구속 저항시험을 대체하기 위한 자유항주 모형시험 방법론 = Methodology of Free Running Model Test to Replace Captive Resistance Test

국문 초록 (Abstract)

전통적으로 선박의 저항 성능 평가는 예인전차를 이용한 구속모형시험을 통해 수행되어 왔다.
러나 구속모형시험은 모형선의 자유도를 구속하여 실제 선박의 동적 자세 변화를 재현하지 못하며, 대형 실험 시설인 예인전차가 필수적으로 요구된다는 근본적인 한계를 가진다. 실제 해상에서 운항 중인 선박은 파랑, 바람 등 다양한 해양환경 외력의 영향으로 트림각, 침하량, 횡경사각 등의 자세 변화가 시시각각 발생하며, 이에 따라 저항 특성이 변화한다. 따라서 실선의 실제 항해 조건을 보다 정확하게 재현하고 동적 자세 변화를 반영할 수 있는 새로운 실험 방법이 필요하다.
본 연구의 목적은 기존 구속모형시험을 대체하여 자유항주 모형시험을 통해 선박의 저항 성능을 추정하는 방법론을 제시하고, 그 타당성을 검증하는 것이다. 이를 위해 예인전차의 예인력을 대체할 수 있는 덕트팬 기반 추진 시스템을 설계,제작하였으며, KCS(KRISO Container Ship) 선형의 4m급 모형선을 대상으로 실험을 수행하였다.
실험 방법론의 핵심은 실선과 동일한 힘 및 모멘트 평형 조건을 구현하는 것이다. 덕트팬 추진기를 모형선 중앙부 데크라인에 설치하여 전진 추력을 발생시켰으며, 추력 작용점 높이 차이로 인한 종동요 모멘트 불균형을 보정하기 위해 선수부와 선미부에 수직 방향 보조 추진기를 추가로 설치하였다. 모형선의 운동은 광학식 모션캡처 시스템(Qualisys)을 통해 계측하였고, 각 추진기의 추력은 분력계를 통해 측정하였다. 프루드 상사법칙을 적용하여 실험 속도 조건을 설정하였으며, 정속 항주 구간에서 힘의 평형 조건에 따라 추력값으로부터 저항값을 도출하였다.
자유항주 모형시험 결과를 서울대학교에서 수행한 동일 모형선의 구속모형시험 결과 및 선박해양플랜트연구소(KRISO)의 7m급 KCS 구속모형시험 결과와 비교 분석하였다. 전체저항계수는 세 실험에서 전반적으로 유사한 경향을 보였으나, 자유항주 모형시험에서 다소 높게 나타났다. 이는 축척 차이에 따른 레이놀즈수 효과, 자유항주 조건에서의 자세 변화 특성 차이 등에 기인한 것으로 분석되었다. 트림각과 침하량 역시 구속모형시험과 유사한 경향을 보였으나, 자유항주 조건에서 상대적으로 크게 계측되었다. 이는 구속모형시험의 트림 가이드 등 구속 조건의 영향과 자유항주 시험에서의 자세 자유도 차이에 의한 것으로 판단된다.
본 연구는 덕트팬 기반 자유항주 모형시험 방법론이 저속 조건에서 구속모형시험과 비교 가능한 수준의 저항 및 항주 자세 결과를 도출할 수 있음을 확인하였으며, 구속 저항시험을 대체하기 위한 접근법으로서의 적용 가능성을 입증하였다. 이는 예인전차 시설 없이도 선박의 저항 성능을 추정할 수 있는 대안적 방법을 제시함으로써, 실험 환경의 제약을 극복하고 보다 실제 운항 조건에 가까운 실험을 수행할 수 있는 기반을 마련하였다는 데 의미가 있다. 향후 연구에서는 고속 조건에서의 실험 안정성 확보 및 다양한 선형에 대한 적용성 검증이 필요하다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Traditionally, the resistance performance of ships has been evaluated through captive model tests using a towing carriage. However, captive model tests inherently restrain the degrees of freedom of the model ship, making it difficult to reproduce the dynamic attitude variations of an actual ship, and they fundamentally require large experimental facilities such as towing tanks. In real seas, ships in operation experience continuous changes in attitude, such as trim angle, sinkage, and heel angle, due to various environmental external forces including waves and wind, which in turn affect their resistance characteristics. Therefore, a new experimental method that can more accurately reproduce real operating conditions and reflect dynamic attitude variations of full-scale ships is required.
The objective of this study is to propose a methodology for estimating ship resistance performance using free-running model tests as an alternative to conventional captive model tests, and to verify its validity. For this purpose, a ducted-fan-based propulsion system capable of replacing the towing force of a towing carriage was designed and manufactured, and experiments were conducted using a 4 m class model ship based on the KCS (KRISO Container Ship) hull form.
The core of the proposed experimental methodology is the realization of force and moment equilibrium conditions identical to those of a full-scale ship. A ducted fan thruster was installed on the deck line near the longitudinal center of the model ship to generate forward thrust. To compensate for the imbalance in trim moment caused by the difference in thrust application height, additional vertically oriented auxiliary thrusters were installed at the bow and stern. The motion of the model ship was measured using an optical motion capture system (Qualisys), and the thrust generated by each thruster was measured using load cells. The experimental speed conditions were determined based on the Froude similarity law, and the resistance was derived from the thrust values under force equilibrium conditions within the steady-speed navigation section.
The results of the free-running model tests were compared with captive model test results of the same model ship conducted at Seoul National University, as well as with captive model test results of a 7 m class KCS model conducted at the Korea Research Institute of Ships and Ocean Engineering (KRISO). The total resistance coefficients exhibited generally similar trends across the three experiments; however, slightly higher values were observed in the free-running model tests. This discrepancy was analyzed to be attributable to Reynolds number effects resulting from scale differences, as well as differences in attitude variation characteristics under free-running conditions. The trim angle and sinkage also showed trends similar to those of the captive model tests, but were relatively larger under free-running conditions. This was considered to be due to the influence of restraint conditions such as trim guides in captive model tests and the differences in attitude freedom in free-running tests.
This study confirms that the ducted-fan-based free-running model test methodology can produce resistance and navigation attitude results comparable to those of captive model tests under low-speed conditions, thereby demonstrating its applicability as an alternative approach to conventional captive resistance tests. By presenting a method for estimating ship resistance performance without the need for towing carriage facilities, this study provides a basis for overcoming experimental environment constraints and conducting experiments under conditions closer to actual ship operation. Future studies should focus on securing experimental stability under high-speed conditions and verifying the applicability of the proposed method to various hull forms.

목차 (Table of Contents)

• 목 차 I
• 표 목차 III
• 그림 목차 IV
• I. 서론 1
• 1. 연구배경 1
• 2. 이론적배경 및 선행연구 사례 4
• 3. 연구목표 및 연구내용 6
• II. 대체 방법론 7
• 1. 실선, 구속모형시험, 자유항주모형시험 간 차이점 비교 8
• 2. 자유항주 모형시험 구성 15
• 1) 추진 및 제어 시스템 15
• 2) 계측 시스템 19
• 3) 실험 수행 21
• III.실험 설계 23
• 1. 실험 대상 23
• 1) 대상 선형 23
• 2) 실험 시설 25
• 3) 추력발생장치 27
• 2. 계측 장치 29
• 1) 분력계 29
• 2) 온도계 34
• 3) 모션캡처카메라 36
• IV. 실험 결과 41
• V. 결론 47
• 참고문헌 49
• Abstract 51