조선해양공학과: 선박저항추진론

 

1. 과목에서 배울 수 있는 내용

1) 과목 개요
선박은 다른 이동수단들과 달리 끊임없이 거친 파도를 헤치고 전진해야 한다는 특징이 있습니다. 이 때문에 주변 유체로 인한 저항을 측정하고 그에 따른 필요 엔진 동력을 산정하는 것은 선박 설계 단계에서 굉장히 중요합니다. 선박을 둘러싼 유동은 선박의 형태, 프로펠러의 성능, 선체와 프로펠러의 상호작용 등 다양한 요소에 의해 결정되는데요. 본 수업 ‘선박저항추진론’에서는 이러한 요소들을 고려해 선박의 소요동력을 산정하고, 추진장치를 선정하기 위한 기본 지식을 습득할 수 있습니다.

이 수업은 크게 이론, 모형선 실험, CFD(전산유체역학) 시뮬레이션 실습으로 이루어져 있습니다. 이 중 가장 중요한 것은 수조동에서 이뤄지는 모형선 실험으로, 이론수업 역시 이 실험을 이해하고 분석하기 위한 내용 위주로 진행되게 됩니다. 모형선 실험은 저항 시험, 프로펠러 단독성능 실험, 자항실험으로 이루어져 있으며 이러한 실험들을 통해 선체 주변의 유체가 선박에 미치는 영향을 파악할 수 있습니다. 이렇게 세 가지 실험을 통해 저항을 추정하고 나면 그 저항을 뚫고 전진하기 위해 필요한 선박의 추력을 계산할 수 있습니다.

간단히 말해, 이 수업에서는 위와 같은 실험과 분석의 과정을 통해 실제 선박 설계 단계에서 동력원을 선정하는 방법론을 배울 수 있다고 할 수 있습니다. 이번 조선해양공학과 전공백서에서는 수업의 핵심인 세 가지 실험 중 저항시험에 대해 간단히 알아보도록 하겠습니다.

2) 저항시험

저항시험에서는 일정한 속도의 유동장에서 모형선을 예인하고, 모형선이 받는 힘을 측정함으로써 실선이 받을 저항을 추정하는 실험입니다. 또한, 모형선의 항주 자세 변화를 계측하여 실제 선박이 특정 속도에서 어떠한 자세로 전진할지를 예측할 수 있게 해주는 실험이기도 합니다.

[그림 1] 저항의 기본적인 성분들

위 그림과 같이, 선박이 받는 저항은 힘의 방향에 따라 수직방향 힘에서 기인한 압력저항과 접선방향 전단력에서 기인한 마찰저항으로 나누어 볼 수 있습니다. 또한 에너지 소산 방식에 따라서 조파저항과 점성저항으로 구분해 볼 수도 있습니다. 일반적인 경우 조파저항이 압력저항의 대부분을 차지하기 때문에, 선박의 총 마찰계수는 아래 식과 같이 조파저항계수(C_RS)와 마찰저항계수 (C_FS)의 합으로 나타낼 수 있습니다.

각각의 저항계수를 실험적으로 구할 수 있다면 총 마찰계수를 구할 수 있고, 총 마찰계수를 안다면 무차원화된 관계식을 통해 선박이 받을 저항을 계산할 수 있습니다.

그러나 롯데타워를 눕힌 크기에 맞먹는 실제 선박으로 저항 계측 실험을 할 순 없겠죠! 이 때문에 우리는 선박을 일정 비율로 축소해 놓은 모형선을 이용하여 저항 시험을 시행하게 되는데요. 모형선의 실험 결과로부터 실선의 실험을 추정해 내는 데에는 영국의 과학자 프루드가 고안한 2차원 외삽법과 3차원 외삽법이 이용됩니다. 2차원 외삽법은 선체의 마찰저항은 등가평판(선체와 길이가 같고 표면적이 동일한 평판)의 마찰저항과 같다고 가정하여 실선의 동력을 추정하는 방법입니다. 3차원 외삽법은 이와 방법은 유사하지만 선박의 형상 영향을 보정한 형상계수 개념을 도입하여 실선 동력을 추정하는 방법입니다.

2차원 외삽법에 대해 더 자세히 알아봅시다.

프루드는 위 식과 같이, ‘기하학적으로 상사를 이루는 실선과 모형선의 속도가 축척비의 제곱근에 비례한다면 조파저항은 축척비의 세제곱에 비례한다’는 사실을 발견하였는데요. 이는 실선과 모형선의 속도비가 축척비의 제곱근에 비례한다면 실선과 모형선에서의 파형에 상사관계가 성립할 것임을 의미합니다. 즉, 이 속도에서는 모형선의 조파저항계수 C_RM과 실선의 조파저항계수 C_RS​의 값이 같다는 가정을 할 수 있습니다. 모형선의 저항 역시 조파저항과 마찰저항으로 이루어져 있으므로 식 (1)은 아래와 같이 다시 적을 수 있습니다.

C_FS​와 C_FM​에 해당하는 마찰저항은 등가평판의 마찰저항과 같다고 치환하여 풀 수 있으므로, 우리는 모형선의 총 저항계수인 C_TM​을 계측하기만 하면 실선의 저항을 성공적으로 추정해낼 수 있습니다. 위 과정을 그래프를 통해 나타내보면 아래 [그림 2]와 같습니다.

[그림 2] 프루드 2차원 외삽법

우선 예인 실험을 통해 C_TM​을 구하고, 해당 레이놀즈 수에서 등가평판의 마찰저항계수인 C_FM​을 구하여 그 차이인 C_RM​을 계산합니다. 이후 실선 레이놀즈 수 구간에서 C_FS​를 계산하고, C_RS​와 같은 값인 C_RM​을 더해 주면 최종적인 실선의 마찰 계수 C_TS를 얻을 수 있습니다. 3차원 외삽법에서는 여기에 선박의 형상을 고려하는 형상모형계수 k를 추가하여 아래와 같이 저항을 계산하게 됩니다.

이처럼 저항 시험을 통해서는 선체 자체가 받는 저항을 계산할 수 있습니다. 그러나 실제 선박에서는 저항에 큰 영향을 끼치는 두 가지 요소가 더 존재하는데요. 바로 프로펠러의 성능과 프로펠러-선체 상호작용입니다.

[그림 3] 프로펠러 날개단면과 유동입사각

프로펠러 성능의 경우, 위 그림 처럼 프로펠러의 날개 형상과 각도에 따라 유동의 입사각이 달라지게 됩니다. 날개를 2차원 형상이 모인 것으로 해석하여 각 단면에 작용하는 힘을 반경에 따라 적분하면 보다 정확한 프로펠러의 성능을 구할 수 있습니다.

[그림 4] 선박-프로펠러 상호작용

선박-프로펠러 상호작용 또한 선박저항에 있어 중요하게 고려해야 할 요소인데요. 선체가 이동함에 따라 형성되는 유선은 프로펠러의 작동영역까지 영향을 끼치게 되며, 이로 인해 선박의 실제 전진속도보다 낮은 속도의 유동이 프로펠러로 흘러가게 됩니다. 또한 프로펠러가 회전함에 따라 프로펠러 앞쪽의 유동 압력이 낮아지게 되며, 이는 선미부분의 저항이 증가하는 효과로 나타나게 되죠.

이런 요소들을 모두 고려하여야만 정확한 선박의 필요 동력을 계산할 수 있게 되므로, 선박저항추진론 수업에서는 프로펠러 단독 성능실험과 자항실험을 추가로 수행하여 이러한 요소를 각각 보정하게 됩니다.

2. 선배로서의 조언

1. 선박저항추진론은 4학년 전공선택 과목인 만큼 기초적인 유체역학적 지식이 요구되니 선이수 과목인 유체역학기초 및 선박해양유체역학 수업을 수강하고 오는 것이 좋습니다.
2. 전술하였듯이 앞선 실험의 데이터가 후의 실험에 계속 영향을 끼치므로 실험분석을 꼼꼼히 해두는 것이 좋습니다.
3. 학기말에 EDISON 프로그램을 이용하여 전산유체역학 실습을 하게 되는데, 프로세서가 한정되어 있어 과제 마감일 직전에는 프로그램이 아예 돌아가지 않는 불상사가 종종 발생합니다. 바쁘더라도 미리미리 실습을 끝내두시는 것을 추천드립니다…

선박저항추진론은 비록 전공선택 과목이지만, 조선해양공학도라면 필수적으로 수강해야하는 수업이라고 생각합니다. 저항추진 분야가 설계단의 가장 기본이 되는 이론 중 하나인 만큼 다양한 응용 분야가 있기 때문인데요. 추진기를 제외한 선박 전반의 설계를 자세히 배워보고 싶다면 <전공백서>에 소개되어 있는 다른 과목인 선박해양설계이론 수업을 수강하면 좋습니다. 또한, 전산유체역학 및 실험유체역학에 관심이 있다면 대학원 수업인 유체역학특론에서 보다 깊이 있는 내용을 다루니 수강을 추천드립니다.

 

3. 과목이 진로 선택에 도움되는 점

앞서 설명하였듯이 선박의 저항을 계산하고 그에 따른 필요동력을 산정하는 것은 설계 단계에서 가장 중요한 작업 중 하나입니다. 이러한 계산을 바탕으로 엔진을 선정하게 되고, 선정된 동력 시스템의 Specification에 맞추어 다른 부분들의 상세설계가 들어가기 때문이죠.

언뜻 보면 간단할 것 같은 조선해양산업에도 선박/플랜트 설계, 생산 최적화, 공정설계 등의 다양한 분야가 존재하는데요. 만약 여러분이 선박 설계, 그중에서도 기본설계 직무에 관심이 있다면 꼭 들어보아야 할 수업으로 추천드리고 싶습니다. FEED (Front End Engineering Design)또는 pre-FEED라고도 불리는 기본설계 단계에서는 선박의 심장이라고 할 수 있는 엔진 선정부터 선체의 기본적인 구조 설계, 기본적인 경제성 평가 등을 수행하게 됩니다.

본 수업은 기본설계 단계에서 중요한 동력산정을 다루고 있는 만큼, FEED단 설계 직무에 대한 이해를 제공해 줄 수 있을 것으로 생각됩니다.

4. 마무리

선박저항추진론은 선박의 꽃이라 할 수 있는 추진기와 유체 유동을 포괄적으로 배울 수 있는 아주 흥미로운 과목입니다. 또한 선박의 큰 크기로 인해 쉽지 않은 ‘실무와 직접 연계된 실험’을 할 수 있다는 점도 아주 매력적인데요. 선박 설계에 관심이 있으신 분, 유체역학에 관심이 있으신 분, 또는 42동 수조동에서 예인전차를 타보고 싶은 분들에게 이 강의를 강력하게 추천하는 바입니다.

Reference

1. 하정수, 서정화, 이신형. (저) (역) (2019). 선박저항추진론 (3, 4장). 경기도: 예문사
2. Aerodynamics4Students. (n.d.). Blade Element Propeller Theory. Retrieved from www.aerodynamics4students.com/propulsion/blade-element-propeller-theory.php
3. Wartsila. (n.d) Technology Highlight. Retrieved from www.wartsila.com/marine/customer-segments/fishing/technology-highlight