sloshing motion tests, the shape of local flow and the main mean values related to impact pressure were analyzed. In the sloshing impact accompanied by gas pocket, phase transition resulted in a reduction in the magnitude and oscillation of the impact pressure, and the liquefaction phenomenon occurring inside the gas pocket was also visually confirmed. In addition, the results of the regular sloshing motion test showed that the average value of the top 10 impact pressures under the conditions of NOVEC 7000 at the boiling point was the smallest, and the rise time of impact pressure was longer than that of using room temperature water. It is expected that the sloshing model experiment method performed in this study will be able to more accurately understand the sloshing phenomenon considering the phase transition occurring inside the actual cargo hold.