Hydrodynamic evaluation for developing the inflatable kayak

2.1 선형설계

본 실험에 사용한 2대의 카약 모델은 기 연구된 RPO-2 평가[5]에서 제기된 문제점을 해결하기 위하여 시제품을 제작하여 수차례의 현장 테스트를 거치고 전문가 집단의 의견을 수렴하여 설계 변경된 후속 모델이다. 두 가지 형태의 카약에 대하여 유체정역학적 제계산과 복원성능의 평가를 위하여 RD-FK-11과 RD-FK-12의 역설계를 통하여 3차원 형상 설계하였으며 Figure 1 과 Figure 2에 도시하였다. 이에 대하여 각각의 명칭을 부여하였으며 첫 번째 카약은 내부 프레임이 있는 카약(R&D Frame Kayak 11^th, 약칭 RD-FK-11)이며, 두 번째 카약은 내부 프레임이 없는 카약(R&D Frame Kayak 12^th, 약칭 RD-FK-12)이다.

Figure 1:

R&D Frame Kayak 11th(RD-FK-11)

Figure 2:

R&D Frame Kayak 12th(RD-FK-12)

Table 1:

Hydrostatic Calculations – Draft: 87.6 ~ 131.6mm(RD-FK-11)

2.2 유체정역학 제계산

탑승자 1인의 중량 및 선체의 무게(116kg)에 대한 배수량 기준을 마련하기 위한 유체역학적인 계산을 수행하였다. RD-FK-11과 RD-Fk-12에 대한 성능비교를 위해서 기본적인 배수량(△), 부심위치(KB), 침수표면적(WSA) 등의 유체역학적인 계산을 3D 선형설계 프로그램인 Maxsurf Hydromax Ver 17.04을 이용하여 각각의 카약에 대한 계획만재흘수(DLWL)에서의 특성 값을 계산하였다. 또한 흘수별로 변화될 때에 RD-FK-11에 대한 흘수별 유체정역학적인 결과치는 Table 1에 RD-FK-12에 대한 결과치는 Table 2에 나타내었다.

2.3 복원성 계산

복원성능평가를 위해 적용된 기준은 동일 배수량(116kg) 일 때를 기준으로(성인 1명,80 kg; 카약 36 kg)하여 두 개의 카약에 대한 복원성능을 평가하였으며, 116kg에 대해서 RD-FK-11은 흘수가 93.5mm 이며, RD-FK-12는 흘수가 77.5mm가 된다. 그리고 연직 상방향 VCG(Vertical center of gravity)는 두 개의 카약을 동일하게 선체의 Baseline에서 200mm 위쪽으로 중심을 적용하였다

기존의 3차원 형상자료 중에 유체역학적인 계산 부분인 선체 하부에 대한 Surface를 재생산하였으며, 선수와 선미 부분을 최대한 단순화하여 설계를 하였다. 선수와 선미의 단순화로 인해서 Hydrostatics의 변화는 약간 발생할 수 있으나 부력을 가장 많이 차지하는 부분인 중앙에서부터 선체 길이의 약 80~95% 까지는 설계도와 정확히 일치하게 Surface를 생산하였으며, 선수와 선미의 부분에서의 단순화로 인해서 약 1~2% 내외의 결과값의 오차가 발생할 수 있을 것으로 판단된다. 이는 유체정역학 제계산 수행 시에 통상적으로 발생될 수 있는 오차범위임을 밝힌다.

3.1 시험준비

시험을 위하여 RD-FK-11과 RD-FK-12 카약에 주입한 공기의 압력은 RPO-2와 동일한 15 Psi로 유지하였다. 시험항목으로는 경사시험(Inclining test), 선회시험(Turning trial test) 및 저항시험(Resistance test) 순서로 진행되어졌으며, 실선에 대한 시험인 경사시험과 선회시험은 해양공학수조에서 수행되어졌다. 해양공학수조에 전경은 Figure 3에 나타내었다. 또한 저항시험의 경우 시험의 환경에 맞추어 모형선을 축소 후, 제작하여 회류수조에서 시험을 수행하였으며, 회류수조 전경은 Figure 4에 나타내었다.

Table 2:

Hydrostatic Calculations – Draft: 71.5 ~ 117.5mm(RD-FK-12)

Figure 3:

Photograph of Ocean Engineering Basin(From Ki, 2012, with permission)

3.2 경사시험

동일배수량(116kg)에 대한 RD-FK-11과 RD - FK-12 카약의 연직방향 무게중심(KG, Vertical center of gravity)값을 계산하기 위해서 선체를 포함한 무게를 배수량에 맞추었으며, 수면과 카약의 건현을 평행하게 만들기 위해 무게를 배분하였다. 경사각을 고려하여 무게는 12.3kg으로 하였으며, 선체의 폭을 고려하여 횡방향으로 30cm 이동하였을 때에 기울어지는 각도를 계측하여 연직방향의 무게중심을 추정하였다.

Figure 4:

Photograph of Circulating Water Channel (From Ki, 2012, with permission)

3.3 선회시험

각각의 RD-FK-11과 RD-FK-12에 대한 선회반경을 시험하였으며, 우선 두 카약의 무게(31.4kg)를 동일하게 맞추었고 성인남자(80kg) 한명이 탔을 때를 기준으로 하여 시험을 수행하였다. 이때 방향타는 동일하게 적용하였으며, 시험을 수행하기 위해서 따로 제작하여 방향타의 각도는 25도로 선정하였으며, 선회반경에 대한 캘리브레이션은 Figure 5와 같이 실시하였다.

Figure 5:

Calibration for Each Turning Trial

3.4 저항시험

RD-FK-11 카약(RD-FK-12 모델은 추가 연구계획외의 추가모델로 제외함)에 대한 저항시험은 푸르드(Froude)의 역학적 상사법칙에 따른 선속으로 수행되었으며, 해석방법은 1978 ITTC해석법을 근간으로 한 2차원법을 적용하였다. 또한 트림(Trim) 및 침하량(Sinkage)은 무차원화하여 나타내었다. 해석 방법, 트림 및 침하량을 요약하면 다음과 같다.

C_TS = C_FS + C_R + C_A + C_AA

C_A = [105(k_s / L_WL)^1/3 - 0.64] × 10^-3

Hull roughness : k_s = 150μm

C_AA = 0.001 × (A_T/ S)

(단, 여기서 C_TS : 총저항계수, C_FS : 마찰저항계수(ITTC 1957 곡선), C_R: 잉여저항계수, C_A : 모형선 - 실선상관수정계수(1978 ITTC 해석법), C_AA: 실선 공기저항계수, A_T: 흘수 위 가로투영면적, S: 침수 표면적, L_WL: 수선길이)

(단, 여기서 T: 트림 무차원계수, S: 침하량 무차원계수, dA: 선미침하량, dF: 선수침하량, U: 선속, g: 중력가속도)

RD-FK-11의 저항성능 검증을 위한 회류수조 모형시험을 위하여 RD-FK-11의 선형의 모형을 제작, 중소조선연구원 회류수조 시험 연구동에서 일련의 모형 시험을 거쳐 저항 성능을 추정하였으며 회류수조에 대한 제원은 Table 3과 같고 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 6.0knot 로서 설계속도의 전후 경우의 속도를 산정하여 시험을 수행하였다. 그리고 회류 수조에서의 저항시험은 Figure 6과 같이 수행하였다.

Table 3:

Specification of Circulating Water Channel

또한, 카약의 저항성능해석은 ITTC 해석법을 근간으로 한 2차원법을 적용하였으며 실측 선형을 바탕으로 모형선은 일반적으로 사용되는 FRP를 이용하여 RD-FK-11은 축척비 λ= 4.558 로 축소 후 제작하였으며 모형선의 모양은 Figure 7에 나타내었다.

Figure 6:

Photographs of Resistance Test (RD-FK-11) : 6.0 knots

Figure 7:

Reduced scale model

4.1 경사시험결과

조선공학적 제계산 및 복원성 계산을 통해서 최대 경사각(30도)에 대한 복원팔(GZ, Righting Lever)은 Figure 8과 같이 RD-FK-11이 RD-FK-12에 비해 목표배수량(116kg)에 대해 14.93% 정도의 복원성이 좋은 것으로 판단되며 동일배수량 시에 KONA, RPO-2, RD-FK-11와 RD-FK-12의 복원성을 평가한 결과 KONA가 제일 복원성이 좋았으며 RD-FK-12가 복원성이 제일 좋지 못한 것으로 나타났다. 그리고 무게중심은 Table 4와 같이 RD-FK-11 > KONA > RPO-2 > RD-FK-12 순으로 나타났다.

Figure 8:

Comparison of righting lever

Table 4:

Inclining Experiment Results

4.2 선회시험결과

카약의 조종성에 영향을 미치는 4가지의 카약에 대한 선회시험결과는 Figure 9와 같고, 동일한 방향타 25도에 대해서 RD-FK-12가 다른 카약에 비해 선회반경이 가장 작게 나타나고 Hobie KONA과 RD-FK-11은 선회반경이 크며, 이 두 카약이 전반적으로 밀림이 발생하는 경향을 보였다.

Figure 9:

Curves of Turning Performance (mm)

4.3 저항시험결과

저항계수를 비교한 결과 Figure 10과 같이 KONA > RPO-2 > RD-FK-11 순으로 저항이 나타났으며 RD-FK-11의 전체저항계수는 기존의 KONA와 RPO-2와 비교하였을 때에 약 39.62%와 약 19.36%가 개선되었다. 그리고 저항추정법을 통하여 추정된 유효마력(EHP)은 Figure 11에 나타내었으며, 설계 속도 6knot에서 KONA > RPO-2 > RD-FK-11 순으로 나타나 RD-FK-11이 가장 추진성이 좋음을 시사하며 각각 0.975hp, 0.769hp와 0.540hp로 나타났다.

Figure 10:

Curves of Resistance Coefficient

Figure 11:

Curves of EHP

Figure 12와 같이 설계속도 6knot인 푸르드수(Froude number)에서 침하량(Sinkage)은 RP0-2만이 양수 0.520을 보인 반면 KONA와 RD-FK-11은 거의 유사한 음수를 보였다. 이는 속도가 증가할수록 수면 위로 올라가려는 현상인 활주가 시작되는데 6knot부근에서 RPO-2는 활주를 시작하나 KONA와 RD-FK-11는 7knot에도 음수를 유지하고 있어 수면 위를 상승하지 못하는 것으로 생각된다.

그리고 6knot에서, 트림각은 RD-FK-11 > KONA > RPO-2 순으로 선수의 상승이 나타나며 속도가 증가하여도 동일한 경향을 나타냈다. 이것은 선미의 하강보다 선수의 상승이 큼을 알 수 있다.

Figure 12:

Curves of Sinkage & Trim