선체 저항

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■ 선 체 저 항

선체가 가지는 저항에는 마찰저항, 조파저항, 와저항, 공기저항 등이 있으며, 이것들 총합계를 전저항(Total Resistance)이라 한다. 이들 각 저항의 분포는 선체형상, 크기 및 속력에 의하여 달라지나 전저항에 대한 구성비율은 다음과 같다.

    가. 마찰저항: 1) 저속화물선   - - -       80%

                  2) 고속화물선   - - -  40 - 50%

    나. 조파저항: 1) 저속화물선   - - -  10 - 15%

                  2) 고속화물선   - - -  40 - 50%

    다. 와저항:                   - - -   2 - 10%

    라. 공기저항:                 - - -        1%

1. 마찰저항

    선체의 침수면에 닿는 물의 부착력이 선체의 진행을 방해하여 나타나는, 물의 점성 때문에 생기는 저항으로 침수면의 매끄러움에 반비례해서 증가한다. 저속일 때에는 전 저항의 대부분이 이 마찰저항으로 이루어지나 고속이 되면 조파저항이 커지기 때문에 전 저항에 대한 비율은 적어진다.

    마찰저항에 영향을 미치는 요소는 다음과 같다.

    가. 수면하 선체 표면적

        마찰저항 치는 여러 가지의 실험식으로 구해지는데 주로,

           R=fsv²(f : 마찰계수,  s : 침수면적,  v : 선속, 2:1.825)

        로 표시되며, 여기서 s를 만재배수량 W와 선박길이 L로 표시하면

S = (τ:계수로서 약 2.65)

        로 표시될 수 있으므로 배수량이 일정할 경우 선박이 길면 마찰저항도 커짐을 알 수 있다.

    나. 선저 및 침수면의 상태

        침수면의 거칠음이나 매끄러움에 따라 저항의 차이가 심하며 근래 도료의 개량에 따라 해조류 등에 의한 선저오손은 현저히 감소되었다.

    다. 수심

        수심이 충분하지 못하면 마찰저항은 커진다. 그 이유로는,

        1) 수분자가 타원운동을 하게 되어 파장이 커지고, 파속은 작아지며 트림이 변화하여 마찰저항이 커진다.

        2) 선저유속이 빨라지므로 마찰저항이 커진다.

        3) 역시 선저유속이 빨라지면 압력이 감소, 선체가 침하되어 침수 표면적이 증가하여 마찰저항이 커진다.

    라. 선속

        "가"항에 언급된 대로 마찰저항은 선속의 약 2승에 비례하여 커진다.

    마. 수로폭

        폭이 협소하면 마찰저항이 커진다. 실험에 따르면 수로폭/선폭 값이 5일 때 속력저하는 약 41%, 8일 때 약 15%라고 한다.

    바. 파고가 높으면 수분자의 회전각속도가 커져서 마찰저항이 증가한다. 기타 선박의 보침성의 여부, 및 선체부가물의 영향도 마찰저항에 영향을 미친다. 

2. 조파저항

    가.선박이 수면을 항주할 때에는 수면부근의 수분자는 착란되고 정지상태의 물분자와의 사이에 압력의 불균형이 생겨 수분자는 운동상태가 되어 파를 생기게 한다. 선박의 선수와 선미부에서는 이로 인하여 八字형으로 퍼져나가는 발산파를 만드는데 波頂線의 임의의 점에서의 접선과 선박의 진행속도의 방향과 만드는 각도를 φ라 하면 그 점은 Vcosφ의 속도로 진행한다.

       또 이와 별개로 선측의 유선운동에 의하여 생기는 압력변화로 인해 수표면에 승강이 일어나서 수립자의 관성과 중력의 작용으로 부수적인 파가 생기는데 선수미방향에 직각방향으로 전파하며 이를 횡파라 하며, 진행속도는 선속과 같아서 선체에 대한 상대위치가 일정하므로 정지파라고도 한다.

       선박의 선수와 선미는 각각 진행 시 현저한 발산파와 횡파를 만들므로 각각 선수파계와 선미파계의 파를 만든다. 이러한 파는 선체의 진행운동의 에너지를 상당부분 빼았게 되고, 이 저항을 조파저항이라 하며 저속화물선은 전 저항의 10-15%, 고속선은 전 저항의 40-50% 정도이다.

    나. 조파와 저항간의 관계

        저속의 경우에 생기는 파는 주로 선수미의 발산파이고, 이 때의 조파저항은 다른 저항에 비해 적다. 점점 고속이 되면 선수미에 생기는 횡파가 커지며, 이 파는 서로 간섭하며 선체의 길이가 선수미횡파의 파장 λ의 정수 배이면 저항이 증가하고 λ/2의 기수 배이면 저항이 감소하는데 이를 Hump and Hollow 라고 한다. 따라서 저항이 감소하는 Hollow 상태를 유지하기 위해 선박의 소요 항해속력에 대하여 적당한 길이를 선정하여야 한다.

    다. Awash 현상과 Seesawing

        선박이 진행 시 선수미에서 생기는 발산파의 영향으로 항내나 협수로에서 Awash현상을 일으켜 소형선, 주정 등에 손상을 일으키고, 후속선에는 Seesawing 현상을 일으킨다.

    라. 조파저항에 영향을 주는 요인들

       1) 선속: 조파저항은 대략 저속에서는 선속의 2승에, 고속에서는 대략 선속의 5승에 비례한다.

       2) 배수량(흘수): 배수량의 약 2/3승에 비례하여 증가한다.

       3) 선체길이: 배수량이 일정하면 길이가 길수록 조파저항은 감소한다.

       4) 선체에 강제횡요를 일으키는 파랑이 있으면 저항이 증가한다.

       5) 선형의 良/否良

       6) Bulbous Bow

저속선에서는 마찰저항을 증대시키나 고속선에서는 약25%의 조파저항, 조와저항을 감소시킨다.     

3. 와저항

    유속이 어느 정도 이상이 되면 유선은 선체에 의하며 흐트러진다. 즉, 선체가 수류중을 이동하면, 물분자와 선체의 부착력에 의해, 선체에 접근하여 있는 물 분자와 떨어져 있는 물분자와의 사이에는 속도차이가 생기고 선미에 이르게 되면 멀리 떨어져 있는 물분자는 와동을 하게 되는데 이에 따라 선체후부에 매우 요란한 와류가 생겨서, 선체는 전방으로부터 후방으로 힘을 받게되는데 이를 와저항이라고 한다. 이는 마찰저항의 일종이며, 전저항에서 차지하는 비율은2-10% 정도이다.

    와저항은 속력의 영향을 받는 것은 물론이고(속력의 2승에 비례) 선체형상, 물의흐름에 대한 선체의 자세에 관계됨으로 형상저항, 또는 관성저항이라고도 한다. 이 저항은 선미골재, 타, Bilge Keel 등의 취부위치, 선체중앙 평행부와 선미접속부의 곡률의 대소 및 선체의 중앙 횡단면적과 선체후부의 길이와의 비율의 불균형 시 크게된다.

4. 공기저항

    수면상에 노출된 선체의 부위 즉, Superstructure, Freeboard, 기타 갑판상 여러 구조물은, 선박이 진행하면서 공기저항을 받는데, 바람이 없을 때는 전저항에 대한 비율이 약 1% 정도이나 바람이 강할 때에는 전 저항중 상당한 비율을 차지한다. 특히 공선상태에서는 영향이 커져서 공선 시 풍력 3-4에서 받는 저항은 반재 시의 풍력 5-6, 만재 시 풍력 7-8의 저항과 같다고 한다. 풍압저항을 산출하는 공식은 다음과 같다.

           R_{a =  1/2 ρaCaVa²(Acos²θ + Bsin²θ)}    

          _{단, Ra: 공기저항(Kg),         ρa: 공기밀도(0.125kg·sec²/m⁴),}

             _{Ca: 저항계수(θ에 따라 변함), Va: 상대풍속(m/sec),}

             _{A : 선체정면풍압면적(m²),    B : 선체측면풍압면적(m²),}

             _{θ: 선수미선에 대한 상대풍향}