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저항 성능 추정

개요

저항 성능 추정

선박 성능은 전통적으로 파도가 없는 정수(calm-sea) 조건에서 평가되지만, 배가 실제로 다니는 바다에는 늘 바람과 파도가 있습니다. 우리는 CFD로 선박의 저항·추진 성능을 정밀하게 추정하고, 실해역에서의 연비와 배출을 개선하는 연구를 수행합니다.

실해역 저항과 추진 성능은 연료 소모와 온실가스 배출을 직접 좌우합니다. 강화되는 배출 규제(IMO EEDI·CII) 속에서 실해역(in-service) 성능을 제대로 다루려면, 성능을 정확히 추정하는 것과 그 성능을 개선하는 것을 함께 연구해야 합니다.

연구는 세 방향으로 진행됩니다. 

  1. 에너지 절감 장치는 부가물·로터세일 등으로 추진효율을 높입니다.

  2. 파랑 중 부가저항 예측·저감은 파도 속에서 늘어나는 저항을 정확히 예측하고 줄입니다.

  3. 로터세일은 바람을 보조 추진력으로 활용해 연료를 절감합니다.

실해역 성능
추진효율
CO₂ 배출 저감
​SUBTOPIC 01
에너지 절감 장치

01

Pre-swirl 부가물, Flow Control Fin, 로터세일 등 에너지 절감 장치를 CFD로 해석·최적화해 추진효율을 높이고 연료 소모를 줄입니다.

​Energy Saving Device
​추진 효율
​SUBTOPIC 02
파랑 중 부가저항 예측·저감

02

자유수면 CFD로 규칙파·불규칙파 중 부가저항을 예측하고, 선형·부가물 최적화로실해역 연비를 개선합니다.

Free-surface CFD
​실해역 연비
​SUBTOPIC 03
로터세일

03

회전하는 원통의 마그누스 효과로 바람을 보조 추진력으로 바꾸는 풍력 보조추진 장치를, CFD로 공력 성능과 선체 간섭까지 통합 평가합니다.

Magnus 효과
풍력 보조추진

에너지 절감 장치

​이미 만든 배도 더 효율적으로

선박은 건조된 뒤에도 부가물이나 보조추진 장치를 더해 추진효율을 개선할 수 있습니다. 신조선뿐 아니라 운항 중인 선박의 실해역 연비까지 곧바로 끌어올릴 수 있는 것이 핵심입니다.

강화되는 IMO 온실가스 규제 속에서, 에너지 절감 장치(ESD)는 가장 빠르게 적용 가능한 감축 수단으로 주목받고 있습니다. ESD는 특정한 하나의 장치가 아니라, 프로펠러 주위의 유동을 정돈하는 부가물부터 선체 전반의 저항을 줄이거나 바람을 직접 추진력으로 바꾸는 장치까지 — 같은 속도를 더 적은 에너지로 내기 위한 다양한 방법을 폭넓게 아우릅니다.

설치 위치와 작동 원리가 제각각인 만큼 종류도 여럿이며, 각 장치가 어디에 붙어 무엇을 개선하는지에 따라 나뉩니다. 구체적인 분류는 다음 장에서 다룹니다.

우리는 이러한 장치들을 CFD로 해석·최적화해 추진효율을 끌어올리는 연구를 수행하며, 특히 프로펠러 전방에 예선회 유동을 만들어 반류를 개선하는 Pre-swirl 유동제어핀(FCF)을 주 대상으로 합니다.

​선체에 더하는 모든 것이 ESD

​에너지 절감 장치(ESD)는 선체나 프로펠러 주위에 부착해 추진효율을 높이는 모든 부가물을 크게 아우릅니다.

크게 프로펠러 기준 설치 위치에 따른 분류와, 선체 전반에 적용하는 부착형 장치로 나눌 수 있습니다. 

1. 프로펠러 기준 설치 위치별 분류 - Carlton은 프로펠러 인근 ESD를 설치 위치에 따라 세 가지로 구분했습니다. 

IN-PLANE
​프로펠러 면 내부

프로펠러 회전면 안에서 유동을 직접 제어합니다. 

​PRE-SWIRL
​프로펠러 전방

​프로펠러 상류에 예선회 유동을 만들어 프로펠러 회전으로 잃는 에너지를 회수합니다. 

POST-SWIRL
​프로펠러 후방

​프로펠러 하류에서 잔류 회전류에 남은 에너지를 회수합니다. 

esd-propeller-location-overview.png

2. 선체 부착형 장치 - 프로펠러 주위 외에도, 선체 전반에 적용해 저항을 줄이거나 별도의 추진력을 얻는 장치 역시 넓은 의미의 ESD입니다. 

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​유동을 정돈하고, 바람을 추진력으로 

프로펠러 전방 유동을 다듬는 부가물부터 마그누스 효과로 바람을 추진력으로 바꾸는 로터세일까지, ESD는 작동 원리가 제각각입니다. 이러한 장치의 성능은 유동장을 직접 들여다볼 수 있는 CFD 해석으로 정량 평가하는 것이 일반적입니다.

PRE-SWIRL
Pre-swirl 부가물

프로펠러 전방에 예선회 유동을 만들어 반류를 개선하고 추진효율을 높입니다.

FLOW CONTROL FIN
Flow Control Fin

선미 부가물의 위치·받음각을 최적화해 프로펠러 유입류를 정돈합니다.

ROTOR SAIL
​로터세일 

회전하는 원통의 마그누스 효과로 바람을 추진력으로 전환하는 풍력 보조추진 장치입니다.

같은 속도를 더 적은 연료로

유동을 정돈해 프로펠러 성능을 끌어올리거나 바람을 추진력으로 활용하면, 같은 속도를 더 적은 연료로 달성할 수 있습니다. 이는 곧 실해역 연비 개선과 배출 저감으로 이어집니다.

01
반류 개선

프로펠러 유입류를 정돈해 추진효율을 높입니다.

02
풍력 활용

바람을 보조 추진력으로 전환해 연료를 절감합니다.

03
레트로핏 적용

운항 중인 선박에도 부착해 즉시 효과를 얻습니다.

관련 논문·프로젝트

관련 논문

Title

A Numerical Analysis of the Propulsion Efficiency Improvement Effect of Pre-Swirl Flow Control Fins (FCF)

Authors

Kim, H., Hwangbo, S. M. & Lee, I. 

Conference

Results in Engineering, 29, 109205

DOI

Title

Transfer Learning with Deep Neural Network toward the Prediction of Wake Flow Characteristics of Containerships

Authors

Lee, M-K. & Lee, I.

Conference

Journal of Marine Science and Engineering, 11(10), 1898

DOI

관련 프로젝트

Institution

방오도료별 마찰저항 성능평가 평판 수조시험

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KCC

Period

2025.08–2025.10

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고효율 선형/부가물 개발 및 난류제어를 통한 에너지 효율 향상기술

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한국연구재단

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2017.03–2021.02

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한국산업기술평가관리원

Period

2016.12–2020.11

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Molecular Tagging LIF 기법 기반 마찰저항 저감 고분자 신소재 성능최적화

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한국연구재단

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2015.11–2018.10

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차도선 미세기포 저항저감장치 개발을 위한 모형시험

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중소조선연구원

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2014.02–2014.04

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STX 공기윤활선 개발

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STX조선해양

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2012.07–2014.06

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2011.09–2017.02

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자기마모형(SPC) 수지기반 마찰저항 저감형 방오도료 개발

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한국산업기술평가관리원

Period

2010.12–2014.11

파랑 중 부가저항

​정수에서 설계하고, 파도 속을 항해한다

파도 속을 항해하는 배는 정수 상태보다 더 큰 저항을 받습니다. 이 차이가 파랑 중 부가저항(added resistance in waves)이며, 실해역 연비와 배출을 좌우하는 핵심 요소입니다.

부가저항은 단순하지 않습니다. 최신 CFD 연구들은 부가저항이 파고의 제곱이 아니라 대략 1.75승에 가깝게 증가하고, 파장 대 선체길이 비가 저항 증가 양상을 크게 좌우한다는 점을 보여줍니다. 즉 실해역 성능을 제대로 알려면 다양한 파장·해상 상태를 폭넓게 다뤄야 합니다.

우리는 자유수면 CFD(RANS)로 규칙파·불규칙파 중 부가저항을 정밀하게 예측하고, 모형시험(EFD) 결과와 비교·검증합니다. 나아가 선형·부가물 최적화로 부가저항 자체를 줄이는 데까지 연구를 넓힙니다.

규칙파에서 실해역까지 이어 붙인다

파장별 규칙파 응답을 계산하고, 이를 해상 스펙트럼과 결합해 불규칙파 성능으로 확장한 뒤, 형상 최적화로 부가저항을 낮춥니다.

REGULAR
​규칙파 해석

파장을 바꿔가며 규칙파 중 부가저항을 계산해 파장별 응답(RAO)을 파악합니다.

IRREGULAR
​불규칙파 파장

규칙파 결과를 해상 스펙트럼과 결합해 실제 바다에 가까운 불규칙파 부가저항으로 확장합니다. 

RUDUCE
​저감 설계

선수·선미 형상과 부가물을 최적화해 파랑 중 부가저항을 낮추고 모형시험으로 검증합니다. 

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정확한 예측이 실질적 연비 개선으로

규칙파 해석에서 실해역 평가까지 이어지는 흐름은, 정확한 예측을 그대로 연료·CO₂ 절감으로 연결합니다.

01
규칙파 해석

파장을 바꿔가며 규칙파 중 부가저항을 계산해 파장별 응답을 파악합니다.

02
불규칙파 확장

규칙파 결과를 해상 스펙트럼과 결합해 불규칙파 중 부가저항으로 확장합니다.

03
저감 설계

선수·선미 형상과 부가물을 최적화해 파랑 중 부가저항을 낮춥니다.

04
실해역 평가

실제 항로의 해상 상태 확률과 결합해 연료·CO₂ 절감을 검증합니다.

정확한 예측 — 중첩격자·수렴 기준을 정교하게 설정해 실험 결과와 잘 일치하는 부가저항 예측을 확보합니다.

실질적 연비 개선 — 정수뿐 아니라 실제 파도 조건의 일일연료소모량(DFOC)을 줄여, 그대로 CO₂ 배출 저감으로 이어집니다.

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Institution

1120TEU 컨테이너선 저항추진성능 모형시험 (EEDI)

Title

씨스타

Period

2024.04–2024.12

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Twin Skeg 여객선 저항추진성능 수조모형시험 (EEXI)

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유니온테크

Period

2023.03–2023.05

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중형선박의 실운항 기준 CO₂(DFOC) 저감 기술개발

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한국산업기술평가관리원

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2019.10–2021.12

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6.5k COT 저항추진성능 모형시험 (EEDI 적용)

Title

아세아선박설계

Period

2017.02–2017.04

관련 논문

Title

Prediction of Added Resistance in Regular and Irregular Head Waves for a 1800 TEU Container Ship using CFD

Authors

Park, Y., Choi, J-E., Yu, J-W. & Lee, I. 

Conference

Ocean Engineering, 342, 122991

DOI

로터세일

바람을, 다시 추진력으로

로터세일은 갑판에 세운 원통을 회전시켜 마그누스(Magnus) 효과로 바람을 추진력으로 바꾸는 풍력 보조추진 장치(WAPS)입니다. 주기관 부하를 덜어 연료와 배출을 직접 줄입니다.

로터세일은 약 100년 전 플레트너(Flettner) 로터에서 출발했지만, 강화되는 IMO 온실가스 규제(EEDI·CII) 속에서 운항 중인 선박에도 곧바로 부착할 수 있는 감축 수단으로 다시 주목받고 있습니다. 회전하는 원통 표면이 주위 공기를 끌고 돌면서, 가로바람에 대해 진행 방향의 추력 성분을 갖는 양력을 만들어냅니다.

성능은 겉보기 풍향·풍속과 원통 회전수(스핀비, spin ratio)에 민감하고, 여러 기가 함께 설 때의 세일 간 간섭, 선체 상부구조와의 공력 간섭, 나아가 추력이 유발하는 표류·타각 변화까지 얽혀 있어 단순 계산으로는 성능을 가늠하기 어렵습니다.

우리는 회전 원통의 공력 성능을 CFD로 해석하고, 세일 배치·상호간섭과 선체 추진성능을 통합적으로 평가해 실해역 연료 절감량을 추정합니다. 이는 기존 풍력 보조추진(윙세일·세일링 요트 세일력) 연구 경험을 로터세일로 확장한 것입니다.

회전하는 원통, 그 공력을 읽는다

회전 원통의 공력을 CFD로 해석하고, 다중 세일의 상호간섭과 선체 추진성능을 결합해 실해역 성능으로 확장합니다.

MAGNUS
마그누스 원리

회전 원통이 만드는 양력과 스핀비(원통 표면속도/풍속)의 관계를 규명해 풍황별 최적 회전수를 찾습니다.

CFD
공력 성능 해석

회전벽 경계(MRF·슬라이딩 메시)로 로터 주위 유동을 해석해 겉보기 풍향·풍속별 추력·항력 계수를 산출합니다.

INTERACTION
간섭·통합 평가

세일 간·세일-상부구조 공력 간섭과 표류·타각을 반영해 선체 추진성능과 통합 평가합니다.

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바람이 부는 만큼, 연료를 아낀다

겉보기 바람을 추력으로 바꾸면 주기관 부하가 줄고, 그만큼 연료와 CO₂ 배출이 줄어듭니다. 항로의 바람 확률과 결합하면 실해역 절감량을 추정할 수 있습니다.

01
추력 생성

마그누스 효과로 가로바람을 진행 방향 추력으로 전환합니다.

02
엔진 부하 저감

필요한 주기관 출력을 낮춰 연료 소모를 줄입니다.

03
레트로핏 적용

갑판에 세워 운항 중인 선박에도 즉시 적용합니다.

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Title

Power Saving Effect of Roller Wing Sail for Wind-Assisted Ship Propulsion

Authors

Yu, J-W., Ernesto, V. L. A.  and Lee, I.

Conference

ransportation Research Part D: Transport and Environment, submitted(보류)

DOI

Title

Authors

해양레저 분야 복합소재 적용 연구 소개 : 33피트급 아메리카스컵 훈련용 CFRP 세일링 요트 개발

서형석, 장호윤, 이인원, 최홍섭 

Conference

Composites Research, 28(1), 15–21

DOI

Title

30ft급 쌍동형 세일링 요트의 선체 유체력 계측에 의한 세일력 추정방법에 관한 연구

Authors

장호윤, 박충환, 김헌우, 이병성, 이인원

Conference

대한조선학회논문집, 47(4), 477–483

DOI

관련 프로젝트

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연구실_로고_흰색_투명.png

Lab. of Ship Resistance & Performance, Dept. Naval Architecture and Ocean Engineering Pusan Nation University

Professor : In-won Lee · Tel : +82-51-510-2768

Adress : 2, Busandaehak-ro 63beon-gil, Geumjeong-gu, Busan, Republic of Korea

 

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