선박의 파랑 중 운항성능을 고려한 선형 최적화에 대한 연구

Abstract

Recently, the importance of eco-friendly development to solve pollution problems has emerged worldwide. In the shipbuilding and shipping industries, the International Maritime Organization introduced a regulation to restrict the amount of greenhouse gases emitted from ships. Since the regulation includes the weather factor, which indicates the degree of speed loss for ships operating under a representative sea condition, various studies have been conducted to meet the regulation in a way that improves the efficiency of ships. However, complying the standard by reducing forward speed or the maximum continuous rating of the main engine can cause a significant risk to ships safety due to its insufficient thrust and steering performance in adverse sea conditions. To prevent this, the Marine Environment Protection Committee is having a discussion to present guidelines for the minimum required power of ships in adverse sea conditions. Therefore, recent ship designs are changing in ways that reflect these regulations. In addition to the ship performance in calm sea conditions, the ship performance in real sea, especially the added resistance in waves that can be increased up to 30% of calm water resistance has been considered. This requires an efficient method to evaluate the operational performance of ships in a short period of time for a number of cases that combine design factors, operating conditions, and evaluation factors in the early stages of ship design. Although it is expected that the experimental analysis of the ships performance in calm sea and in waves will provide the most accurate results, but this will take a lot of time and cost. Therefore, numerical methods that can replace it are essential in the early stages. It is also necessary to consider the design factors that need to be adjusted from the perspective of the operational efficiency in waves because it may differ compared to the typical ship design that only reduces calm water resistance. In particular, for large ships, the wave energy spectrum is concentrated in the short-wavelength region. In this case, complex optimization of the hull form needs to be conducted because the bows disturbed waves dominate the added resistance in waves. The main contents of this study can be divided into two main categories. The first category investigates the motion responses and added resistance of ships in waves, and the operational performance at a given sea state. To this end, the motion responses are calculated based on the strip theory, and the added resistance acting on the hull is calculated by combining the short-wavelength correction formula with the momentum conservation method. The calm water resistance and added resistance by wind acting on the hull are calculated by empirical formulas, which sought to obtain results with reasonable accuracy and high computational efficiency. Finally, the required power under the given sea conditions is calculated using the RTIM method suggested by the International Tank Tank Conference. To verify the results, the four different ship types with the highest greenhouse gas emissions are selected. The accuracy of the applied methods is confirmed through comparison with the provided experimental results on motion responses and added resistance in waves of the target ships. Furthermore, the estimated weather factors following the procedures presented by the International Maritime Organization and the results of the minimum required power in adverse conditions are discussed. The second category of this study is to perform hull form optimization to improve the operational performance of the target ships. First, the factors that constitute the hull form optimization problem, such as the objective functions and design variables from an operational efficiency perspective, the constraints and the variation ranges, and the optimization method are discussed. Next, for the selected target ships, sensitivity analysis was performed to identify changes in hydrodynamic performance with variations in the four design variables. In particular, in order to physically determine the cause of changes in the added resistance in the short-wavelength region where the wave spectrum is concentrated, the changes in variables related to SNU-Formula according to each deformation are investigated. The variation range of the design variables is determined based on these sensitivity analysis results and then the NSGA-II algorithm is applied to simultaneously improve the total resistance and weather factor of the ships at sea conditions of Beaufort number 6. The deformed shape and the degree of improvement in operational performance of the obtained optimum hulls are discussed. Moreover, the changes in the wave added resistance of the 300k class tanker are measured through the model test at a towing tank, and the validity of the results derived from this study is discussed.

최근 들어 전 세계적으로 친환경 문제의 중요성이 크게 대두되고 있으며, 조선 및 해운분야에서도 국제해사기구에서 선박에서 배출되는 온실가스를 강력히 규제하기 위하여 선박이 배출하는 이산화탄소의 양을 단계적으로 제한하는 제도를 도입하였다. 이 규제에는 주어진 해상조건에서 운항하는 선박의 속도 저감 정도를 나타내는 기상보정계수가 반영되기 때문에, 이를 개선하기 위하여 선박의 운항효율을 상승시키는 방식으로 규제를 만족시키려는 다각적인 연구가 시도되었다. 반면 선박 자체의 운항효율을 개선하려는 시도와 별개로 전진속도나 주기관의 최대연속정격출력을 낮추는 방법으로 규제를 만족시키는 경우 극심한 해상 상태에서 선박의 추력과 조종성능이 충분하지 못하여 안전에 큰 위험이 될 수 있다. 이를 방지하기 위하여 국제해사기구의 해양환경보호위원회에서 황천 시 선박의 최소 요구 마력의 가이드라인을 제시하기 위한 논의가 꾸준히 진행되고 있다. 따라서 최근의 선형 설계는 이러한 친환경 관련 규제들에 발맞춰 전통적으로 고려되었던 정수 중 성능에 더 나아가 환경하중, 특히 파랑에 의해 최대 30%까지 증가할 수 있는 부가저항을 함께 고려하는 추세이다. 이를 위해서는 선형 설계 초기단계에 다수의 설계인자, 운항조건, 평가요소들이 조합된 수 많은 선형 가짓수에 대하여 운항성능을 빠른 시간 내에 평가하는 효율적인 해석 기법이 요구된다. 수조시험을 통한 선박의 정수 중 및 파랑 중 성능 해석이 실선의 성능과 가장 유사한 평가결과를 제시할 것으로 기대되나 이를 위해서는 많은 시간과 비용이 소모되기 때문에 이를 대체할 수 있는 수치적 해석 기법이 초기단계에 필수적이다. 또한 정수 중 저항을 목적함수로 한 기존의 선형 설계와 비교하여 파랑 중 운항효율 관점에서는 조정하여야 할 설계인자가 다를 수 있기 때문에 이에 대한 고려도 필요하다. 특히나 대형 선박의 경우 파랑 에너지가 단파장 영역에 더 집중되는데, 이 경우 선수부 교란파가 정수 중 저항 및 파랑에 의한 부가저항에 지배적으로 영향을 끼치기 때문에 선수부 형상의 복합적인 최적화와 관련된 연구가 수행되어야 할 필요가 있다. 본 연구의 주요 내용은 크게 두 가지로 구분된다. 첫 번째 연구 내용은 선체의 파랑 중 운동응답과 부가저항을 수치기법으로 해석하고, 이를 이용하여 주어진 해상상태에서의 운항성능을 예측하는 것이다. 이를 위해서 스트립 이론을 기반으로 선체의 운동응답을 산정하였고, 선체에 작용하는 부가저항은 운동량 보존 법칙에 단파장 영역 보정식인 SNU-Formula를 결합하여 산정하였다. 그리고 선체에 작용하는 정수 중 저항과 바람에 의한 부가저항은 경험식으로 산정하였으며, 이를 통해 합당한 정확도와 높은 계산 효율성의 예측결과를 얻고자 하였다. 최종적으로, 산정된 선체에 작용하는 전 저항을 이용하여 주어진 해상 조건에서의 요구마력을 국제수조회의에서 제시한 RTIM 방법으로 산정하였다. 결과 검증을 위하여 온실가스 배출량이 가장 많은 상위 네 개의 선종의 실적선 기반 선형들을 대상 선형으로 선정하였다. 대상 선형들에 대하여 제공된 파랑 중 운동응답 및 부가저항 실험 결과와의 비교를 통해 본 연구에 적용한 해석 기법의 정확도를 확인하였으며, 국제해사기구가 제시한 절차를 따라 추정한 기상보정계수와 황천 시 최소 요구 마력 해석 결과에 대하여도 논의하였다. 본 연구의 두 번째 내용은 운항성능 개선을 위한 선형 최적화이다. 먼저 운항효율 관점에서의 목적함수와 설계변수의 선정, 변수 변경 범위와 제약조건의 설정, 그리고 최적화 알고리즘 기법 등 선형 최적화 문제를 이루는 요소들에 대하여 논의하였다. 다음으로 선정한 대상 선형들에 대하여 네 가지 운항효율 관점 설계변수의 변형에 따른 유체동역학적 성능의 변화를 파악하는 민감도 해석을 수행하였다. 특히 파 스펙트럼이 집중되어 있는 단파장 영역에서 부가저항의 변화의 원인을 물리적으로 파악하고자, 선체 변형에 따른 SNU-Formula 변수들의 변화를 분석하였다. 이러한 민감도 해석 결과를 바탕으로 설계변수들의 변경 범위를 설정한 후, 유전알고리즘 기반 NSGA-II 기법을 적용하여 보퍼트 계급 6의 해상상태에서 선박에 작용하는 전 저항과 기상보정계수를 동시에 개선시키는 다목적 최적화를 수행하였다. 그리고 도출된 최적 선형들의 기준 선형 대비 형상 변화 및 성능 개선 정도에 대하여 논의하였다. 또한 대상 선형 중 하나인 300k급 유조선을 대상으로 서울대학교 예인수조에서의 모형시험을 통해 파랑에 의한 부가저항의 변화를 계측하였고, 본 연구에서 도출한 결과의 유효성을 비교 검증하였다.