KR100476542B1 - 선박의 선체표면 난류제어에 의한 항력 감소방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

개시된 내용은 선박의 선체표면 난류를 제어함에 의하여 항력을 감소시킬 수 있는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

이 방법 및 장치는, 선박의 선체표면을 따라 흐르는 유체를 흡입 및 분출시켜 난류의 유동장을 변화시키고, 선체표면과 이루는 분사각을 조절하여 마찰저항을 감소시키는 것을 특징으로 하며, 이를 위하여 선박(100)의 선체표면(101)에 설치되며, 다수의 슬릿(111)을 형성한 파이프 하우징(110); 상기 파이프 하우징(110)의 내부에 설치되고 공기의 펌핑으로 수축과 팽창을 수행하는 유연성있는 공기관(120); 상기 공기관(120)을 수축,팽창하기 위하여 상기 선체내 소정위치에 설치되고 상기 공기관(120)에 공기공급이 가능하게 설치된 펌프(130)를 포함하며,

유연성있는 공기관(120)을 내장한 파이프 하우징(110)을 선체표면(101)의 내측 혹은 외측에 설치하여 상기 공기관(120)을 펌프(130)로서 수축,팽창시켜 슬릿을 통한 유체의 흡입,분출을 이루게 하여 선체표면에 형성되는 난류의 유동장을 변화시켜 마찰저항을 감소시키는 특징을 갖는다.

Description

선박의 선체표면 난류제어에 의한 항력 감소방법 및 장치{Method and device for diminish in drag by turbulent flow control of hull surface of ship}

본 발명은 선박의 선체표면 난류제어에 의한 항력 감소방법 및 장치에 관한 것으로, 상세하게는 선박의 선체표면을 따라 흐르는 유체를 반복적으로 흡입 및 분출시켜 난류를 제어함으로써 선박의 마찰저항을 감소시키고 연료비를 절감하도록 한 선박의 선체표면 난류제어에 의한 항력 감소방법 및 장치에 관한 것이다.

선박이 항해할 때 선체표면에서의 와류발생에 의한 선체표면의 마찰저항은 대형 유조선의 경우 전체저항의 80% 이상을 차지할 정도로 큰 비중을 갖게 된다.

이러한, 선체표면의 마찰저항을 감소시키기 위해서 최근 활발한 연구가 진행되고 있는데, 선수측에서 공기를 분출하는 방법 또는 시럽을 분출하는 방법 등이 연구되어 오고 있으나 마찰저항 감소효과를 얻는 데에 많은 어려움을 겪고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 그 목적은 선박의 선체표면을 따라 흐르는 유체를 흡입 및 분출되게 하고, 선체표면과 이루는 분사각을 조절하여 선체표면의 난류를 제어하도록 하는 선박의 선체표면 난류제어에 의한 항력 감소방법을 제공하는데 있다.

다른 목적은 선박의 선체표면을 따라 유연성있는 공기관 또는 판막을 내장한 파이프 하우징을 설치하여 선체내측으로 부터 표면을 따라 흐르는 유체의 흡입 및 분출을 반복되게 작동시킴으로써 선체표면에서의 난류 경계층을 제어하도록 하는 선박의 선체표면 난류제어에 의한 항력 감소장치를 제공하는 데 있다.

또 다른 목적은 상기 유연성있는 공기관 또는 판막을 이용하는 장치를 선박의 선수부 또는 선미부에 설치하여 국부적으로 난류를 제어할 수 있도록 하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 선박의 선체표면 난류제어에 의한 항력 감소방법은 선박의 선체표면을 따라 흐르는 유체를 선체 전반에 걸쳐서 흡입 및 분출되게 하여 난류의 유동장을 변화시키고, 선체표면과 이루는 분사각을 조절하여 마찰저항을 감소시키게 된다.

상기한 본 발명 선박의 선체표면 난류제어에 의한 항력감소를 달성하기 위한 장치로는 선박의 선체표면에 설치되는 다수의 슬릿을 형성한 파이프 하우징과; 상기 파이프 하우징의 내부에 설치되어 수축과 팽창을 수행하는 유연성있는 공기관과; 상기 유연성있는 공기관에 연결되어 공기를 흡입 및 압축되게 하는 펌프를 포함하는 장치로서 이루어짐이 바람직하다.

상기한 본 발명 선박의 선체표면 난류제어에 의한 항력감소를 달성하기 위한 장치는 선박의 선체표면에 설치되며, 다수의 슬릿을 형성한 파이프 하우징과; 상기 파이프 하우징의 내부에 설치하되 상기 슬릿의 상하로 위치시킨 판막과; 상기 슬릿의 상부에 위치한 상부판막들을 연결하는 제1로드와; 상기 슬릿의 하부에 위치한 하부판막들을 연결하는 제2로드와; 상기 선박의 내부에 설치되며, 상기 제1 및 제2로드에 연결하여 제1 및 제2로드를 구동시키는 모터를 포함하여 이루어짐이 바람직하다.

이와 같은 본 발명의 바람직한 실시를 위해 국소교란에 의한 난류 경계층의 유동장 변화를 수치해석으로 분석하였으며, 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 국소 흡입 및 분사를 위한 실험장치를 나타내는 도면이고, 도 2는 가진 주파수에서 다양한 흡입조건하의 벽면마찰계수를 나타내는 분포도이고, 도 3은 가진 주파수에서 다양한 분사조건하의 벽면마찰계수를 나타내는 분포도이고, 도 4는 분사각도에 따른 벽면마찰계수를 나타내는 분포도이다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 실험을 위한 장치는 슬롯(11)을 형성한 평판(10)을 구비하여 선체표면을 대체하고, 상기 평판(10)의 상면 일측 끝단에 트립선(20)을 설치하고 상기 트립선(20)의 바로 옆에 표면이 거친 조각(30)을 설치하며, 상기 평판(10)의 슬롯(11) 하부에 국소 흡입 및 국소 분사를 위한 스피커(40)를 설치한다.

그리고, 상기 트립선(20)이 설치된 평판(10)의 상측으로 유동에 의한 난류 경계층을 형성되게 하여 평판(10)의 슬롯(11)을 통해 스피커(40)에 의한 국소 흡입 및 국소 분사를 수행한다.

이러한 상기 국소 흡입 및 국소 분사의 과정에서 분사는 잘 이루어지지만 흡입은 공기의 압축효과 때문에 예상보다 잘 이루어지지 않게 된다. 그래서, 흡입의 정도에 따른 수치해석을 수행하였는데, 여기서 도 2 내지 도 4에 표기된 가로축의 경계조건은 슬롯에서 부터 떨어진 거리를 표시하며, 세로축은 가로축에 따른 여러조건하의 벽면마찰계수비를 표시하는 것이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 슬롯에서 가까운 영역에서는 흡입량의 증가와 함께 유동에너지의 강한 유동이 벽면 근방까지 내려와서 벽면마찰계수를 증가시키게 되나 일정 이상의 흡입량이 증가하면 분사에 의하여 혼합된 유동층이 슬롯 부근에서 역방향 유동이 발생하기 때문에 오히려 평균 마찰계수가 다시 감소함을 알 수 있다. 그리고, 슬롯에서 멀리 떨어진 하류에서는 흡입량의 증가에 따라 벽면마찰계수가 감소하고 있음을 보여준다.

한편, 분사량의 변화에 따른 벽면마찰계수는 도 3에 나타낸 바와 같이, 벽면마찰계수가 슬롯에서 멀리 떨어진 하류에서는 분사량의 증가에 영향을 받지 않는 반면, 슬롯 근처에서는 분사량이 증가할수록 점점 감소하고 있음을 보여준다. 이러한 현상은 분사를 가하는 시점에서 슬롯 근처의 강한 역방향에서 기인되며, 분사를 강하게 가할수록 역방향 유동은 더욱 강해지고 평균마찰계수는 점차 감소하게 된다.

또한, 국소교란을 위한 분사각도와 벽면마찰계수의 상관관계는 도 4에 나타낸 바와 같이, 벽면에 수직으로 분사하였을 경우보다 60°의 각도로 분사하였을 경우가 더 많은 영역에서 마찰계수 감소효과를 보임을 알 수 있다. 분사각도가 90° 이상인 경우에는 슬롯에서 생성되는 횡방향의 대류속도를 감소시켜 하류에까지 이르지 못하게 하므로 분사각을 증가시킬수록 점차 마찰계수를 감소시키는 영역이 줄어들게 되고, 분사각도가 60° 이하인 경우에는 분사시 생성되는 재순환 영역의 발생이 억제되므로 마찰계수 감소영역이 오히려 축소되고 있음을 보여준다.

상기와 같은 수치해석에 따른 분석결과를 토대로 한 본 장치발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하면서 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부 도면중 도 5는 본 발명에 따른 선박의 선체표면 난류제어에 의한 항력 감소장치를 설명하기 위한 개략적인 설치도이고, 도 6은 본 발명에 따른 선박의 선체표면 난류제어에 의한 항력 감소장치의 파이프 하우징을 나타내는 횡단면도이고, 도 7은 본 발명에 따른 선박의 선체표면 난류제어에 의한 항력 감소장치의 펌프의 연결상태를 설명하기 위한 정단면도이고, 도 8은 또 다른 발명에 따른 선박의 선체표면 난류제어에 의한 항력 감소장치를 설명하기 위한 측면 상세도이고, 도 9는 또 다른 발명에 따른 선박의 선체표면 난류제어에 의한 항력 감소장치의 파이프 하우징을 나타내는 횡단면도이고, 도 10은 또 다른 발명에 따른 선박의 선체표면 난류제어에 의한 항력 감소장치의 모터의 연결상태를 설명하기 위한 정단면도이고 도 11은 또 다른 발명에 따른 선박의 선체표면 난류제어에 의한 항력 감소장치의 파이프 하우징이 선체내측에 설치된 상태를 나타내는 횡단면도이다.

상기 도면에 따른 본 발명 선박의 선체표면 난류제어에 의한 항력 감소장치는 파이프 하우징 내부의 유연성있는 공기관을 이용하는 경우와 기계적인 구동으로 파이프 하우징 내부의 판막을 이용하는 경우로 구분하다.

상기 유연성있는 공기관을 이용하는 경우는 도 5 내지 도 7에 나타낸 바와 같이, 선박(100)의 선체표면(101)을 따라 다수의 슬릿(111)이 형성된 파이프 하우징(110)을 띠모양으로 수직되게 설치한다. 이때, 상기 파이프 하우징(110)은 중공체(中空體)로 유선형이 바람직하나 반원 또는 타원형 등 다양한 형상으로의 표현이 가능하며, 상기 슬릿(111)은 원형구멍이어도 무방하고 선박의 종류 및 속도에 따라 선체표면(101)과 이루는 분사각이 60°의 각도를 형성하도록 위치되게 하는 것이 바람직하다.

상기 슬릿(111)이 형성된 파이프 하우징(110)의 내부에 유연성있는 공기관(120)을 설치하며, 상기 유연성있는 공기관(120)의 수축 및 팽창을 위해 공기를 흡입 및 압축하는 펌프(130)를 연결되게 한다. 이때, 상기 유연성있는 공기관(120)에 연결되는 펌프(130)는 선박(100)의 내부에 설치한다.

한편, 상기 판막을 이용하는 경우는 도 8 내지 도 10에 나타낸 바와 같이, 선박(100)의 선체표면(101)을 따라 다수의 슬릿(211)이 형성된 파이프 하우징(210)을 띠모양으로 수직되게 설치한다. 여기서도, 상기 파이프 하우징(210)은 중공체(中空體)로 유선형이 바람직하나 반원 또는 타원형 등 다양한 형상으로의 표현이 가능하며, 상기 슬릿(211)은 원형구멍이어도 무방하고 선박의 종류 및 속도에 따라 선체표면(101)과 이루는 분사각이 60°의 각도를 형성하도록 위치되게 하는 것이 바람직하다.

상기 파이프 하우징(210)의 내부에 판막(220)을 설치하되 슬릿(211)의 상하로 상부판막(220a) 및 하부판막(220b)이 위치되게 한다.

상기 파이프(210)의 내부에 설치된 판막(220)에 제1로드(230)를 연결하되 슬릿(211)의 상부에 위치한 상부판막(220a)들만을 연결되게 하고, 상기 판막(220)에 제2로드(240)를 연결하되 슬릿(211)의 하부에 위치한 하부판막(220b)들만을 연결되게 한다.

상기 제 1 및 제 2로드(230,240)는 이들을 구동하기 위하여 소정구조로 모터(250)에 연결되며, 모터(250)의 구동으로 제 1 및 제 2로드(230,240)가 승하강 함으로써 판막들(220a,220b)이 서로 마주보고 수축하거나 팽창함에 따라 슬릿(211)을 통하여 해수가 밀려나가거나 흡입된다. 즉, 다시 말하면 상기 제1 로드(230)와 제2 로드(240)는 서로 반대방향으로 상,하 피스톤 운동을하여 판막들(220a,220b)이 서로 수축 및 팽창을 반복함으로 유체의 흡입 및 분사가 이루어진다. 이때 상기 모터(250)는 선박의 내부에 설치한다.

한편, 상기 유연성의 공기관(120) 또는 판막(220)을 이용하는 선박의 항력감소장치는 선박의 선수부(102) 및 선미부(103)에 국소적으로 설치 가능하다.

이러한 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 선체표면의 난류제어에 의한 선박의 항력 감소장치의 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 유연성있는 공기관(120)을 이용하는 경우는 선박(100)의 내부에 설치된 펌프(130)를 구동하게 되면 파이프 하우징(110) 내부에 설치된 유연성있는 공기관(120)이 압축되면 파이프 하우징내에서 팽창되고, 공기관(120)내 공기를 배기하게 되면 수축되어 슬릿(111)을 통하여 유체가 하우징내에서 분출되거나 유입되는 작동을 반복하게 된다.

즉, 상기 유연성있는 공기관(120)에 공기를 압축,배기함에 따라 유연성있는 공기관(120)이 팽창 및 수축하게 되는 데 상기 유연성있는 공기관(120)이 수축하게 되면 파이프 하우징(110) 내부의 빈 공간으로 슬릿(111)을 통하여 선체주위의 유체를 흡입하게 되고, 상기 유연성있는 공기관(120)이 팽창하게 되면 파이프 하우징(110)의 내부 공간에서 확장되어 내부 흡입된 유체를 슬릿(111)을 통해 파이프 하우징(110) 내부로 분출시키게 된다. 이때 슬릿(111)은 선체표면(101)과 약 60°의 분사각을 이루면서 분사토록 함이 바람직하다.

한편, 상기 판막(220)을 이용하는 경우는 모터(250)를 구동하게 되면 모터(250)에 연결된 제 1로드(230) 및 제 2로드(240)가 서로 반대방향으로 상,하작동하여 피스톤운동을 함으로써 제 1로드판막(220a)측이 하강되어 압축되면 제 2로드측(220b)이 상승하게 됨으로써 슬릿(211)을 사이에 두고 상,하방에서 압착이 이루어지게 된다. 상,하방에서 동시에 판막이 압착되면 내부 유체는 슬릿(211)을 통해 외부로 분출된다. 반대로 상기 제 1로드(230)의 상승과 동시에 제 2로드(240)가 하강하면 판막(220a,220b)사이는 넓어져 슬릿(211)에 당접한 유체는 흡입된다.

이때 파이프 하우징(210)에 형성된 슬릿(211)이 선체표면(101)과 약 60°의 분사각을 이루면서 유체를 분사함이 바람직하다.

한편, 본 발명의 상술한 파이프 하우징들은 선체벽면과의 사이에 슬릿으로 외부와 연통하도록 하면서 선체 내부에 설치될 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 유연성있는 공기관(120) 또는 판막(220)을 이용한 유체의 흡입,분출은 선체 외측표면 전체에 걸쳐 유체를 흡입 및 분사되게 하는 것으로 유체의 흡입 및 최적의 분사각에 의한 유체의 분사를 통해 선체표면을 따라 흐르는 유체를 교란시켜 선체표면에서의 와류의 발생을 억제시켜 마찰저항을 감소시키게 된다.

또한, 상기 선박의 조종타 등에 국부적으로 설치한 경우는 조종타에서의 유체 유동을 제어할 수 있게 되므로 타의 공동현상을 억제시킬 수도 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 선박의 선체표면 난류제어에 의한 항력 감소방법 및 장치에 의하면 유연성있는 공기관 또는 판막의 작용에 의한 유체의 흡입 및 분사를 통해 난류의 유동장을 변화시키고, 선체표면과 이루는 분사각을 조절하여 마찰저항을 감소시킴으로써 선체표면에서의 와류발생이 억제되어 선박의 운항에 미치는 해류저항을 감소시키는 효과를 가져온다.

또한, 상기 유연성있는 공기관 또는 판막을 이용한 선박의 항력 감소장치를 선박의 조종타 등에 국부적으로 설치함으로써 조종타에서 유체유동을 제어할 수 있게 되어 타의 공동현상을 억제시킬 수 있는 유용함도 있다.

도 1은 국소 흡입 및 분사를 위한 실험장치를 나타내는 도면이다.

도 2는 가진 주파수에서 다양한 흡입조건하의 벽면마찰계수를 나타내는 분포도이다.

도 3은 가진 주파수에서 다양한 분사조건하의 벽면마찰계수를 나타내는 분포도이다.

도 4는 분사각도에 따른 벽면마찰계수를 나타내는 분포도이다.

도 5는 본 발명에 따른 선박의 선체표면 난류제어에 의한 항력 감소장치를 설명하기 위한 개략적인 설치도이다.

도 6은 본 발명에 따른 선박의 선체표면 난류제어에 의한 항력 감소장치의 파이프 하우징을 나타내는 횡단면도이다.

도 7은 본 발명에 따른 선박의 선체표면 난류제어에 의한 항력 감소장치의 펌프의 연결상태를 설명하기 위한 정단면도이다.

도 8은 또 다른 발명에 따른 선박의 선체표면 난류제어에 의한 항력 감소장치를 설명하기 위한 측면 상세도이다.

도 9는 또 다른 발명에 따른 선박의 선체표면 난류제어에 의한 항력 감소장치의 파이프 하우징을 나타내는 횡단면도이다.

도 10은 또 다른 발명에 따른 선박의 선체표면 난류제어에 의한 항력 감소장치의 모터의 연결상태를 설명하기 위한 정단면도이다.

도 11은 또 다른 발명에 따른 선박의 선체표면 난류제어에 의한 항력 감소장치의 파이프 하우징이 선체내측에 설치된 상태를 나타내는 횡단면도이다.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

100: 선박 101: 선체표면

102: 선수부 103: 선미부

110,210: 파이프 하우징 111,211: 슬릿

120: 유연성있는 공기관 130: 펌프

220: 판막 220a: 상부판막

220b: 하부판막 230: 제1로드

240: 제2로드 250: 모터

Claims (6)

1. 선박의 선체표면 난류제어에 의한 항력 감소방법에 있어서,

   선박의 선체표면을 따라 흐르는 유체를 흡입 및 분출시켜 난류의 유동장을 변화시키고, 선체표면과 이루는 분사각을 조절하여 마찰저항을 감소시키는 것을 특징으로 하는 선박의 선체표면 난류제어에 의한 항력 감소방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 분사각이 60°인 것을 특징으로 하는 선박의 선체표면 난류제어에 의한 항력 감소방법.
3. 선박의 선체표면 난류제어에 의한 항력 감소장치에 있어서,

   선박(100)의 선체표면(101)에 설치되며, 다수의 슬릿(111)을 형성한 파이프 하우징(110);

   상기 파이프 하우징(110)의 내부에 설치되고 공기의 펌핑으로 수축과 팽창을 수행하는 유연성있는 공기관(120);

   상기 공기관(120)을 수축,팽창하기 위하여 상기 선체내 소정위치에 설치되고 상기 공기관(120)에 공기공급이 가능하게 설치된 펌프(130)를 포함하는 선박의 선체표면 난류제어에 의한 항력 감소장치.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 다수의 슬릿(211)을 형성한 파이프 하우징(210)내부를 따라 상기 슬릿(211)의 상,하방에 설치되는 판막(220a)(220b)들과, 상기 판막(220a)(220b)들에 연결되는 제 1, 제 2로드(230)(240)와, 상기 제 1로드(230) 및 제 2로드(240)에 연결되어 상기 제 1및 제 2로드(230,240)를 구동하기 위한 모터(250)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 선박의 선체표면 난류제어에 의한 항력 감소장치.
5. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,

   상기 선박의 항력 감소장치를 선수부(102) 또는 선미부(103)에 국소적으로 설치하여 선박(100)의 국부적인 흐름을 제어하도록 하는 것을 특징으로 하는 선박의 선체표면 난류제어에 의한 항력 감소장치.
6. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,

   상기 파이프 하우징(110)을 선체 내부에 위치시키는 것을 특징으로 하는 선박의 선체표면 난류제어에 의한 항력 감소장치.