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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 규칙파, 불규칙파 및 파랑과 흐름이 공존하는 상태에서 가두리 시설에 대한 수리 모형실험을 실시하여 운동 특성을 해석하였으며, 규칙파중의 운동 특성은 선형 포텐셜 이론에 의한 수치 해석 결과와 비교·검토하였다.
제안 방법
- 규칙파, 불규칙파 및 파랑과 흐름이 공존하는 상태에서 프레임에 우리형 그물을 부착하여 구성되어 있는 가두리 시설의 운동 특성을 분석하기 위하여 정사각형 및 원형 구조의 가두리 시설을 대상으로 예인 수조에서 수리 모형실험을 실시하였으며, 규칙파중 운동 특성은 선형 포텐셜 이론에 의한 수치 해석의 그것과 비교하였다. 그 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.
- 수리 모형실험을 통해 측정된 규칙파중 모형 가두리 시설의 전후, 좌우 및 상하 방향의 시계열 가속도 데이터에 대하여 수치 적분을 실시하고 변위를 구하였다. 그리고 이 변위를 사용하여 규칙 파중 가두리의 동적 운동 즉, 전후 동요(Surge), 상하 동요 (Heave) 및 종 동요 (Pitch)를 해석하였는데, 여기서는 규칙파중 가두리의 운동 특성을 전후 동요 및 상하 동요의 진폭과 종 동요의 각도를 그에 상응하는 파의 진폭으로 나눈 무차원수 즉, 전달 함수 (Transfer function)의 개념으로서 나타내었다.
- 본 연구에서 대상으로 한 가두리 시설의 모형은 Fig. 3과 같이 프레임, 그물 및 침자로 구성되어 있고, 프레임은 앞에서 설명한 바와 같이 정사각형과 원형의 2가지로서, 정사각형의 경우에는 가로, 세로 및 깊이가 모두 10m이며, 원형의 경우에는 지름이 11.4m이고, 깊이가 10m인 것을 기본형으로 하여 Froude의 모형 수칙에 따라 1/20로 제작하였다. 이 경우 프레임의 규격은 앞에서 설명한 Table 1 과 같고, 프레임에 부착되는 그물은 그물실의 지름이 0.
- 본 연구에서는 선형 포텐셜 이론에 의한 경계 적분법 (Boundary integral element method)을 이용하여 파랑중 모형 가두리 시설의 프레임에 작용하는 유체력을 해석하고 그것을 토대로 운동 특성을 분석하였다. 일반적으로 자유 표면 근처의 물체의 동요 문제를 수치적으로 해석하기 위해서는 물체의 동요에 의한 영향을 나타내는 Green 함수로부터 물체 표면 경계 조건을 만족하는 소스 강도를 구하고, 이로부터 속도 포텐셜을 구해야 한다.
- 수리 모형실험을 통해 측정된 규칙파중 모형 가두리 시설의 전후, 좌우 및 상하 방향의 시계열 가속도 데이터에 대하여 수치 적분을 실시하고 변위를 구하였다. 그리고 이 변위를 사용하여 규칙 파중 가두리의 동적 운동 즉, 전후 동요(Surge), 상하 동요 (Heave) 및 종 동요 (Pitch)를 해석하였는데, 여기서는 규칙파중 가두리의 운동 특성을 전후 동요 및 상하 동요의 진폭과 종 동요의 각도를 그에 상응하는 파의 진폭으로 나눈 무차원수 즉, 전달 함수 (Transfer function)의 개념으로서 나타내었다.
- 실험은 모형 가두리에 파랑만 작용하는 경우와 파랑과 흐름이 동시에 작용하는 상태로 나누어 행하였으며, 파랑은 40분할의 플런저식 조파기를 사용하여 규칙파 및 불규칙파를 생성하였는데, 규칙파의 경우 주기가 1.4s (파장 3m) 및 1.96s (파장 6m)의 2 종류였다. 또한 불규칙파의 경우에는 ITTC에서 제안하는 JONS- WAP 스펙트럼을 사용하였다.
대상 데이터
- 또한 불규칙파의 경우에는 ITTC에서 제안하는 JONS- WAP 스펙트럼을 사용하였다. 본 실험의 경우 유의 파고 H1/3는 15 cm, 유의파 주기 T1/3은 1.4s이고 흐름의 속도는 0.28 m/s로 하였으며, 이 경우 흐름은 예인 전차로써 재현하였다.
- 본 연구에서 수치 해석에 사용된 가두리 시설의 Mesh는 Fig. 1과 같이 정사각형 및 원형의 2가지 형태로서, 그물과 침자는 제외하고 단지 프레임만을 고려하였으며, 이 경우 프레임의 규격은 Table 1과 같다. 이것에서 프레임의 크기는 정사각형의 경우 가로 및 세로가 각각 50cm이고, 원형의 경우에는 지름이 57 cm이며, 프레임은 모두 지름이 20mm인 플라스틱 파이프 2개를 병렬로 연결하여 구성하였다.
- 실험에서 파고는 예인 전차에 설치된, 서보식 파고계(FEL, K 375A)와 전위 증폭기 (Procom, PCA-2D로 측정하였는데 파고계 는 모형으로부터 약 5m 떨어진 지점에 설치되었다. 입사파에 대한 모형의 운동 특성은 모형 가두리 위에 설치된 3개의 1축 가속도계 (Koywa, ASW-2A, 용량: ±2G)와 변형 증폭기 (Procom, DPM-711B)로 측정하되 파고 및 가속도의 측정치는 매 실험마다 40초 동안 각각 800개씩의 측정치를 증폭기를 통하여 컴퓨터에 입력해서 그 시계열 자료를 이용하였다.
- 실험은 삼성중공업(주)의 예인 수조 (길이 400m, 폭: 14m, 깊 이: 7 m)에서 행하였는데, 모형 설치 및 계측 시스템 구성은 Fig. 4와 같다. 실험을 할 때는 이것에서 보는 바와 같이 모형 가두리의 프레임에 고유 상수를 무시할 수 있을 만큼 매우 유연한 4개의 스프링을 달고 이것을 조파기로부터 약 50m 떨어진 곳에 있는 예인 전차 아래에 구속하였다.
- 4m이고, 깊이가 10m인 것을 기본형으로 하여 Froude의 모형 수칙에 따라 1/20로 제작하였다. 이 경우 프레임의 규격은 앞에서 설명한 Table 1 과 같고, 프레임에 부착되는 그물은 그물실의 지름이 0.34mm, 그물코의 크기가 13.8 mm되는 나일론 막매듭 그물감 Td 210X3을 사용하였다. 또한 그물에 부착된 침자는 총 4개의 납으로 구성되며, 이것의 전체 무게는 각 모형 그물의 공기중 무게와 같은 76 및 70 g 이었다.
- 1과 같이 정사각형 및 원형의 2가지 형태로서, 그물과 침자는 제외하고 단지 프레임만을 고려하였으며, 이 경우 프레임의 규격은 Table 1과 같다. 이것에서 프레임의 크기는 정사각형의 경우 가로 및 세로가 각각 50cm이고, 원형의 경우에는 지름이 57 cm이며, 프레임은 모두 지름이 20mm인 플라스틱 파이프 2개를 병렬로 연결하여 구성하였다. 또한 각 프레임은 일정한 단면적을 가지고 있고, 프레임의 수면적, 부력 및 체적은 모형의 그것과 동일하게 하였다.
- 실험에서 파고는 예인 전차에 설치된, 서보식 파고계(FEL, K 375A)와 전위 증폭기 (Procom, PCA-2D로 측정하였는데 파고계 는 모형으로부터 약 5m 떨어진 지점에 설치되었다. 입사파에 대한 모형의 운동 특성은 모형 가두리 위에 설치된 3개의 1축 가속도계 (Koywa, ASW-2A, 용량: ±2G)와 변형 증폭기 (Procom, DPM-711B)로 측정하되 파고 및 가속도의 측정치는 매 실험마다 40초 동안 각각 800개씩의 측정치를 증폭기를 통하여 컴퓨터에 입력해서 그 시계열 자료를 이용하였다.
- 해석에 사용된 파랑 조건은 파의 주기가 0.52-3.12s (파장 0.43~ 15.42m)인 규칙파 20종으로 시설물에 조우하는 입사 파향은 정사각형의 경우 180°, 158° 및 135°였으며, 원형의 경우에는 180°였다. Fig.
이론/모형
- 96s (파장 6m)의 2 종류였다. 또한 불규칙파의 경우에는 ITTC에서 제안하는 JONS- WAP 스펙트럼을 사용하였다. 본 실험의 경우 유의 파고 H1/3는 15 cm, 유의파 주기 T1/3은 1.
성능/효과
- 1) 규칙파중 모형 가두리 시설의 상하 및 종 동요는 전후 동요와는 달리 그물의 영향을 거의 받지 않았으므로 이 시설물의 운동 특성중 가장 중요한 상하 동요를 해석하는 경우에는 그물을 제외하고 프레임만을 고려해도 된다는 것을 확인하였다.
- 2) 불규칙파중 및 파랑과 흐름이 공존하는 상태에서 모형 가두리 시설의 운동 특성은 입사파 주기의 2배 되는 고주파수에서 시설물의 고유 주기 등에 의해 동적 운동의 peak frequency가 나타남으로써 비선형 즉, 2nd order harmonic 성분이 존재하였다.
- 3) 파동 및 흐름장에서 동요 특성이 정사각형에 비해 비교적 작게 나타난 원형이 파도, 조류 등 환경 조건이 거친 해역에 보다 적합한 것으로 판단되었다.
- 이상과 같이 규칙파중 모형 가두리 시설의 운동 특성을 분석해본 결과, 상하 동요와 종 동요의 경우에는 수치 해석 결과와 실험 결과가 비교적 잘 일치하고 있으므로 프레임의 동적 운동을 가두리 시설 전체의 운동으로 볼 수 있다고 판단된다. 따라서, 그물이 부착된 가두리 시설의 운동 특성중 가장 중요한 상하 동요를 해석하는 경우에는 그물을 제외하고 프레임만을 고려하여도 비교적 정확한 값을 얻을 수 있다는 것을 확인하였다.
- 즉, 전후 동요의 크기는 가두리 시설의 프레임에 그물이 설치되면 그것이 설치되지 않는 경우에 비하여 작아지는 것을 알 수 있다. 또한 가두리 시설의 형태별 전후 동요의 크기를 보면 정사각형과 원형에서 거의 유사하게 나타났으며, 입사 파향별 전후 동요를 보면 정사각형의 경우 파향 180°에서 가장 크게 나타나 점근적으로 약 1에 가까워지고 있는데 비하여 158° 및 135°에서는 1보다 작게 나타났다.
- 그러나 상하 동요의 경우 계산치 와 측정치에서 두 값이 정확하게 일치하지 않는데 그 이유는 수리 모형실험에 의해 측정된 가속도는 회전 좌표계에서 국부적으로 기록된 값인데 비하여 계산치는 전체적인 z축을 따라서 표현된것이기 때문이라고 사료된다. 또한 가두리의 형태별 상하 동요의 크기는 정사각형에 비하여 원형에서 다소 작았으며, 정사각형의 경우 입사 파향별 그것의 크기는 거의 동일하게 나타나 상하 동 요에서는 경우 시설물에 조우하는 입사 파향이 운동에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 이 경우 위상각은 거의 0°로 나타나 모형 가두리 시설이 파에 따라 운동하고 있음을 알 수 있다.
- 1°/m 이하로 매우 작게 나타났는데, 이것은 모형 가두리 시설의 흘수가 작아서 감쇠력이 커지고 이로 인하여 이 시설의 운동이 감소되어 발생된 것으로 사료된다. 또한 정사각형에 비하여 원형 가두리에서 종 동요가 보다 작았으며, 위상각은 전후 동요에서와 같이 모든 조건에서 거의 -90°로 나타났다.
- 8은 수리 모형실험에 의해 측정된 규칙파와 흐름이 동시에 작용하는 상태에서 입사 파향별 정사각형 및 원형 가두리의 운동 특성을 측정하여 나타낸 것이다. 이것에서 보면 모형 가두리 시설의 전후 동요, 상하 동요 및 종 동요는 파랑만 작용하는 경우에 비하여 다소 작게 나타났으며, 원형이 정사각형에 비해 운동이 작은 것을 알 수 있다.
- 또한 Ormberg (1991)의 연구 결과에서 보면 상 하 동요와 종 동요의 경우에는 그물의 설치 유무에 관계없이 가두리 시설의 운동 특성은 거의 유사하게 나타났지만 전후 동요의 경우에는 그물의 설치로 인해 그것의 운동이 보다 작게 나타났다. 이상과 같이 규칙파중 모형 가두리 시설의 운동 특성을 분석해본 결과, 상하 동요와 종 동요의 경우에는 수치 해석 결과와 실험 결과가 비교적 잘 일치하고 있으므로 프레임의 동적 운동을 가두리 시설 전체의 운동으로 볼 수 있다고 판단된다. 따라서, 그물이 부착된 가두리 시설의 운동 특성중 가장 중요한 상하 동요를 해석하는 경우에는 그물을 제외하고 프레임만을 고려하여도 비교적 정확한 값을 얻을 수 있다는 것을 확인하였다.
- 이상의 결과로부터 보면, 파동 및 흐름장에서 동요특성이 정사각형에 비해 비교적 작게 나타난 원형이 파도, 조류 등 환경 조건이 거친 해역에 보다 적합한 것으로 판단되었다. 그러나 이것을 현장에 적용하기 위해서는 장기간에 걸쳐 조사된 시설 예정 해역에 대한 파랑, 조류 등의 환경 인자를 고려하여 가두리 시설에 작용하는 유체력, 피로 수명 평가, 구조 해석 등에 관한 연구가 종합적으로 수행돠아야 한다.
후속연구
- 이상의 결과로부터 보면, 파동 및 흐름장에서 동요특성이 정사각형에 비해 비교적 작게 나타난 원형이 파도, 조류 등 환경 조건이 거친 해역에 보다 적합한 것으로 판단되었다. 그러나 이것을 현장에 적용하기 위해서는 장기간에 걸쳐 조사된 시설 예정 해역에 대한 파랑, 조류 등의 환경 인자를 고려하여 가두리 시설에 작용하는 유체력, 피로 수명 평가, 구조 해석 등에 관한 연구가 종합적으로 수행돠아야 한다.
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