College Of Engineering
서울공대 이야기
 

선박에 가해지는 3차원 입수충격에 대한 연구

(Studies on Three-Dimensional Slamming on Slender Ships)


김용환 (서울대학교 조선해양공학과)


연구의뢰기관: US Navy, Office of Naval Research (ONR)


3차원 물체가 수면에 빠른 속도로 입수하는 경우에 가해지는 충격압력의 추정은 자유표면과 관련된 유체역학 문제 중 가장 어려운 문제들 가운데 하나이다. 이러한 충격입수 현상은 극히 짧은 시간 내에 벌어지면서 대단히 해석이 어려운 물리적 비선형적인 특성(예를 들어, 자유표면의 심한 변화, 순간적인 유체압력의 변화)을 지닌 유동을 유발한다. 선박의 경우에도 거친 해상 상태에서 충격하중이 자주 발생하며, 이로 이한 구조손상도 흔히 보고되고 있다. 특히, 거친 해상에서도 작전을 수행해야 하는 전투함의 경우 이러한 파랑 중 충격하중은 반드시 필수적인 설계인자일 수 밖에 없다. 최근 미국 해군의 작전개념 변화와 더불어 주목할 만한 사실 중 하나는 차세대 미군 해군 전투함 DD(X)와 같이 작전을 수행할 소형 초고속 전투함의 설계이다. 얕은 흘수(draft)를 가지고 민첩한 조종성능을 보유하게 될 이러한 새로운 개념의 전투함은 주로 연안에 빠르게 전개되는 작전을 염두에 두고 있다. 이러한 선박의 경우, 충격현상의 잦은 발생빈도뿐 아니라, 기존의 해석기법의 적용에한계를 가지고 있다. 본 연구는 이러한 유체 충격현상을 보다 근본적으로 해석하기 위해 새로운 이론을 개발하고 이를 실험적으로 검증하는 것을 목표로 한다. 특히, 기존의 이론들이 가지고 있는 문제점들(예를 들어, 평평한 자유표면의 가정, 2차원 결과를 이용한 3차원 추정)을 극복할 수 있는 새로운 3차원 이론을 전개하고 이를 근거로 하여 실지 적용이 가능한 해석기술을 개발하며, 그 결과를 실험과 비교함으로써 개발된 이론의 정확도를 확인하고자 한다. 이 연구는 미 해군 연구지원청인 ONR의 지원하에 이루어지며 서울대학교가 연구를 주도하게 된다. 미 해군의 해외 연구지원은 그 수도 많지 않고, 또한 미국 내 학교/연구기관이 주관 기관이 되고 외국기관이 일정부분을 담당하는 것이 일반적인 경우이나, 본 연구과제의 경우에는 서울대가 주관기관으로 연구를 이끌고 그 기술을 MIT로 전달하는 것으로 예정되어 있어 대단히 큰 상징적 의미를 가진다.


미국 연방정부 공식연구지원기관인 해군연구청(ONR·Office of Naval Research)이 지원하는 유체 충격압력 추정에 관한 연구 프로젝트를 서울대학교에서 수주하였다. ONR은 미국 해군성 산하의 과학기술분야 사업 총괄기관으로 미 최대 연구지원 기관 중 하나이며 프로젝트 선정절차가 까다로운 것으로 유명하다. 조선해양공학과 김용환 교수 연구팀이 이번에 맡은 프로젝트는 물체가 수면에 고속으로 충격입수를 하는 경우에 대한 이론 개발 및 실험을 통한 검증 분양이다.


현재 미 해군은 새로운 전투개념에 적합한 차세대 전투함설계를 위해 많은 노력을 기울이고 있으며, 이를 위한 연구에 많은 관심을 가지고 있다. 특히, 연안의 작전능력을 크게 향상하고자 초고속 소형 연안 전투함 등을 개발하고 있고, 물체의 고속 입수 해석 기술은 중요한 연구 분야 중 하나이다. 


이 연구에서는 물체가 유체에 고속으로 입수하며 발생하는 충격적 현상을 규명하는 이론을 개발하며, 이를 응용한 해석 기법을 정립하고, 실험을 통해 이를 검증하는 것이 목적이다. 이러한 연구는 선박의 입수 충격문제뿐만 아니라 어뢰, 탄환, 초고속 보트와 같이 고속으로 충격적인 입수현상을 보이는 문제에 대한 보다 근본적인 해석 기술을 제시하게 될 것이다.


연구계약기간은 2년이며 MIT와 한국선박해양연구소와 같이 공동으로 연구를 수행한다. 전체 연구비는 19만 달러이며 이중 한국에 배정된 연구비는 13만 달러이다. 특징적인 것은 서울대학교가 전체 연구를 주관하는 주관 기관으로 선정되어 서울대에서 개발된 기술이 MIT로 전달되도록 결정된 것이다. 이는 흔치 않는 사례로서, 서울대학교의 기술 수준을 가늠할 수 있는 상징적인 의미를 가진다.

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