저항 성능 추정

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.

에너지 절감 장치는 부가물·로터세일 등으로 추진효율을 높입니다.
파랑 중 부가저항 예측·저감은 파도 속에서 늘어나는 저항을 정확히 예측하고 줄입니다.
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

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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

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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

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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.

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

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.

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.

regular-to-irregular-added-resistance-design-comparison.png

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.

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.

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.