KR100420830B1 - Air lubrication devices and method for ships utilizing a step and transverse riblet surface under the bottom - Google Patents
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Abstract
본 발명은 선박의 저항을 감소시키기 위하여 선저부에 단을 설치하고 단 후방의 선저면에는 선박의 진행 방향과 직교하는 방향으로 홈이 형성되어 있는 횡방향 요철구조를 설치함으로써 저항과 동력을 감소시키는 장치와 방법을 제시하는 것이다.The present invention is to reduce the resistance and power by installing a stage on the bottom of the ship in order to reduce the resistance of the ship and by installing a transverse uneven structure in which the groove is formed in a direction orthogonal to the traveling direction of the ship at the bottom of the ship It is to present a device and method.
본 발명을 좀더 구체적으로 설명하면, 선저부 단(1), 공기 압축기(12), 공기 유량계(15), 공기 분배실(16), 밸브(17, 17') 및 공기 공급구(20)가 구비되어 압축공기가 분사되도록 연결된 선저면의 공기 윤활장치에 있어서, 상기 공기 압축기(12)와 공기 유량계(15)사이에는 안정적으로 압축공기를 공급하기 위한 압축공기 저장탱크(13)와 압력 조절기(14)가 설치되어 압축공기(a)가 상기 분배실(16)에 구비된 다수의 공기 공급구(20)에서 수직 하방으로 분사되어 상기 공기(a)의 일부는 대향 위치에 있는 단 덮개(18)와 충돌되고 다른 일부의 공기(a)는 바로 단 후방으로 분사되도록 하여 선저부 단(1)의 후방에서 와류 순환 유동되면서 후방 선저부의 횡방향 요철구조(19)를 지나게하여 선박의 저항과 동력을 감소시키도록 결합 설치된 것을 특징으로 하는 단과 횡방향 요철구조를 이용한 선박용 공기 윤활장치 및 방법에 관한 것이다.In more detail, the bottom end stage 1, the air compressor 12, the air flow meter 15, the air distribution chamber 16, the valves 17, 17 ′ and the air supply port 20 are described. In the air lubrication device of the bottom surface is provided so that the compressed air is injected, the compressed air storage tank 13 and the pressure regulator for stably supplying the compressed air between the air compressor 12 and the air flow meter (15) 14 is installed so that the compressed air (a) is injected vertically downward from the plurality of air supply ports 20 provided in the distribution chamber 16 so that a part of the air (a) is in the opposite position (18) ) And the other part of air (a) is injected to the rear immediately behind the end of the bottom end (1) while the vortex flow flows through the transverse concave-convex structure (19) of the rear bottom to the ship's resistance and power End and transverse recesses, characterized in that coupled to reduce the It relates to a marine air lubrication apparatus and method using a tank.
Description
본 발명은 선박의 저항을 감소시키기 위하여 선저부에 단을 설치하고 단 후방의 선저면에는 선박의 진행 방향과 직교하는 방향으로 홈이 형성되어 있는 횡방향 요철구조를 설치함으로써 적은 유량으로 공기 막의 발달을 촉진시키는 단과 횡방향 요철구조를 이용한 선박용 공기 윤활장치 및 방법에 관한 것이다.In order to reduce the resistance of the ship, the present invention provides an air membrane at a low flow rate by providing a stage at the bottom of the ship and installing a transverse uneven structure in which a groove is formed in a direction orthogonal to the traveling direction of the ship at the bottom of the ship. The present invention relates to a ship air lubrication apparatus and method using a stage and a transverse convex-concave structure.
선박이 운항 중에 받는 저항은 조파저항과 점성저항으로 구분되는데, 일반적으로 저항이 발생하는 원인에 따라, 파(Wave)의 발생으로 인한 조파저항과 물의 점성으로 인한 점성저항으로 나눌 수 있으며, 점성저항은 다시 형상저항과 마찰저항으로 구분된다. 일반적인 수상선의 경우, 마찰저항이 가장 큰 비중을 차지하게 되므로 선박의 마찰저항을 감소시키기 위하여 여러 가지 기술이 제안된 바 있으며이 가운데에서 공기를 이용하는 방법이 있다. 그리고, 공기를 이용하여 마찰저항을 감소시키는 방법은 크게 미소 기포법과 공기 윤활법의 두 가지로 나누어진다.The resistance received by a ship during operation is divided into a sowing resistance and a viscous resistance. In general, the resistance can be divided into a sowing resistance caused by wave generation and a viscous resistance due to water viscosity. Are again divided into shape resistance and frictional resistance. In the case of a general water vessel, since the friction resistance occupies the largest portion, various techniques have been proposed to reduce the friction resistance of the ship, and there is a method using air among them. In addition, the method of reducing frictional resistance by using air is largely divided into two types, a microbubble method and an air lubrication method.
우선, 미소 기포법은 선체 표면에 직경이 수 십∼수 백 μm 정도인 미소 기포 또는, 이러한 미소 기포와 물과의 혼합 유체를 공급하여 선체 표면에 형성되는 점성 경계층 내부의 유체 유동을 다상(多狀) 유체 유동이 되도록 함으로써 점성 경계층 내의 난류 유동 조직과 미소 기포들 사이의 상호 작용을 통해 유효 점성이 낮아지는 효과를 발생시켜서 마찰저항을 감소시키는 방법이다. 이러한 미소 기포법을 이용한 선박의 운항동력 절감방식에 대해서는 국내에 일본 동경 대학 연구자들에 의하여 1994년 특허가 출원(700103호)된 바 있다. 그러나, 이 방법은 공기를 미소 기포 상태로 만들어 공급하는데 큰 동력이 소요되며 경우에 따라서는 미소 기포를 공급하는데 소요되는 동력이 절감되는 운항동력을 초과할 수도 있다는 문제점이 있다.First, the microbubble method is a multi-phase fluid flow inside the viscous boundary layer formed on the hull surface by supplying a microbubble having a diameter of several tens to hundreds of micrometers on the surface of the hull or supplying a mixed fluid of such microbubbles and water. Iii) a method of reducing the frictional resistance by causing the fluid flow to lower the effective viscosity through the interaction between the turbulent flow structure and the microbubbles in the viscous boundary layer. The method of reducing the operating power of a vessel using the microbubble method has been patented in 1994 (700103) by researchers at Tokyo University in Japan. However, this method has a problem in that it takes a great power to make the air in the state of micro-bubbles, and in some cases, the power required to supply the micro-bubbles may exceed the operating power is reduced.
그리고, 공기 윤활법은 물에 잠긴 선체 표면의 일부를 공기 막으로 덮는 방법으로서, 공기로 덮인 선체 표면에서는 물과의 접촉이 공기와의 접촉으로 바뀌게 되어 물에 잠긴 선체 표면의 침수표면적을 감소시키는 효과가 나타나므로 이러한 침수표면적의 감소효과를 통하여 물의 점성으로 인한 선박의 마찰저항을 감소시키는 것이다. 이와 같은 공기 윤활법에서는 선체 표면을 덮는 공기 막을 안정적으로 형성시키는 기술과 더불어 공기 막의 형성과 지속적인 유지를 위해 소모되는 공기의 공급량을 최소화시킬 수 있는 기술이 주요 기술에 해당한다.In addition, air lubrication is a method of covering a part of the surface of the hull submerged with water, and in the surface of the hull covered with air, the contact with water is changed to the contact with air, thereby reducing the submerged surface area of the submerged hull surface. The effect is to reduce the frictional resistance of the ship due to the viscosity of the water through the reduction of the submerged surface area. In such an air lubrication method, a technique for stably forming an air film covering the hull surface and a technology capable of minimizing the amount of air consumed for the formation and continuous maintenance of the air film correspond to the main technologies.
선체 표면을 덮는 공기 막을 안정적으로 형성시키고 유지하기 위한 기술로는물을 밀어내는 성질이 매우 강한 초(超)발수성 도료를 이용하는 기술 및 물과 공기의 표면장력이 공기 막의 유지를 돕는 방향으로 작용하는 요철구조 표면을 이용하는 기술과 단 후방의 국부적인 유동 특성을 이용하는 기술이 있다.Techniques for stably forming and maintaining air membranes covering the hull surface include techniques using super water-repellent paints that have strong water repelling properties, and unevenness in which the surface tension of water and air acts to help maintain the air membranes. There are techniques that use structural surfaces and those that utilize local flow characteristics at the back end.
초발수성 도료를 선체의 표면에 도포하면 선체의 표면은 물을 밀어내는 성질을 가지게 된다. 동시에 초발수성 도막이 형성되는 과정에서 도막을 구성하는 물질의 물리, 화학적인 성질을 이용하여 표면에 폭이 수 μm 정도인 미소한 요철을 무수히 분포시킬 수 있다. 이러한 미소 요철들은 공기와 물의 표면 장력에 의하여 그 내부에 공기를 보다 수월하게 유지할 수 있는 성질을 가지게 된다. 여기에 공기를 공급하게 되면 선체 표면에 얇은 공기 막을 효과적으로 발생시킬 수 있다. 이 기술은 일본의 미쓰이 조선소 연구자들이 발명하여 국내에 등록특허공보 제10-0188358호(1999.01.12)에 기재되어 있는데 요철 구조의 방향성에 대한 언급이 없이, 꼭지점간 거리가 3μm보다 작을 때만 효과를 발휘하며, 요철 구조의 상단 부분이 특수 페인트에 의하여 물을 밀어내는 성질을 가질 때에 비로소 유효한 효과를 나타내는 것으로 되어 있다. 따라서, 상기 특허기술은 꼭지점간 거리가 너무 미세하여 표면처리가 매우 까다로울 뿐만 아니라, 주요 요소인 홈의 방향성을 무시하여 실용성이 떨어질 수도 있다는 단점을 가지고 있으며 도료의 환경 친화적 성질 여부와 도막의 특성을 장기간 지속적으로 유지해야 하는 문제점이 있다.When a super water-repellent paint is applied to the surface of the hull, the surface of the hull has the property of pushing water. At the same time, in the process of forming a super water-repellent coating, it is possible to distribute a myriad of irregularities having a width of several μm on the surface by using the physical and chemical properties of the material constituting the coating. These micro irregularities have a property that can easily maintain the air therein by the surface tension of the air and water. By supplying air here, a thin film of air can be effectively generated on the hull surface. This technique was invented by Mitsui Shipyard researchers in Japan and described in Korean Patent Publication No. 10-0188358 (1999.01.12), and it is effective only when the distance between vertices is smaller than 3μm without mentioning the directionality of the uneven structure. It exhibits an effective effect only when the upper part of the uneven structure has the property of pushing out water by special paint. Therefore, the patented technology has a disadvantage that the distance between the vertices is so minute that the surface treatment is very demanding, and that the practicality may be reduced by ignoring the orientation of the groove, which is a major factor, and whether the paint is environmentally friendly and the characteristics of the coating film. There is a problem that must be maintained continuously for a long time.
한편, 앞서도 언급한 바 있듯이 공기 막의 효율적인 생성과 유지를 위하여 단 후방에 형성되는 국부적인 유동 특성을 이용할 수 있다. 도 1과 같이 선박의 선저부에 국부적으로 단(1)을 설치하거나 원래 선형이 선저부에 단을 가지고 있는 선형인 경우에 단 후방에 형성되는 유동의 유선은 일반적으로 도 2와 같은 형태를 갖는다. 단(1)을 지난 유선이 선저면(6)에 재 부착되는 재부착점(7)과 단 사이에는 국부적인 와류 유동(8)이 형성된다. 단 후방에 공기를 공급하면 공급된 공기의 일부가 와류의 순환 유동 내부로 유입되어 점차로 물이 배제되면서 공기 기포들이 합쳐지는 과정을 거쳐 단 후방에 부착된 대규모 단일 공기 공동으로 발전하게 된다. 이것은 기화(Vaporization) 현상에 의해서 발생하는 것이 아니라 공기 공급(Ventilation)에 의해서 발생하는 것이라는 점만 제외하면 완전히 진전된 고정 캐비테이션(Fixed cavitation) 현상에 의한 공동과 매우 유사한 성질을 가진다. 이러한 현상을 이용하여 도 1과 같이 선박의 선저부에 마련된 단(1)의 후방에 공기 공급원(4)으로부터 공기를 공급받아 단 후방에 공기 공동 형태의 선저면을 덮는 공기 막을 형성시킬 수 있게 되고 이에 따라 마찰저항을 감소시킬 수 있게 된다. 이 기술은 주로 러시아를 중심으로 활발히 연구되어 실제 선박에 적용된 바 있다. 또한 일본에서는 양식 작업에 사용되는 소형 어선에 기관의 배기 가스를 공급하여 저항의 감축에 성공한 것으로 소개된 예도 있다.On the other hand, as mentioned above, it is possible to use the local flow characteristics formed behind the stage for efficient generation and maintenance of the air film. In the case where the stage 1 is installed locally at the bottom of the ship as shown in FIG. 1 or if the original linear is linear having the stage at the bottom of the ship, the streamline of flow formed at the rear of the stage generally has the form as shown in FIG. 2. . A local vortex flow 8 is formed between the stage and the reattachment point 7 where the streamline past stage 1 is reattached to the bottom surface 6. However, when air is supplied to the rear, a part of the supplied air flows into the circulating flow of the vortex, gradually excluding water, and the air bubbles are combined to generate a large single air cavity attached to the rear of the stage. This is very similar to a cavity by a fully advanced fixed cavitation phenomenon, except that it is not caused by vaporization but by air supply (Ventilation). By using this phenomenon, as shown in FIG. 1, air is supplied from the air supply source 4 at the rear of the stage 1 provided at the bottom of the ship, so that an air membrane covering the bottom surface of the air cavity form can be formed at the rear of the stage. Accordingly, the frictional resistance can be reduced. This technology has been actively researched mainly in Russia and applied to actual ships. In addition, in Japan, an example was introduced to reduce the resistance by supplying engine exhaust gas to a small fishing boat used for aquaculture.
이와 같이 공기를 공급하여 공기 막을 형성시키는 기술에 있어서 공기 공급에 소모되는 동력이 공기 막에 의한 저항 감소량을 초과한다면 실질적인 운항 동력 절감 효과는 없는 셈이다. 따라서 가능한 한 최소한의 동력에 의한 최소 공기 공급량으로 최대의 저항 감소효과를 얻을 수 있는 공기 막을 얻는 것이 주요 핵심기술이다.In this technique of supplying air to form an air film, if the power consumed to supply the air exceeds the resistance reduction caused by the air film, there is no substantial operating power saving effect. Therefore, it is a key technology to obtain an air membrane which can achieve the maximum resistance reduction effect with the minimum air supply with the least possible power.
본 발명은 상술한 바와 같이 가능한 한 적은 양의 공기를 공급하여 선저면을 덮는 공기 막을 안정적으로 발생시키고 이로부터 마찰저항의 감소효과를 얻어서 궁극적으로는 선박 운항에 소요되는 동력을 절감하는 실용성이 높은 방법을 제공함에 그 목적을 두고 있다.As described above, the present invention supplies a small amount of air as much as possible to stably generate an air film covering the bottom of the ship, and thereby obtains the effect of reducing frictional resistance, thereby ultimately reducing the power required for ship operation. Its purpose is to provide a method.
좀더 구체적으로 설명하면, 본 발명은 선저부 단, 공기 압축기, 공기 유량계, 공기 분배실, 밸브 및 공기 공급구가 구비되어 압축공기가 분사되도록 연결된 선저면의 공기 윤활장치 및 방법에 있어서, 상기 공기 압축기와 공기 유량계사이에는 안정적으로 압축공기를 공급하기 위한 압축공기 저장탱크와 압력 조절기가 설치되어 압축공기가 상기 분배실에 구비된 다수의 공기 공급구에서 수직 하방으로 분사되어 상기 공기의 일부는 대향 위치에 있는 단 덮개와 충돌되고 다른 일부의 공기는 바로 단 후방으로 분사되도록 하여 선저부 단의 후방에서 와류 순환 유동되면서 후방 선저부의 횡방향 요철구조를 지나게하여 선박의 저항과 동력을 감소시키도록 결합 설치된 것을 특징으로 하는 단과 횡방향 요철구조를 이용한 선박용 공기 윤활장치 및 방법을 제시하는 것이다.More specifically, the present invention is provided with an air lubrication apparatus and method of a bottom end connected to a bottom end, an air compressor, an air flow meter, an air distribution chamber, a valve, and an air supply port so that compressed air is injected therein. A compressed air storage tank and a pressure regulator are installed between the compressor and the air flow meter to stably supply the compressed air, and the compressed air is injected vertically downward from a plurality of air inlets provided in the distribution chamber, so that a part of the air is opposed. To collide with the stage cover in position and allow some other air to be blown directly behind the stage to vortex the circulating flow at the rear of the bottom stage, passing through the transverse unevenness of the rear bottom to reduce the resistance and power of the vessel. Marine air lubrication apparatus and method using the step and transverse uneven structure characterized in that installed To present.
도 1은 종래의 공기 윤활장치의 실시예1 is an embodiment of a conventional air lubricator
도 2는 종래의 단을 지나는 유선의 개략도2 is a schematic diagram of a streamline passing through a conventional stage;
도 3은 본 발명의 횡방향 미소 요철구조의 사시도Figure 3 is a perspective view of the transverse micro-uneven structure of the present invention
도 4는 도 3의 일부 종단면도4 is a partial longitudinal cross-sectional view of FIG.
도 5는 본 발명의 공기 공급장치의 실시예5 is an embodiment of the air supply of the present invention
도 6은 본 발명의 실시예를 나타낸 선박의 저면 사시도6 is a bottom perspective view of a ship showing an embodiment of the present invention;
도 7은 종래의 기술에 의한 실험결과 그래프7 is a graph of experimental results according to the related art.
도 8은 본 발명의 기술에 의한 실험결과 그래프8 is a graph of the experimental results according to the technique of the present invention
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
1: (선저부) 단 2: 선체1: (bottom) Dan 2: Hull
3: 공기막 4: 공기 공급원3: air curtain 4: air source
5: (선박의) 진행 방향 6: 선저면5: direction of propagation 6: bottom
7: (유선의) 재부착점 8: (단 후방의) 와류 유동 유선7: Reattachment point (wired) Vortex flow streamline (only behind)
9: (선박 진행에 의한) 물의 흐름 방향9: direction of water flow (by ship progression)
10: (미소 요철구조의) 홈 11: (미소 요철구조의) 꼭지점10: Home (microscopic irregularities) 11: Vertices (microscopic irregularities)
12: (공기) 압축기 13: (압축공기) 저장탱크12: (Air) Compressor 13: (Compressed Air) Storage Tank
14: 압력 조절기 15: (공기) 유량계14: pressure regulator 15: (air) flow meter
16: (공기) 분배실 17: 밸브16: (air) distribution chamber 17: valve
18: 단 덮개 19: 횡방향 요철구조18: stage cover 19: transverse uneven structure
20: 공기 공급구 21: 공기 유출막이 띠판(Strip)20: air supply port 21: air outlet strip (Strip)
s: 꼭지점 간 거리 h: 홈의 깊이s: distance between vertices h: depth of groove
a: 공기a: air
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부 도면에 의거하여 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
도 3은 본 발명에서 사용되는 횡방향 미소 요철구조 표면의 모습을 나타내고 있다. 요철구조 표면의 홈(10) 및 꼭지점(11)들이 선박의 진행에 의한 물 흐름의 방향(9)과 직교하는 횡방향으로 형성되어 있다.Figure 3 shows the state of the transverse micro-concave-convex structure surface used in the present invention. The grooves 10 and the vertices 11 of the uneven structure surface are formed in the transverse direction orthogonal to the direction of the water flow 9 by the progress of the ship.
도 4는 요철구조의 단면도이며, 요철구조의 치수를 나타내고 있는데 요철구조의 꼭지점(11) 간 거리를 s로, 홈의 깊이는 h로 표시하고 있다.Fig. 4 is a cross-sectional view of the concave-convex structure, showing dimensions of the concave-convex structure, and the distance between the vertices 11 of the concave-convex structure is indicated by s and the depth of the groove is indicated by h.
1994년에 미국의 Jason C. Reed에 의해 수행된, 꼭지점 간 거리(s)가 0.26∼1.04 mm, 홈의 깊이(h)가 0.52∼2.08 mm 범위에 있는 다수의 요철구조 표면을 이용한 실험에 의하면 대부분의 경우에 대하여 물과 공기의 표면 장력이 요철구조의 홈(10) 내부에 공기를 가두는 효과가 있다고 보고된 바 있다. 이와 더불어 특히 횡방향 요철구조에서는 선박의 진행에 의한 물의 흐름과 수직 방향인 홈들 내부에 미소한 와류 유동 현상이 크게 나타나며 이러한 각각의 홈 내부에서 순환하는 미소 와류는 흐르는 유동 중에서도 요철구조의 홈 내부에 공기를 가두는 효과를 나타내게 된다.Experiments by Jason C. Reed of the United States in 1994 showed a number of uneven surface surfaces with a distance between vertices (s) ranging from 0.26 to 1.04 mm and a groove depth (h) ranging from 0.52 to 2.08 mm. In most cases, surface tension of water and air has been reported to have an effect of confining air inside the groove 10 of the uneven structure. In addition, especially in the lateral uneven structure, a slight vortex flow phenomenon appears largely in the grooves perpendicular to the flow of water due to the progression of the ship. The effect is to trap air.
한편, 표면이 횡방향 및 종방향 미소 요철구조로 이루어진 평판의 난류 경계층 유동에 대한 연구 결과에 의하면 요철구조의 치수를 적절히 선정하면 난류로의 천이(Transition)를 지연시키고 난류의 세기(Intensity)를 감소시킴으로써 매끄러운 평판과 비교할 때 평판의 마찰저항의 차이가 없거나 경우에 따라서는 오히려 마찰저항을 감소시킬 수 있는 조건이 존재한다고 알려져 있다.On the other hand, studies on the turbulent boundary layer flow of a plate whose surface is made of transverse and longitudinal micro-uneven structures show that, if the dimensions of the uneven structure are properly selected, the transition to the turbulence is delayed and the intensity of the turbulence is increased. By reducing, it is known that there is no difference in frictional resistance of the plate as compared with a smooth plate or, in some cases, a condition that can reduce the frictional resistance.
난류 경계층 유동에서는 길이를 나타낼 때 경우에 따라서 아래의 (수학식 1)과 같이 무(無)차원화한 후, 위 첨자,를 덧붙여 표시하기도 한다. 우리가 통상 사용하는 척도로 임의의 길이(L)가 있을 때 난류 경계층 유동에서 사용하는 방식으로 L을 무차원화하면 L의 무차원 값,는 아래의 (수학식 1)과 같다.In turbulent boundary layer flow, when the length is expressed in some cases as shown in Equation 1 below, superscript, In addition, it may be displayed. Dimensionalizing L in the way we use in turbulent boundary layer flow when there is any length (L) on the scale we usually use, gives us the dimensionless value of L, Is shown in Equation 1 below.
: 유체(물)의 동점성 계수,: 벽면 마찰속도(Wall-friction velocity) = Kinematic viscosity of fluid (water), : Wall-friction velocity
한편, (수학식 1)의 벽면 마찰속도,는 아래의 (수학식 2)와 같이 정의된다.Meanwhile, the frictional velocity of the wall surface of Equation 1 Is defined as Equation 2 below.
: 벽면 전단응력(Wall shear stress),: 유체(물)의 밀도 : Wall shear stress, : Density of fluid
벽면 마찰속도는 엄밀히 말해서 속도는 아니며 단지 속도의 차원을 가지고 있는 물리량이다. (수학식 1)의도 길이는 아니며 단지 길이 차원을 가지고 있을 뿐이다. 이와 같은 방법으로 길이를 무차원화하여 난류 경계층에 대한 실험 결과나 계산 결과를 정리하게 되면 우리가 일반적으로 사용하는 길이 척도를 매우 크게 확대하여 보는 것과 같은 효과를 발휘한다. 난류 경계층 유동에서는 벽면에 가까운 부분을 매우 미소한 두께의 층으로 나누어 살펴볼 필요가 있으므로 이와 같은 방법을 흔히 사용한다.Wall friction velocity is not strictly speed, but a physical quantity with a dimension of velocity. Of equation (1) Neither is length, it only has a length dimension. In this way, when dimensioning the lengths and arranging the experimental or calculation results for the turbulent boundary layer, the effect of the length scale that we usually use is greatly enlarged. In turbulent boundary layer flows, this method is commonly used because it is necessary to examine the part close to the wall into a very thin layer.
요철구조에 대한 연구 결과들로부터 마찰저항을 감소시키는 효과를 발휘하는 요철구조의 치수는 아래의 (수학식 3) 및 (수학식 4)와 같다고 알려져 있다.From the results of the research on the uneven structure, the dimensions of the uneven structure which exhibits the effect of reducing frictional resistance are known to be represented by Equations 3 and 4 below.
: (수학식 1)에 의해 나타낸 요철구조의 꼭지점 간 거리(s) : Distance between vertices of the uneven structure represented by Equation 1 (s)
: 요철구조의 홈의 깊이와 꼭지점 간 거리의 비 : Ratio of depth of groove of convex-concave structure and distance between vertices
미소 요철구조 표면이 부가적인 저항 증가를 일으키는 것은 바람직하지 않으므로 본 발명에서 사용되는 요철구조의 치수를 선정할 때에는 (수학식 3)과 (수학식 4)를 고려해야 한다.Since it is not preferable that the surface of the fine uneven structure causes an additional increase in resistance, (3) and (4) should be considered when selecting the dimensions of the uneven structure used in the present invention.
도 5는 본 발명의 모형선에 대한 실험을 수행한 실시예로서, 모형선의 선저부 단의 후방에 공기를 공급하기 위한 공기 공급장치 및 공기 공급방법을 개념적으로 나타내었다. 공기 압축기(12)에 의해 압축된 공기가 압축 공기 저장 탱크(13)의 밸브(17)를 통하여 나오게 되면 압력 조절기(14)가 일정 압력이 유지되도록 조절하며 유량의 조절은 유량계(15) 후방에 설치된 유량 조절밸브(17')에서 이루어진다. 이 때 공기 공급유량은 유량계(15)를 통하여 계측되며 유량 조절밸브(17')를 통과한 공기는 최종적으로 공기 분배실(16)로 들어가 분배실 하부에 위치한 선저부로 통하는 다수의 공기 공급구(20)를 통하여 요철 구조 표면으로 이루어진 단 후방 선저면(19)에 공급된다. 그리고, 공기(a)는 선박의 선저면 내측에 폭 방향으로 배열된 분배실(16) 내의 공기 공급구(20)들을 통하여 선저면으로부터 단 덮개(18)를 향하여 수직 하방으로 분사된다. 이렇게 분사된 공기는 단 덮개에 부딪힌 후 또는 분출되면서 단 후방에 형성된 와류의 순환 유동으로 유입되어 공기 공동을 형성하게 되며 이러한 공기 공동이 공기 막 역할을 하게 되며 와류 유동 내부로 유입되지 못한 여분의 공기는 공기 막의 후방으로 유출된다.FIG. 5 is an embodiment in which an experiment is performed on a model ship of the present invention, and conceptually illustrates an air supply device and an air supply method for supplying air to the rear end of the ship bottom. When the air compressed by the air compressor 12 comes out through the valve 17 of the compressed air storage tank 13, the pressure regulator 14 adjusts to maintain a constant pressure, and the flow rate is adjusted behind the flow meter 15. In the installed flow control valve 17 '. At this time, the air supply flow rate is measured through the flow meter 15, and the air passing through the flow control valve 17 'finally enters the air distribution chamber 16 and passes through a plurality of air supply ports to the bottom of the distribution chamber. It is supplied to the rear bottom surface 19 which consists of the uneven structure surface through 20). The air a is injected vertically downward from the bottom face toward the end cover 18 through the air supply ports 20 in the distribution chamber 16 arranged in the width direction inside the bottom face of the ship. The injected air is introduced into the circulating flow of the vortex formed at the rear of the stage after being hit or ejected to form an air cavity, and this air cavity acts as an air membrane, and the excess air which has not been introduced into the vortex flow Is leaked to the rear of the air membrane.
공기 막 내의 공기 유동의 유속과 공기 막과 접한 외부 유체(물) 유동의 유속의 차이가 크면 공기 막은 매우 불안정한 상태에 놓이게 된다. 따라서 공기와 물의 유속 차이를 가능한 한 줄여 줄 필요가 있다. 단 덮개(18)는 보다 많은 공기가 와류의 순환 유동 내부로 유입될 수 있도록 공기 유동의 방향을 단 후방으로 전환시켜주는 역할을 하는 동시에 주위 유동과 공기 막 내 공기 유동 사이의 유속의 차이를 완화시켜 주는 역할을 한다.If the difference between the flow rate of the air flow in the air membrane and the flow rate of the external fluid (water) flow in contact with the air membrane is large, the air membrane is in a very unstable state. Therefore, it is necessary to reduce the difference between the air and water flow rates as much as possible. Stage cover 18 serves to divert the direction of air flow back to the rear to allow more air to flow into the circulating flow of the vortex while mitigating the difference in flow velocity between ambient flow and air flow in the air membrane. It plays a role.
도 6은 본 발명의 실시예를 나타낸 선박의 저면 사시도이며, 본 실험에 사용된 모형선은 실제로 충주호에서 유람선으로 사용되고 있는 선형에 단 후방 공기 공동에 의한 공기 윤활법을 적용할 수 있도록 단을 설치한 선형이다. 선박의 수선 간 길이를 10개의 스테이션(Station, St.)으로 균등 분할하면 선수 수선(F.P.)은 10 St.이 되고 선미 수선(A.P.)은 0 St.일때 선저부 단(1)의 위치는 선형에 따라 선저부 단면 형상의 변화가 적어지기 시작하는 4-7스테이션 위치에 설치하는데 여기서는 실시하고자 하는 선형의 특성에 따라 선저부 단(1)의 위치(22)를 6 St.으로 하였다. 그 이유는 이 위치에서부터는 본 실험에 사용한 선형의 경우 단면 형상의 변화가 가장 적어서 단을 설치하기가 용이하기 때문이다.Figure 6 is a bottom perspective view of a ship showing an embodiment of the present invention, the model ship used in this experiment is actually installed in a stage so that can be applied to the air lubrication method by the rear rear air cavity to a linear that is being used as a cruise ship in Chungju Lake Is linear. If the length between ships is evenly divided into 10 stations, the ship's waterline (FP) is 10 St. and the stern waterline (AP) is 0 St. The position of the bottom end 1 of the bottom end 1 was set to 6 St. according to the linear characteristics to be implemented. The reason for this is that since the linear shape used in this experiment has the smallest change in the cross-sectional shape, it is easy to install the stage.
한편, 모형선의 단 후방 선저면에 설치된 횡방향 요철구조(19)의 양측에는 측면에서의 공기 유출을 억제하기 위하여 선수미방향으로 공기 유출막이 띠판(21:strip)이 구비되어 있다. 모형선의 시험 속도는 1.646 m/s로 하였는데 이것은 실선에서 설계 속도 근처인 16 노트의 속도에 해당하며 프루드 수(Froude number)로는 0.36에 해당한다.On the other hand, on both sides of the lateral uneven structure 19 provided on the bottom rear bottom surface of the model ship, an air outlet membrane 21 strip is provided in the fore and aft direction in order to suppress air leakage from the side surface. The test speed of the model ship was 1.646 m / s, which corresponds to the speed of 16 knots near the design speed on the solid line and 0.36 for the Froude number.
단 후방 선저면의 요철구조의 치수는 (수학식 3)과 (수학식 4)에 의하여 결정하였다. 요철구조의 치수를 결정하기 위해서는 먼저 벽면 마찰속도,를 구해야 하며 벽면 마찰속도를 구하기 위해서는 벽면 전단응력,를 구해야 한다. 벽면 전단응력을 구하기 위해서는 단 후방의 선저면에 발달하는 경계층 유동의 유속 분포를 알아야 한다. 그러나 경계층 유동의 유속 분포는 선저면 전체에 걸쳐서 균일하지도 않으며 계측 자체도 매우 어렵다. 유속 분포가 불균일하다는 것은 벽면 전단응력 역시 불균일하다는 것을 의미하므로 벽면 전단응력의 대체적인 값만을 아는 것으로 충분하다. 따라서 경계층 이론에 의하여 모형선 시험 속도와 같은 유속의 균일 유동 중에 놓인 평판에 대하여 추정한 값을 벽면 전단 응력 값으로 가정하였다. 유속 분포는 평판의 경계층 유동의 유속 분포를 근사적으로 나타낼 때 흔히 사용되고 있는 (수학식 5)에 보인 1/7-멱법칙에 의한 유속 분포를 사용하였다.However, the dimensions of the concave-convex structure of the rear bottom surface were determined by the following equations (3) and (4). In order to determine the dimensions of the uneven structure, the wall friction velocity, To obtain the wall friction velocity, the wall shear stress, Should be obtained. To find the wall shear stress, it is necessary to know the flow velocity distribution of boundary layer flow developed at the bottom of the ship bottom. However, the flow rate distribution of boundary layer flow is not uniform throughout the bottom and the measurement itself is very difficult. The nonuniform velocity distribution means that the wall shear stress is also nonuniform, so it is sufficient to know only the approximate values of the wall shear stress. Therefore, the wall shear stress value was assumed by the boundary layer theory for the plate placed in the uniform flow at the same flow rate as the model line test speed. The flow rate distribution uses the flow rate distribution by the 1 / 7- 멱 law shown in Equation (5) which is commonly used to approximate the flow rate distribution of the boundary layer flow of a plate.
U: 입사 균일류의 유속: 경계층 두께U: Flow velocity of incident uniform flow Boundary layer thickness
u: 전단응력을 구하고자 하는 위치에서의 국부적인 유속u: local flow velocity at the point where shear stress is to be obtained
y: 평판으로부터 수직하게 떨어진 거리(평판 표면에서 y=0)y: distance perpendicular to the plate (y = 0 at the plate surface)
(수학식 5의) 1/7-멱법칙에 의한 유속 분포는 평판의 경우에 실험치와 비교적 잘 일치하는 것으로 알려져 있으며 이를 이용하여 벽면 전단응력을 구하면 (수학식 6)과 같다.The flow velocity distribution by the 1 / 7- 멱 law (of Equation 5) is known to be in good agreement with the experimental data in the case of flat plates. Using this, the wall shear stress is obtained as shown in Equation (6).
: 평판의 앞날로부터 벽면 전단응력을 구하려는 위치까지의 거리 : Distance from the front edge of the plate to the position to obtain the wall shear stress
(수학식 5)와 (수학식 6)에서 입사 균일류의 유속, U는 모형선의 시험 속도로 설정하였으며 평판의 앞날로부터 전단 응력을 구하려는 위치까지의 거리,에 해당하는 값으로는 모형선의 수선 간 길이(L.B.P.)의 반에 해당하는 값을 사용하였다. 요철구조의 치수를 구하기 위한 입력 값과 계산 결과를 표 1에 나타내었다.In equations (5) and (6), the velocity of the incident uniform flow, U, is set to the test speed of the model line, and the distance from the front edge of the plate to the position to obtain the shear stress, As a value corresponding to half of the length between the repair lines (LBP) of the model line was used. Table 1 shows the input values and the calculation results for the dimensions of the uneven structure.
표 1 요철구조의 치수 계산결과에서는 요철구조의 꼭지점 간 거리, s는0.264 mm이고 요철구조의 홈의 깊이, h는 상기 s의 1/2(수학식 4참조)인 0.132 mm 정도인 것이 마찰저항 감소에 유리한 것으로 나타나므로 상기 횡방향 요철구조(19)의 꼭지점 간 거리(s)와 홈의 깊이(h)의 비는 1/2로 한다. 표 1의 계산 결과는 평판 유동의 유속 분포를 이용하여 단 후방의 선저면에 설치되어야 하는 요철구조의 치수를 대략적으로 산출한 것으로서 값 자체가 중요한 것은 아니며 대체적인 크기를 나타내는 것이므로 요철구조의 치수, s와 h의 크기의 범위는 대략 0.1∼1 mm 범위 내에 있다고 생각할 수 있다. 이를 바탕으로 실제 모형선의 단 후방 선저면에 s가 0.4 mm, h가 0.2 mm인 횡방향 요철구조를 설치하였다. 이와 같은 치수는 앞에서 설명한 일본의 특허(제10-0188358)와 크게 대비되는 것이다.Table 1 shows the results of the dimensional calculation of the uneven structure, the distance between the vertices of the uneven structure, s is 0.264 mm, the depth of the groove of the uneven structure, h is about 0.132 mm, which is 1/2 of the above s (see Equation 4). Since it appears to be advantageous for the reduction, the ratio of the distance s between the vertices of the transverse uneven structure 19 and the depth h of the groove is 1/2. The calculation result in Table 1 is a rough calculation of the size of the uneven structure to be installed on the bottom of the bottom using the flow velocity distribution of the plate flow, and the value itself is not important but represents an approximate size. The range of magnitudes of s and h can be considered to be in the range of approximately 0.1 to 1 mm. Based on this, a transverse uneven structure with s of 0.4 mm and h of 0.2 mm was installed on the bottom rear bottom of the actual model ship. Such dimensions are in stark contrast to the Japanese patent (10-0188358) described above.
단 높이가 13.6 mm인 모형선에 s가 0.4 mm, h가 0.2 mm인 횡방향 요철구조를 선저면에 설치하고 1.646 m/s의 시험 속도로 예인하여 공기 윤활 실험을 실시하였으며 선저면이 일반적인 매끄러운 표면일 때의 실험 결과와 비교하였다.However, a model ship with a height of 13.6 mm was installed on the bottom of the ship with a transverse uneven structure of 0.4 mm and h 0.2 mm, and towed at a test speed of 1.646 m / s. It was compared with the experimental results when the surface.
단 높이는 단 후방에 형성되는 공기 공동의 크기에 영향을 미치는 인자 중의 하나이다. 본 실험에서 사용된 모형선의 단 높이는 단 후방 선저면이 종래의 매끄러운 표면인 경우에 공기 윤활 실험을 수행하여 단 후방에 형성되는 공기 공동을 관측하여 결정한 값이다. 이러한 단 높이는 공기 윤활법을 적용하고자 하는 선박의 선형 특성에 따라 실험이나 계산을 통하여 별도로 결정되어야 하는 값이다.The stage height is one of the factors affecting the size of the air cavity formed behind the stage. The stage height of the model ship used in this experiment is a value determined by observing the air cavity formed behind the stage by performing air lubrication experiment when the stage rear bottom surface is a conventional smooth surface. This stage height is a value that must be determined separately through experiment or calculation depending on the linear characteristics of the vessel to which air lubrication is to be applied.
도 7은 종래의 기술에 의한 실험결과 그래프로서 단 후방 선저면이 일반적인 매끄러운 표면인 경우이고, 도 8은 본 발명의 기술에 의한 실험결과 그래프로서 단 후방 선저면이 횡방향 요철구조 표면인 경우에 공급 유량, Qa의 변화에 따라 모형선의 저항값, RTM과 단 후방에 형성되는 공기 막의 면적의 변화를 나타낸 실험 결과이다. 공기 공급 유량이 0인 경우, 즉 공기를 공급하지 않는 경우의 저항은 매끄러운 표면인 경우와 모형선에 횡 방향 요철 구조 표면이 설치된 경우는 거의 유사한 값을 나타내고 있다. 이로부터 앞에서 선정한 치수를 가지는 횡방향 미소 요철구조 표면의 설치로 인한 저항 증가량은 거의 없다는 것을 확인할 수 있다. 한편, 두 경우 모두 공기 공급량이 증가할수록 공기 막의 면적은 더욱 증가하고 있다. 이러한 공기 공급량 증가에 따른 공기 막 면적의 증가는 보다 큰 침수 표면적의 감소 효과를 발생시키고 이에 따라 마찰 저항의 감소량도 더욱 커지게 되므로 모형선의 저항은 더욱 감소하고 있음을 확인할 수 있다. 공기를 공급하지 않을 때(Qa=0)의 저항을 기준으로 저항 감소율, DR은 아래의 (수학식 7)과 같다.7 is a graph showing the results of experiments according to the prior art, except that the rear bottom surface is a general smooth surface, and FIG. 8 is a graph showing the results of experiments according to the technique of the present invention when the rear bottom surface is a lateral uneven structure surface. It is an experimental result showing the change of resistance value of the model ship, the area of RTM and the air film formed behind the stage according to the change of supply flow rate and Qa. When the air supply flow rate is zero, that is, the resistance when no air is supplied, the resistance is almost similar when the smooth surface and the lateral uneven structure surface are provided on the model line. From this, it can be seen that there is almost no increase in resistance due to the installation of the surface of the lateral micro-uneven structure having the dimension selected above. On the other hand, in both cases, as the air supply increases, the area of the air membrane increases. Increasing the air film area according to the increase in the air supply amount is the effect of reducing the submerged surface area and accordingly the decrease of the frictional resistance is further increased, it can be seen that the resistance of the model ship is further reduced. Based on the resistance when no air is supplied (Qa = 0), the resistance reduction rate and DR are as shown in Equation 7 below.
: 공기를 공급하지 않을 때(Qa=0)의 모형선 전체 저항 : Model line total resistance when no air supply (Qa = 0)
: 공기를 공급할 때의 모형선 전체저항 : Overall model ship resistance when supplying air
: 저항 감소량 : Resistance reduction
매끄러운 표면과 횡 방향 요철 구조 표면의 경우에 최대의 저항 감소율(DR)은 두 경우 동일하게 약 20∼22%에 달하고 있다. 도 7과 도 8에서 주목해야 할 것은 횡 방향 요철 구조 표면의 경우에는 훨씬 적은 양의 공기를 공급해도 매끄러운 표면의 경우와 거의 동일한 저항 감소 효과를 얻을 수 있다는 것이다. 약 20% 정도의 저항감소 효과를 얻기 위해 필요로 하는 공기 공급 유량과 이 때 형성되는 공기 막의 면적을 표 2에 정리하여 나타내었다.In the case of the smooth surface and the transverse uneven structure surface, the maximum resistance reduction rate (DR) is about 20 to 22% in both cases. It should be noted in FIG. 7 and FIG. 8 that in the case of the transverse uneven structure surface, even if a much smaller amount of air is supplied, the effect of reducing the resistance is almost the same as that of the smooth surface. Table 2 shows the air supply flow rate required to obtain a resistance reduction effect of about 20% and the area of the air membrane formed at this time.
표 2 매끄러운 표면과 횡방향 미소 요철구조 표면의 비교에서 저항 감소율이 20∼21% 정도인 저항 감소 효과를 얻기 위해 매끄러운 표면에서는 47.1 리터/분(ℓ/min)의 유량으로 공기를 공급해야 했으나 횡 방향 미소 요철 구조 표면의 경우에는 이의 약 1/5에 해당하는 9.7 리터/분의 유량으로 공기를 공급해도 충분함을 알 수 있다. 이와 같이 공기 공급 유량이 1/5이 된다는 것은 공기 공급에 소요되는 추가적인 동력 소모 역시 1/5이라는 것을 의미하므로 실질적인 운항 동력 절감 측면에서 큰 이득을 얻을 수 있게 된다.Table 2 Comparison of smooth and transverse micro-concave-convex surfaces required air to be flowed at a flow rate of 47.1 liters per minute (ℓ / min) on a smooth surface to achieve a resistance reduction effect of around 20 to 21%. In the case of the directional microconcave-convex structure surface, it can be seen that it is sufficient to supply air at a flow rate of 9.7 liters / minute corresponding to about one fifth thereof. As the air supply flow rate of 1/5 means that the additional power consumption required for the air supply is also 1/5, so that a significant benefit in terms of substantial operating power savings can be obtained.
본 발명은 상술한 바와 같이 종래의 기술이 가지고 있는 페인트로 인한 해양오염의 발생과 같은 여러 가지 문제점을 해결하면서 실용성을 높이고, 가능한 한 적은 양의 공기를 공급하여 선저면을 덮는 공기 막을 안정적으로 발생시켜 마찰 저항을 지속적으로 감소시킴과 동시에 선박 운항에 소요되는 동력소비를 크게 절감시키는 효과가 있다.The present invention improves the practicality while solving various problems such as the generation of marine pollution due to the paints of the prior art as described above, and stably generates an air film covering the bottom of the ship by supplying as little air as possible. By continuously reducing frictional resistance, the power consumption required for ship operation is greatly reduced.
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