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선박 잔류저항 선박이 바다를 항해할 때 단순히 물의 저항만 받는다고 생각하기 쉽다. 하지만 실제로는 다양한 형태의 저항이 복합적으로 작용하며 그중에서도 ‘잔류저항’은 선박의 성능을 결정짓는 핵심 요소 중 하나다. 눈에 보이지 않고 쉽게 계산되지 않기 때문에 자칫 설계 과정에서 간과되기 쉬우나, 잔류저항이 증가하면 연료 소비가 급격히 올라가고 속도 유지가 어려워지는 등 항해 효율이 크게 저하된다.
선박 잔류저항 정의 및 구성
선박 잔류저항 잔류저항은 선박이 물속을 이동할 때 마찰저항을 제외한 나머지 저항을 통칭하는 개념이다. 주로 파저항, 소용돌이 저항, 부가적인 점성 저항 등이 포함되며, 각각은 유체의 복잡한 상호작용에서 비롯된다. 마찰저항이 선체 표면과 물 사이의 접촉으로 발생하는 것과 달리, 잔류저항은 물의 흐름이 선박을 통과하면서 만들어내는 에너지 손실에 더 가깝다. 이로 인해 잔류저항은 유체역학적 분석이나 실험 없이는 정확히 파악하기 어렵고, 예측이 어려운 요소이기도 하다. 하지만 선체 설계, 추진 효율, 연비 개선 등과 직결되기 때문에 반드시 고려되어야 한다.
| 정의 | 마찰저항 외 선박이 받는 모든 저항의 총합 |
| 주요 구성 | 파저항, 소용돌이저항, 점성압력저항 등 |
| 중요성 | 에너지 손실, 속도 저하, 연료 증가의 원인 |
| 계산 방식 | 실험 데이터 기반 추정 또는 CFD 해석 활용 |
| 발생 위치 | 선체 후류, 수면 인근, 프로펠러 주변 등 |
파도가 만들어내는 영향력
잔류저항 중 가장 큰 비중을 차지하는 것은 파저항이다. 선박이 전진할 때 물을 밀어내며 생기는 파형은 선체 주변에 다양한 수면 변형을 유발하고, 이로 인해 에너지가 소모된다. 특히 선박 속도가 빨라질수록 파저항은 기하급수적으로 증가하며, 이는 연료 소비에 직접적인 영향을 미친다. 파저항은 선체 전방과 후방에서 모두 발생하며, 복합적인 파 간섭 현상도 일으킨다. 설계 단계에서는 파 저항을 줄이기 위해 선형을 매끄럽게 조정하거나 벌브ous(bulbous) bow를 적용하기도 한다. 이처럼 파저항은 단순히 물결이 아닌, 항해 효율에 있어 핵심 변수다.
| 발생 위치 | 선수, 선미 부근 수면 |
| 주요 원인 | 선박 진행에 따른 수면 변형 |
| 영향 요인 | 속도, 선형, 수심, 파고 |
| 설계 대응 | 벌브 바우, 유선형 선형, 배수량 조절 |
| 비중 | 잔류저항의 약 60~80% 차지 가능 |
선박 잔류저항 소용돌이
선박 잔류저항 선박의 선체 후방이나 갑작스러운 굴곡이 있는 구조 부근에서는 유체 흐름이 불규칙해지며 회오리 형태의 소용돌이가 발생한다. 이는 에너지 손실을 유발하고, 해당 위치의 압력을 불안정하게 만들어 추가적인 저항을 유발한다. 이러한 소용돌이 저항은 잔류저항 중에서도 예측이 가장 어렵고, 실험이나 CFD로만 파악이 가능한 요소다. 특히 프로펠러나 러더와 같은 추진 장치 주변에서 발생하는 와류는 추진력을 방해하며 전체 성능을 저하시킬 수 있다. 설계자는 이를 고려하여 후류 설계와 장비 배치 위치를 조정해야 한다.
| 구조적 급격한 형상 변화 | 유동 흐름의 박리 및 와류 발생 |
| 선체 후미 설계 미흡 | 흐름의 비대칭성 초래 |
| 러더/프로펠러 간섭 | 기계 장치 주변 와류 증가 |
| 물리적 표면 불균일 | 불규칙한 마찰로 난류 유도 |
| 속도 변화 | 급격한 속도 증감 시 와류 발생 가속 |
점성압력손실
점성압력손실은 유체의 점성이 유동에 영향을 주며 생기는 저항 요소로, 주로 마찰저항과 겹치는 개념이지만 일부는 잔류저항에 포함된다. 선박 주변의 압력 분포는 선형에 따라 달라지는데, 이 압력 불균형이 점성력에 의해 더욱 증폭되며 에너지 손실로 이어진다. 이 부분은 CFD 해석에서 고정밀 시뮬레이션이 필요한 영역이며, 실제 해석에서는 점성 손실을 따로 계산해 잔류저항으로 분류하는 경우가 많다. 정밀한 선체 설계와 곡률 조정이 이를 줄이는 핵심 방법이다.
| 불균형 압력 분포 | 앞뒤 압력차로 인해 추진 저하 |
| 유선형 미흡 | 유체 흐름을 방해해 점성 손실 증가 |
| 곡면 설계 오류 | 곡률이 급변하면 압력 손실 가속 |
| 도장 상태 불량 | 점성 작용이 커지고 마찰 저항 상승 |
| 후류 회전 유도 | 점성력 증가로 에너지 소비 증대 |
선박 잔류저항 예측 방법
선박 잔류저항 잔류저항은 직접 측정이 어렵기 때문에 보통 모형 실험 또는 전산 유체 해석을 통해 간접적으로 추정한다. 대표적인 방법은 동일 조건에서 마찰저항만을 갖는 판 모형과 실제 모형을 비교해 두 저항의 차이를 계산하는 방식이다. 이 외에도 레이놀즈 수 기반 추정 모델이나 CFD 시뮬레이션을 통해 보다 정밀하게 분석할 수 있다. 측정이 어려운 만큼 정확한 데이터 확보가 중요하며, 실험 환경의 통제력과 난류 모델링의 정확도가 잔류저항 분석의 신뢰도를 좌우한다.
| 모형 시험 | 실험 기반 실측 가능 | 비용, 시간 소요 많음 |
| ITTC-57 방법 | 국제 기준 활용 가능 | 단순화 모델로 오차 존재 |
| CFD 해석 | 다양한 조건 적용 가능 | 고성능 컴퓨팅 자원 필요 |
| 경험 공식 | 빠른 예측 가능 | 정밀도 떨어짐 |
| 하이브리드 방식 | 실험+계산 병행 | 통합 해석 복잡성 존재 |
감소 기술 예시
잔류저항을 줄이기 위한 설계는 유선형 선체 개발, 파형 억제 장치 도입, 표면 처리 개선 등 다양한 방법이 존재한다. 벌브 바우는 대표적인 예로, 선수에서 발생하는 파형을 상쇄시켜 파저항을 줄이는 효과를 가진다. 또 다른 방식으로는 프로펠러 후류를 개선하기 위한 후미 스커트 설계, 러더 형상 개선 등이 있다. 또한 도장재에 있어 친수성, 저마찰 소재를 활용하면 소용돌이 형성도 줄일 수 있다. 설계 초기부터 이 모든 요소를 통합적으로 고려하는 것이 저항 최소화의 핵심이다.
| 벌브 바우 설계 | 선수 파저항 감소 |
| 유선형 선형 | 파 및 점성 저항 최소화 |
| 후류 제어장치 | 소용돌이 및 회전 손실 완화 |
| 저마찰 도장 | 와류 및 점성 손실 억제 |
| 유동 해석 기반 설계 | 조건별 저항 분석으로 최적화 가능 |
연비와 속도 핵심 변수
잔류저항은 설계 단계에서만 고려되어야 하는 것이 아니다. 실제 항해 중에도 선박의 운항 상태에 따라 잔류저항은 계속 변한다. 예를 들어 하중의 분포, 선박의 트림 상태, 표면 오염, 해수 온도와 밀도 등 다양한 외부 요소가 저항 수준을 결정짓는다. 따라서 운영자는 정기적인 선체 청소, 운항 트림 조정, 항로 최적화를 통해 잔류저항을 실시간으로 관리해야 한다. 특히 디지털 트윈 기술을 활용하면 선박의 저항 상태를 모니터링하고 예측할 수 있어 매우 효과적이다.
| 트림 조정 | 앞뒤 균형을 맞춰 최적 수면 접촉 유도 |
| 선체 청소 | 조류, 부착물 제거로 저항 감소 |
| 연료 분석 | 저항 증가 시 연료 효율 즉시 하락 |
| 속도 제어 | 일정 속도 유지 시 잔류저항 급증 방지 |
| 디지털 트윈 | 실시간 데이터 기반 저항 모니터링 |
선박 잔류저항 잔류저항은 수면 아래에서 조용히 선박의 효율을 갉아먹는 요소다. 겉으로 드러나지 않지만, 전체 항해 에너지 소비의 상당 부분을 차지하고 있으며, 이는 곧 연료비 상승과 환경 오염으로 이어진다. 선박 설계자는 물론이고 운영자까지도 이 보이지 않는 저항을 예측하고, 줄이기 위한 전략을 고민해야 한다. 기술이 고도화될수록 잔류저항에 대한 이해와 대응은 더욱 중요해지고 있으며, 미래의 친환경 해양 운송 시스템에서도 그 역할은 더욱 부각될 것이다. 진정한 효율을 원한다면, 물속의 저항을 먼저 이해해야 한다.
