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문제 정의
- 본 연구에서는 쇄파와 쇄파로 인해 발생하는 처오름과 월파 유속측정을 통한 거동 분석을 위해 수리모형실험연구를 수행하였다. 기포가 존재하지 않는 쇄파영역의 측정을 위하여 PIV기법을 적용하였으며, 상대적으로 넓은 기포영역을 갖는 처오름과 월파는 BIV기법을 이용하여 측정하였다.
- 쇄파과정은 난류적이며, 쇄파는 주변인자에 민감하기 때문에 동일한 순간을 나타내는 순간화상은 평균 유속과 정확하게 일치하지는 않는다. 이에 본 연구에서는 모든 20개의 순간유속장 오차를 줄이기 위하여 각 쇄파과정 중 한 순간을 기준으로 전후 시간단계를 결정하였다. 기준시간(t=0)은 파랑의 자유수면이 모형의 전면선단을 지나 월파하려는 순간으로 설정하였기 때문에 t=0 이전의 시간, 즉 자유수면이 모형선단을 지나기 전의 시간은 음으로 나타내어진다.
가설 설정
- 00 s(Fig. 2(d)) 순간에 생성된 와류가 연직아래방향으로 이동하며, 이 순간의 구조물 천단에서의 월파흐름은 작은 크기의 수평유속을 갖는다. 쇄파에 의한 처오름은 구조물의 전면벽에서 쇄파와 더불어 파의 위상이 높아지면서 수평방향의 운동량이 연직방향으로 전환되면서 발생한다.
제안 방법
- Nd:Yag 레이저는 최대출력 400 mJ/pulse, 파장 532 nm이고, 디지털 CCD카메라는 1280×1024 픽셀의 해상도와 12bit의 분해능(dynamic range)을 가지고 있다. CCD카메라는 3차원 이송장치에 장착되었고, Nikon 105 mm렌즈를 부착하여 f/1.8의 조리개 값을 이용하여 4fps의 속도로 PIV화상을 획득하였다. 상대적으로 낮은 취득률 속도장 계산을 위한 PIV화상을 얻기 위해 비중 1.
- PIV기법과 BIV기법에 의해 기록된 화상은 64×64 픽셀의 크기를 갖는 초기조사구간(initial interrogation window)과 32×32 픽셀의 최종조사구간(final window)의 조건으로 화상처리(image processing)를 하여 유속을 계산하였으며, 주변조사구간과 50%의 화상중첩이 되도록 하였다.
- 먼저 모형구조물의 전면벽 부근, 즉 상대적으로 기포연행이 작은 부분의 속도장은 PIV기법을 이용하여 측정하였다. 구조물 주위에서의 유속장은 Dual-head Nd:Yag 레이저와 디지털 CCD카메라로 구성된 PIV장비를 이용하여 측정하였다. Nd:Yag 레이저는 최대출력 400 mJ/pulse, 파장 532 nm이고, 디지털 CCD카메라는 1280×1024 픽셀의 해상도와 12bit의 분해능(dynamic range)을 가지고 있다.
- 구조물의 상부로 월파된 유체흐름의 최대유속분포는 비선형적인 단면을 보여주고, 시간별 최대유속은 주로 유체의 전면부에서 일어남이 관측되었다. 또한 실험결과로부터 월파의 수평유속을 차원해석하여 수평유속과 거리와 시간사이에 자기상사성을 가지고 있음을 밝히고, 이를 회귀분석하여 월파의 수평 유속을 예측하는 경험식을 제시하였다. 이 경험식은 월파의 전면이 구조물 천단에 존재하는 동안에 유효한 식으로서 보다 정확한 적용범위를 산정하기 위해서는 보다 긴 천단폭을 가지는 구조물에 대한 연구가 추가로 수행되어져야 할 것으로 판단된다.
- PIV기법과 BIV기법에 의해 기록된 화상은 64×64 픽셀의 크기를 갖는 초기조사구간(initial interrogation window)과 32×32 픽셀의 최종조사구간(final window)의 조건으로 화상처리(image processing)를 하여 유속을 계산하였으며, 주변조사구간과 50%의 화상중첩이 되도록 하였다. 모든 속도벡터가 계산된 후, Median Filter를 이용하여 그릇된 속도벡터들을 제거하고, 제거된 속도 벡터는 주변 속도벡터들을 이용한 선형보간법으로 대체하였다.
- 본 연구에서는 1024×768 픽셀의 해상도를 갖는 화상을 1000 fps의 속도로 측정하였다.
- 이에 대한 대안으로 구조물의 전면과 상부에서의 쇄파에 의한 연행기포영역의 측정에는 BIV기법을 이용하였다. 본 연구에서는 두 기법(PIV기법과 BIV기법)을 함께 적용함으로써 연행기포 내외 영역의 유속장을 측정할 수 있었다. Fig.
- 본 연구에서는 쇄파 발생시 구조물 천단위에서 월파에 영향을 주는 변수들의 관계를 분석하기 위해 차원해석을 실시하였으며, 고려된 변수는 식 (2)에 제시되어 있다.
- 15배에 해당하는 크기를 지속적으로 보여준다는 것을 의미한다. 본 연구에서는 하나의 실험조건을 적용하였기 때문에 파속에 대해 일반화를 하기가 어려울 수 있으나, 쇄파 접근유속이 기존 연구와 일치된다는 결과에 바탕을 두고 월파유속을 파속에 관한 식으로 표현하였다. 또한, Fig.
- 이로부터 얻어진 쇄파는 시행착오를 통해 구조물 전면으로부터 수평거리 2 cm 내에서 쇄파점(breaking point)을 갖도록 하였다. 쇄파지점의 변화를 줄이기 위해 각 실험의 간격을 충분히 두었으며, 파고는 구조물 전면에서 100 Hz의 측정율로 계측하였다. 실험시 적용된 입사파 스펙트럼의 첨두주기(Tp)는 1.
- 10은 시간에 따른 최대난류세기의 변화를 나타낸 것이다. 순간유속과 평균유속의 관계로부터 변동유속을 구하고 이를 바탕으로 난류세기를 계산하였다.
- 3 Hz 사이의 주파수를 갖는 파로 이루어졌다. 이로부터 얻어진 쇄파는 시행착오를 통해 구조물 전면으로부터 수평거리 2 cm 내에서 쇄파점(breaking point)을 갖도록 하였다. 쇄파지점의 변화를 줄이기 위해 각 실험의 간격을 충분히 두었으며, 파고는 구조물 전면에서 100 Hz의 측정율로 계측하였다.
- 같은 조건하에 반복적으로 수행된 실험으로부터 얻어진 순간유속장을 위상평균하여 평균유속장을 구하였다. 평균유속장으로 얻어진 결과를 차원해석하여 월파의 수평방향 유속분포를 나타내는 경험식을 제시하였다.
대상 데이터
- 6은 동일한 쇄파를 BIV기법으로 측정한 연행기포영역의 유속장을 나타낸 것이다. BIV기법에 의해 측정된 측정영역은 Fig. 1에 도시되어 있는 FOV2이다.
- 본 연구에서 사용된 BIV기법으로 측정된 유속장은 주로 모형 전면벽 주위의 연행기포영역과 구조물 천단의 쇄파에 의한 액적(droplet)화된 월파를 측정대상으로 하고 있다. BIV기법에 의해 측정된 유속은 물과 공기의 경계조직의 화상에 따라 얻어지기 때문에 결국 기포의 속도가 측정된다고 할 수 있다.
- 상대적으로 낮은 취득률 속도장 계산을 위한 PIV화상을 얻기 위해 비중 1.02, 직경 57 µm인 입자를 구조물의 주위에 배포하였다.
- 수리모형실험은 2차원 수로에서 수행되었고, 수로의 제원은 길이 35 m, 폭 0.9 m, 깊이 1.2 m이다. 수로 양단에는 반사파를 최소화하기 위해서 1:5.
- 쇄파지점의 변화를 줄이기 위해 각 실험의 간격을 충분히 두었으며, 파고는 구조물 전면에서 100 Hz의 측정율로 계측하였다. 실험시 적용된 입사파 스펙트럼의 첨두주기(Tp)는 1.3 s이고, 이에 해당하는 파속 C는 1.95 m/s이며, 구조물 전면에서 쇄파시의 파고는 약 24 cm이다.
- 5 경사에 약 5%의 반사율을 갖는 소파망이 설치되어 있다. 아크릴로 제작된 구조물 모형은 길이 0.15 m, 높이 0.31 m, 폭 0.9 m의 직사각형 구조에 0.22 m의 상판을 추가하여 총 0.37 m의 천단길이를 갖는다. 모형의 흘수는 0.
- (2005)을 참조할 수 있다. 유체의 운동을 조명하기 위한 광원으로 약 2 mm의 두께의 백색 아크릴판과 600 W의 보통 전구를 사용하였으며, 분석에 사용된 화상은 f/1.8의 고정된 조리개값을 갖는 105 mm 초점렌즈를 장착한 고속카메라로 기록하였다. 고속카메라는 최고 1024×1024 픽셀의 해상도와 8bit의 분해능을 가지며, 최고 1200 fps을 갖는다.
데이터처리
- 기포가 존재하지 않는 쇄파영역의 측정을 위하여 PIV기법을 적용하였으며, 상대적으로 넓은 기포영역을 갖는 처오름과 월파는 BIV기법을 이용하여 측정하였다. 같은 조건하에 반복적으로 수행된 실험으로부터 얻어진 순간유속장을 위상평균하여 평균유속장을 구하였다. 평균유속장으로 얻어진 결과를 차원해석하여 월파의 수평방향 유속분포를 나타내는 경험식을 제시하였다.
- 20의 값을 갖는다. 고려된 무차원변수들 사이의 관계를 최소자승법을 이용하여 회귀분석하였으며 얻어진 경험식은 식 (5)와 같다.
이론/모형
- 본 연구에서는 기포가 연행된 영역의 측정을 위하여 Ryu et al.(2005)에 의해 고안된 BIV기법을 이용하였다. BIV기법은 PIV기법과 유사한 유속측정법으로 전형적인 PIV기법에서 속도측정을 위해 사용하였던 미세한 입자 대신에 기포나 물-공기의 경계에 생성되는 화상의 조직(texture)을 이용하는 것이다.
- 본 연구에서는 쇄파와 쇄파로 인해 발생하는 처오름과 월파 유속측정을 통한 거동 분석을 위해 수리모형실험연구를 수행하였다. 기포가 존재하지 않는 쇄파영역의 측정을 위하여 PIV기법을 적용하였으며, 상대적으로 넓은 기포영역을 갖는 처오름과 월파는 BIV기법을 이용하여 측정하였다. 같은 조건하에 반복적으로 수행된 실험으로부터 얻어진 순간유속장을 위상평균하여 평균유속장을 구하였다.
- 본 연구에서는 쇄파의 연행기포영역과 이어 발생하는 처오름과 월파 유속장을 얻기 위하여 PIV기법과 BIV기법을 이용하였다. 먼저 모형구조물의 전면벽 부근, 즉 상대적으로 기포연행이 작은 부분의 속도장은 PIV기법을 이용하여 측정하였다. 구조물 주위에서의 유속장은 Dual-head Nd:Yag 레이저와 디지털 CCD카메라로 구성된 PIV장비를 이용하여 측정하였다.
- 본 실험에 사용된 쇄파형태는 권파(plunging breaker)로서 다양한 주기를 갖는 파군으로부터 파랑집중(wave focusing)법을 이용하여 생성하였다. 0.
- 본 연구에서는 구조물에 내습하는 권파와 그에 따른 월파의 유속장을 광학적 유속측정기법인 PIV기법과 BIV기법을 이용하여 측정하였다. 권파는 구조물에 내습하기 전단계에서 파속의 1.
- 본 연구에서는 쇄파의 연행기포영역과 이어 발생하는 처오름과 월파 유속장을 얻기 위하여 PIV기법과 BIV기법을 이용하였다. 먼저 모형구조물의 전면벽 부근, 즉 상대적으로 기포연행이 작은 부분의 속도장은 PIV기법을 이용하여 측정하였다.
- 수리모형시 직립벽 전면에서의 유속장은 PIV기법과 BIV 기법으로 측정하였다. PIV기법에 의한 측정영역은 전술한 바와 같이 Fig.
- 본 연구에서 수행된 실험에서는 구조물 모형 근처의 쇄파 유속장은 구조물 전면부와 천단위에서 기포밀도가 높으므로 PIV기법만으로는 쇄파, 처오름 및 월파 등의 모든 과정을 측정할 수 없음을 알 수 있었다. 이에 대한 대안으로 구조물의 전면과 상부에서의 쇄파에 의한 연행기포영역의 측정에는 BIV기법을 이용하였다. 본 연구에서는 두 기법(PIV기법과 BIV기법)을 함께 적용함으로써 연행기포 내외 영역의 유속장을 측정할 수 있었다.
성능/효과
- 처오름의 최대연직유속의 크기는 내습하는 쇄파의 수평최대 유속의 약 2배에 달한다. 관측된 최대유속은 t=-0.04s 이후에 중력과 수평방향의 월파로 옮겨가면서 점점 작아지지만 천단 위에서 월파가 되는 시점인 t=0.00s 이후에도 최대연직유속값은 파속의 약 1.5배에 달하는 약 2.9 m/s의 크기를 보여준다.
- 이 최대값은 월파수괴의 전면속도(front velocity)와 거의 일치하며 파랑전면이 모형의 후면선단을 지나기 전까지 큰 감소를 보이지 않고 지속된다. 구조물의 상부로 월파된 유체흐름의 최대유속분포는 비선형적인 단면을 보여주고, 시간별 최대유속은 주로 유체의 전면부에서 일어남이 관측되었다. 또한 실험결과로부터 월파의 수평유속을 차원해석하여 수평유속과 거리와 시간사이에 자기상사성을 가지고 있음을 밝히고, 이를 회귀분석하여 월파의 수평 유속을 예측하는 경험식을 제시하였다.
- 단면수평유속 Vp의 분포는 모형 전면선단 부근에서 최소유속을 보이고 파랑전면 부근에서 최대유속을 보이며, 점근적인 증가양상을 보인다. 또한, 각 시간별 최대수평유속은 월파의 파동전면이 모형의 후면선단을 지나기 전(t=0.16s)까지 감소하지 않고 일정한 값을 보이나, 이후에는 최대유속이 점차 감소하는 것으로 나타났다.
- 이러한 연행기포영역의 측정에 대한 제한은 Chang and Liu(1999, 2000)의 연구에서도 발견된다. 본 연구에서 수행된 실험에서는 구조물 모형 근처의 쇄파 유속장은 구조물 전면부와 천단위에서 기포밀도가 높으므로 PIV기법만으로는 쇄파, 처오름 및 월파 등의 모든 과정을 측정할 수 없음을 알 수 있었다. 이에 대한 대안으로 구조물의 전면과 상부에서의 쇄파에 의한 연행기포영역의 측정에는 BIV기법을 이용하였다.
- 여기서, U는 평균수평유속, W는 평균연직유속이다. 최대난류세기가 발생하는 위치는 본 논문에서 제시하지 못하였으나, 주로 파랑의 전면부에 위치 함을 알 수 있었다.
후속연구
- 이는 수리실험에 사용된 모형 천단길이의 제한에 의한 것으로서 식 (6)의 정확한 적용범위를 결정하기 위해서는 최대유속과 전면유속이 유지되는 구간을 확인해야 할 것으로 판단된다. 또한, 본 연구는 하나의 실험조건을 대상으로 수리실험이 수행되었기 때문에 이를 보완하기 위한 다양한 실험이 수행되어야 할 것으로 판단된다.
- 먼저, 해양구조물의 설계에 있어서 월파 유속은 선박이나 platform의 상부장치에 작용할 수 있는 힘을 예상하는 데 유용하다. 반면, 연안구조물, 즉 방파제나 호안 등의 경우에는 상부의 설치물에 대한 관점보다는 월파량의 정량적인 산정과 구조물 후면의 안전성 등의 연구에 이용될 수 있을 것이다.
- 또한 실험결과로부터 월파의 수평유속을 차원해석하여 수평유속과 거리와 시간사이에 자기상사성을 가지고 있음을 밝히고, 이를 회귀분석하여 월파의 수평 유속을 예측하는 경험식을 제시하였다. 이 경험식은 월파의 전면이 구조물 천단에 존재하는 동안에 유효한 식으로서 보다 정확한 적용범위를 산정하기 위해서는 보다 긴 천단폭을 가지는 구조물에 대한 연구가 추가로 수행되어져야 할 것으로 판단된다.
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