접근이 어려운 지역의 해양 쓰레기 수거용 소형 수륙양용 선박의 항주 자세에 따른 저항 수치해석 연구 = A Numerical Study on the Resistance of a Small Amphibious Vessel for Marine Debris Collection in Hard-to-Access Areas According to Running Attitude

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 해양 쓰레기 수거를 위한 수륙 양용 청소선을 대상으로, 부착물(캐터필러, 슈패들, 전면 게이트)의 장착 유무에 따른 저항 특성과 항주 자세 변화를 전산유체역학(CFD) 기법으로 분석하였다. 해양환경 문제와 기존 수거 장비의 한계를 검토하고 연구 필요성을 제시하였으며, STAR-CCM+를 이용해 URANS 방정식, SST 난류모델, 자유수면 모사를 위한 VOF, DFBI 2자유도(침하, 트림) 기법을 적용하였다. 검증을 위해 소형 어선 모형시험을 수행하였으며, 격자 수렴성 검증(GCI)을 통해 수치 해석의 신뢰성을 확보하였다. CFD 결과와 실험값은 최대 3% 이내에서 일치하여 해석 기법의 타당성을 확인하였다.
분석 결과, 부착물이 많을수록 총저항은 크게 증가하였으며, 이는 압력저항의 비중 확대에 기인하였다. 마찰저항 증가는 미미했으나, 모든 부착물이 장착된 경우 압력저항은 총저항의 93%이상을 차지하였다. 파랑 패턴 분석에서는 선수부 쇄파와 에너지 소산이 강화되어 조파 저항 증가로 이어졌으며, 항주 자세 분석에서는 기본 선체가 안정적인 반면 부착물이 장착된 경우 저속에서는 선수 트림과 침하가 증가하고 속도가 높아지면 선미 트림으로 전환되는 경향을 보였다. ITTC-1957 기반 유효마력 추정 결과, 나체선 대비 캐터필러 장착 시 66%, 캐터필러+슈패들 장착 시 86%, 캐터필러+슈패들+전면 게이트 장착 시 260% 증가하였다. 따라서 수륙 양용 청소선 설계 시 쓰레기 수거 성능과 추진 효율 간 균형을 고려한 최적화가 필요하다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study investigates the hydrodynamic performance of an amphibious cl eaning vessel designed for marine debris collection, focusing on the effects of attachments such as caterpillars, shoe paddles and a front gate. Using compu tational fluid dynamics (CFD) with STAR-ccm+, the unsteady Reynolds-averag ed Navier-Stokes (URANS) equations, the SST  turbulence model, the Vol ume of Fluid (VOF) method for free-surface capturing, and a two-degree-of-f reedom (heave and pitch) Dynamic Fluid-Body Interaction (DFBI) model were applied. Validation was conducted through towing tank tests with a small fishi ng vessel, and grid convergence index(GCI) analysis confirmed numerical relia bility. The CFD results agreed with experimental measurements within 3% de monstrating the validity of the approach.
Results showed that the total resistance increased significantly with attach ments, mainly due to a sharp rise in pressure resistance, which exceeded 92.
1% of total resistance when all attachments were applied, Frictional resistanc e, however, showed little variation. Wave pattern analysis revealed intensified bow wave breaking and energy dissipation, which increased wave-making resi stance. Running trim analysis indicated that the bare hull maintained stable b ehavior, whereas vessels with attachments exhibited bow trim and sinkage at low Froude numbers, shifting to stern trim as speed increased. propulsion pe rformance estimation using the ITTC-1957 method showed that the effective p ower required to maintain the design speed increased by 66% with caterpillar s, 86% with caterpillars and shoe paddles, and approximately 240% with all at tachments. These findings highlight that while attachments enhance debris col lection performance, they also cause significant resistance increases, emphasi zing the need for balanced optimization between collection efficiency and pro pulsion performance.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1. 연구배경 1
• 1.1.1. 해양환경 역할과 중요성 1
• 1.1.2. 해양환경 오염 원인과 문제점 3
• 1.1.3. 국내/외 해양 쓰레기 발생 현황 및 대응 노력 5
• 1.1.4. 국내/외 해양 쓰레기 수거 및 처리 방법 13
• 1.1.5. 해양 쓰레기 수거 장비 개발 현황 및 한계점 16
• 1.1.6. 수륙 양용 청소선의 필요성 19
• 1.2. 선행연구 22
• 1.2.1. 수륙 양용 선박의 연구 동향 22
• 1.2.2. 기존 연구의 한계점 27
• 1.3. 연구목적 28
• 2. 수치 시뮬레이션 29
• 2.1. 해석 모델 29
• 2.2. 수치해석 기법 31
• 2.2.1. 지배방정식 31
• 2.2.2. 물리 모델 32
• 2.2.3. 선박 항주 자세의 고려 35
• 2.3. 격자계 및 경계 조건 설정 37
• 2.4. 시뮬레이션 설정의 타당성 확보를 위한 어선 모형시험 검증 39
• 2.4.1. 검증 모델 39
• 2.4.2. 검증 결과 및 실험과 비교 결과 42
• 3. 수륙 양용 선의 시뮬레이션 결과 47
• 3.1. 실험 데이터 47
• 3.2. 시뮬레이션 검증 및 결과 50
• 3.2.1. 실험 데이터 및 검증 50
• 3.2.2. 파동 패턴의 변화 53
• 3.2.2.1. 단동선과 쌍동선의 선체 프로파일 비교 62
• 3.2.3. 항주 자세의 변화 63
• 3.2.4. 저항 및 유효마력 비교 72
• 4. 결론 77
• 4.1. 연구 결론 77
• 4.2. 향후 계획 79
• 참고 문헌 80