밀도비를 고려한 액체 수소 저장 탱크 슬로싱 하중 및 부유체 횡동요 연성 효과 연구 = A study on sloshing loads in liquid hydrogen storage tanks considering the effects of density ratio and coupling with roll motion of a floating Body

국문 초록 (Abstract)

세계적인 환경오염에 대한 관심이 높아짐에 따라 친환경 에너지 수요가 꾸준히 증가하고 있으며, 이에 따라 해양 공간을 활용한 친환경 자원 개발을 위한 신기술 연구가 활발히 이루어지고 있다. 특히 해양 환경을 기반으로 한 풍력 발전은 확장성이 뛰어나 대규모 발전 단지 조성 및 관련 기술 개발이 활발히 진행되고 있다. 그러나 해양 환경은 인위적으로 제어할 수 없다는 특성이 있어 발전량 조절이 어려운 한계가 존재한다. 이러한 제약을 극복하기 위해, 생산된 전기를 수소로 전환·저장하고 필요 시 공급하는 기술이 주목받고 있으며, 해상 풍력 및 파력 발전을 활용한 해양그린수소 생산·액화·저장 기술은 차세대 친환경 에너지 시스템의 핵심으로 부상하고 있다.
본 연구는 Type-C 액체 수소 저장 탱크를 갖춘 대규모 부유식 수소 생산·저장 플랫폼（H2FPSO）을 대상으로, 액체 수소 저장 탱크의 슬로싱 내부 유동 특성 및 충격 하중과 내부 유동과 플랫폼의 횡동요 연성 효과를 두 가지 주요 연구 주제로 다루었다.
첫 번째 연구에서는 액체 수소 저장 탱크의 슬로싱 유동 및 충격 하중을 정밀하게 평가하기 위해 관련 무차원 수를 검토하였으며, 이 중 축소 모형시험에서 실현 가능한 Froude 및 밀도비 상사 조건에서의 모형시험을 수행하였다. 기존 LNGC를 대상으로 하는 슬로싱 시험 기법의 밀도비 상사 한계를 극복하기 위해 액체 수소 저장 탱크의 밀도비 0.0186까지 구현 가능한 가압 탱크를 이용한 실험 기법을 개발하여 실험을 수행하였다. Box형 및 2,000m³, 3,000m³ 규모의 Type-C 탱크를 대상으로 다양한 충전율 조건에서 슬로싱 유동 특성과 충격 하중을 ELP1, ELP2, ELP3 패턴으로 분석하였다. 실험 결과, 밀도비가 증가할수록 슬로싱 유동 현상은 억제되어 충격 하중은 감소하는 경향을 보였으며, 특히 Box형 탱크의 경우, 80% 충전율에서 ELP2가 ELP3로 변화하면서 충격 하중이 급격히 감소하였다. 반면, 70% 충전율의 고밀도비 조건에서는 기체의 높은 운동량에 의한 Kelvin–Helmholtz 불안정성으로 자유 수면이 산란되고 기체 포집이 억제되어 ELP3에서 ELP2로 변화하였다. Type-C 탱크의 경우 탱크 끝단의 구형상으로 인해 Box형과는 다른 rise time이 길고 하중이 작은 충격 하중 특성이 나타났으며, 밀도비가 증가할수록 하중 감소 효과는 Extend 모델에서 더욱 뚜렷하게 나타났다. 따라서 저장 탱크 크기 증가 시 슬로싱 하중 평가에서 밀도비 상사는 충격 하중 패턴 및 충격 하중 경향의 중요한 인자로 중요하게 고려되어야 한다. 다만, 본 실험은 상사 조건의 제약으로 인해 중력-관성 지배 영역의 비음향 충격 하중에 한정되어 실제 규모로의 외삽에는 한계가 있다.
두 번째 연구에서는 H2FPSO의 횡동요와 내부 유동 간의 연성 효과를 평가하였다. 이를 위해 Froude 상사 조건에서 공기-물 조합을 사용하여, Original 및 Extend Type-C 탱크 모델에 대해 포텐셜 기반 수치해석과 자유 감쇠 및 규칙파 시험을 수행하였다. 그 결과, Original 탱크에서는 내부 유동이 횡동요에 거의 영향을 주지 않았으나, Extend 탱크에서는 충전율 20% 및 낮은 파고 조건에서 뚜렷한 감쇠 효과가 나타났다. 즉, 내부 유동에 의한 횡동요 감쇠 효과는 일정 규모 이상의 탱크에서만 유효하며, 특히 온화한 해양 환경 조건에서 가장 뚜렷하게 발현됨을 확인하였다.
본 연구는 축소 모형시험을 통해 액체 수소 저장 탱크의 슬로싱 하중 특성과 H2FPSO 횡동요 간의 연성 효과를 규명하였으며, 향후 대규모 액체 수소 저장탱크 및 플랫폼의 설계 및 운영 효율성 평가에 기초 자료를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

With increasing global concern over environmental pollution, the demand for eco-friendly energy continues to rise, driving active research on new technologies for resource development in ocean environments. Among them, offshore wind power offers high
scalability, and large-scale wind farms are actively being developed. However, because the ocean environment cannot be artificially controlled, offshore power generation faces inherent limitations in adjusting output. To address this challenge, technologies that convert and store electricity as hydrogen and supply it on demand have attracted significant attention. In particular, offshore green hydrogen production, liquefaction, and storage— utilizing offshore wind and wave energy for water electrolysis—are emerging as key components of next-generation sustainable energy systems.
This study investigates a large-scale floating green hydrogen production and storage platform （H2FPSO） equipped with Type-C liquid hydrogen storage tanks, focusing on two main topics: （1） sloshing flow characteristics and impact loads inside liquid hydrogen tanks, and （2） the coupled effect between internal fluid motion and platform roll behavior.
For the first part, dimensionless parameters governing sloshing were examined, and model tests were conducted under realizable Froude and density ratio similarity conditions.
To overcome the density ratio scaling limitations of conventional LNG carrier sloshing experiments, a model test technique using pressurized tank was developed, capable of reproducing liquid hydrogen density ratios up to 0.0186. Experiments were performed on a box-type tank and two Type-C tanks （2,000 m³ and 3,000 m³）, and sloshing behaviors and impact loads were analyzed using the ELP （1, 2, 3） classification. The results showed that increasing density ratio suppressed sloshing and reduced impact loads. In the box-type tank, a transition from ELP2 to ELP3 occurred at an 80% filling ratio, leading to a sharp reduction in impact loads. In contrast, Type-C tanks exhibited longer rise times and smaller impact magnitudes due to the hemispherical geometry of end of tanks, and the effect of density ratio was more pronounced in the larger storage tank such as Extend model. These findings highlight that density ratio similarity must be carefully considered in sloshing load assessments for large-scale hydrogen storage tanks. However, due to similarity constraints, the present experiments are limited to gravity–inertia-dominated impact loads, and extrapolation to full-scale acoustic impact regimes remains restricted.
For the second part, the coupling between tank internal fluid and platform roll motion was investigated. Using air–water combinations under Froude similarity, both Original and Extend Type-C tank models were evaluated through potential-based numerical simulations and 1/60-scale free-decay and regular-wave tests. The results showed that internal fluid motion in the Original tank had negligible influence on roll response, while the Extend tank exhibited significant damping at 20% filling under small wave height conditions. This indicates that roll-damping effects from internal fluid motion are effective only for sufficiently large tanks and are most evident under moderate sea states.
This study clarifies the sloshing load characteristics of liquid hydrogen storage tanks and the coupling effects with H2FPSO roll motion through model experiments. The findings provide valuable insights for the design and operational efficiency assessment of large-scale liquid hydrogen storage tanks and floating platforms.

목차 (Table of Contents)

• 1. 연구 배경 1
• 1.1. 기존 연구 7
• 1.1.1. 그린수소 생산 플랫폼 해양 구조물 개발 7
• 1.1.2. 액체 저장 탱크 슬로싱 하중 평가 9
• 1.1.3. 저장탱크 내부 유동부유체 연성 운동 성능 평가 17
• 1.2. 연구 필요성 18
• 1.3. 연구 목표 및 기여 22
• 1.3.1. 액체수소 저장 탱크 슬로싱 하중 평가 24
• 1.3.2. 액체수소 저장 탱크 내부 유동부유체 연성 횡동요 운동 특성 평가 24
• 2. 액체수소 생산 저장 해상 플랫폼 개요 26
• 2.1. 액체 수소 플랫폼 개념 26
• 2.2. 액체수소 생산 저장 플랫폼 및 저장 탱크 주요 제원 28
• 3. 액체수소 저장 탱크 슬로싱 하중 평가 33
• 3.1. 저장 탱크 내부 슬로싱 평가 방법 33
• 3.2. 저장 탱크 내부 유동 지배 방정식 34
• 3.3. 무차원 해석 38
• 3.4. 슬로싱 유동 KELVINHELMHOLTZ 불안정성 44
• 3.5. 밀도비 상사 슬로싱 하중 평가 모형시험 기법 47
• 3.5.1. 극저온 유체 저장 탱크 슬로싱 하중 평가 조건 47
• 3.5.1.1. 액체 수소 및 모형시험 적용 유체 특성 48
• 3.5.1.2. 상사 조건에 따른 무차원 수 및 영향 검토 58
• 3.5.2. 가압 모형시험 기법 개발 61
• 3.5.2.1. 압력 탱크 모델 구현 61
• 3.5.2.2. 슬로싱 모형시험 장비 구축 70
• 3.5.2.3. 밀도비 상사 모형시험 장치 구성 및 실험 절차 81
• 3.5.3. 실험 결과 후처리(PostProcessing) 87
• 3.5.3.1. 계측 압력 필터링 87
• 3.5.3.2. 압력 계측 신호 Peak Detection 및 Rise Time 88
• 3.5.3.3. Average Maximum Pressure (P10) 91
• 3.5.3.4. Group Average for Peak Pressure and rise time 92
• 3.5.3.5. 극치 분포함수 근사 및 극치하중 추정 93
• 3.5.3.6. 평균 하중과 극치하중 결과 비교 97
• 3.5.3.7. 실험데이터 후처리 기준 요약 98
• 3.6. 액체수소 저장 탱크 슬로싱 하중 평가 100
• 3.6.1. BOX Model 슬로싱 하중 평가 100
• 3.6.1.1. BOX Model for sloshing experiment 100
• 3.6.1.2. Box Model 모형시험 조건 101
• 3.6.1.3. Box Model 슬로싱 하중 평가 결과 104
• 3.6.1.4. 충전율 및 밀도비 변화에 따른 슬로싱 현상 분석 129
• 3.6.1.5. 실험 결과 정리 152
• 3.6.2. TypeC Tank Model 슬로싱 하중 평가 158
• 3.6.2.1. TypeC Tank Model (Original, Extend Model) for experiment 158
• 3.6.2.2. TypeC Model 모형시험 조건 160
• 3.6.2.3. Original Model 슬로싱 하중 평가 결과 165
• 3.6.2.4. Extend Model 슬로싱 하중 평가 결과 201
• 3.6.2.5. 실험 결과 정리 235
• 4. 액체수소 저장탱크 내부 유동부유체 연성 횡동요 특성 평가 249
• 4.1. 개요 249
• 4.2. H2FPSO 및 TYPEC 액체 수소 저장 탱크 제원 250
• 4.2.1. H2FPSO 250
• 4.2.2. TypeC 액체 수소 저장 탱크 252
• 4.3. 저장 탱크 내부 유동을 고려한 수치해석 253
• 4.3.1. 선체 및 탱크 모델링 및 해석 조건 253
• 4.3.2. 횡동요 수치해석 결과 및 분석 256
• 4.4. 운동 특성 평가 수조 모형시험 260
• 4.4.1. 수조 모형시험 구성 260
• 4.4.2. 수조 모형시험 항목 265
• 4.4.3. 데이터 후처리 기법 266
• 4.4.4. 실험 결과 및 분석 268
• 4.4.4.1. 자유 감쇠 시험 268
• 4.4.4.2. 자유 감쇠 시험 중 저장 탱크 내부 유동 274
• 4.4.4.3. 규칙파 시험 278
• 5. 결론 281
• 5.1. 액체수소 저장 탱크 슬로싱 하중 평가 281
• 5.2. 액체수소 저장 탱크 내부 유동부유체 연성 횡동요 운동 특성 평가 286