신형 인플래터블 카약 개발을 위한 유체역학적 성능평가

1. 서 론

발길이 닿기 어려운 곳에 카약을 타고 들어가 캠핑을 하면 어떨까? 오토캠핑의 북적거림과 번잡스러움에 식상한 캠핑 족들은 한적하고 자신만의 공간을 찾아 나서는 경향으로 서서히 변화하고 있다. 카약은 인간이 호수, 강 및 바다와 친근하게 놀 수 있으며 자연과 하나가 되어 친교 할 수 있는 에코 수상 스포츠로 국내에서도 서서히 부각되고 있는 패들스포츠이다. 이러한 경향은 캠핑과 함께 패들스포츠가 이루어지며, 모터 보팅과 비교하여 환경오염을 야기 시키지 않고 특히, 수질오염 방지에 기여하기 때문이다. 한국레저협회는 ‘카약인구는 캠핑인구와 매우 높은 상관관계를 가지며 2012년 현재 캠핑인구가 약 100만명 인 것을 고려해 볼 때 가족단위의 레크레이션 카약과 중장거리 투어링 카약의 수요가 증가할 것으로 예상하고 있다’[1].

한편, 미국의 지난 3년 동안 패들스포츠 인구는 19.2 백만 명으로 2010년 6.6%, 2011년 6.8%, 그리고 2010년 6.7% 로 증가 추세에 있다. 이 중 카약킹 인구는 지난 3년간 지속적인 증가 일로(2010년 3.0%, 2011년 3.5%, 2010년 3.6%)에 있으며 현재에는 10.3 백만 명으로 패들스포츠 중에서 가장 인기가 높다. 그리고 카약킹 인구의 특성을 살펴보면 연령은 25-44세(38%) 가장 많고, 인종은 코커시안(80%), 연수입은 100,000 달러이상(35%), 학력은 대학이상(49%)으로 연간 8일 카약킹을 즐긴다. 이렇듯 카약킹 인구는 고소득, 고학력의 젊은 세대 층을 중심으로 증가하고 있어 향후 카약 수요는 국내외적으로 꾸준한 증가 추세를 보일 것이다[2].

그러나 지금까지 국내 패들스포츠 기업 대다수가 OEM생산에 주력해 옴으로써 설계기술의 부족, 자체 모델 개발의 한계에 직면하고 있으며 또한, 동남아, 중국 등이 패들스포츠 시장에 본격적으로 진출함으로써 세계적으로 경쟁 가능한 제품을 확보하는 데는 큰 어려움을 겪고 있는 실정이다.

최근 카약 시장은 가격측면에서 대량생산이 가능한 플라스틱 제품과 인플래터블 제품으로 크게 양분되고 있는 실정이며, 플라스틱 제품을 생산하는 국외 기업들조차 인플래터블 카약이 가지고 있는 월등한 장점을 이용하기 위해 점차적으로 인플래터블 카약 시장에 진출하고 있다. 이러한 인플래터블 카약의 장점은 공기를 주입한 후, 선체를 팽창시켜 이용함으로 무게가 가벼울 뿐만 아니라 공기 배출 후 접어서 이동할 수 있어 인플래터블 제품 시장은 매년 15% 가량 지속적으로 증가하고 있는 추세이다[3].

따라서 우리나라 인플래터블 제품의 지속적인 경쟁력을 확보하기 위해서는 국내에 축적된 인플래터블 카약 제작기술을 기반으로 선체 설계기술 개발을 통해 자체모델을 확보하고 생산자동화 기술개발을 통해 생산성 향상이 필요하다.

국내에서도 우성아이비를 비롯한 2~3개 사에서 전 세계적으로 판매비중이 높은 1~3인승 제품을 대상으로 노(패들)로 추진할 수 있는 패들스포츠 제품을 생산ㆍ판매하고 있으며 특히, 우성아이비는 패들스포츠 제품 제작의 기반 기술을 보유하고 있어 이를 바탕으로 세계 경쟁력이 있는국내제품을 만들기 위하여 1차적으로 2012년 국내 개발품인 인플레터블 카약, RPO-2(우성)와 미국산 플라스틱 카약, KONA(Hobie)의 유체역학적 성능을 비교 분석한 요인을 피드-백하여[4] 2013년 개선된 RPO-2와 기존 KONA 및 새로운 모델 RD- FK-11과 RD-FK-12의 유체역학적 성능을 2차적으로 비교 분석하였다[5]. 그리고 이상의 결과를 종합적으로 평가하여 도출한 개선안을 바탕으로 2014년 프레임 카약(Frame Kayak: Typ1) 1종과 인플래터블 카약 2종(Needle Knife Kayak: Type 2; V-hull Kayak: Type 3)을 개발하였다. 이 연구는 2014년 신 개발된 3종 카약을 공학용 수조와 회류수조를 이용하여 유체역학적 성능을 비교 평가 하고자 한다.

2. 인플래터블 카약 설계

본 연구에 사용한 3종의 인플래터블 카약은 첫 번째 내부 프레임이 있는 카약(frame kayak: Type 1), 두 번째 내부 프레임이 없는 Needle형 카약(needle knife kayak: Type 2), 그리고 세 번째 내부 프레임이 없는 V형 카약(v-hull kayak: Type 3)이다(이하 Type 1, 2, 3으로 명칭 통일함).

2.1 선형설계

본 실험에 사용한 3종 카약에 대한 조선공학적 제계산과 복원성능의 평가를 위하여 3차원의 선체표면(hull sur-face) 설계를 하였으며 Figure 1, 3 과 5는 전면, 측면과 상하면이고 Figure 2, 4 와 6은 3차원 역설계를 통한 형상이다.

Figure 1:

Frame Kayak (Type 1)

Figure 2:

3D Surface Design of Frame Kayak (Type 1)

Figure 3:

Needle Knife Kayak (Type 2)

Figure 4:

3D Surface Design of Needle Knife Kayak (Type 2)

Figure 5:

V-hull Kayak (Type 3)

Figure 6:

3D Surface Design of V-hull Kayak (Type 3)

2.2 유체역학적 제계산

카약 3종에 대한 성능비교를 위해서 3D 선형설계 프로그램인 Maxsurf Hydromax Ver 17.04을 이용하여 기본적인 배수량(△), 부심위치(KB), 침수표면적(wetted surface area, WSA) 등의 유체역학적인 계산을 수행하였고 각각의 카약에 대한 계획만재흘수(design loaded water line, DLWL)에서의 특성값을 계산하였다. 수면에서 카약이 물에 잠긴 최하단까지의 수직거리인 흘수가(draft) 변화될 때, 3종 카약에 대한 흘수별 유체정역학적인 결과치는 각각 Table 1, 2와 3이다.

Table 1:

Hydrostatic calculations – Draft: 67.1 ~ 131.8mm (Type1)

Table 2:

Hydrostatic calculations – Draft: 57.6 ~ 138.7mm (Type 2)

Table 3:

Hydrostatic calculations – Draft: 85.1 ~ 151.4mm (Type 3)

2.3 복원성 계산

카약 3종의 실선 무게에 성인 1인(약 80kg)을 포함한 무게를 기준으로 하여 복원성능을 평가하였으며, 복원성능 질량표는 Table 4이다. 그리고 유체역학적 제계산 및 복원성 계산을 통해서 최대 경사각 30도에 대한 복원팔(GZ, Righting Lever)의 최대복원팔(Max GZ)은 Type 3이 가장 크고 Type 1, Type 2순으로 Figure 7과 같으며 카약 종류별 최대복원팔과 경사각은 Type 1이 132.6mm(43.6도), Type 2가 96.1mm (33.6도), Type 3이 140.1mm(39.1도)로 나타났다.

Table 4:

The mass table of recovery capacity

Figure 7:

Comparison of righting levers

3. 수조 시험

3.1 시험 준비

수조시험을 위하여 3종의 카약에 동일한 공기압 15 Psi를 주입하였다. 시험항목은 경사시험(Inclining test), 선회시험(Turning trial test) 및 저항시험(Resistance test)이고 전술한 순서대로 진행하였으며 실선에 대한 시험인 경사시험과 선회시험은 Figure 8과 같은 해양공학수조에서 수행되어졌다.

저항시험의 경우 시험의 환경에 맞추어 모형선을 축소 제작한 후 Figure 9와 같은 회류수조에서 시험을 수행하였다.

Figure 8:

Photograph of Ocean Engineering Basin ((Ki (2012) [4] with Permission)

Figure 9:

A photograph of circulating water channel (Ki (2012) [4] with Permission)

3.3 선회시험

카약 3종의 선회반경 시험을 위하여 우선 각각의 카약의 실선의 무게에 성인남자(80kg) 한 명이 탑승 시를 기준으로 하여 선회반경 시험을 수행하였다.

카약에는 자체 방향타가 없으므로 방향타를 자체 제작하고, 방향타의 선회각도는 25도 동일하게 적용한 후, 선회반경에 대한 캘리브레이션은 Figure 10과 같이 실시하였다.

Figure 10:

Calibration for each turning trial

3.4 저항시험

카약 3종의 저항성능 검증을 위하여 Table 5와 같은 제원의 회류수조에서 모형선을 이용하여 시험하였다. 3종의 모형선은 실측선형을 바탕으로 일반적으로 사용되는 FRP를 이용하여 제작하고 축척비는 Type 1이 ⋋= 4.558, Type 2가 ⋋= 4.558, Type 3이 ⋋= 4.558로 축소하였고 Figure 11, 12 and 13과 같이 제작하였다.

Table 5:

Specification of circulating water channel

Figure 11:

The reduced scale model ship (frame kayak, Type 1)

Figure 12:

The reduced scale model ship (needle knife kayak, Type 2)

Figure 13:

The reduced scale model ship (v-hull kayak, Type 3)

모형선은 주요제원에 나와 있는 바와 같이 목표 하중 상태일 때에 흘수를 조절(Design Load)하여 설치 및 실험을 실시하였다. 또한 시험대상 실선의 설계속도(Design speed)는 5.0 노트를 포함한 2 – 7 knot에서 Figure 14(예, Type 1의 5.0 knot)와 같은 회류수조에서 저항시험이 수행되었다.

카약의 저항성능해석은 Froude의 상사법칙에 따른 선속으로 수행되었으며, 다음과 같은 ITTC 1978해석법을 근간으로 한 2차원법을 적용하였다.

$\[ \begin{array}{c}{C}_{TS}=C_{FS}+C_R+C_A+C_{AA}\hfill \\ C_A=\left[105{\left(k_s/L_{WL}\right)}^{1/3}-0.64\right]\times {10}^{-3}\hfill \\ \text{Hull roughness}:k_s=150\mu m\hfill \\ C_{AA}=0.001\times \left(A_T/S\right)\hfill \end{array} \]$

그리고 트림(Trim) 및 침하량(Sinkage)은 무차원화하여 나타내고 다음과 같이 산출하였다.

$\[ \begin{array}{c}\mathit{T}=(\mathit{dA}-\mathit{dF})\times \frac{2\mathit{g}}{{\mathit{U}}^2}\hfill \\ \mathit{S}=(\frac{\mathit{dA}+\mathit{dF}}{2})\times \frac{2\mathit{g}}{{\mathit{U}}^2}\hfill \end{array} \]$

Figure 14:

Photographs of resistance test (frame kayak, Type 1) : 5.0 knots

4. 수조시험결과 및 분석

4.1 경사시험결과

유체정역학에서 추를 포함한 실선에서 계산된 선저에서 부력중심까지의 변위(KB'), 부력중심에서 메타센터까지의 변위(B'M'), 무게중심에서 메타센터까지의 변위(G'M')와 선저에서 무게중심까지의 변위(KG')의 값을 바탕으로 실제 제작된 카약 3종의 최종 횡방향 무게중심(kG)의 결과치는 Table 6과 같다. 목표배수량 시에 무게중심(KG)는 Type 1(0.278m)이 가장 크고, Type 3(0.261m), Type 2(0.128m) 순으로 나타나 튜브의 두께가 두꺼울수록 선저에서부터 무게추가 위쪽으로 올라가 무게중심이 상승하는 효과를 보이는 것으로 판단된다.

Table 6:

Inclining Experiment Results

4.2 선회시험결과

카약의 조종성(Maneuverability)에 영향을 주는 선회 성능은 최소 타각도에 대해서 작은 선회반경을 가지는 것이 조종성이 좋은 것으로 평가 하며 3종의 카약 종류에 따른 선회반경의 패턴은 Figure 16과 같다. 선회반경 패턴은 Type 3이 약간 우수하게 나타나고 Type 2는 전반적으로 표류(Drift)가 발생하는 경향을 보였다. 이는 Type 2 카약의 선저(Hull Bottom)가 평평한 형태로 인하여 선회 시에 미끄러짐이 발생되어졌을 것으로 판단되어 진다.

Figure 15:

Curves of turning performance (mm)

4.3 저항시험결과

카약 3종의 모형선의 저항시험을 수행한 결과, 5 , 6, 7 노트에서의 저항계수는 Table 7과 같고 특히, 설계속도 5 노트에서 저항계수(CTS)는 Type 2가장 크고 Type 3, Type 1 순으로 나타나 Type 1이 저항면에서 가장 우수하게 나타났다. 그리고 저항계수 패턴은 Figure 16과 같으며 Type 2의 저항계수는 선속도가 증가할수록(약 5 노트까지) 민감하게 증가하였으나 Type 3의 저항계수는 선속도 변화에 관계없이 Type 1보다 크게 나타났으며 유사한 패턴을 보였다.

Figure 16:

Curves of turning performance (mm)

각각 실선 5, 6, 7 노트일 때의 유효마력은(EHP)은 Table 7과 같으며 모형선-실선 성능추정법을 통하여 설계속도(Design Speed) 5 노트일 때의 전체저항은 Type 1, 2, 3에 대해서 각각 72N, 71N, 93N이므로 Type 2이 가장 작게 나타났으며 Type 1보다 1.4%, Type 3보다 23.7% 저항성능이 우수하게 나타났다(Table 7). 그리고 Type 1과 Type 2는 속도변화에 관계없이 유사한 유효마력 패턴을 보였으며 Type 3가 4 노트 기점으로 다른 Type보다 유효마력의 증가 기울기가 크게 나타나 속도변화에 민감함을 알 수 있었다(Figure 17).

Figure 17:

Curves of EHP

Table 7:

Resistance performance

카약 3종의 속도에 대한 침하량(Sinkage)은 5 노트에서 Type 2, 6 노트에서 Type 3, 7 노트에서 Type 2가 가장 크게 나타났으며 특히, 설계속도 5 노트에서 침하량은 Type 1이 가장 크고 Type 3, Type 2 순이며 모두 음수를 보였다(Table 8). Type 1은 속도가 증가할수록 침하량의 변화가 완만한 반면 Type 3와 Type 2는 5 노트에서 유사하고 6 노트와 7 노트는 반대 패턴을 보였다. 그리고 속도가 증가할수록(5노트 - 7노트) 침하량이 모두 음수로 나타나 수면 위로 상승하지 못하고 침하현상을 보이는 것으로 활주가 일어나지 않음을 반영한 것이다(Figure 18).

카약 3종의 트림(Trim)은 5 노트에서 Type 2가 6 노트와 7 노트에서 Type 3가 가장 크고(Table 8), 속도가 증가할수록 모든 카약의 트림은 유사한 패턴을 보였으며 공통적으로 6 노트에서 최소값을 보였다(Figure 18). 그리고 설계속도 5 노트에서 트림은 Type 2가 가장 크고 Type 3, Type1 순으로 나타나며 모두 음수를 보였다(Table 8). 이는 선수 흘수가 더 크게 나타나 선미 하강 보다 선수 상승이 더 큰 자세를 반영한 것이다.

Table 8:

Sinkage and trim

Figure 18:

Curves of sinkage and trim

5. 결 론

3종의 인플래터블 카약(frame kayak, needle knife kayak, v-hull kayak)에 대한 복원성, 경사시험, 선회시험과 수조모형시험을 통한 유체성능의 결과 요약 및 결론은 다음과 같다.

첫째, 3종 카약의 최대 경사각(30도)에 대한 복원팔은 94.4mm(needle knife kayak), 119mm(frame kayak), 그리고 132.4mm(v-hull kayak)으로 나타나, 복원성면에서 v-hull Kayak이 가장 유리한 것으로 판단된다.

둘째, 3종 카약의 목표속도(5 knot)에 대한 저항은 71N (needle knife kayak), 72N(frame kayak), 그리고 93N (v-hull kayak)으로 나타나, needle knife kayak의 저항성능이 가장 유리하다고 판단된다.

셋째, 3종 카약의 목표배수량 시에 무게중심(KG)은 0.278m(frame kayak), 0.128m(needle knife kayak), 그리고 0.261m(v-hull kayak)으로 나타나, needle knife kayak의 무게중심이 가장 유리하다고 판단된다.

넷째, 3종 카약의 동일한 방향타 25도에 대한 선회반경은 서로 유사하게 나타났으며 v-hull kayak이 약간 작게 나타나 선회 시 유리하다고 판단된다. 그리고 needle knife kayak은 전반적으로 밀림(draft)이 발생하였다.

결론적으로 v-hull kayak은 복원성과 선회성면에서 nee-dle knife kayak은 무게중심과 저항성면에서 우수하다고 판단된다.

Acknowledgments

이 연구는 2011년도 문화체육관광부의 스포츠산업기술개발 사업에 의거 국민체육진흥공단의 국민체육진흥기금 지원비에 의해 수행되었음.

References

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