수중글라이더(UG; underwater glider)는 지속적인 해양관측 탐사를 목적으로 개발된 장기운용 가능한 수중로봇이다. 원통형의 일반적인 수중글라이더는 단일 부력엔진과 자세제어기를 통해 추진하기 때문에, 운동조종성능 측면에서 효율적이지 못하다. 본 논문에서는 기존 원통형 수중글라이더의 부력제어 및 운동제어성능을 개선하기 위해 이중부력엔진을 탑재한 가오리 형태의 수중글라이더를 소개한다. CFD(computational fluid dynamics) 해석을 수행하여 설계된 형상의 글라이드 운동에 대한 유체저항성능을 해석한다. 산출한 유체력 계수를 바탕으로 운동 시뮬레이션을 수행하여 운동성능을 비교 분석한다. 가오리 형태의 수중글라이더 소형 축소모델을 제작하고, 제어시스템을 구성하여 기초 성능시험을 수행한다.
실제로 어선에서 사용하고 있는 외끌이 기선저인망어구를 표본 조사하여 Tauti의 비교법칙에 따라 1/35 크기로 축소하여 제작한 그물과 이 그물어구의 천장망과 얾은장에 범포를 부착한 모형그물을 써서 유속의 변화와 얾은장 끝의 전개간격의 변화에 따른 유체저항, 망고 및 망폭을 측정한 결과를 요약하면 다음과 같다. 1. 유체저항은 모형그물에 비해 천장망에 범포를 부착한 그물에서 최대 30% 증가하였고, 얾은장에 범포를 부착한 그물에서 35%증가하였다. 2. 망고는 모형그물에 비해 천장망에 범포를 부착한 그물에서 최대 12% 증가 하였고, 얾은장에 범포를 부착한 그물에서 최대 5.8%감소하였다. 3. 망폭은 모형그물에 비해 천장망에 범포를 부착한 그물에서 최대 4% 감소하였고, 얾은장에 범포를 부착한 그물에서 최대 8.4% 증가하였다. 4. 망구투영면적은 모형그물에 비해 천장망에 범포를 부착한 그물에서 최대 13.6% 증가하였고, 얾은장에 범포를 부착한 그물에서 최대 11.8% 증가하였다.
현재 보편적으로 사용하고 있는 재식성안강망 그물은 본 연구의 제1보에서 그 1/20 크기의 모형어구를 측정.조사한 결과, 몇 가지 흠함이 규명되었으나, 여기서는 그 흠함을 보완하기 위하여 망지배치와 구성을 새로하고, 그 1/20크기의 모형어구를 써서 전개장치를 측정.관찰한 결과를 요약하면 다음과 같다. 1. 새로 설계된 어구의 특징은 (1) 망지배치는 등판.밑판.양 옆판의 앞끝을 재뢰식보다 20%정도 줄이고, 옆구리의 폭을 10%정도 늘였으며, 등판.밑판의 앞쪽 중앙부는 길이의 20%정도까지 만곡되게 사단했다. (2) 뜸줄.발줄의 길이는 망지배치상 재뢰식보다 6%정도 짧게 했다. (3) 그물의 네모서리에서 적당한 성형을 하면서 힘줄을 붙였다. (4) 전개장치의 높이는 재뢰식보다 17%정도 짧게 했으며, 상단에 붙이는 뜸의 부력은 20%정도 크게 했다. (5) 네갈랫줄의 길이는 중앙부의 것을 길게, 상하의 것을 짧게 했다. 2. 이 어구로서 측정한 결과는 (1) 등판.밑판 앞쪽 중앙부의 구김살이 제거되어 상면에서 본 그물 언저리 선이 원활해 졌다. (2) 망구의 전개 높이는 재뢰식보다 3%정도 커졌다. (3) 망구의 전개간격은 재뢰식보다 1.5~1.6배로 커졌다. (4) 유체저항은 재뢰식보다 10~17% 작아졌다
최근의 초대형 컨테이너선들은 점차 거대화되고 있으며, 흘수의 증가로 인한 연안해역 및 항만 등과 같은 저수심 수역에서의 안전항해에 많은 주의가 필요하다. 이러한 저수심 해역을 항행하는 초대형 컨테이너선은 정수중 뿐만 아니라 파랑중에서의 선박 운동 특성을 파악하여야 할 필요가 있다. 저수심 해역에서는 특히 선박의 상하운동에 의한 스쿼트 현상이 안전 항해의 중요한 평가 요소가 될 수 있으며, 수평방향으로 작용하는 파표류력은 선박의 조종성능에 미치는 영향이 매우 크다고 할 수 있다. 본 연구에서는 저수심 해역을 항행하는 초대형 컨테이너선을 대상으로 선박에 수직방향으로 작용하는 파랑강제력과 수평방향으로 작용하는 파표류력에 대하여 전산유체역학에 의한 수치시뮬레이션을 실시하였다. 그 결과 천수역에서 정수중 전저항 값이 큰 폭으로 증가하고 있는 것을 알 수 있었다. 파랑중 단파장 영역보다는 장파장 영역이 될수록 수심과 관계없이 파표류력은 작아지고 있는 모습을 보여주고 있다. 또한 파랑강제력은 천수역에서 다른 수심의 유체력 값에 비해 상당히 크게 작용하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 선체중앙 부분의 파고는 낮아지고 선미쪽 파고는 더욱 높아지는 현상을 파악할 수 있었다.
This paper provides the numerical results for the self-propulsion performance in waves of a car ferry vessel with damage in one of its twin-screw propulsion systems without flooding the engine room. The numerical simulations were carried out according to the Safe Return to Port (SRtP) regulation made by the Lloyd's register, where the regulation requires that damaged passenger ships should have an ability to return to port with a speed of 6 knots in a Beaufort 8 sea condition. For the validation of the present numerical analysis study, the resistance performance and the self-propulsion performance of the car ferry in intact and damaged conditions in calm water were calculated, which showed a satisfactory agreement with the model test results of Korea Research Institute of Ship and Ocean engineering (KRISO). Finally, the numerical simulation of self-propulsion performance in waves of the damaged car ferry ship was carried out for a normal sea state and for a Beaufort 8 sea state, respectively. The estimated average Brake Horse Power (BHP) for keeping the damaged car ferry ship advancing at a speed of 6 knots in a Beaufort 8 sea state reached about 47% of BHP at MCR condition or about 56% of BHP at NCR condition of the engine determined at the design state. In conclusion, it can be noted that the engine power of the damaged car ferry ship in single propulsion condition is sufficient to satisfy the SRtP requirement.
국내 대규모 지진 이후 구조물의 내진에 대한 연구 필요성이 커짐에 따라 행정안전부에서는 기존의 내진설계기준 공통적용사항을 개정하여 국가내진성능 목표치를 상향하였으며 새로 개정된 내진설계기준의 성능목표치에 대한 연구가 필요하게 되었다. 이에 본 논문에서는 실제 노후화된 Test-Bed의 댐 제체와 내부에 매립되어 있는 수압철관과 유체를 여러 변수를 도입하여 3차원 유한요소법으로 모델링 하였으며 수압철관 내부 유체의 동수압으로 인한 거동을 분석하고 개정된 현행 내진설계 기준법에 부합하는 지진파에 대한 댐 제체와 수압철관의 안전성을 확인하였다. 3차원 유한요소해석결과 수압철관의 수충격에 의한 응력변화가 매우 작았으며 이를 통해 지진상황에서 수충격 보다 동수압의 영향이 더 큰 것을 확인할 수 있었다. 동수압이 SPH 형태인 경우 지진동으로 인한 유체의 거동과 응력 발생 위치를 유효하게 나타낼 수 있으며 취약부 분석에 더욱 용이할 것으로 분석되었다. 부식을 고려한 해석결과 수압철관이 제체의 매립되어 있기 때문에 응력 분산의 정도가 작아져 강재 항복응력의 1% 이하로 매우 작은 응력결과를 보였다. 또한 콘크리트 댐 제체의 상류 유입부의 미소 인장균열 발생 가능성이 있으나 수압철관의 응력증가에 큰 영향을 끼치지 않는 것으로 나타났으며 개정된 유효지반가속도의 지진상황에서 안전한 것으로 판단된다.
부산시 선적의 근해안강망 어선에서 사용하고 있는 어구의 1/10, 1/20 모형을 제작하여 흐름이 비교적 빠른 연안에서 전개상태를 측정 및 관찰한 결과는 다음과 같다. 1. 전개장치의 전개높이, 전개간극 등은 네갈랫줄의 상대적 길이에 따라 상당히 다르며, 보편적으로 사용하고 있는 바와 같이 네갈랫줄의 길이를 길게 하고, 맨 위쪽 줄의 길이를 그 보다는 짧게한 방식이 효과적이며, 가장 효과적인 것은 갈랫줄의 길이를 아래로부터 차례로 맨 아랫것 보다 5%, 9%, 4%씩 길게 한 것이 전개 높이, 전개간극, 전개면적 등의 모든 면에서 가장 효과적이었다. 2. 흐름이 빨라지면 등판과 밑판의 평면형상은 뜸줄과 발줄이 아주 심하게 만곡되고, 그물 길이의 2/5 정도까지는 망지가 뒤로 많이 쏠려서 망구에 있어서의 물의 여과를 혼란시켜 어군의 입망을 방해할 것 같고, 또 밑판이 해저의 장애물에 걸렸을 때는 파망의 우려가 크다. 3. 유체저항을 실물어구의 것으로 환산하면 R=29.2$\times$103 v1.65 이라고 표현되고, 이것을 그물의 설계상 구성요소를 고려한 식으로 바꾸면 R=5.9$\times$d/l$\times$abv1.65 이라고 표현된다.
본 연구는 현재 국내에서 사용되는 쌍끌이 중층망 어구어법에서 문제점으로 지적되고 있는 고속예망에서 망고의 제어가 어렵다는 점, 망목에 뜸이 걸려서 파망이 자주 일어나는 점, 네트드럼에 감기는 어구부피가 너무 크다는 점 등의 해결방법으로 무부자 쌍끌이 중층망의 모형실험을 통하여 우리 나라 쌍끌이 중층망에 대한 적용 가능성을 검토하는데 있다. 이를 위하여 850ps급 쌍끌이 기선저인망어선에서 현재 사용되는 실물망을 1/100로 축소 제작한 모형망에서 뜸을 모두 제거하고 끌줄을 양쪽으로 각각 두가닥으로 분리한 후 추를 부착하여 아래끌줄의 길이를 조절함으로써 망고를 제어할 수 있는 무부자 쌍끌이 중층망의 모형어구를 제작하여 회류수조에서 유속에 대한 아래끌줄의 길이에 따른 어구의 전개성능 등을 규명하고 기준형과 비교 분석한 결과를 요약하면 다음과 같다. 1. 유체저항은 무부자망이 기준형보다 약 10∼20%정도 작았으며, 무부자망의 유체저항은 동일유속에서 아래끌줄이 길어짐에 따라 약 1ton씩 증가하였다. 또, 동일유속에서 dL이 10m씩 증가함에 따라 아래끌줄에 작용하는 저항은 약 5%씩 감소하고, 그 반면에 윗 끌줄에 작용하는 저항이 증가하였다. 2. 망고는 직선에 가까운 지수함수적으로 감소하는 경향을 보였으며, 동일유속에서 아래끌줄이 길어짐에 따라 증가하여 로그함수적인 경향을 보였다. 또한, 망고감소율은 무부자망의 경우가 기준형보다 작게 나타났으며, 그 차이는 유속이 증가함에 따라 더욱 커져 dL이 30m인 무부자망을 기준으로 3.0knot일 때 12%, 4.0knot일 때 25%로 나타났다. 3. 망폭은 유속이 증가함에 따라 약 2m 내외로 거의 일정하였으며 무부자망이 기준형보다 크게 나타났다. 4. 망구면적은 유속이 증가함에 따라 지수함수적으로 감소하는 경향을 보였으며, 망구면적의 감소율은 기준형보다 무부자망이 더 작게 나타났다. 여과량은 유속이 증가함에 따라 로그함수적인 경향을 보였으며 기준형이 3.0knot 이상에서 급격히 감소하였지만, 무부자망은 4.0knot까지 증가하였다가 완만하게 감소하였다. 5. dL의 최대적정길이는 망구면적 및 여과량이 최대인 30m일 때이며, 추의 최적위치는 4개의 그물목줄이 연결되는 지점이었다.
SICM (scanning ion conductivity microscopy)은 nanopipette이 시료에 접근하게 되면서 tip에 인가되는 전류값의 변화가 발생하는데, 이를 이용하여 시료의 표면 형상을 측정하는 분석기술이다. 본 연구는 SICM mapping의 기본이 되는 tip과 시료 간의 거리에 의한 전류 반응곡선인 approach curve에 대해 연구한 결과를 담고 있다. Approach curve에 대해 우선 시뮬레이션 해석을 진행하였으며, 이를 기반으로 실험을 병행하여 이 둘 사이의 반응 곡선 차이를 분석하였다. 시뮬레이션 해석을 통해 tip과 시료와의 거리가 tip 내경의 절반 이하로 가까워지면서 current squeezing 효과를 확인할 수 있었다. 하지만, 시뮬레이션에 반영된 단순 이온 통로 감소에 의한 전류밀도 감소는 실제 실험을 통해 측정된 current squeezing 효과에 비해 훨씬 작은 것으로 측정되었다. 이는 나노 스케일의 매우 좁은 통로에서 이온전도도는 확산계수에 의한 단순 Nernst-Einstein 관계를 따르는 것이 아니라, tip과 시료가 만들어 내는 벽면에서의 유체역학적 유동 저항성을 고려하는 것이 추가로 필요할 것으로 보인다. 향후 이러한 SICM 측정은 전기화학 표면 반응성을 분석하는 SECM (scanning electrochemical microscopy) 측정기술과 통합되어 SECM 측정 한계를 보완될 수 있을 것으로 기대된다. 그렇게 되면, 반도체 배선 공정 및 패키징 공정에 사용되고 있는 다양한 패턴 형상에서 무전해 도금의 촉매 반응과 전기도금에서 유기첨가제 작용의 국부적 차이를 직접적으로 측정하는 것이 가능하게 될 것으로 기대된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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