In this study, numerical simulations and model tests are performed for the hull-form development of a G/T 29ton class coastal angling fishing boat. The numerical simulations are mainly used for the design of bow hull-form and the resistance performance is improved by the adoption of high bulbous bow. And, the resistance performances of the existing boat and the designed boat are verified by the model tests. The results of the experiments and calculations show that the effective power of the designed boat is 13.6% less than that of the existing boat at design speed. Therefore, the results of this research could be used as one of the fundamental data for the design of G/T 29ton class coastal angling fishing boat.
새로이 건조되는 국내 어선의 경우, 그 설계와 건조작업이 일반적으로 경험에 많이 의존되어 오고 있는 실정이다. 그리고 선주들은 선형개발 보다는 기존의 선형을 그대로 유지하고자 한다. Kang (2006)에 따르면 국내외적 어업 환경은 어업자원의 감소, 유류비 상승에 따른 채산성 악화와 UN의 국제해양법 발표에 따른 배타적 경제수역(EEZ, Exclusive Economic Zone)의 선포, 국제무역기구(WTO : World Trade Organization)체제 출범에 따른 수산물 시장 개방 등의 복합적인 어려움을 겪고 있다. 따라서 이러한 문제점을 극복하고 해양 레저 선박 수요의 증가와 연근해 수자원 고갈 등에 대비하기 위한 새로운 어선선형 개발이 요구되고 있다 (Cho, et al., 2002). 근해채낚기 어선의 경우, 어선의 척수는 상대적으로 다른 어선들에 비하여 많지만, 평균 선령이 20년에 가까이 될 정도로 노후화되어, 이 들을 대체하기 위한 새로운 어선선형의 설계가 변화된 최근 어로환경을 고려하여 시급히 이루어져야한다. 그러나 우리나라 어선들의 경우에는 기존에 오래 사용하여 왔던 익숙한 선형들이 선호되고 있기 때문에 어선 선형 개발을 위한 연구는 다른 일반 상선들에 비하여 활발히 이뤄지지 않고 있다. 특히, 어선의 저항성능에 관한 연구들은 더욱 미미하게 이루어지고 있는 실정으로 관련자료를 충분히 찾기 어려운 실정이다. Yu, et al. (2011), Kim and Lee (1984), Lee (1984), Lee, et al. (2006), Kang, et al. (2007), Lee, et al. (2008), Yu and Lee (2008), 그리고 Jee, et al. (2009)들의 연구에서는 국내 연근해의 소형어선 근대화 사업, 소형어선들의 마력추정과 선형설계에 관한 연구 등 어선의 저항성능 향상에 관한 연구들을 수행하였다. 일반적으로 이러한 어선의 저항성능 향상에 관한 연구 수행을 위하여 수치시뮬레이션 또는 모형시험들을 이용하였으며, 선체에 작용하는 저항성분을 해석하고 선형에 따라 조파저항 또는 점성저항을 효과적으로 줄일 수 있는 선형설계를 수행하였다. 본 연구의 대상선인 근해채낚기 어선선형들의 경우에는 일반적으로 설계속력에서 프루드 수 0.3 이상으로 주로 고속역에서 운항하기 때문에 조파저항 성능이 우수한 선형을 설계하여야 한다. 따라서, 이러한 어선들의 경우에도 조파저항을 줄이기 위하여 선수부 형상을 개선하거나 구상선수를 적용하는 경우가 많다. 그러나 조파저항 성능개선을 목적으로 구상선수를 적용하는 중대형 상선들과는 달리, 어선들은 구상선수를 이용하여 저항성능 뿐 아니라 내항성능도 개선하려는 목적을 가지고 있다. 일례로 이러한 어선들의 구상선수는 선수부의 부력을 증가시켜 추파 상태에서 안정성을 높일 수 있기 때문에 우리나라의 동해나 남해에서 구상선수를 적용한 어선들을 흔히 찾아 볼 수 있다. 그러나 이 어선들의 구상선수는 선형과 마찬가지로 선주나 건조자의 경험에 의하여 결정된 형상으로 제작되고 있다.
본 논문에서는 G/T 29톤급 근해채낚기 어선의 조파저항성능 향상에 적합한 구상선수를 설계하여 저항성능을 개선하기 위한 연구내용을 기술하였다. 향후 어선의 내항성능도 함께 고려된 구상선수에 대한 연구를 수행하여 저항성능 및 내항성능에 유리한 표준 근해채낚기 어선선형 개발에 관한 연구를 수행할 예정이다.
본 연구에서는 동해에서 운항 중인 선형을 대상으로 연구를 수행하였다. Fig. 1은 ㈜한국종학설계로부터 제공받은 기존선형 (existing boat)에 대한 정면도이며, Table 1은 기존선형의 주요 요목이다. 특히, ½αE(entrance angle)의 경우 36°로 매우 큰 것을 확인할 수 있다.
[Table 1] Principal dimensions of the existing boat
Principal dimensions of the existing boat
본 연구에서는 선형개발의 과정에서 기존선형의 모형선을 제작하여 인하대학교 선형시험수조에서 저항관련의 모형시험을 수행하였으며, 이와 더불어 인하대학교에서 보유하고 있는 수치계산 프로그램인 INHAWAVE-Ⅱ로 평흘수 상태에서의 수치계산을 수행하였다. 그리고 수치계산 프로그램에 대한 자세한 내용은 Jeong, et al. (2010)의 연구에서 확인할 수 있다. 기존선형은 설계속력에서 프루드 수가 0.356정도로 비교적 높은 프루드 수의 선형에 속한다. 따라서 모형시험결과의 잉여저항계수들과 수치계산결과의 압력저항계수들에서, 대부분을 조파저항계수가 차지할 것임을 예상할 수 있다. 또한 기존선형의 구상선수를 보면, 선체의 크기에 비하여 상대적으로 그리 크지 않은 것을 확인할 수 있어, 형상저항에 그다지 큰 영향을 주지 않은 것으로 본다. 설계 속력에서 모형시험결과의 잉여저항계수에 비하여 수치계산결과의 압력저항계수가 9.1%정도의 큰 값을 보이는데, 이는 모형시험 시에는 모형선의 항주자세가 고려되었지만, 수치계산결과의 경우 평흘수상태이므로 압력저항이 상대적으로 커진 것으로 생각된다. 따라서 2차원외삽법으로 추정한 유효동력이 모형시험결과에서는 200kW, 수치계산결과에서는 215kW정도로 서로 7.0% 정도의 오차를 보이며, 수치계산 시 항주자세를 고려한다면 그 결과가 모형시험결과와 보다 더 근접할 것으로 생각된다.
운항비 절감을 위하여 한국종합설계에서는 선형설계를 수행하였다. 설계선형-N1의 정면도는 Fig. 3, 주요요목은 Table 2에 나타내었다. Table 1과 2에서 보면, 설계선형-N1은 기존선형에 비하여 설계수선의 길이가 13.1%정도 작고, 폭의 경우에는 0.4%정도 작아 그리 크지 않은 차이를 보인다. 또한 흘수의 경우에는 8.3%정도 깊어지고, 물 가름각은 5도 정도 증가한 것을 확인할 수 있다. 따라서 주요요목과 물 가름각을 보았을 때, 기존선형에 비하여 상대적으로 저항이 커질 것으로 예상되어질 수 있다. 동해와 같은 거친해역에서의 운항성능 향상을 가져오도록 깊이를 깊게 하였으며, 이에 따른 배수용적의 변화를 최소화하고자 설계 수선면 깊이를 짧아지게 하였다. 그리고 구상선수의 경우 기존선형의 주요 요목비와 설계선형-N1의 주요요목비에 따라 크기가 조정되었으며, 선미형상은 크게 변화시키지 않았다. 또한 운항비를 절감하고, 채산성의 증대를 위하여 정면도 상에서 차인선도 변화시켰다.
[Table 2] Principal dimensions of the designed boat-N1 (=designed boat-N2)
Principal dimensions of the designed boat-N1 (=designed boat-N2)
Fig. 4는 수치계산결과에서 선체표면 상의 압력분포와 9.5st. 위치에서의 자유수면 형상을 비교한 그림이다. 설계선형-N1이 기존선형에 비하여 물 가름각이 커져 보다 더 선체표면 가까이에서에서 물이 뒤집히는 현상을 확인할 수 있으며, 실제로 선체표면 압력분포에서 보더라도 압력이 높은 부분의 영역이 보다 더 넓은 것을 확인할 수 있다. 그 결과 압력저항은 4.1%정도 증가하였다. 본 연구에서는 설계선형-N1의 저항성능을 개선하기 위하여, Fig. 5와 같이 설계선형-N1으로 부터 구상선수 체적중심의 높이를 바꾸어 보며, 수치계산을 수행하였다. 최종적으로는 거위목 구상선수 형상인 경우의 총 압력저항이 가장 낮은 것을 확인할 수 있는데, 이는 거위목 구상선수는 다른 일반 구상선수들보다 자유수면 근처에 큰 체적을 분포시킬 수 있기 때문에 조파저항성능 측면에서 유리하기 때문으로 볼 수 있다. Fig. 6은 수치계산 결과 중, 기존선형과 설계선형-N1(w/ gooseneck bulb)의 압력분포와 선체 주위 유동을 비교한 그림이다. 기존선형의 경우에는 선체 정면으로 물이 유입되어 F.P.부근에서 높이방향 전체적으로 큰 압력이 생기는 것을 확인할 수 있다. 그러나 설계선형-N1(w/ gooseneck bulb)의 경우에는 구상선수로 유입되는 물에 의하여 구상선수에 큰 압력이 발생되지만, 구상선수 뒤쪽에서 선체하부로 향하는 유선이 형성되어 선체부분에는 기존선형에 비하여 상대적으로 작은 압력들의 분포가 발생되는 것을 확인할 수 있다. 실제로 압력저항을 비교하여 보면, 자유수면 근처에 큰 체적을 분포시킨 거위목 구상선수로 인하여 설계선형-N1(w/ gooseneck bulb)이 기존선형 보다 압력저항이 6.2%나 감소한 것을 확인할 수 있다.
그러나 이러한 거위목 구상선수는 실선 건조시 탈형이 어렵기 때문에 적용하기가 어렵다는 단점이 있다.
본 연구에서는 운항비 절감을 위하여 설계선형-N1에서 채산성보다 저항성능을 개선시키는 것이 유리하다고 판단되어, Jee, et al. (2009)의 연구를 참고하여 주요요목을 변화시키지 않고 정면도 상의 차인선을 직선형태로 설계하였으며, 거위목 구상선수의 제작상 어려움을 해소하기 위해 거위목 구상선수가 아닌 높은 구상선수로 자유수면 근처에서의 구상선수 체적을 어느정도는 그대로 유지하려 하였다. 먼저, Fig. 7은 정면도 상의 차인선을 변화시키는 과정에서 설계수선면 형상과 횡단면적 분포를 비교한 그림이다. 설계선형-N2는 설계선형-N1의 주요요목을 변화시키지 않고, 수선면 형상과 횡단면적 분포도 크게 변화시키지 않는 방향으로 설계를 수행하였다. 또한 설계선형-N2의 구상선수는 높은 구상선수를 설계하여 거위목 구상선수와 마찬가지로 자유수면 근처에 큰 체적을 분포시키고자 하였으며, 이와 더불어 실선에서의 제작이 용이하도록 설계하였다.
Fig. 8은 자유수면 위치에서 구상선수들의 높이를 비교하기 위하여 기존선형, 설계선형-N1(w/ gooseneck bulb) 그리고 설계선형-N2(w/ high bulb) 선형들의 측면 형상이다. 설계선형-N2(w/ high bulb)의 구상선수는 기존선형에 비하여 큰 체적이 자유수면 근처에 분포되어 있으며, 설계선형-N1(w/ gooseneck bulb)과 구상선수의 높이가 크게 차이가 나지 않음을 확인할 수 있다. Fig. 9는 최종적으로 결정된 설계선형-N2(w/ high bulb)의 정면도이며, 설계선형-N2(w/ high bulb)에 대하여도 다른 선형들과 마찬가지로 수치계산을 수행하였다.
Fig. 10을 보면, 설계선형-N2(w/ high bulb)는 Fig. 6에서의 설계선형-N1(w/ gooseneck bulb)에 비하여 구상선수 표면에서의 압력이 크게 감소한 것을 확인할 수 있으며, 구상선수와 선수 사이의 유동이 보다 복잡하지 않게 지나가는 것을 확인할 수 있다. 따라서 설계선형-N2(w/ high bulb)가 설계선형-N1(w/gooseneck bulb)에 비하여 형상저항과 조파저항이 감소되었을 것으로 생각되며, 실제로 Fig. 11과 같이, 설계선형-N2(w/ high bulb)가 설계선형-N1(w/ gooseneck bulb)에 비하여 4.1%정도 더 저항이 감소하여, 기존선형에 비하여는 압력저항이 10.3%나 감소한 것을 확인할 수 있다.
본 연구에서는 모형시험을 이용하여 설계선형-N2(w/ high bulb)의 저항성능을 파악하여 보고, 기존선형과의 비교 검토를 수행하였다. Fig. 12는 모형시험 시 설계속력에서 모형선이 일으키는 파도에 대하여 촬영된 사진들이다. 선수파의 높이가 크게 차이나지 않게 보이지만, 기존선형의 경우 설계선형-N2(w/ high bulb)보다 선수 갑판 근처까지 선수파가 더 크게 생성되는 것을 확인할 수 있다.
Fig. 13은 설계속력에서 9.5st.위치의 유동장내 압력분포의 계산결과이다. 이 그림에서도 자유수면의 파고를 예측할 수 있는데, 기존선형이 설계선형-N2(w/ high bulb)보다 파고가 높은 것을 확인할 수 있으며, 수면 아래의 유동장 압력분포를 보면, 기존선형의 유동장 아래쪽 압력이 설계선형-N2(w/ high bulb)보다 더 넓게 분포하는 것을 확인할 수 있다. 그런데, 9.5st.에서 설계선형-N2(w/ high bulb)의 단면 형상이 기존선형보다 매끄러운 형상을 가지고 있어, 이러한 기하학적인 형상으로 인하여 설계선형-N2(w/ high bulb)의 유동장 아래쪽의 압력이 낮아 모형실험시 선수트림이 커질 것으로 예상된다.
Fig. 14는 설계속력에서 9.5st.위치의 유동장내 w 방향 속도 분포를 나타낸 것이다. w 방향 속도 분포를 보면, 실제로 횡단면 형상에 굴곡이 없는 선형 즉, 구상선수와 주선체 사이에서 설계선형-N2(w/ high bulb)가 기존선형에 비하여 w 방향 속도가 느린 것을 확인할 수 있다. 따라서 이 또한 설계선형-N2(w/ high bulb)가 대상선에 비하여 저항성능에 향상을 가져올 수 있는 이유가 될 것이다.
Fig. 15는 모형시험 시 계측된 모형선들의 침하와 트림 각들이다. 설계선형-N2(w/ high bulb)이 기존선형에 비하여 전체적인 침하량은 작지만, 선수트림이 크게 발생하는 것을 확인할 수 있다. 그럼에도 불구하고 Fig. 11과 같이, 설계선형-N2(w/ high bulb)가 기존선형에 비하여 저항이 크게 감소하였는데, 이는 설계선형-N2(w/ high bulb)의 높은 구상선수 채용으로 인하여 주로 조파저항성능이 개선되어진 것으로 볼 수 있다. 실제로 선체로부터 어느 정도 떨어진 Y/LBP=0.08되는 위치에서 파형을 계측한 결과, Fig. 16을 보면 기존선형에 비하여 설계선형-N2(w/ high bulb)이 전체적으로 파고가 낮아진 것을 확인할 수 있다. 설계선형-N2(w/ high bulb)가 기존선형에 비하여 조파저항성능에 유리할 것으로 생각되나, 기존선형에 비하여 커진 구상선수, 항주 시 선수트림, 그리고 주요요목 비등의 상이함으로 인하여 저항성분 중 형상저항에는 그리 좋지 않은 영향을 줄 것으로 생각된다. 모형시험 시 저항성능 해석방법은 ITTC 1978년 방법을 이용하였다. 또한, 프루드 수가 높고, 어선과 같이 단순치 않은 형상을 가지는 선형에 대한 실선의 저항성능 추정에는 2차원보다 3차원 외삽법이 적정할 것으로 판단되었다. 본 연구에서는 저속저항시험을 통하여 Prohaska 방법으로 형상계수를 얻어내었다. 저속저항시험에는 난류촉진을 위하여 9.5st.위치에서 선수 측면 형상에 따라 stud를 취부하였다.
Table 3은 형상계수들을 나타낸다. 실제로 기존선형에 비하여 설계선형-N2(w/ high bulb)에서 커진 구상선수, 달라진 항주자세, 그리고 주요요목 비의 차이 등에 의하여 설계선형-N2(w/ high bulb)의 형상저항은 크게 증가하였지만, 이와 반면에 Fig. 16에서 파고의 낮아짐과 같이 조파저항성능에 있어서는 기존선형에 비하여 설계선형-N2(w/ high bulb)이 유리할 것으로 생각된다. Fig. 17은 두 선형들에 대한 조파저항계수들을 비교한 그림이다. 조파저항계수의 경우, 설계선형-N2(w/ high bulb)의 구상선수로 인하여 설계속력 11knots에서 20.0%정도 감소한 것을 확인할 수 있다.
[Table 3] Comparison of the form factors from the experimental results
Comparison of the form factors from the experimental results
Fig. 18은 3차원 외삽법에서의 저항계수들을 비교한 그림이다. Fig. 18(a)는 모형선의 전저항계수로부터 저항성분 분리를 수행한 결과이며, Fig. 18(b)는 추정된 실선의 전저항계수로부터 저항성분 분리를 수행한 결과이다. Fig. 18을 보면, 일반 선박에 비하여 상대적으로 전저항에서 조파저항이 차지하는 비율이 큰 것을 확인할 수 있다. 그리고 Table 3과 같이 설계선형-N2(w/ high bulb)가 기존선형에 비하여 형상저항이 증가하였지만, 조파저항이 차지하는 비중이 보다 더 크기 때문에 구상선수로 인한 조파저항의 많은 감소로 실선 전저항 추정결과가 크게 감소한 것을 확인할 수 있다. Fig. 19는 모형시험결과를 이용하여 추정된 속력에 따른 실선의 유효동력이다. 설계선형-N2(w/ high bulb)의 실선 유효동력은 기존선형에 비하여 13.6%정도 감소한 것을 확인할 수 있다. 그리고 기존선형에 비하여 증가된 설계선형-N2(w/ high bulb)의 형상저항을 감소시키고자 추가적으로 부가물을 부착하여 보았다. 선미 플랩을 0도로 부착시킨 경우 선수트림이 보다 증가하였지만, 속력에 따라 침하량이 감소하여 유효동력이 약 1%정도 더 감소한 것을 확인할 수 있었다. 선수 날개의 경우에는 유동가시화시험을 통하여 날개 부착각도를 20도 정도로 결정하고 모형시험을 수행하였다. 선수 날개로 인한 선수부 양력 증가로 선수트림이 보다 크게 감소한 것을 확인할 수 있었으나, 선수 날개의 자체저항으로 인하여 오히려 저항이 증가되었다.
본 연구에서는 G/T 29톤급 근해채낚기 어선을 대상으로, 선형설계를 통하여 저항성능을 개선하고자 하였다. 설계선형-N1과 N2의 주요요목은 기존선형에 비하여 배수량을 큰 변화가 없도록 유지하면서, 흘수가 깊고 폭이 조금 좁아져 저항성능에 유리할 수 있었지만, 길이가 상대적으로 크게 감소하여 저항성능에는 불리하였다. 따라서 운항비 절감을 위한 본격적인 연구를 수행하기 앞서 적정한 주요요목을 산정하여 우수한 저항성능의 선형을 도출하려는 노력이 필요할 것이다. 구상선수의 높이를 변화시키며, 수치계산을 수행하였다. 거위목 구상선수는 자유수면 근처에 구상선수의 체적이 집중되므로 저항을 크게 줄일 수 있을 것으로 예상하고 이를 설계선형-N1에적용한 결과 설계선형-N1(w/ gooseneck bulb) 압력저항이 약 6.2%정도 감소하였다. 그러나 실제로 형틀을 사용하여 어선을 건조하는 현장에서 거위목 구상선수의 제작이 어려울 것으로 예상되므로 실용적인 관점에서 거위목 구상선수 대신 높은 구상선수를 채택하였다. 높은 구상선수를 상대적으로 저항성능이 우수한 설계선형-N2에 적용한 결과 (설계선형-N2_high_bulb) 기존선형에 비하여 압력저항이 10.3% 정도 감소하였다. 항주자세를 보면, 설계선형-N2(w/ high bulb)이 기존선형에 비하여 전체적으로 침하는 줄어드나 선수트림은 크게 증가하는 경향을 보인다. 따라서 구상선수와 선체가 연결부의 횡단면적 분포를 조절하여 선수트림을 감소시킬 필요가 있을 것으로 생각된다. 이 설계선형은 기존선형에 비하여 상대적으로 선체길이가 짧고 큰 구상선수가 선수부에 위치하여 선수트림이 증가하기 때문에 설계선형-N2(w/ high bulb)의 모형시험에서 형상저항은 기존선형에 비하여 약 50% 정도 증가한 것으로 나타난다. 그럼에도 불구하고 전 저항에서 조파저항이 차지하는 비율이 약 60% 이상이기 때문에 조파저항을 줄이는 것이 유리하며 실제로 모형시험 결과 설계선형-N2(w/ high bulb)의 조파저항이 기존선형보다 약 20.0%정도 감소함을 확인할 수 있었다.
본 연구로부터의 결론을 요약하면 다음과 같다.
1) 높은 구상선수를 적용한 설계선형-N2(w/ high_bulb)의 경우에는 선수트림과 형상저항은 증가하나, 조파저항은 크게 감소하여 결국 유효동력 13.6%로 크게 감소함을 확인할 수 있었다. 2) 경험에 의존된 기존 구상선수의 경우 선체에 비하여 그 크기가 상대적으로 작으며, 자유수면 근처에 구상선수 체적이 분포되지 않아 저항감소효과는 크지 않다. 본 연구에서의 높은 구상선수와 마찬가지로 자유수면 근처에 구상선수 체적을 분포시킬 경우 큰 조파저항감소효과를 확인할 수 있을 것으로 예상되며, 내항성능에 대하여 평가해 보아야 하지만 큰 구상선수로 인하여 선수부에 부력이 확보될 것으로 생각된다.
