파랑 간섭 효과를 고려한 선박 저항 특성에 관한 수치해석 연구 = Numerical study on ship resistance characteristics considering wave interference effects

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 선박 군집 항해 시 파랑 간섭이 선체 저항에 미치는 영향을 정량적으로 규명하기 위해 세장체 이론(Thin Ship Theory)과 전산유체역학(CFD)을 활용한 수치해석 연구를 수행하였다. 특히 평행배열 및 일렬배열 조건에서 항주파 간섭 효과에 따른 선박에 작용하는 저항 변화에 집중하여 분석을 진행하였다. 먼저 평행배열 조건에서는 선박 속도, 이격거리, 선박 수 변화에 따른 중앙 선체 저항 변화에 대해 세장체 이론에 기반하여 기본 특성을 고찰하였으며, 이를 CFD 해석 결과와 비교하였다. 평행배열에서는 좌우 선체의 발산파와 중앙 선체의 가로파 간 위상 차이에 따라 주기적인 저항 변동이 발생됨이 확인되었다. 특히 선박 속도가 작을수록 항주파 파장이 짧아짐에 따라 항주파의 간섭 효과가 이격거리에 대해 민감하게 변화하였으며, 이로 인해 저항 증감도 더욱 빈번하게 발생하였다. 다만 이격거리가 증가할수록 발산파 전파각의 제한으로 인해 간섭 효과가 감소하고, 저항 변화도 점차 미미해졌다. 다음으로 일렬배열 조건에서는 이격거리, 선체 형상, 선체 크기에 따른 저항 변화 특성을 분석하였다. 이 경우에는 이격거리에 따라 선두 선체의 가로파와 후위 선체의 가로파 간 보강 및 상쇄간섭이 발생하게 되고, 그로 인해 주되게 후위 선체에 작용하는 저항이 변화함을 관찰할 수 있었다. 다만, 선체 형상 및 크기에 따라 일렬배열 조건에서의 항주파 간섭 효과의 정도는 크게 달라질 수 있었으며, 또한 수치해석 기법에 따라서도 가로파 및 후류장의 발달 정도가 달라지면서 저항의 변화 정도가 다소 차이가 발생함이 확인되었다. 특히 후위 선체가 작아질수록 상대 파고 차가 커져 저항 변화 폭이 증가하는 특징이 확인되었으며, 또한 트랜섬, 세장비, 선미형상 등에 따라 가로파 파고의 변화가 발생하고 그에 따라 항주파 간섭효과가 변화할 수 있음을 확인하였다. 추가적으로 일렬배열 조건에 대해 부분적으로 모형실험을 수행하여 세장체 이론 및 CFD 해석 결과와 비교하였으며, 전반적으로 수치해석 결과와 모형실험이 잘 일치하는 경향을 확인할 수 있었다. 본 연구의 결과는 군집 항해 시 선박 저항 변화를 추정하거나 저항 저감을 고려한 군집 배치를 설계하는 데 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study conducted a numerical investigation using Thin Ship Theory (TST) and Computational Fluid Dynamics (CFD) to quantitatively elucidate the effect of wave interference on ship resistance during formation sailing. The study focused on changes in resistance due to wave interference under parallel and serial arrangement conditions. For the parallel arrangement, the resistance variation of the central ship was examined with respect to ship speed, separation distance, and the number of ships, and the fundamental characteristics were investigated based on TST and compared with CFD results. The results confirmed that periodic resistance fluctuations occurred due to the phase difference between the divergent waves generated by the side ships and the transverse waves generated by the central ship. In particular, at lower speeds, where the wavelength of the ship-generated waves is shorter, the phase difference varied more sensitively with separation distance, leading to more frequent resistance fluctuations. However, as the separation distance increased, the interference effect diminished due to the limited propagation angle of the divergent waves, and the resistance variation gradually became negligible. For the serial arrangement, resistance changes were analyzed with respect to separation distance, hull form, and ship size. The results revealed that constructive and destructive interference occurred between the transverse waves generated by the leading and trailing ships, thereby altering the resistance of the trailing ship. Moreover, the degree of wave interference was significantly influenced by the hull form and size, and differences in resistance extrema were also observed depending on the numerical method used. In particular, smaller trailing ships exhibited greater differences in relative wave elevation, resulting in larger resistance variations, and changes in the transverse wave amplitude were found to be affected by factors such as transom stern, slenderness ratio, and stern shape. Additionally, model tests were conducted to compare the TST and CFD results for the tandem formation, and an overall good agreement was observed. The findings of this study are expected to be useful for predicting resistance variations during group navigation and for designing ship formations that consider resistance reduction.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 ９
• 1.1. 연구 배경 ９
• 1.2. 연구 사례 １０
• 1.2.1. 세장체 이론을 활용한 군집배열 내 선박 저항 연구 １０
• 1.2.2. 수치해석을 활용한 군집배열 내 선박저항 연구 １１
• 1.2.3. 모형실험을 활용한 군집배열 내 선박저항 연구 １３
• 1.3. 연구 목표 １４
• 제 2 장 연구 방법 １６
• 2.1. 세장체 이론 １６
• 2.1.1. 세장체 이론을 활용한 군집 배열 내 저항 해석 １６
• 2.1.2. 세장체 이론 검증 ２１
• 2.2. CFD 해석 ２３
• 2.2.1. CFD 해석 방법 ２３
• 2.2.2. CFD 해석 검증 ２８
• 제 3 장 평행배열에서의 항주파 간섭효과 ３２
• 3.1. 선박 속도의 영향 ３２
• 3.2. 이격거리의 영향 ４０
• 3.3 좌우 선박 수의 영향 ４４
• 제 4 장 일렬배열에서의 항주파 간섭효과 ５０
• 4.1. 이격거리의 영향 ５０
• 4.2. 선체 형상의 영향 ５３
• 4.3. 선박 크기의 영향 ６０
• 4.4. 모형실험을 통한 수치해석 검증 ６３
• 4.4.1. 모형실험 방법 ６３
• 4.4.2. 일렬 배열에서 모형실험 및 수치해석 결과 비교 ６８
• 제 5 장 결론 ７２
• 제 6 장 참고문헌 ７５