KR101859671B1 - 운항선의 표준운항상태 선속-동력 해석 방법 - Google Patents

운항선의 표준운항상태 선속-동력 해석 방법 Download PDF

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KR101859671B1
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신명수
기민석
박범진
이경중
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한국해양과학기술원
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Abstract

본 발명은 운항중인 선박에서 직접 계측되는 계측데이터와 운항해역에 대한 기후데이터를 포함하는 운항데이터와 모형시험 데이터를 포함하는 운항선의 고유 특성 자료와 해석옵션을 지정하는 대상선박데이터를 이용하여 운항 중인 선박에서의 에너지 효율을 분석하여 제공할 수 있도록 하는 운항선의 표준운항상태 선속-동력 해석 방법에 관한 것이다.
상술한 본 발명의 운항선의 표준운항상태 선속-동력 해석 방법은, 저항계산부(40)가 운항중인 해석 대상 선박에서 계측된 계측데이터와 운항해역에서의 기후데이터를 포함하는 운항데이터와 선박의 특성정보와 모형시험 결과 또는 해석 옵션을 포함하는 대상선박데이터로부터 선박에 미치는 공기저항, 파랑중부가저항, 해수온도부가저항, 조타각부가저항 또는 표류각부가저항 중 하나 이상을 계산하여 합산한 저항을 출력하는 저항계산과정(S200); 선속-동력 해석부(50)가 선속-동력 해석을 위한 전저항을 추정하고, 상기 저항계산부(40)에서 계산된 부가저항을 보정하여 이상적인 조건의 마력인 정수중마력을 추정하는 선속-동력 해석과정(S300); 선체자세변화동력해석부(60)가 상기 정수중마력에 대하여 배수량 보정과 트림 보정을 수행하여 평수중 선속-동력 해석을 수행하는 선체자세변화동력해석과정(S400); 및 표준운항상태선속-동력해석부(70)가 정의된 표준운항상태와 부가저항을 고려한 표준운항상태 선속-동력 해석을 수행하는 표준운항상태 선속-동력 해석과정(S500);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

운항선의 표준운항상태 선속-동력 해석 방법{SPEED AND POWER ANALYSIS METHOD FOR STANDARD VESSEL OPERATION CONDITION}
본 발명은 선박의 에너지 효율 분석을 위한 것으로서, 더욱 상세하게는, 운항 중인 선박의 에너지 효율 분석을 위하여 운항중인 선박에서 직접 계측되는 계측데이터와 운항해역에 대한 기후데이터를 포함하는 운항데이터와 모형시험 데이터를 포함하는 운항선의 고유 특성 자료와 해석옵션을 지정하는 대상선박데이터를 이용하여 운항 중인 선박에서의 에너지 효율을 분석하여 제공할 수 있도록 하는 운항선의 표준운항상태 선속-동력 해석 방법에 관한 것이다.
선박은 화물대비 연료소모가 적은 운송수단이지만 가장 많은 화물을 운송하고 있어서 많은 연료를 소모하는 운송수단이다. 전 지구적인 에너지 절감을 위하여서, 선박의 운항시 최적의 에너지 효율을 얻을 수 있도록 하는 것이 필요하다. 선박의 경우 조선소에서는 선박의 건조 시 선속-동력 해석을 수행하고 있으나, 실해역에서 운항 중인 선박인 경우에도 에너지 효율의 산출을 위한 선속-동력 해석이 필요하다.
이에 따라, 대한민국 등록특허공보 제10-1042334호는 기준선박사양, 기준운항데이터를 수집한 후 최적 RPM을 산출하는 것에 의해 선박 운항 시의 에너지 효율을 최적화하여 선박의 연료를 절감시키는 기술을 개시한다.
또한, 대한민국 공개특허공보 제10-2015-0050036호는 자동계산 모듈이 선박의 선박에너지효율관리계획(SEEMP: Ship Energy Efficiency Management Plan) 작성에 필요한 정보들을 실시간 모니터링하고, SEEMP 보고서 작성 모듈이 SEEMP 방법론에 대한 보고서 작성 툴을 제공하여 사용자가 SEEMP 관련 정보를 입력하여 SEEMP 보고서를 작성할 수 있도록 함으로써 선박의 에너지 효율을 효율적으로 관리할 수 있도록 하는 기술을 개시한다.
그러나 상술한 종래기술들의 경우 선박의 연료 소모 관점에서 에너지 효율을 계산할 수 있도록 하고 있을 뿐, 운항선박에서 계측되는 계측데이터 및 기후데이터를 포함하는 운항데이터와 모형시험 데이터를 포함하는 운항선의 고유한 특성 자료와 해석 옵션을 지정하는 대상선박 데이터를 이용한 신뢰도 높은 선속-동력 해석 방법을 제공하지 못하는 문제점을 가진다.
대한민국 등록특허공보 제10-1042334호 대한민국 공개특허공보 제10-2015-0050036호
따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 운항 상태와 환경에 따라 변화되는 에너지 효율을 선정된 표준운항상태에서의 에너지 효율로 전환함으로서 에너지 효율이 객관적으로 해석 또는 평가될 수 있는 방법을 제시하는 것을 목적으로 한다. 보다 상세하게는, 운항선박에서 계측되는 계측데이터 및 기후데이터를 포함하는 운항데이터와 모형 시험데이터를 포함하는 운항선의 고유한 특성 자료와 해석 옵션을 지정하는 대상선박 데이터를 고려하여, 공기, 파랑, 해수온도, 조타각, 표류각에 의해 선박에 작용하는 저항을 계산한 후, 전저항과 정수중마력을 추정하고, 선체자세변화 동력해석과 평수중 선속-동력 해석 및 표준운항상태 선속-동력 해석을 수행하는 것에 의해 운항선박의 에너지 효율을 신뢰도 높게 산출할 수 있도록 하는 운항선의 표준운항상태 선속-동력 해석 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 운항선의 표준 운항 상태 선속-동력 해석 방법은,
저항계산부(40)가 운항중인 해석 대상 선박에서 계측된 계측데이터와 운항해역에서의 기후데이터를 포함하는 운항데이터와 선박의 특성정보와 모형시험 결과 또는 해석 옵션을 포함하는 대상선박데이터로부터 선박에 미치는 공기저항, 파랑중부가저항, 해수온도부가저항, 조타각부가저항 또는 표류각부가저항 중 하나 이상을 계산하여 합산한 저항을 출력하는 저항계산과정(S200);
선속-동력 해석부(50)가 선속-동력 해석을 위한 전저항을 추정하고, 상기 저항계산부(40)에서 계산된 부가저항을 보정하여 이상적인 조건의 마력인 정수중마력을 추정하는 선속-동력 해석과정(S300);
선체자세변화동력해석부(60)가 상기 정수중마력에 대하여 배수량 보정과 트림 보정을 수행하여 평수중 선속-동력 해석을 수행하는 선체자세변화동력해석과정(S400); 및
표준운항상태선속-동력해석부(70)가 정의된 표준운항상태와 부가저항을 고려한 표준운항상태 선속-동력 해석을 수행하는 표준운항상태 선속-동력 해석과정(S500);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 운항 중인 선박에서 계측되는 자료인 계측데이터는,
데이터 계측시간(UTC), 대지속도(VG), 대수속도(VS), 프로펠러회전수(nms), 축마력(PSms), 제동마력(PBms), 자선방향_Gyro(Ψgyro), 자선방향_GPS(ΨGPS), 수심(h), 운항항차에서의 배수량(∇2), 트림(선수흘수(draught_fp), 선미흘수(draught_ap)) 해수온도(TS), 해수밀도(ρ), 타각(δ) 또는 표류각(β) 중 하나 이상을 포함하고,
상기 운항 중인 선박의 운항해역에서의 기후데이터는,
파도의 유의파고(Sea_height(HW1/3)), 파도의 방향(Sea_direction(DW)), 파도의 주기(Sea_period(TW)), 너울성 파도의 유의파고(Swell_height(HS1/3)), 너울성 파도의 방향(Swell_direction(DS)), 너울성 파도의 주기(Swell_period(TS)). 상대풍속(VWR), 상대풍향(ΨRef), 공기온도(TA), 공기밀도(ρA), 조류속도(VCT) 또는 조류방향(ΨCT) 중 하나 이상을 포함하며,
상기 대상선박데이터는,
공기저항계수 기준 높이(Zref), 풍향계 높이(Za), 폭(B), 전장(LOA), 수선간 길이(LPP), 수선 위 최대 횡단면적(AXV), 상부구조물 측면적(AOD), 수면위 측면적(ALV), 중앙단면적으로부터 AOD 중심까지의 거리(Cmc), 수면에서 상부구조물의 최고점까지의 높이(Hbr), 수면에서 AOD 중심까지의 높이(Hc), Smoothing range(μ), 비척방형계수(Cb), 평균 흘수(draught), y축에 대한 관성 회전 반경(kyy), 침수표면적(s), 프로펠러 직경(D), POW, 모형시험 결과 또는 표준운항상태 배수량(∇1) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 저항계산과정(S200)은,
상기 저항계산부(40)가 공기저항계산부(41), 파랑중부가저항계산부(43) 해수온도부가저항계산부(44), 조타각부가저항계산부(45) 또는 표류각부가저항계산부(47) 중 하나 이상을 포함하여,
상기 공기저항계산부(41)가 바람에 의한 저항증가량인 공기저항을 계산하는 공기저항계산과정(S210);
상기 파랑중부가저항계산부(43)가 파도에 의한 저항증가량인 파랑중부가저항을 계산하는 파랑중부가저항계산과정(S220);
상기 해수온도부가저항계산부(44)가 수온변화와 해수밀도 차이에 따른 저항증가량인 해수온도부가저항을 계산하는 해수온도에 따른 부가 저항 계산과정(S230);
상기 조타각부가저항계산부(45)가 조타각에 따른 저항증가량인 조타각부가저항을 계산하는 조타각부가저항계산과정(S240); 또는
상기 표류각부가저항계산부(47)가 표류각에 따른 저항증가량인 표류각부가저항을 계산하는 표류각부가저항계산과정(S250); 중 하나 이상을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 공기저항계산과정(S210)은,
입력 풍속과 풍향을 계측데이터와 기후데이터로 나누어서,
계측데이터인 경우에는 입력된 풍속과 풍향에 대하여 선박의 진행 방향에 대한 절대 풍속과 절대 풍향 계산, 높이보정, 계측기 높이(기준 높이)에서 계측된 상대 풍속과 상대 풍향계산, 공기저항계수 도출, 공기저항계산을 수행하여 공기저항을 계산하고,
기후데이터인 경우에는 입력된 풍속과 풍향에 대하여 상대 풍속과 상대 풍향계산, 공기저항계수 도출, 공기저항계산을 수행하여 공기저항을 계산하며,
상기 절대 풍속과 절대 풍향 계산은,계측기의 높이에서 계측된 상대 풍속과 상대 풍향을
(수학식 1)
Figure 112017030018576-pat00001
(수학식 2)
Figure 112017030018576-pat00002
(여기서, VWR : 계측기 높이에서 계측된 상대 풍속, VWT : 계측기 높이에서의 절대 풍속, ΨGPS : 선박의 진행방향, ΨWR : 계측기 높이에서의 상대 풍향, ΨWT : 계측기 높이에서의 절대 풍향)에 의해 수행되고,
상기 높이 보정은,
풍동시험 측정 위치인 기준높이와 실선 풍향계 높이 차이를 고려하여
(수학식 3)
Figure 112017030018576-pat00003
(여기서, VWTref : 기준 높이에서의 절대 풍속, Zref : 기준 높이(보통 10m), Za : 계측기 높이)에 의해 수행되며,
상기 상대 풍속과 상대 풍향의 계산은,
(수학식 4)
Figure 112017030018576-pat00004
(수학식 5)
Figure 112017030018576-pat00005
(여기서, VWRref : 기준 높이에서의 상대 풍속, ΨWRref : 기준 높이에서의 상대 풍향)에 의해 수행되고,
상기 공기저항계수도출은 풍동시험, ITTC 차트 또는 후지와라(Fujiwara) 회귀식 중 어느 하나를 이용하여 수행되며,
상기 후지와라 회귀식은
(수학식 6)
Figure 112017030018576-pat00006
이고,
(수학식 7)
Figure 112017030018576-pat00007
이며,
(수학식 8)
Figure 112017030018576-pat00008
이고,
(수학식 9)
Figure 112017030018576-pat00009
이며,
(수학식 6 내지 9에서, RAA : 공기 부가저항, ρ : 공기 밀도, CAA : 공기 저항 계수; CAA(0)의 의미는 선수풍(head wind)에서의 공기 저항 계수, ΨWRref : 기준 높이에서의 상대 풍향, AXV : 상부구조물을 포함한 수선 위 횡방향 투영 면적, VWRref : 기준 높이에서의 상대 풍속, VG : 계측 선박의 대지 속도)
상기 공기저항계산은,
(수학식 10)
Figure 112017030018576-pat00010
(여기서, RAA : 공기 부가저항, ρ : 공기 밀도, CAA : 공기 저항 계수(CAA(0)은 선수풍(head wind)에서의 공기 저항 계수), ΨWRref : 기준 높이에서의 상대 풍향, AXV : 상부구조물을 포함한 수선 위 횡방향 투영 면적, VWRref : 기준 높이에서의 상대 풍속, VG : 계측 선박의 대지 속도)에 의해 수행되도록 구성된다.
상기 파랑중부가저항계산과정(S220)은,
파도 입력데이터를 계측데이터와 기후데이터로 나누어서,
계측데이터인 경우에는 파도 입력데이터를 이용하여 파도(Wind driven wave)와 너울성 파도(Swell) 각각에 대하여, 운동에 의한 부가저항 계산, 반사파에 의한 부가저항계산, 운동에 의한 부가저항과 반사파에 의한 부가저항을 합산한 개별 파랑중부가저항(RAWL)계산을 수행하고,
기후데이터인 경우에는 파도 입력데이터를 이용하여 파도(Wind driven wave)와 너울성 파도(Swell) 각각에 대하여, 상대파향계산, 운동에 의한 부가저항계산, 반사파에 의한 부가저항 계산, 운동에 의한 부가저항과 반사파에 의한 부가저항을 합산한 개별 파랑중부가저항(RAWL)계산을 수행하여 파랑중부가저항을 계산한 후,
계산된 두 개의 개별 파랑중부가저항(RAWL)을 합산하여 계산하는 파랑중부가저항(RAW) 계산을 수행하여, 파랑중 부가 저항을 계산하며,
상기 상대파향계산은 계측된 파도 데이터를 벡터 처리(vector processing)를 사용하여 상대 파향으로 계산하고,
상기 운동에 의한 부가저항 계산은,
(수학식 11)
Figure 112017030018576-pat00011
,
(여기서,
Figure 112017030018576-pat00012
,
Figure 112017030018576-pat00013
,
Figure 112017030018576-pat00014
,
Figure 112017030018576-pat00015
,
Figure 112017030018576-pat00016
,
ρ = 해수밀도, g = 중력 가속도, ζA = 파진폭(wave amplitude), LPP = 선박의 수선간 길이, B = 선박의 폭, Fr = 프루드 수(Froude number), kyy = y축에 대한 관성회전 반경, CB = 비척방형계수)에 의해 수행되고,
상기 반사파에 의한 부가저항계산은,
(수학식 12)
Figure 112017030018576-pat00017
(여기서,
Figure 112017030018576-pat00018
,
Figure 112017030018576-pat00019
,
TM = 중앙단면에서의 흘수, I1 = 변형된 1차 1종 베셀 함수(modified Bessel function of the first kind of order 1, K1 = 변형된 1차 2종 베셀 함수(modified Bessel function of the second kind of order 1, k = 파수(wave number))에 의해 반사파에 의한 규칙파의 저항 증가량(RAWRL)을 계산하고, 상기 개별 파랑중 부가저항(RAWL)계산은,
(수학식 13)
Figure 112017030018576-pat00020
(여기서, Rwave = RAWML+RAWRL, Sη= 파 스펙트럼(wave spectrum))에 의해 운동에 의한 부가저항과 반사파에 의한 부가저항을 합산하여 운동과 반사파에 의한 장파장 불규칙파의 저항 증가량으로서의 개별 파랑중부가저항(RAWL)을 계산하며,
상기 파랑중부가저항(RAW)계산은 상기 파도(Wind driven wave)와 너울성 파도(Swell) 각각에 대한 개별 파랑중부가저항(RAWL)을 합산하여 파랑중부가저항(RAW)으로 계산하는 것이다.
상기 해수온도에 따른 부가 저항 계산과정(S230)은,
계측된 해수 온도와 밀도에 의한 마찰저항 계산, 기준(Reference) 해수 온도(15℃)와 밀도(1026kg/m3)에 의한 마찰 저항 계수 계산, 해수 온도와 밀도에 의한 마찰 저항계수 계산, 기준 해수 온도와 밀도에 의한 저항 계산, 해수온도에 따른 부가저항 계산을 수행하여 해수온도에 따른 부가저항을 계산하고,
상기 계측된 해수 온도와 밀도에 의한 마찰저항 계산과 상기 기준(Reference) 해수 온도(15℃)와 밀도(1026kg/m3)에 의한 마찰 저항 계수 계산은,
(수학식 14)
Figure 112017030018576-pat00021
(여기서,
Figure 112017030018576-pat00022
, ν= 동점성 계수)에 의해 수행되며,
상기 해수 온도와 밀도에 의한 마찰 저항계수 계산은,
(수학식 15)
Figure 112017030018576-pat00023
에 의해 수행되고,
상기 기준 해수 온도와 밀도에 의한 저항 계산은,
(수학식 16)
Figure 112017030018576-pat00024
에 의해 수행되며,
상기 해수온도에 따른 부가저항 계산은,
(수학식 17)
Figure 112017030018576-pat00025
에 의해 수행되고, 여기서, ρ = 해수밀도, ρ0 = 기준 수온에서의 해수 밀도, CF = 계측된 수온에서의 마찰저항계수, CF0 = 기준온도에서의 마찰저항계수, S = Wetted surface area, VS = 대수속도, CT0 = 기준온도에서의 전저항계수이다.
상기 조타각부가저항계산과정(S240)은,
(수학식 18)
Figure 112017030018576-pat00026
(여기서,
Figure 112017030018576-pat00027
,
Figure 112017030018576-pat00028
,
Figure 112017030018576-pat00029
,
Figure 112017030018576-pat00030
, tR = 조타각에 따른 저항계수(resistance deduction fraction due to steering), ρ = 해수밀도, λR = 타 종횡비(aspect ratio of rudder), AR = 타 면적, Veff = 유효 유입 속도(effective inflow velocity to rudder), δR = 조타각, bR = 타 폭(Rudder span), SR = 참슬립비(real slip ratio)(
Figure 112017030018576-pat00031
(VA: 프로펠러 유입 속도,
Figure 112017030018576-pat00032
, P: propeller pitch, n: 프로펠러 회전수), D = 프로펠러 직경, ω= 반류비(Taylor wake fraction), VS = 대수속도)에 의해 조타각부가저항(
Figure 112017030018576-pat00033
)을 계산하는 과정일 수 있다.
상기 표류각부가저항계산과정(S250);
(수학식 19)
Figure 112017030018576-pat00034
(여기서, ρ: 해수밀도, d: 흘수, β= 표류각, VS = 대수속도)에 의해 표류각에 의한 저항증가량인 표류각부가저항(
Figure 112017030018576-pat00035
)을 계산하는 과정일 수 있다.
상기 선속-동력 해석과정(S300)은,
선속-동력해석부(50)의 전저항추정부(51)가 선속-동력 해석을 위한 전저항을 추정하는 전저항추정과정(S310); 및
선속-동력해석부(50)의 정수중마력추정부(53)가 상기 저항계산부(40)에서 계산된 부가저항을 보정하여 이상적인 조건의 마력인 정수중마력(ideal condition power)을 추정하는 정수중마력 추정과정(S320);을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 전저항추정과정(S310)은,
반류비를 사용하는 경우에는 전달마력(PDms) 계산, 토크계수(KQ)계산, 전진비(J) 계산, 추력(thrust)계수(KT) 계산, 하중계수(τ) 계산, 반류비(ωestimated) 계산, 전저항(RT) 계산을 수행하여 전저항을 추정하고,
전저항 계수를 사용하는 경우에는 전저항 계수를 이용한 전저항(RT) 계산을 수행하여 전저항을 추정하며,
계측된 축 마력으로부터 전달 마력을 계산하는 상기 전달마력(PDms) 계산은,
(수학식 20)
Figure 112017030018576-pat00036
(여기서,
Figure 112017030018576-pat00037
: 전달효율)에 의해 수행되고,
상기 토크계수(KQ)계산은,
(수학식 21)
Figure 112017030018576-pat00038
(여기서,
Figure 112017030018576-pat00039
= 추진기 효율비)에 의해 수행되며,
상기 전진비(J) 계산은 POW(Propeller open sate test) 시험결과로부터 토크계수에 대응하는 작용점에서의 전진비(J) 값을 전진비(J)로 선택하고,
상기 추력(thrust)계수(KT) 계산은,
(수학식 22)
Figure 112017030018576-pat00040
(여기서, a, b, c는 다항 회귀식으로 구해 짐)에 의해 수행되며,
상기 하중계수 계산은,
(수학식 23)
Figure 112017030018576-pat00041
에 의해 수행되고,
상기 반류비(ωestimated) 계산은,
모형시험 결과로부터 또는
(수학식 24)
Figure 112017030018576-pat00042
에 의해 수행되며,
상기 전저항(RT) 계산은
반류비(ωestimated)를 사용하는 경우에는
(수학식 25)
Figure 112017030018576-pat00043
에 의해 수행되고,
전저항 계수(CT)를 사용하는 경우에는
(수학식 26)
Figure 112017030018576-pat00044
에 의해 수행되도록 구성될 수 있다.
상기 정수중마력추정과정(S320)은,
대수속도(대수선속)(VS)를 적용하는 경우에는 추진효율계수(ηDid: propulsive efficiency coefficient)계산을 수행한 후 마력(ηDid)계산을 수행하고,
기후데이터를 적용하는 경우에는 대수속도 계산, 추진효율계수(ηDid: propulsive efficiency coefficient)계산을 수행한 후 마력(ηDid)계산을 수행하며,
파고레이더 데이터를 적용하는 경우에는 절대조류방향계산, 대수속도 계산, 추진효율계수(ηDid: propulsive efficiency coefficient)계산을 수행한 후 마력(ηDid)계산을 수행하여, 정수중마력을 추정하고,
상기 절대조류방향계산은, 조류를 파고 레이더에서 계측된 값을 사용할 경우 벡터 처리(vector processing)를 통하여 상대 조류 방향을 절대 조류 방향으로 변환하며,
상기 대수속도 계산은 벡터 처리(vector processing)를 수행하여 조류 보정된 대수속도를 계산하고,
상기 추진효율계수(ηDid: propulsive efficiency coefficient)계산은,
(수학식 27)
Figure 112017030018576-pat00045
(여기서,
Figure 112017030018576-pat00046
: 운항조건에서의 추진기효율계수,
Figure 112017030018576-pat00047
(RAS: 해수온도에 따른 부가저항, RAA: 공기저항, RAW: 파랑중부가저항,
Figure 112017030018576-pat00048
: 조타각에 따른 부가저항,
Figure 112017030018576-pat00049
: 표류각에 따른 부가 저항,
Figure 112017030018576-pat00050
: 하중변동시험(load variation test)에 의해 얻어지는 값)
Figure 112017030018576-pat00051
(RAS: 해수온도에 따른 부가저항, RAA: 공기저항, RAW: 파랑중부가저항, RT: 전저항)에 의해 수행되며,
상기 정수중마력(ηDid)계산은,
(수학식 28)
Figure 112017030018576-pat00052
(여기서, PDms: 전달마력, VS: 대수속도(대수선속),
Figure 112017030018576-pat00053
: 하중변동시험(load variation test)에 의해 얻어지는 값)에 의해 수행되는 과정일 수 있다.
상기 선체자세변화동력해석과정(S400)은,
선체자세변환동력해석부(60)가
(수학식 29)
Figure 112017030018576-pat00054
(여기서, Pcalm: 평수중 마력, Pid: 정수중마력, Δstandard = 표준운항조건 배수량, Δmeasured = 운항 배수량)에 의해 배수량 보정과 트림에 따른 보정을 수행하여 평수중 선속-동력 해석을 수행하는 과정일 수 있다.
상기 운항선의 표준운항상태 선속-동력 해석 방법은,
상기 저항계산과정(S200) 이전에 운항데이터필터링부(30)가 상기 운항데이터와 대상선박데이터 중 기준 값을 벗어나는 값을 제거하여 노이즈를 제거하는 운항데이터 필터링과정(S100);을 더 포함할 수 있다.
상술한 구성을 가지는 본 발명은, 운항선박에서 계측되는 계측데이터 및 기후데이터를 포함하는 운항데이터와 모형 시험데이터를 포함하는 운항선의 고유한 특성 자료와 해석 옵션을 지정하는 대상선박 데이터를 고려하여, 공기, 파랑, 해수온도, 조타각, 표류각에 의해 선박에 작용하는 저항을 계산한 후, 전저항과 정수중마력을 추정하고, 선체자세변화동력해석과 평수중 선속-동력 해석 및 표준운항상태 선속-동력 해석을 수행하는 것에 의해 운항선박의 에너지 효율을 신뢰도 높게 산출할 수 있도록 하는 효과를 제공한다. 즉 시시각각으로 변화하는 환경과 운항상태에서의 에너지 효율을 선정된 표준운항상태에서의 에너지 효율로 전환함으로서 에너지 효율을 객관적으로 해석 또는 평가할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따르는 운항선의 표준운항상태 선속-동력 해석 시스템(100)의 구성도.
도 2는 도 1의 구성 중 공기저항계산부(41)에 의한 공기저항 계산을 나타내는 도면.
도 3은 공기저항 계수 CX의 도출을 위한 ITTC 차트를 나타내는 도면.
도 4는 Fujiwara 회귀식에 사용되는 입력파라메터를 나타내는 도면.
도 5는 파랑중부가저항계산부(43)에 의한 파랑중 부가저항 계산의 계측데이터와 기후데이터의 분리 계산을 나타내는 도면.
도 6은 해수온도부가저항계산부(44)에 의한 해수온도에 따른 해수온도부가저항의 계산 절차를 나타내는 도면.
도 7은 조타각에 따른 저항계수(resistance deduction fraction due to steering) 도출을 위한 그래프
도 8은 전저항추정부(51)에 의한 전저항 추정과 전저항 계수를 이용한 전저항 계산 절차를 나타내는 도면.
도 9는 전진비(J) 계산을 위한 실시예의 POW(Propeller open sate test) 시험결과를 나타내는 도면.
도 10은 정수중마력추정부(53)에 의한 대수선속, 기후데이터, 파고레이더에 따른 정수중마력추정계산 절차를 나타내는 도면.
도 11은 본원 발명의 실시예에 따르는 운항선의 표준운항상태 선속-동력 해석 방법의 처리과정을 나타내는 순서도.
도 12는 도 11의 처리과정 중 저항계산과정(S200)의 상세 처리과정을 나타내는 도면.
도 13은 도 11의 처리과정 중 선속-동력 해석과정(S300)의 상세 처리과정을 나타내는 도면.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따르는 운항선의 표준운항상태 선속-동력 해석 시스템(100)의 구성도이다.
도 1과 같이, 상기 운항선의 표준운항상태 선속-동력 해석 시스템은 운항데이터입력부(10), 대상선박데이터입력부(20), 운항데이터필터링부(30), 공기저항계산부(41)와 파랑중부가저항계산부(43)와 해수온도부가저항계산부(44)와 조타각부가저항계산부(45) 및 표류각부가저항계산부(47)를 포함하는 저항계산부(40), 전저항추정부(51)와 정수중마력추정부(53)를 포함하는 선속-동력해석부(50), 선체자세변화동력해석부(60) 및 표준운항상태선속-동력해석부(70)를 포함하여 구성된다.
상기 운항데이터입력부(10)는 운항 중인 선박에서 계측되는 계측데이터와 운항 중인 선박의 운항해역에서의 기후데이터를 포함하는 운항데이터를 입력하도록 구성된다.
여기서, 상기 운항 중인 선박에서 계측되는 자료인 계측데이터는, 데이터 계측시간(UTC), 대지속도(VG), 대수속도(VS), 프로펠러회전수(nms), 축마력(PSms), 제동마력(PBms), 자선방향_Gyro(Ψgyro), 자선방향_GPS(ΨGPS), 수심(h), 운항항차에서의 배수량(∇2), 트림(선수흘수(draught_fp), 선미흘수(draught_ap)) 해수온도(TS), 해수밀도(ρ), 타각(δ) 또는 표류각(β) 중 하나 이상을 포함한다.
상기 운항 중인 선박의 운항해역에서의 기후데이터는, 파도의 유의파고(Sea_height(HW1/3)), 파도의 방향(Sea_direction(DW)), 파도의 주기(Sea_period(TW)), 너울성 파도의 유의파고(Swell_height(HS1/3)), 너울성 파도의 방향(Swell_direction(DS)), 너울성 파도의 주기(Swell_period(TS)). 상대풍속(VWR), 상대풍향(ΨRef), 공기온도(TA), 공기밀도(ρA), 조류속도(VCT) 또는 조류방향(ΨCT) 중 하나 이상을 포함한다.
상기 대상선박데이터입력부(20)는 선속-동력 해석에 필요한 선박의 특성정보와 모형시험 결과 또는 해석 옵션을 포함하는 대상선박데이터를 입력하고, 해석에 필요한 옵션을 지정할 수 있도록 구성된다.
상기 대상선박데이터는 공기저항계수 기준 높이(Zref), 풍향계 높이(Za), 폭(B), 전장(LOA), 수선간 길이(LPP), 수선 위 최대 횡단면적(AXV), 상부구조물 측면적(AOD), 수면위 측면적(ALV), 중앙단면적으로부터 AOD 중심까지의 거리(Cmc), 수면에서 상부구조물의 최고점까지의 높이(Hbr), 수면에서 AOD 중심까지의 높이(Hc), Smoothing range(μ), 비척방형계수(Cb), 평균 흘수(draught), y축에 대한 관성회전 반경(kyy), 침수표면적(s), 프로펠러 직경(D), POW, 모형시험 결과 또는 표준운항상태 배수량(∇1) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 운항데이터필터링부(30)는 상기 운항데이터와 대상선박데이터 중 기준 값을 벗어나는 값을 제거하여 노이즈를 제거하도록 구성된다.
상기 저항계산부(40)는 운항중인 해석 대상 선박에서 계측된 계측데이터와 운항해역에서의 기후데이터를 포함하는 운항데이터와 선박의 특성정보와 모형시험 결과 또는 해석 옵션을 포함하는 대상선박데이터로부터 선박에 미치는 공기저항, 파랑중부가저항, 해수온도부가저항, 조타각부가저항 또는 표류각부가저항 중 하나 이상을 계산하여 합산한 저항을 출력하도록 구성된다.
이를 위해, 상기 저항계산부(40)는 공기저항계산부(41)와 파랑중부가저항계산부(43)와 해수온도부가저항계산부(44)와 조타각부가저항계산부(45) 및 표류각부가저항계산부(47)를 포함하여 구성된다.
상기 공기저항계산부(41)는 입력 풍속과 풍향을 계측데이터와 기후데이터에 따른 공기저항을 계산하도록 구성된다.
도 2는 공기저항계산부(41)에 의한 공기저항계산절차(공기저항계산과정(S210), 도 11 참조)를 나타내는 도면이다.
도 2와 같이, 상기 공기저항계산부(41)는 입력 풍속과 풍향을 계측데이터와 기후데이터로 나누어서, 계측데이터인 경우에는 입력된 풍속과 풍향에 대하여 선박의 진행 방향에 대한 절대 풍속과 절대 풍향 계산, 높이보정, 계측기 높이(기준 높이)에서 계측된 상대 풍속과 상대 풍향계산, 공기저항계수 도출, 공기저항계산을 수행하여 공기저항을 계산한다.
그리고 기후데이터인 경우에는 입력된 풍속과 풍향에 대하여 상대 풍속과 상대 풍향계산, 공기저항계수 도출, 공기저항계산을 수행하여 공기저항을 계산한다.
상술한 공기저항계산부(41)에 의한 공기저항 계산을 위한 상기 절대풍속과 절대풍향 계산은,
(수학식 1)
Figure 112017030018576-pat00055
(수학식 2)
Figure 112017030018576-pat00056
(여기서, VWR : 계측기 높이에서 계측된 상대 풍속, VWT : 계측기 높이에서의 절대 풍속, ΨGPS : 선박의 진행방향, ΨWR : 계측기 높이에서의 상대 풍향, ΨWT : 계측기 높이에서의 절대 풍향)을 적용하여 계측기의 높이에서 계측된 상대 풍속과 상대 풍향을 이용하여 계측기 높이에서의 절대 풍속과 절대 풍향을 계산한다.
상기 높이 보정은, 풍동시험 측정 위치인 기준높이와 실선 풍향계 높이 차이를 고려하여,
(수학식 3)
Figure 112017030018576-pat00057
(여기서, VWTref : 기준 높이에서의 절대 풍속, Zref : 기준 높이(보통 10m), Za : 계측기 높이)을 적용하여 수행된다.
상기 상대 풍속과 상대 풍향의 계산은,
(수학식 4)
Figure 112017030018576-pat00058
(수학식 5)
Figure 112017030018576-pat00059
(여기서, VWRref : 기준 높이에서의 상대 풍속, ΨWRref : 기준 높이에서의 상대 풍향)에 의해 수행된다.
상기 공기저항계수도출은 풍동시험, ITTC 차트 또는 후지와라(Fujiwara) 회귀식 중 어느 하나를 이용하여 수행된다.
도 3은 공기저항 계수 CX의 도출을 위한 ITTC 차트를 나타내는 도면이고, 도 4는 Fujiwara 회귀식에 사용되는 입력파라메터를 나타내는 도면이다.
[표 1]
Figure 112017030018576-pat00060
구체적으로, 표 1과 도 3 및 도 4의 파라미터들이 적용되는. 상기 후지와라 회귀식은
(수학식 6)
Figure 112017030018576-pat00061
이고,
(수학식 7)
여기서,
Figure 112017030018576-pat00062
이며,
(수학식 8)
Figure 112017030018576-pat00063
이고,
(수학식 9)
Figure 112017030018576-pat00064
이며,
RAA : 공기 부가저항, ρ : 공기 밀도, CAA : 공기 저항 계수; CAA(0)의 의미는 선수풍(head wind)에서의 공기 저항 계수, ΨWRref : 기준 높이에서의 상대 풍향, AXV : 상부구조물을 포함한 수선 위 횡방향 투영 면적, VWRref : 기준 높이에서의 상대 풍속, VG : 계측 선박의 대지 속도이다.
상기 공기저항계산은,
(수학식 10)
Figure 112017030018576-pat00065
(여기서, RAA : 공기 부가저항, ρ : 공기 밀도, CAA : 공기 저항 계수(CAA(0)은 선수풍(head wind)에서의 공기 저항 계수), ΨWRref : 기준 높이에서의 상대 풍향, AXV : 상부구조물을 포함한 수선 위 횡방향 투영 면적, VWRref : 기준 높이에서의 상대 풍속, VG : 계측 선박의 대지 속도)에 의해 공기저항(RAA)을 계산한다.
다시 도 1을 참조하면, 상기 파랑중부가저항계산부(43)는, 파랑에 의한 선박에 미치는 부가저항을 계산하도록 구성된다.
도 5는 파랑중부가저항계산부(43)에 의한 파랑중 부가저항 계산의 계측데이터와 기후데이터의 분리 계산을 나타내는 도면이다.
구체적으로, 상기 파랑중부가저항계산부(43)는, 도 5와 같이, 파도 입력데이터를 계측데이터와 기후데이터로 나누어서 파랑중부가저항을 계산한다.
입력데이터가 계측데이터인 경우에는 파도 입력데이터를 이용하여 파도(Wind driven wave)와 너울성 파도(Swell) 각각에 대하여, 운동에 의한 부가저항 계산, 반사파에 의한 부가저항계산, 운동에 의한 부가저항과 반사파에 의한 부가저항을 합산한 개별 파랑중부가저항(RAWL)계산을 수행한다.
입력데이터가 기후데이터인 경우에는 파도 입력데이터를 이용하여 파도(Wind driven wave)와 너울성 파도(Swell) 각각에 대하여, 상대파향계산, 운동에 의한 부가저항계산, 반사파에 의한 부가저항 계산, 운동에 의한 부가저항과 반사파에 의한 부가저항을 합산한 개별 파랑중부가저항(RAWL)계산을 수행하여 파랑중부가저항을 계산한 다.
이 후, 파도(Wind driven wave)와 너울성 파도(Swell) 각각에 대하여 계산된 두 개의 개별 파랑중부가저항(RAWL)을 합산하여 계산하는 파랑중부가저항(RAW) 계산을 수행하여, 파랑중부가저항을 계산한다.
상술한 계산 과정에서 상기 상대파향계산은 계측된 파도 데이터를 벡터 처리(vector processing)를 사용하여 상대 파향으로 계산한다.
상기 운동에 의한 부가저항 계산은,
(수학식 11)
Figure 112017030018576-pat00066
,
(여기서,
Figure 112017030018576-pat00067
,
Figure 112017030018576-pat00068
,
Figure 112017030018576-pat00069
,
Figure 112017030018576-pat00070
,
Figure 112017030018576-pat00071
,
ρ = 해수밀도, g = 중력 가속도, ζA = 파진폭(wave amplitude), LPP = 선박의 수선간 길이, B = 선박의 폭, Fr = 프루드 수 수(Froude number), kyy = y축에 대한 관성회전 반경, CB = 비척방형계수)에 의해 수행된다.
상기 반사파에 의한 부가저항계산은,
(수학식 12)
(여기서,
Figure 112017030018576-pat00073
,
Figure 112017030018576-pat00074
,
TM = 중앙단면에서의 흘수, I1 = 변형된 1차 1종 베셀 함수(modified Bessel function of the first kind of order 1), K1 = 변형된 1차 2종 베셀 함수(modified Bessel function of the second kind of order 1), k = 파수(wave number))에 의해 반사파에 의한 규칙파의 저항 증가량(RAWRL)을 계산한다.
상기 개별 파랑중부가저항(RAWL)계산은,
(수학식 13)
Figure 112017030018576-pat00075
(여기서, Rwave = RAWML+RAWRL, Sη= 파 스펙트럼(wave spectrum))에 의해 운동에 의한 부가저항과 반사파에 의한 부가저항을 합산하여 운동과 반사파에 의한 장파장 불규칙파의 저항 증가량으로서의 개별 파랑중부가저항(RAWL)을 계산한다.
상기 파랑중부가저항(RAW)계산은 상기 파도(Wind driven wave)와 너울성 파도(Swell) 각각에 대한 개별 파랑중부가저항(RAWL)을 합산하여 파랑중부가저항(RAW)으로 계산을 수행한다.
도 6은 해수온도부가저항계산부(44)에 의한 해수온도에 따른 해수온도부가저항의 계산 절차를 나타내는 도면이다.
상기 해수온도부가저항계산부(44)는 계측된 해수 온도와 밀도에 의한 마찰저항 계산, 기준(Reference) 해수 온도(15℃)와 밀도(1026kg/m3)에 의한 마찰 저항 계수 계산, 해수 온도와 밀도에 의한 마찰 저항계수 계산, 기준 해수 온도와 밀도에 의한 저항 계산, 해수온도에 따른 부가저항 계산을 수행하여 해수온도에 따른 부가저항을 계산하도록 구성된다.
이때, 상기 계측된 해수 온도와 밀도에 의한 마찰저항 계산과 상기 기준(Reference) 해수 온도(15℃)와 밀도(1026kg/m3)에 의한 마찰 저항 계수 계산은,
(수학식 14)
Figure 112017030018576-pat00076
(여기서,
Figure 112017030018576-pat00077
, ν= 동점성 계수)에 의해 수행되된다.
그리고 상기 해수 온도와 밀도에 의한 마찰 저항계수 계산은,
(수학식 15)
Figure 112017030018576-pat00078
에 의해 수행된다.
다음으로, 상기 기준 해수 온도와 밀도에 의한 저항 계산은,
(수학식 16)
Figure 112017030018576-pat00079
에 의해 수행된다.ㅣ
또한, 상기 해수온도에 따른 부가저항 계산은,
(수학식 17)
Figure 112017030018576-pat00080
에 의해 수행된다.
여기서, ρ = 해수밀도, ρ0 = 기준 수온에서의 해수 밀도, CF = 계측된 수온에서의 마찰저항계수, CF0 = 기준온도에서의 마찰저항계수, S = 침수표면적, VS = 대수속도, CT0 = 기준온도에서의 전저항계수이다.
도 7은 조타각에 따른 저항계수(resistance deduction fraction due to steering) 도출을 위한 그래프이다.
상기 조타각부가저항계산부(45)는,
(수학식 18)
Figure 112017030018576-pat00081
(여기서,
Figure 112017030018576-pat00082
,
Figure 112017030018576-pat00083
,
Figure 112017030018576-pat00084
,
Figure 112017030018576-pat00085
, tR = 조타각에 따른 저항감소계수(resistance deduction fraction due to steering), ρ = 해수밀도, λR = 타 종횡비(aspect ratio of rudder), AR = 타 면적, Veff = 유효 유입 속도(effective inflow velocity to rudder), δR = 조타각, bR = 타폭(Rudder span), SR = 참슬립비(real slip ratio)(
Figure 112017030018576-pat00086
(VA: 프로펠러 유입 속도,
Figure 112017030018576-pat00087
, P: propeller pitch, n: 프로펠러 회전수), D = 프로펠러 직경, ω= 반류비(Taylor wake fraction), VS = 대수속도)에 의해 조타각부가저항(
Figure 112017030018576-pat00088
)을 계산하도록 구성된다.
상기 표류각부가저항계산부(47)는
(수학식 19)
Figure 112017030018576-pat00089
(여기서, ρ: 해수밀도, d: 흘수, β= 표류각, VS = 대수속도)에 의해 표류각에 의한 저항증가량인 표류각부가저항(
Figure 112017030018576-pat00090
)을 계산하도록 구성될 수 있다.
상기 선속-동력 해석부(50)는, 선속-동력 해석을 위한 전저항을 추정하는 전저항추정부(51); 및 상기 저항계산부(40)에서 계산된 부가저항을 보정하여 이상적인 조건의 마력인 정수중마력(ideal condition power)을 추정하는 정수중마력추정부(53);를 포함하여 구성될 수 있다.
도 8은 전저항추정부(51)에 의한 전저항 추정과 전저항 계수를 이용한 전저항 계산 절차를 나타내는 도면이다.
도 8과 같이 상기 전저항추정부(51)는 전저항계수를 추정하거나, 전저항 계수를 이용하여 전저항을 계산하도록 구성된다.
구체적으로, 상기 전저항추정부(51)는 반류비를 사용하는 경우에는 전달마력(PDms) 계산, 토크계수(KQ)계산, 전진비(J) 계산, 추력(thrust)계수(KT) 계산, 하중계수(τ) 계산, 반류비(ωestimated) 계산, 전저항(RT) 계산을 수행하여 전저항을 추정하고, 전저항 계수를 사용하는 경우에는 전저항 계수를 이용한 전저항(RT) 계산을 수행하여 전저항을 추정한다.
이때, 계측된 축 마력으로부터 전달 마력을 계산하는 상기 전달마력(PDms) 계산은,
(수학식 20)
Figure 112017030018576-pat00091
(여기서,
Figure 112017030018576-pat00092
: 전달효율)에 의해 수행된다.
상기 토크계수(KQ)계산은,
(수학식 21)
Figure 112017030018576-pat00093
(여기서,
Figure 112017030018576-pat00094
= 추진기 효율비)에 의해 수행된다.
상기 전진비(J) 계산은 POW(Propeller open sate test) 시험결과로부터 토크계수에 대응하는 작용점에서의 전진비(J) 값을 전진비(J)로 선택한다.
도 9는 전진비(J) 계산을 위한 실시예의 POW(Propeller open sate test) 시험결과를 나타내는 도면이다.
상기 추력(thrust)계수(KT) 계산은,
(수학식 22)
Figure 112017030018576-pat00095
(여기서, a, b, c는 다항 회귀식으로 구해 짐)에 의해 수행된다.
상기 하중계수 계산은,
(수학식 23)
Figure 112017030018576-pat00096
에 의해 수행된다.
상기 반류비(ωestimated) 계산은, 모형시험 결과로부터 또는
(수학식 24)
Figure 112017030018576-pat00097
에 의해 수행된다.
상기 전저항(RT) 계산은,
반류비(ωestimated)를 사용하는 경우에는
(수학식 25)
Figure 112017030018576-pat00098
에 의해 수행된다.
그리고 전저항 계수(CT)를 사용하는 경우에는
(수학식 26)
Figure 112017030018576-pat00099
에 의해 전저항(RT)을 계산한다.
도 10은 정수중마력추정부(53)에 의한 대수선속, 기후데이터, 파고레이더에 따른 정수중마력추정계산 절차를 나타내는 도면이다.
상기 정수중마력추정부(53)는, 대수속도(대수선속)(VS)를 적용하는 경우에는 추진효율계수(ηDid: propulsive efficiency coefficient)계산을 수행한 후 마력(ηDid)계산을 수행하고, 기후데이터를 적용하는 경우에는 대수속도 계산, 추진효율계수(ηDid: propulsive efficiency coefficient)계산을 수행한 후 마력(ηDid)계산을 수행하며, 파고레이더 데이터를 적용하는 경우에는 절대조류방향계산, 대수속도 계산, 추진효율계수(ηDid: propulsive efficiency coefficient)계산을 수행한 후 마력(ηDid)계산을 수행하여, 정수중마력을 추정하도록 구성된다.
상기 절대조류방향계산은, 조류를 파고 레이더에서 계측된 값을 사용할 경우 벡터처리(vector processing)를 통하여 상대 조류 방향을 절대 조류 방향으로 변환하며,
상기 대수속도 계산은 벡터처리(Vector Processing)를 수행하여 조류 보정된 대수속도를 계산한다.
상기 추진효율계수(ηDid: propulsive efficiency coefficient)계산은,
(수학식 27)
Figure 112017030018576-pat00100
(여기서,
Figure 112017030018576-pat00101
: 운항조건에서의 추진기효율계수,
Figure 112017030018576-pat00102
(RAS: 해수온도에 따른 부가저항, RAA: 공기저항, RAW: 파랑중부가저항,
Figure 112017030018576-pat00103
: 조타각에 따른 부가저항,
Figure 112017030018576-pat00104
: 표류각에 따른 부가 저항,
Figure 112017030018576-pat00105
: 하중변동시험(load variation test)에 의해 얻어지는 값)
Figure 112017030018576-pat00106
(RAS: 해수온도에 따른 부가저항, RAA: 공기저항, RAW: 파랑중부가저항, RT: 전저항)에 의해 수행된다.
상기 이상조건마력(ηDid)계산은,
(수학식 28)
Figure 112017030018576-pat00107
(여기서, PDms: 전달마력, VS: 대수속도(대수선속),
Figure 112017030018576-pat00108
: 하중변동시험(load variation test)에 의해 얻어지는 값)에 의해 수행된다.
상기 선체자세변화동력해석부(60)는,
(수학식 29)
Figure 112017030018576-pat00109
(여기서, Pcalm: 평수 중 마력, Pid: 정수중마력, Δstandard = 표준운항조건 배수량, Δmeasured = 운항 배수량)에 의해 배수량 보정과 트림에 따른 보정을 수행하여 평수중 선속-동력 해석을 수행하도록 구성된다.
도 11은 본원 발명의 실시예에 따르는 운항선의 표준운항 상태 선속-동력 해석 방법의 처리과정을 나타내는 순서도이다.
도 11과 같이 상기 운항선의 표준운항상태 선속-동력 해석 방법은, 운항데이터 필터링과정(S100), 저항계산과정(S200), 선속-동력 해석 과정(S300), 선체자세변화동력해석과정(S400) 및 표준운항상태 선속-동력 해석과정(S500)을 포함하여 이루어진다.
구체적으로, 운항데이터 입력부(10)와 대상선박데이터 입력부(20)로부터 운항데이터와 대상선박데이터가 입력되면, 운항데이터필터링부(30)가 상기 운항데이터와 대상선박데이터 중 기준 값을 벗어나는 값을 제거하여 노이즈를 제거하는 운항데이터 필터링과정(S100)을 수행한다.
다음으로, 저항계산부(40)가 운항중인 해석 대상 선박에서 계측된 계측데이터와 운항해역에서의 기후데이터를 포함하는 운항데이터와 선박의 특성정보와 모형시험 결과 또는 해석 옵션을 포함하는 대상선박데이터로부터 선박에 미치는 공기저항, 파랑중부가저항, 해수온도부가저항, 조타각부가저항 또는 표류각부가저항 중 하나 이상을 계산하여 합산한 저항을 출력하는 저항계산과정(S200)을 수행한다.
이 후, 선속-동력 해석부(50)가 선속-동력 해석을 위한 전저항을 추정하고, 상기 저항계산부(40)에서 계산된 부가저항을 보정하여 이상적인 조건의 마력인 정수중마력을 추정하는 선속-동력 해석과정(S300)을 수행한다.
다음으로, 선체자세변화동력해석부(60)가 상기 정수중마력에 대하여 배수량 보정과 트림 보정을 수행하여 평수중 선속-동력 해석을 수행하는 선체자세변화동력해석과정(S400)을 수행한다.
끝으로, 표준운항상태선속-동력해석부(70)가 정의된 표준운항상태와 부가저항을 고려한 표준운항상태 선속-동력 해석을 수행하는 표준운항상태 선속-동력 해석과정(S500)을 수행한다.
도 12는 도 11의 처리과정 중 저항계산과정(S200)의 상세 처리과정을 나타내는 도면이다.
도 12와 같이, 상기 저항계산과정(S200)은, 상기 저항계산부(40)가 공기저항계산부(41), 파랑중부가저항계산부(43) 해수온도부가저항계산부(44), 조타각부가저항계산부(45) 또는 표류각부가저항계산부(47) 중 하나 이상을 포함하여, 상기 공기저항계산부(41)가 바람에 의한 증가량인 공기저항을 계산하는 공기저항계산과정(S210), 상기 파랑중부가저항계산부(43)가 파도에 의한 저항증가량인 파랑중부가저항을 계산하는 파랑중부가저항계산과정(S220), 상기 해수온도부가저항계산부(44)가 수온변화와 해수밀도 차이에 따른 저항증가량인 해수온도부가저항을 계산하는 해수온도에 따른 부가 저항 계산과정(S230), 상기 조타각부가저항계산부(45)가 조타각에 따른 부가저항인 조타각부가저항을 계산하는 조타각부가저항계산과정(S240) 또는 상기 표류각부가저항계산부(47)가 표류각에 따른 부가저항인 표류각부가저항을 계산하는 표류각부가저항계산과정(S250) 중 하나 이상을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 공기저항계산과정(S210)은, 입력 풍속과 풍향을 계측데이터와 기후데이터로 나누어서, 계측데이터인 경우에는 입력된 풍속과 풍향에 대하여 선박의 진행 방향에 대한 절대 풍속과 절대 풍향 계산, 높이보정, 계측기 높이(기준 높이)에서 계측된 상대 풍속과 상대 풍향계산, 공기저항계수 도출, 공기저항계산을 수행하여 공기저항을 계산하고, 기후데이터인 경우에는 입력된 풍속과 풍향에 대하여 상대 풍속과 상대 풍향계산, 공기저항계수 도출, 공기저항계산을 수행하여 공기저항을 계산을 수행한다.
여기서, 상기 절대 풍속과 절대 풍향 계산은, 계측기의 높이에서 계측된 상대 풍속과 상대 풍향을
(수학식 1)
Figure 112017030018576-pat00110
(수학식 2)
Figure 112017030018576-pat00111
(여기서, VWR : 계측기 높이에서 계측된 상대 풍속, VWT : 계측기 높이에서의 절대 풍속, ΨGPS : 선박의 진행방향, ΨWR : 계측기 높이에서의 상대 풍향, ΨWT : 계측기 높이에서의 절대 풍향)에 의해 적용하여 절대 풍속과 절대 풍향을 계산한다.
상기 높이 보정은, 풍동시험 측정 위치인 기준높이와 실선 풍향계 높이 차이를 고려하여,
(수학식 3)
Figure 112017030018576-pat00112
(여기서, VWTref : 기준 높이에서의 절대 풍속, Zref : 기준 높이(보통 10m), Za : 계측기 높이)에 의해 수행된다.
상기 상대 풍속과 상대 풍향의 계산은,
(수학식 4)
Figure 112017030018576-pat00113
(수학식 5)
Figure 112017030018576-pat00114
(여기서, VWRref : 기준 높이에서의 상대 풍속, ΨWRref : 기준 높이에서의 상대 풍향)에 의해 수행된다.
상기 공기저항계수도출은 풍동시험, ITTC 차트 또는 후지와라(Fujiwara) 회귀식 중 어느 하나를 이용하여 수행된다.
이때, 상기 후지와라 회귀식은
(수학식 6)
Figure 112017030018576-pat00115
이고,
(수학식 7)
여기서
Figure 112017030018576-pat00116
이며,
(수학식 8)
Figure 112017030018576-pat00117
이고,
(수학식 9)
Figure 112017030018576-pat00118
이다.
상기 수학식 6 내지 9에서, RAA : 공기 부가저항, ρ : 공기 밀도, CAA : 공기 저항 계수; CAA(0)의 의미는 선수풍(head wind)에서의 공기 저항 계수, ΨWRref : 기준 높이에서의 상대 풍향, AXV : 상부구조물을 포함한 수선 위 횡방향 투영 면적, VWRref : 기준 높이에서의 상대 풍속, VG : 계측 선박의 대지 속도이다.
상기 공기저항계산은,
(수학식 10)
Figure 112017030018576-pat00119
(여기서, RAA : 공기 부가저항, ρ : 공기 밀도, CAA : 공기 저항 계수(CAA(0)은 선수풍(head wind)에서의 공기 저항 계수), ΨWRref : 기준 높이에서의 상대 풍향, AXV : 상부구조물을 포함한 수선 위 횡방향 투영 면적, VWRref : 기준 높이에서의 상대 풍속, VG : 계측 선박의 대지 속도)에 의해 수행된다.
상기 파랑중부가저항계산과정(S220)은, 파도 입력데이터를 계측데이터와 기후데이터로 나누어서, 계측데이터인 경우에는 파도 입력데이터를 이용하여 파도(Wind driven wave)와 너울성 파도(Swell) 각각에 대하여, 운동에 의한 부가저항 계산, 반사파에 의한 부가저항계산, 운동에 의한 부가저항과 반사파에 의한 부가저항을 합산한 개별 파랑중부가저항(RAWL)계산을 수행하고, 기후데이터인 경우에는 파도 입력데이터를 이용하여 파도(Wind driven wave)와 너울성 파도(Swell) 각각에 대하여, 상대파향계산, 운동에 의한 부가저항계산, 반사파에 의한 부가저항 계산, 운동에 의한 부가저항과 반사파에 의한 부가저항을 합산한 개별 파랑중부가저항(RAWL)계산을 수행하여 파랑중부가저항을 계산한 후, 계산된 두 개의 개별 파랑중부가저항(RAWL)을 합산하여 파랑중부가저항으로 계산하는 파랑중부가저항(RAW) 계산을 수행하여, 파랑중부가저항을 계산한다.
이때, 상기 상대파향계산은 계측된 파도 데이터를 벡터 프로세싱(vector processing)을 사용하여 상대 파향으로 계산한다.
상기 운동에 의한 부가저항 계산은,
(수학식 11)
Figure 112017030018576-pat00120
,
(여기서,
Figure 112017030018576-pat00121
,
Figure 112017030018576-pat00122
,
Figure 112017030018576-pat00123
,
Figure 112017030018576-pat00124
,
Figure 112017030018576-pat00125
,
ρ = 해수밀도, g = 중력 가속도, ζA = 파진폭(wave amplitude), LPP = 선박의 수선간 길이, B = 선박의 폭, Fr = 프루드 수(Froude number), kyy = y축에 대한 관성 회전 반경, CB = 비척방형계수)에 의해 수행된다.
상기 반사파에 의한 부가저항계산은,
(수학식 12)
Figure 112017030018576-pat00126
(여기서,
Figure 112017030018576-pat00127
,
Figure 112017030018576-pat00128
,
TM = 중앙단면에서의 흘수, I1 = 변형된 1차 1종 베셀 함수(modified Bessel function of the first kind of order 1), K1 = 변형된 1차 2종 베셀 함수(modified Bessel function of the second kind of order 1), k = 파수(wave number))에 의해 반사파에 의한 규칙파의 저항 증가량(RAWRL)을 계산한다.
상기 개별 파랑 중 부가저항(RAWL)계산은,
(수학식 13)
Figure 112017030018576-pat00129
(여기서, Rwave = RAWML+RAWRL, Sη= 파 스펙트럼(wave spectrum))에 의해 운동에 의한 부가저항과 반사파에 의한 부가저항을 합산하여 운동과 반사파에 의한 장파장 불규칙파의 저항 증가량으로서의 개별 파랑중부가저항(RAWL)을 계산한다.
상기 파랑중부가저항(RAW)계산은 상기 파도(Wind driven wave)와 너울성 파도(Swell) 각각에 대한 개별 파랑중부가저항(RAWL)을 합산하여 파랑중부가저항(RAW)으로 계산하는 것이다.
상기 해수온도에 따른 부가 저항 계산과정(S230)은, 계측된 해수 온도와 밀도에 의한 마찰저항 계산, 기준(Reference) 해수 온도(15℃)와 밀도(1026kg/m3)에 의한 마찰 저항 계수 계산, 해수 온도와 밀도에 의한 마찰 저항계수 계산, 기준 해수 온도와 밀도에 의한 저항 계산, 해수온도에 따른 부가저항 계산을 수행하여 해수온도에 따른 부가저항을 계산한다.
여기서, 상기 계측된 해수 온도와 밀도에 의한 마찰저항 계산과 상기 기준(Reference) 해수 온도(15℃)와 밀도(1026kg/m3)에 의한 마찰 저항 계수 계산은,
(수학식 14)
Figure 112017030018576-pat00130
(여기서,
Figure 112017030018576-pat00131
, ν= 동점성 계수)에 의해 수행된다.
상기 해수 온도와 밀도에 의한 마찰 저항계수 계산은,
(수학식 15)
Figure 112017030018576-pat00132
에 의해 수행된다.
상기 기준 해수 온도와 밀도에 의한 저항 계산은,
(수학식 16)
Figure 112017030018576-pat00133
에 의해 수행된다.
상기 해수온도에 따른 부가저항 계산은,
(수학식 17)
Figure 112017030018576-pat00134
에 의해 수행되고, 여기서, ρ = 해수밀도, ρ0 = 기준 수온에서의 해수 밀도, CF = 계측된 수온에서의 마찰저항계수, CF0 = 기준온도에서의 마찰저항계수, S = Wetted surface area, VS = 대수속도, CT0 = 기준온도에서의 전저항계수이다.
상기 조타각부가저항계산과정(S240)은,
(수학식 18)
Figure 112017030018576-pat00135
(여기서,
Figure 112017030018576-pat00136
,
Figure 112017030018576-pat00137
,
Figure 112017030018576-pat00138
,
Figure 112017030018576-pat00139
, tR = 조타각에 따른 저항감소계수(resistance deduction fraction due to steering), ρ = 해수밀도, λR = 타 종횡비(aspect ratio of rudder), AR = 타 면적, Veff = 유효 유입 속도(effective inflow velocity to rudder), δR = 조타각, bR = 타폭(Rudder span), SR = 참슬립비(real slip ratio)(
Figure 112017030018576-pat00140
(VA: 프로펠러 유입 속도,
Figure 112017030018576-pat00141
, P;:propeller pitch n: 프로펠러 회전수), D = 프로펠러 직경, ω= 반류비(Taylor wake fraction), VS = 대수속도)에 의해 조타각부가저항(
Figure 112017030018576-pat00142
)을 계산하는 과정이다.
상기 표류각부가저항계산과정(S250);
(수학식 19)
Figure 112017030018576-pat00143
(여기서, ρ: 해수밀도, d: 흘수, β= 표류각, VS = 대수속도)에 의해 표류각에 의한 저항증가량인 표류각부가저항(
Figure 112017030018576-pat00144
)을 계산하는 과정이다.
도 13은 도 11의 처리과정 중 선속-동력 해석과정(S300)의 상세 처리과정을 나타내는 도면이다.
도 13과 같이, 상기 선속-동력 해석과정(S300)은, 선속-동력해석부(50)의 전저항추정부(51)가 선속-동력 해석을 위한 전저항을 추정하는 전저항추정과정(S310); 및 선속-동력해석부(50)의 정수중마력추정부(53)가 상기 저항계산부(40)에서 계산된 부가저항을 보정하여 이상적인 조건의 마력인 정수중마력(ideal condition power)을 추정하는 정수중마력 추정과정(S320);을 포함하여 이루어진다.
상기 전저항추정과정(S310)은, 반류비를 사용하는 경우에는 전달마력(PDms) 계산, 토크계수(KQ)계산, 전진비(J) 계산, 추력(thrust)계수(KT) 계산, 하중계수(τ) 계산, 반류비(ωestimated) 계산, 전저항(RT) 계산을 수행하여 전저항을 추정한다.
그리고 전저항 계수를 사용하는 경우에는 전저항 계수를 이용한 전저항(RT)계산을 수행하여 전저항을 추정한다.
이때, 계측된 축 마력으로부터 전달 마력을 계산하는 상기 전달마력(PDms) 계산은,
(수학식 20)
Figure 112017030018576-pat00145
(여기서,
Figure 112017030018576-pat00146
: 전달효율)에 의해 수행된다.
상기 토크계수(KQ)계산은,
(수학식 21)
Figure 112017030018576-pat00147
(여기서,
Figure 112017030018576-pat00148
= 추진기 효율비)에 의해 수행된다.
상기 전진비(J) 계산은 POW(Propeller open sate test) 시험결과로부터 토크계수에 대응하는 작용점에서의 전진비(J) 값을 전진비(J)로 선택된다.
상기 추력(thrust)계수(KT) 계산은,
(수학식 22)
Figure 112017030018576-pat00149
(여기서, a, b, c는 다항 회귀식으로 구해 짐)에 의해 수행된다.
상기 하중계수 계산은,
(수학식 23)
Figure 112017030018576-pat00150
에 의해 수행된다.
상기 반류비(ωestimated) 계산은 모형 시험 결과로부터 또는
(수학식 24)
Figure 112017030018576-pat00151
에 의해 수행된다.
상기 전저항(RT) 계산은
반류비(ωestimated)를 사용하는 경우에는
(수학식 25)
Figure 112017030018576-pat00152
에 의해 수행된다.
이와 달리, 전저항 계수(CT)를 사용하는 경우에는
(수학식 26)
Figure 112017030018576-pat00153
에 의해 전저항을 계산한다.
상기 정수중마력추정과정(S320)은,
대수속도(대수선속)(VS)를 적용하는 경우에는 추진효율계수(ηDid: propulsive efficiency coefficient)계산을 수행한 후 마력(ηDid)계산을 수행하고,
기후데이터를 적용하는 경우에는 대수속도 계산, 추진효율계수(ηDid: propulsive efficiency coefficient)계산을 수행한 후 마력(ηDid)계산을 수행하며,
파고레이더 데이터를 적용하는 경우에는 절대조류방향계산, 대수속도 계산, 추진효율계수(ηDid: propulsive efficiency coefficient)계산을 수행한 후 마력(ηDid)계산을 수행하여, 정수중마력을 추정한다.
여기서, 상기 절대조류방향계산은, 조류를 파고 레이더에서 계측된 값을 사용할 경우 벡터처리(vector processing)를 통하여 상대 조류 방향을 절대 조류 방향으로 변환한다.
상기 대수속도 계산은 벡터처리(vector processing)를 수행하여 조류 보정된 대수속도를 계산한다.
상기 추진효율계수(ηDid: propulsive efficiency coefficient)계산은,
(수학식 27)
Figure 112017030018576-pat00154
(여기서,
Figure 112017030018576-pat00155
: 운항조건에서의 추진기효율계수,
Figure 112017030018576-pat00156
(RAS: 해수온도에 따른 부가저항, RAA: 공기저항, RAW: 파랑중부가저항,
Figure 112017030018576-pat00157
: 조타각에 따른 부가저항,
Figure 112017030018576-pat00158
: 표류각에 따른 부가 저항,
Figure 112017030018576-pat00159
: 하중변동시험(load variation test)에 의해 얻어지는 값)
Figure 112017030018576-pat00160
(RAS: 해수온도에 따른 부가저항, RAA: 공기저항, RAW: 파랑중부가저항, RT: 전저항)에 의해 수행된다.
상기 정수중마력(
Figure 112017030018576-pat00161
)계산은,
(수학식 28)
Figure 112017030018576-pat00162
(여기서, PDms: 전달마력, VS: 대수속도(대수선속),
Figure 112017030018576-pat00163
: 하중변동시험(load variation test)에 의해 얻어지는 값)에 의해 수행된다.
상기 선체자세변화동력해석과정(S400)은,
선체자세변화동력해석부(60)가
(수학식 29)
Figure 112017030018576-pat00164
(여기서, Pcalm: 평수 중 마력, Pid: 정수중마력, Δstandard = 표준운항조건 배수량, Δmeasured = 운항 배수량)에 의해 배수량 보정과 트림에 따른 보정을 수행하여 평수중 선속-동력 해석을 수행하는 과정이다.
이상의 처리과정에 의해 계산된 선속-동력 해석 결과는 실해역에서 운항중인 선박 운항속도 범위에서의 고정도 소요마력, 소요 연료량 추정을 가능케 하여, 속도별 에너지효율을 평가할 수 있으며 에너지효율을 극대화하기 위한 해결책을 제시할 수 있다.
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 운항선의 표준 운항 상태 선속 동력 해석 시스템

Claims (14)

  1. 저항계산부(40)가 운항중인 해석 대상 선박에서 계측된 계측데이터와 운항해역에서의 기후데이터를 포함하는 운항데이터와 선박의 특성정보와 모형시험 결과 또는 해석 옵션을 포함하는 대상선박데이터로부터 선박에 미치는 공기저항, 파랑중부가저항, 해수온도부가저항, 조타각부가저항 또는 표류각부가저항 중 하나 이상을 계산하여 합산한 저항을 출력하는 저항계산과정(S200);
    선속-동력 해석부(50)가 선속-동력 해석을 위한 전저항을 추정하고, 상기 저항계산부(40)에서 계산된 부가저항을 보정하여 이상적인 조건의 마력인 정수중마력을 추정하는 선속-동력 해석과정(S300);
    선체자세변화동력해석부(60)가 상기 정수중마력에 대하여 배수량 보정과 트림 보정을 수행하여 평수중 선속-동력 해석을 수행하는 선체자세변화 동력해석과정(S400); 및
    표준운항상태선속-동력해석부(70)가 정의된 표준운항상태와 부가저항을 고려한 표준운항상태 선속-동력 해석을 수행하는 표준운항상태 선속-동력 해석과정(S500);을 포함하여 이루어지는 운항선의 표준운항상태 선속-동력 해석 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 운항 중인 선박에서 계측되는 자료인 계측데이터는,
    데이터 계측시간(UTC), 대지속도(VG), 대수속도(VS), 프로펠러회전수(nms), 축마력(PSms), 제동마력(PBms), 자선방향_Gyro(Ψgyro), 자선방향_GPS(ΨGPS), 수심(h), 운항항차에서의 배수량(∇2), 트림(선수흘수(draught_fp), 선미흘수(draught_ap)) 해수온도(TS), 해수밀도(ρ), 타각(δ) 또는 표류각(β) 중 하나 이상을 포함하고,
    상기 운항 중인 선박의 운항해역에서의 기후데이터는,
    파도의 유의파고(Sea_height(HW1/3)), 파도의 방향(Sea_direction(DW)), 파도의 주기(Sea_period(TW)), 너울성 파도의 유의파고(Swell_height(HS1/3)), 너울성 파도의 방향(Swell_direction(DS)), 너울성 파도의 주기(Swell_period(TS)), 상대풍속(VWR), 상대풍향(ΨRef), 공기온도(TA), 공기밀도(ρA), 조류속도(VCT) 또는 조류방향(ΨCT) 중 하나 이상을 포함하며,
    상기 대상선박데이터는,
    공기저항계수 기준 높이(Zref), 풍향계 높이(Za), 폭(B), 전장(LOA), 수선간 길이(LPP), 수선 위 최대 횡단면적(AXV), 상부구조물 측면적(AOD), 수면위 측면적(ALV), 중앙단면적으로부터 AOD 중심까지의 거리(Cmc), 수면에서 상부구조물의 최고점까지의 높이(Hbr), 수면에서 AOD 중심까지의 높이(Hc), Smoothing range(μ), 비척방형계수(Cb), 평균 흘수(draught), y축에 대한 관성 회전 반경(kyy), 침수표면적(s), 프로펠러 직경(D), POW, 모형 시험 결과 또는 표준운항상태 배수량(∇1) 중 하나 이상을 포함하는 운항선의 표준운항상태 선속-동력 해석 방법.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 저항계산과정(S200)은,
    상기 저항계산부(40)가 공기저항계산부(41), 파랑중부가저항계산부(43) 해수온도부가저항계산부(44), 조타각부가저항계산부(45) 또는 표류각부가저항계산부(47) 중 하나 이상을 포함하여,
    상기 공기저항계산부(41)가 바람에 의한 저항증가량인 공기저항을 계산하는 공기저항계산과정(S210);
    상기 파랑중부가저항계산부(43)가 파도에 의한 저항증가량인 파랑중부가저항을 계산하는 파랑중부가저항계산과정(S220);
    상기 해수온도부가저항계산부(44)가 수온변화와 해수밀도 차이에 따른 저항증가량인 해수온도부가저항을 계산하는 해수온도에 따른 부가 저항 계산과정(S230);
    상기 조타각부가저항계산부(45)가 조타각에 따른 저항증가량인 조타각부가저항을 계산하는 조타각부가저항계산과정(S240); 또는
    상기 표류각부가저항계산부(47)가 표류각에 따른 저항증가량인 표류각부가저항을 계산하는 표류각부가저항계산과정(S250); 중 하나 이상을 포함하여 이루어지는 운항선의 표준운항상태 선속-동력 해석 방법.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 공기저항계산과정(S210)은,
    입력 풍속과 풍향을 계측데이터와 기후데이터로 나누어서,
    계측데이터인 경우에는 입력된 풍속과 풍향에 대하여 선박의 진행 방향에 대한 절대 풍속과 절대 풍향 계산, 높이보정, 계측기 높이(기준 높이)에서 계측된 상대 풍속과 상대 풍향계산, 공기저항계수 도출, 공기저항계산을 수행하여 공기저항을 계산하고,
    기후데이터인 경우에는 입력된 풍속과 풍향에 대하여 상대 풍속과 상대 풍향계산, 공기저항계수 도출, 공기저항계산을 수행하여 공기저항을 계산하며,
    상기 절대 풍속과 절대 풍향 계산은, 계측기의 높이에서 계측된 상대 풍속과 상대 풍향을
    (수학식 1)
    Figure 112017030018576-pat00165

    (수학식 2)
    Figure 112017030018576-pat00166

    (여기서, VWR : 계측기 높이에서 계측된 상대 풍속, VWT : 계측기 높이에서의 절대 풍속, ΨGPS : 선박의 진행방향, ΨWR : 계측기 높이에서의 상대 풍향, ΨWT : 계측기 높이에서의 절대 풍향)에 의해 수행되고,
    상기 높이 보정은,
    풍동시험 측정 위치인 기준높이와 실선 풍향계 높이 차이를 고려하여
    (수학식 3)
    Figure 112017030018576-pat00167
    (여기서, VWTref : 기준 높이에서의 절대 풍속, Zref : 기준 높이(보통 10m), Za : 계측기 높이)에 의해 수행되며,
    상기 상대 풍속과 상대 풍향의 계산은,
    (수학식 4)
    Figure 112017030018576-pat00168

    (수학식 5)
    Figure 112017030018576-pat00169

    (여기서, VWRref : 기준 높이에서의 상대 풍속, ΨWRref : 기준 높이에서의 상대 풍향)에 의해 수행되고,
    상기 공기저항계수도출은 풍동시험, ITTC 차트 또는 후지와라(Fujiwara) 회귀식 중 어느 하나를 이용하여 수행되며,
    상기 후지와라 회귀식은
    (수학식 6)
    Figure 112017030018576-pat00170
    이고,
    (수학식 7)
    Figure 112017030018576-pat00171
    이며,
    (수학식 8)
    Figure 112017030018576-pat00172

    이고,
    (수학식 9)
    Figure 112017030018576-pat00173
    이며,
    (수학식 6 내지 9에서, RAA : 공기 부가저항, ρ : 공기 밀도, CAA : 공기 저항 계수; CAA(0)의 의미는 선수풍(head wind)에서의 공기 저항 계수, ΨWRref : 기준 높이에서의 상대 풍향, AXV : 상부구조물을 포함한 수선 위 횡방향 투영 면적, VWRref : 기준 높이에서의 상대 풍속, VG : 계측 선박의 대지 속도)인 운항선의 표준 운항 상태 선속 동력 해석 방법.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 공기저항계산은,
    (수학식 10)
    Figure 112017030018576-pat00174

    (여기서, RAA : 공기 부가저항, ρ : 공기 밀도, CAA : 공기 저항 계수(CAA(0)은 선수풍(head wind)에서의 공기 저항 계수), ΨWRref : 기준 높이에서의 상대 풍향, AXV : 상부구조물을 포함한 수선 위 횡방향 투영 면적, VWRref : 기준 높이에서의 상대 풍속, VG : 계측 선박의 대지 속도)에 의해 수행되는 운항선의 표준운항상태 선속-동력 해석 방법.
  6. 청구항 3에 있어서, 상기 파랑중부가저항계산과정(S220)은,
    파도 입력데이터를 계측데이터와 기후데이터로 나누어서,
    계측데이터인 경우에는 파도 입력데이터를 이용하여 파도(Wind driven wave)와 너울성 파도(Swell) 각각에 대하여, 운동에 의한 부가저항 계산, 반사파에 의한 부가저항계산, 운동에 의한 부가저항과 반사파에 의한 부가저항을 합산한 개별 파랑중부가저항(RAWL)계산을 수행하고,
    기후데이터인 경우에는 파도 입력데이터를 이용하여 파도(Wind driven wave)와 너울성 파도(Swell) 각각에 대하여, 상대파향계산, 운동에 의한 부가저항계산, 반사파에 의한 부가저항 계산, 운동에 의한 부가저항과 반사파에 의한 부가저항을 합산한 개별 파랑중부가저항(RAWL)계산을 수행하여 파랑중부가저항을 계산한 후,
    계산된 두 개의 개별 파랑중부가저항(RAWL)을 합산하여 계산하는 파랑중부가정항(RAW) 계산을 수행하여, 파랑중부가저항을 계산하며,
    상기 상대파향계산은 계측된 파도 데이터를 벡터처리(vector processing)를 사용하여 상대 파향으로 계산하고,
    상기 운동에 의한 부가저항 계산은,
    (수학식 11)
    Figure 112017030018576-pat00175
    ,
    (여기서,
    Figure 112017030018576-pat00176
    ,
    Figure 112017030018576-pat00177
    ,
    Figure 112017030018576-pat00178
    ,
    Figure 112017030018576-pat00179
    ,
    Figure 112017030018576-pat00180
    ,
    ρ = 해수밀도, g = 중력 가속도, ζA = 파진폭(wave amplitude), LPP = 선박의 수선간 길이, B = 선박의 폭, Fr = 프루드 수 수(Froude number), kyy = y축에 대한 관성 회전 반경, CB = 비척방형계수)에 의해 수행되고,
    상기 반사파에 의한 부가저항계산은,
    (수학식 12)
    Figure 112017030018576-pat00181

    (여기서,
    Figure 112017030018576-pat00182
    ,
    Figure 112017030018576-pat00183
    ,
    TM = 중앙단면에서의 흘수, I1 = 변형된 1차 1종 베셀 함수(modified Bessel function of the first kind of order 1), K1 = 변형된 1차 2종 베셀 함수(modified Bessel function of the second kind of order 1), k = 파수(wave number))에 의해 반사파에 의한 규칙파의 저항 증가량(RAWRL)을 계산하고,
    상기 개별 파랑 중 부가저항(RAWL)계산은,
    (수학식 13)
    Figure 112017030018576-pat00184

    (여기서, Rwave = RAWML+RAWRL, Sη= 파 스펙트럼(wave spectrum))에 의해 운동에 의한 부가저항과 반사파에 의한 부가저항을 합산하여 운동과 반사파에 의한 장파장 불규칙파의 저항 증가량으로서의 개별 파랑중부가저항(RAWL)을 계산하며,
    상기 파랑중부가저항(RAW)계산은 상기 파도(Wind driven wave)와 너울성 파도(Swell) 각각에 대한 개별 파랑중부가저항(RAWL)을 합산하여 파랑중부가저항(RAW)으로 계산하는 운항선의 표준운항상태 선속-동력 해석 방법.
  7. 청구항 3에 있어서, 상기 해수온도에 따른 부가 저항 계산과정(S230)은,
    계측된 해수 온도와 밀도에 의한 마찰저항 계산, 기준(Reference) 해수 온도(15℃)와 밀도(1026kg/m3)에 의한 마찰 저항 계수 계산, 해수 온도와 밀도에 의한 마찰 저항계수 계산, 기준 해수 온도와 밀도에 의한 저항 계산, 해수온도에 따른 부가저항 계산을 수행하여 해수온도에 따른 부가저항을 계산하고,
    상기 계측된 해수 온도와 밀도에 의한 마찰저항 계산과 상기 기준(Reference) 해수 온도(15℃)와 밀도(1026kg/m3)에 의한 마찰 저항 계수 계산은,
    (수학식 14)

    (여기서,
    Figure 112017030018576-pat00186
    , ν= 동점성 계수)에 의해 수행되며,
    상기 해수 온도와 밀도에 의한 마찰 저항계수 계산은,
    (수학식 15)
    Figure 112017030018576-pat00187
    에 의해 수행되고,
    상기 기준 해수 온도와 밀도에 의한 저항 계산은,
    (수학식 16)
    Figure 112017030018576-pat00188
    에 의해 수행되며,
    상기 해수온도에 따른 부가저항 계산은,
    (수학식 17)
    Figure 112017030018576-pat00189

    에 의해 수행되고, 여기서, ρ = 해수밀도, ρ0 = 기준 수온에서의 해수 밀도, CF = 계측된 수온에서의 마찰저항계수, CF0 = 기준온도에서의 마찰저항계수, S = Wetted surface area, VS = 대수속도, CT0 = 기준온도에서의 전저항계수인 운항선의 표준운항상태 선속-동력 해석 방법.
  8. 청구항 3에 있어서, 상기 조타각부가저항계산과정(S240)은,
    (수학식 18)
    Figure 112017030018576-pat00190

    (여기서,
    Figure 112017030018576-pat00191
    ,
    Figure 112017030018576-pat00192
    ,
    Figure 112017030018576-pat00193
    ,
    Figure 112017030018576-pat00194
    , tR = 조타각에 따른 저항감소계수(resistance deduction fraction due to steering), ρ = 해수밀도, λR = 타 종횡비(aspect ratio of rudder), AR = 타 면적, Veff = 유효 유입 속도(effective inflow velocity to rudder), δR = 조타각, bR = 타폭(Rudder span), SR = 참슬립비(real slip ratio)(
    Figure 112017030018576-pat00195
    (VA: 프로펠러 유입 속도,
    Figure 112017030018576-pat00196
    , P;:propeller pitch n: 프로펠러 회전수), D = 프로펠러 직경, ω= 반류비(Taylor wake fraction), VS = 대수속도)에 의해 조타각부가저항(
    Figure 112017030018576-pat00197
    )을 계산하는 과정인 운항선의 표준운항상태 선속-동력 해석 방법.
  9. 청구항 3에 있어서, 상기 표류각부가저항계산과정(S250);
    (수학식 19)
    Figure 112017030018576-pat00198

    (여기서, ρ: 해수밀도, d: 흘수, β= 표류각, VS = 대수속도)에 의해 표류각에 의한 저항증가량인 표류각부가저항(
    Figure 112017030018576-pat00199
    )을 계산하는 과정인 운항선의 표준운항상태 선속-동력 해석 방법.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 선속-동력 해석과정(S300)은,
    선속-동력해석부(50)의 전저항추정부(51)가 선속-동력 해석을 위한 전저항을 추정하는 전저항추정과정(S310); 및
    선속-동력해석부(50)의 정수중마력추정부(53)가 상기 저항계산부(40)에서 계산된 부가저항을 보정하여 이상적인 조건의 마력인 정수중마력(ideal condition power)을 추정하는 정수중마력 추정과정(S320);을 포함하여 이루어 지는 운항선의 표준운항상태 선속-동력 해석 방법.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 전저항추정과정(S310)은,
    반류비를 사용하는 경우에는 전달마력(PDms) 계산, 토크계수(KQ)계산, 전진비(J) 계산, 추력(thrust)계수(KT) 계산, 하중계수(τ) 계산, 반류비(ωestimated) 계산, 전저항(RT) 계산을 수행하여 전저항을 추정하고,
    전저항 계수를 사용하는 경우에는 전저항 계수를 이용한 전저항(RT) 계산을 수행하여 전저항을 추정하며,
    계측된 축 마력으로부터 전달 마력을 계산하는 상기 전달마력(PDms) 계산은,
    (수학식 20)
    Figure 112017030018576-pat00200
    (여기서,
    Figure 112017030018576-pat00201
    : 전달효율)에 의해 수행되고,
    상기 토크계수(KQ)계산은,
    (수학식 21)
    Figure 112017030018576-pat00202
    (여기서,
    Figure 112017030018576-pat00203
    = 추진기 효율비)에 의해 수행되며,
    상기 전진비(J) 계산은 POW(Propeller open sate test) 시험결과로부터 토크계수에 대응하는 작용점에서의 전진비(J) 값을 전진비(J)로 선택하고,
    상기 추력(thrust)계수(KT) 계산은,
    (수학식 22)
    Figure 112017030018576-pat00204
    (여기서, a, b, c는 다항 회귀식으로 구해 짐)에 의해 수행되며,
    상기 하중계수 계산은,
    (수학식 23)
    Figure 112017030018576-pat00205
    에 의해 수행되고,
    상기 반류비(ωestimated) 계산은,
    모형시험 결과로부터 또는
    (수학식 24)
    Figure 112017030018576-pat00206
    에 의해 수행되며,
    상기 전저항(RT) 계산은
    반류비(ωestimated)를 사용하는 경우에는
    (수학식 25)
    Figure 112017030018576-pat00207
    에 의해 수행되고,
    전저항 계수(CT)를 사용하는 경우에는
    (수학식 26)
    Figure 112017030018576-pat00208
    에 의해 수행하는 운항선의 표준운항상태 선속-동력 해석 방법.
  12. 청구항 10에 있어서, 상기 정수중마력추정과정(S320)은,
    대수속도(대수선속)(VS)를 적용하는 경우에는 추진효율계수(ηDid: propulsive efficiency coefficient)계산을 수행한 후 마력(ηDid)계산을 수행하고,
    기후데이터를 적용하는 경우에는 대수속도 계산, 추진효율계수(ηDid: propulsive efficiency coefficient)계산을 수행한 후 마력(ηDid)계산을 수행하며,
    파고레이더 데이터를 적용하는 경우에는 절대조류방향계산, 대수속도 계산, 추진효율계수(ηDid: propulsive efficiency coefficient)계산을 수행한 후 마력(ηDid)계산을 수행하여, 정수중마력을 추정하고,
    상기 절대조류방향계산은, 조류를 파고 레이더에서 계측된 값을 사용할 경우 벡터처리(vector processing)를 통하여 상대 조류 방향을 절대 조류 방향으로 변환하며,
    상기 대수속도 계산은 벡터처리(Vector Processing)을 수행하여 조류 보정된 대수속도를 계산하고,
    상기 추진효율계수(ηDid: propulsive efficiency coefficient)계산은,
    (수학식 27)
    Figure 112017030018576-pat00209

    (여기서,
    Figure 112017030018576-pat00210
    : 운항조건에서의 추진기효율계수,
    Figure 112017030018576-pat00211
    (RAS: 해수온도에 따른 부가저항, RAA: 공기저항, RAW: 파랑중부가저항,
    Figure 112017030018576-pat00212
    : 조타각에 따른 부가저항,
    Figure 112017030018576-pat00213
    : 표류각에 따른 부가 저항,
    Figure 112017030018576-pat00214
    : 하중변동시험(load variation test)에 의해 얻어지는 값)
    Figure 112017030018576-pat00215
    (RAS: 해수온도에 따른 부가저항, RAA: 공기저항, RAW: 파랑중부가저항, RT: 전저항)에 의해 수행되며,
    상기 정수중마력(
    Figure 112017030018576-pat00216
    )계산은,
    (수학식 28)
    Figure 112017030018576-pat00217

    (여기서, PDms: 전달마력, VS: 대수속도(대수선속),
    Figure 112017030018576-pat00218
    : 하중변동시험(load variation test)에 의해 얻어지는 값)에 의해 수행되는 과정인 운항선의 표준운항상태 선속-동력 해석 방법.
  13. 청구항 1에 있어서, 상기 선체자세변화동력해석과정(S400)은,
    선체자세변화동력해석부(60)가
    (수학식 29)
    Figure 112017030018576-pat00219
    (여기서, Pcalm: 평수 중 마력, Pid: 정수중마력, Δstandard = 표준운항조건 배수량, Δmeasured = 운항 배수량)에 의해 배수량 보정과 트림에 따른 보정을 수행하여 평수중 선속-동력 해석을 수행하는 과정인 운항선의 표준운항상태 선속-동력 해석 방법.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 저항계산과정(S200) 이전에 운항데이터필터링부(30)가 상기 운항데이터와 대상선박데이터 중 기준 값을 벗어나는 값을 제거하여 노이즈를 제거하는 운항데이터 필터링과정(S100);을 더 포함하는 운항선의 표준운항상태 선속-동력 해석 방법.
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