Study on Prediction Method for Sloshing Severity inside LNG Cargo Tank

학위논문(박사)--서울대학교 대학원 :공과대학 조선해양공학과,2020. 2. 김용환.This paper is introducing how to predict sloshing severity inside LNG cargo hold. Owing to increasing demand of eco-friendly energy source, LNG related ships such as LNG carrier, LNG FPSO, or LNG fueled ship are getting bigger and popular. In order to keep LNG as a liquid state, cargo hold should maintain temperature under -163°C and insulation panels are installed inside the cargo hold to do so. As LNG is partially filled inside huge cargo, sloshing phenomenon occurs and it might cause severe sloshing impact pressure which could bring structural failure of cargo containment system. Therefore, sloshing impact is one of the most important factors that need to be considered in design of LNG cargo hold. Since sloshing phenomenon has highly nonlinear characteristics, there is a limitation to predict sloshing flow by numerical approach. Thus, most of the sloshing loads are estimated by sloshing model test, and it has been carried out in a procedure defined from various classifications and ITTC. Seoul National University founded sloshing model test facility and conducted out plenty of sloshing model tests with the support of domestic shipbuilding companies. Generally, each model tank requires numerous test conditions considering operation condition and environmental condition. In this research, prediction method of sloshing severity inside LNG cargo is presented. The procedure enables to predict sloshing severity when main dimensions of tank and ship, location of tank, and environment condition are given. First of all, ship motion is analyzed by strip theory and linear sloshing flow is calculated by Rankine panel method. In order to consider nonlinearity of sloshing flow, regression has carried out using regular sloshing model test result. Finally, Sloshing Severity Index (SSI) can be obtained by superposing ship motion, sloshing flow, and wave spectrum. Validation of such prediction method was made by comparing with several sloshing model test results. The model tests from 6 different tanks are used in this research, and figured out whether high SSI value ensures high sloshing impact pressure. SSI value makes it possible to prescreen test cases which are not likely to generate high sloshing impact pressure. By saving those test cases, sloshing model test can be focused on critical conditions.본 논문은 액화천연가스(LNG) 화물창 내부에서 발생할 수 있는 슬로싱 현상의 심각성을 예측하는 내용을 다룬다. 최근 환경규제와 맞물려 LNG에 대한 수요가 점차 증대됨에 따라 LNG 운반선, 부유식 LNG 생산설비, LNG 추진 선박 등 다양한 LNG 관련 선박이 각광 받고 있으며, 점차 크기도 대형화 되고 있다. 이에 따라, LNG 화물창 내부에서 발생되는 슬로싱 충격에 의해 화물창 내부 보온재가 손상되는 현상이 발견되었고, 극저온을 유지해야 하는 LNG의 특성상 슬로싱 충격이 화물창 설계에 매우 중요한 요소로 자리매김 하였다. 슬로싱 현상은 매우 비선형적인 특성을 가지고 있기에 수치적인 접근으로 예측하기에는 한계가 있다. 따라서 현재 단계에서는 슬로싱 모형실험을 통하여 슬로싱 하중을 평가하며, 슬로싱 모형실험은 국제 선급과 ITTC등 다양한 기관에서 정형화한 절차로 진행된다. 서울대학교에서는 이러한 배경을 바탕으로 슬로싱 모형실험 시설을 설립 하였으며, 국내 조선소의 지원을 받아 많은 양의 슬로싱 모형실험을 수행하였다. 일반적으로, 실적선의 슬로싱 모형실험은 하나의 모형탱크당 다양한 해양 환경 조건, 운용 조건들을 고려한 수십 조건의 모형실험을 수행하기 때문에 많은 시간과 자본이 소요되고 있다. 본 연구에서는 멤브레인(membrane)형 LNG 화물창 내부의 슬로싱 심각성을 예측하는 기법을 다룬다. 예측 기법은 탱크의 주요 제원, 선박에서 탱크의 위치, 선박의 형상, 그리고 운항 환경조건이 주어졌을 때의 슬로싱 심각성을 계산하는 일련의 과정을 포함한다. 선박의 운동은 세장체 이론(slender-body theory)을 적용하여 계산하고, 슬로싱 선형(linear) 유동 해석은 랜킨패널법(Rankine panel method)을 적용하여 수행한다. 그 이후에, 슬로싱 유동의 비선형성을 고려하기 위하여 슬로싱 모형실험 결과와의 비교를 통해 슬로싱 유동 계산 결과를 수정한다. 계산된 선박의 운동과 슬로싱 유동을 중첩하여 최종적인 슬로싱 심각성 지표(Sloshing Severity Index, SSI)를 도출할 수 있다. 본 기법의 검증을 위해 국내 조선소의 지원을 받은 일련의 슬로싱 모형실험에 슬로싱 심각성 지표를 적용해 보았다. 총 여섯 가지 모형탱크의 슬로싱 모형실험 결과를 사용하였으며, 슬로싱 심각성 계산을 통해 위험군으로 분류된 운항 환경 조건이 실제 슬로싱 모형실험에서 유의미한 충격압력을 발생시키는지 확인하였다. 본 예측 기법을 적용함에 따라, 위험군으로 분류되지 않은 운항 환경 조건에서 불필요한 슬로싱 모형실험을 수행하지 않을 수 있게 되었으며, 위험군에 속한 조건에서 더욱 집중적으로 모형실험을 수행하여 보다 정확한 모형실험 결과를 얻어낼 수 있다.1. 서론 9 1.1 연구 배경 9 1.2 연구 목표 및 주요 연구 내용 15 2. 슬로싱 심각성 지표 (SSI) 해석 18 2.1 부유체 운동 해석: 세장체 이론 21 2.1.1 운동 방정식 22 2.1.2 선박 운동 해석 기법 24 2.1.3 스트립 이론 26 2.1.4 수치해석 기법 27 2.2 슬로싱 선형 유동 해석: 랜킨 패널법 28 2.2.1 슬로싱 유동 모델링 28 2.2.2 수치해석 기법 30 2.2.3 슬로싱 연성 운동방정식 32 2.3 슬로싱 심각성 응답 진폭비 (SSR) 34 2.3.1 매개변수 정의 34 2.3.2 슬로싱 심각성 응답 진폭비 보정 37 2.4 슬로싱 심각성 지표 (SSI) 해석 39 3. 슬로싱 모형실험 결과 41 3.1 슬로싱 연성 운동 실험 41 3.1.1 실험 준비 41 3.1.2 실험 및 계산 결과 44 3.2 슬로싱 모형실험 준비 48 3.2.1 운동 플랫폼 48 3.2.2 계측 장비 설치 50 3.2.3 운동 시계열 생성 53 3.2.4 압력신호 후처리 54 3.3 선형 유동 수정을 위한 규칙 슬로싱 모형 실험 60 3.3.1 모형 탱크 및 압력센서 설치 60 3.3.2 실험 조건 63 3.3.3 실험 결과 및 SSR 수정 64 3.4 기업체 연계 불규칙 슬로싱 모형 실험 71 3.4.1 PRESLO-JIP 슬로싱 모형 실험 72 3.4.2 LNGC 슬로싱 모형 실험 76 3.4.3 FLNG 슬로싱 모형 실험 81 4. 슬로싱 심각성 예측기법 적용 84 4.1 SSI 지표 최적화 85 4.1.1 슬로싱 유동 지표 선택 85 4.1.2 진폭에 따른 보정계수 선택 93 4.2 실험결과와 SSI 적용 결과의 비교 106 4.2.1 초기 SSI 적용 결과 108 4.2.2 운동응답 변형 SSI 적용 결과 117 4.3 SSI 계산 프로그램 (PRESLO) 121 4.3.1 PRESLO 프로그램 구성 121 4.3.2 LNG-FPSO의 슬로싱 심각성 지표 계산 125 5. 결론 135 6. 향후 연구 139 참고 문헌 141Docto