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문제 정의
- 본 연구는 한국해양연구원에서 수행하는 2006년도 이어도 종합해양과학기지의 활용연구 중 “비선형 불규칙 파랑전파모델의 쇄파거동에 대한 수치해석” 사업의 결과 중 일부를 발췌한 것임.
제안 방법
- 15에 제시하였다. S 파향은 파랑류 유속이 미미하기 때문에 파력만 계산하였으며, NNW 파향은 파력과 그리고 쇄파유도류가 복합되어 있는 경우의 유체력을 같이 제시하였다. S 파향에서는 계산치가 실험치와 잘 일치함을 볼 수 있다.
- 0173 초로 하였으며, 계산시간은 총 200주기로 하였다. 계산 중간과정 에서 발생하는 수치 잡음은 Shapiro 필터 (Shapiro, 1970)를 이용하여 제거하였으며 전 등(2007)의 연구 결과에 근거하여 필터 요소수를 4로, 필터 통과수를 50으로, 그리고 필터적용 주기를 200 연속 쇄파발생으로 설정하였다.
- 계산격자간격은 Δx=Δy=0.125m 0.125 m, 시간증분은 Δt=0.0173 초로 하였으며, 계산시간은 총 200주기로 하였다. 계산 중간과정 에서 발생하는 수치 잡음은 Shapiro 필터 (Shapiro, 1970)를 이용하여 제거하였으며 전 등(2007)의 연구 결과에 근거하여 필터 요소수를 4로, 필터 통과수를 50으로, 그리고 필터적용 주기를 200 연속 쇄파발생으로 설정하였다.
- . 단, 구조물 위치에서 구현되는 파향을 도출하는 것이 현실적으로 어렵기 때문에 가상 파향을 수개 설정하여 각 파향별로 유체력 (파랑좌표계 기준)을 결정하였다. 수리모형실험에서도 파 향의 불확실성을 고려하여 Load cell meter를 각 가상 파 향으로 표정하여 파력을 측정하였었다.
- 보인 바 있다. 본 연구에서는 Boussinesq 모델을 실제 이어도 해역에 적용하여 정상부 쇄파발생에 따른 주변 파고분포와 흐름발생 양상을 파악하고 구조물에 작용하는 유체력을 계산하여 과거에 수행하였던 수리모형실험의 파력 계측치와 비교하기로 한다.
- 상기 Boussinesq 모델의 적용은 수리모형실험에서의 네파향 중에서 S 파향과 NNW 파향을 선별하여 수행하였다. S 파향은 구조물이 쇄파대 이전에, 그리고 NNW 파 향은 쇄파대내에 위치한다.
- 2에서 보이는 바와 같이 48 m X 48 m의 평 면 조파수조에 1/120 축척 의 이어도 및 이어도 구조물 모형을 거치한 후 심해설계파 추산 결과에 근거하여 총 4 파향(S, SE, SSW, NNW)에 설계 파를 입사하여 평면 파고분포와 구조물 작용파력을 계측하였다. 설계파 제원은 파랑추산작업에 의하여 주변 수심 0.49m에서 파고 0.206m, 주기 1.37초로 설정하였다.
- 수리모형실험(전 등, 2000a)은 Fig. 2에서 보이는 바와 같이 48 m X 48 m의 평 면 조파수조에 1/120 축척 의 이어도 및 이어도 구조물 모형을 거치한 후 심해설계파 추산 결과에 근거하여 총 4 파향(S, SE, SSW, NNW)에 설계 파를 입사하여 평면 파고분포와 구조물 작용파력을 계측하였다. 설계파 제원은 파랑추산작업에 의하여 주변 수심 0.
- 단, 구조물 위치에서 구현되는 파향을 도출하는 것이 현실적으로 어렵기 때문에 가상 파향을 수개 설정하여 각 파향별로 유체력 (파랑좌표계 기준)을 결정하였다. 수리모형실험에서도 파 향의 불확실성을 고려하여 Load cell meter를 각 가상 파 향으로 표정하여 파력을 측정하였었다.
- 6에 제시하였다. 실험은 이어도와 구조물 모형을 고정하고 조파기 패들을 이동하여 파향을 변경하였다. 따라서, 조파 패들을 수조의 모서리에 위치시키는 관계로 NNW 파항은 S 파향에 비하여 조파영역의 폭이 다소 좁으며 Fig.
- 파고계측은 Fig. 3이 보이는 바와 같이 1 m 간격의 격자점(총 323점)에서 수행하였으며, 파력계측은 Fig. 4가 보이는 바와 같이 구조물 모형의 상부에 하중계 (Load cell meter)# 부착하여 구조물에 작용하는 Fx, Fy 및 Aq를 계측하였다. 대표적으로 파향 S와 NNW에 대한 실험장면을 Fig.
대상 데이터
- 설치한 이어도 종합해양과학기지도 수중 천퇴 인근에 위치하고 있다. 본 구조물은 Fig. 1에서 보이는 바와 같이 수심 DL(-)40m에 설치되어 있으며 평균수심이 약 DL(-)4.5 m인 이어도 정상부에서 남동쪽으로 약 600 m 이격되어 있다. 전 등(2000a, 2000b)은 이어도 해역에서의 파랑변형과 구조물 작용파력을 검토하기 위하여 수리모형실험을 수행한 바 있으며, 입사파랑의 파향에 따라서 단순히 발생파고에 근거한 모리슨 식의 파력계신치를 훨씬 상회하는 유체력이 발생할 수 있음을 보인 바 있다.
- 파랑에 의한 수립자 유속과 가속도 성분은 Stream function 10차 파를 이용하였다. 식 (19)에 의히-여 파력을 계산할 경우 적절한 CD, C, 값을 사용하여야 한다.
- 파력계산에서 모형구조물은 총 200개의 원형 부재로 모델링하였다. 식 (19)를 이용하여 각 부재 길이 전체에 대한 유체력을 구하고 이들을 구조물 전체에 걸쳐 합산하여 구조물 전체에 작용하는 시스템 파력의 시계열을 구하였다.
데이터처리
- 적용하였다. 이 계산결과를 이용하여 모형구조물에 작용하는 유체력을 계산히여 수리모형실험 결과와 비교하였다. 세부 결론은 다음과 같다.
이론/모형
- 각 측점에서의 수면변위 시계열을 zero-up-crossing 법에 의하여 분석하여(분석구간 200〜270초) 각 측점 파고를 결정하였다. 각 파향에서의 파고에 대한 등파고선도를 실험결과와 함께 Fig.
- 본 연구에서는 Boussinesq 방정식 모델을 이용하여 쇄파 내에서의 파고분포와 쇄파유도류를 계산하는 기법을 제시하였으며 과거에 수행하였던 이어도 해양과학기지의 수리모형(1/120)에 적용하였다. 이 계산결과를 이용하여 모형구조물에 작용하는 유체력을 계산히여 수리모형실험 결과와 비교하였다.
- 전 등(2000b)은 이와 같은 극성이 일이어도 주변 파랑변형과 쇄파유도류를 계산하기 위하여 Boussinesq 방정식 모델을 적용하였다. 본 연구에서는 Nwogu( 1993)7} 제안한 약비선형 형태의 Boussinesq 방정식(Wei et al, 1995)을 사용하였다. 수치해석의 미지수는 수면변위 와 연직위치 에서의 수평방향 유속 이며 지배방정식은 연속방정식 (1)과 운동방정식 (2)와 (3)으로 구성 된다.
- 전 등(2000b)은 이와 같은 극성이 일이어도 주변 파랑변형과 쇄파유도류를 계산하기 위하여 Boussinesq 방정식 모델을 적용하였다. 본 연구에서는 Nwogu( 1993)7} 제안한 약비선형 형태의 Boussinesq 방정식(Wei et al, 1995)을 사용하였다. 수치해석의 미지수는 수면변위 와 연직위치 에서의 수평방향 유속 이며 지배방정식은 연속방정식 (1)과 운동방정식 (2)와 (3)으로 구성 된다.
- 본 연구에서는 쇄파감쇠항을 정하기 위하여 Kennedy et aL(2000)이 제안한 다음과 같은 와점성계수 모델을 사용하였다.
- 이어도 구조물은 자켓식 구조물이며 파랑과 쇄파유도류가 복합되어 있는 상태에서 구조물의 각 부재의 단위 길이 당 작용하는 유체력 성분은 쇄파유도류의 속도가 가미된 다음과 같은 Morison 타입의 식 (Dawson, 1983)을사용하여 결정하였다.
- 파향 S에서는 계측시그널들이 비교적 규칙적으로 나타난 반면, 파향 NNW에서는 수면변위가 다소 불규칙적이며 파력성분의 시그널들이 한쪽으로 쏠려 동요하는 일종의 극성을 보인다. 전 등(2000b)은 이와 같은 극성이 일이어도 주변 파랑변형과 쇄파유도류를 계산하기 위하여 Boussinesq 방정식 모델을 적용하였다. 본 연구에서는 Nwogu( 1993)7} 제안한 약비선형 형태의 Boussinesq 방정식(Wei et al, 1995)을 사용하였다.
- 파향 S에서는 계측시그널들이 비교적 규칙적으로 나타난 반면, 파향 NNW에서는 수면변위가 다소 불규칙적이며 파력성분의 시그널들이 한쪽으로 쏠려 동요하는 일종의 극성을 보인다. 전 등(2000b)은 이와 같은 극성이 일이어도 주변 파랑변형과 쇄파유도류를 계산하기 위하여 Boussinesq 방정식 모델을 적용하였다. 본 연구에서는 Nwogu( 1993)7} 제안한 약비선형 형태의 Boussinesq 방정식(Wei et al, 1995)을 사용하였다.
성능/효과
- - 이어도 구조물에 작용하는 파력과 그리고 쇄파유도류가 가미된 유체력을 계산하여 실험치와 비교한 결과, 전반적으로 잘 일치하는 것으로 나타났다. 구조물이 쇄파 대에 위치하는 NNW 파향의 경우에서 흐름이 복합된 유체력은 단순 파고에 근거한 파력보다 약 7배 이상의 큰 값을 보이는 것으로 나타났다.
- 특히, 쇄파대의 중심선을 따라고 파고를 보였던 기존의 완경사방정식 모델 결과와는 달리 전 쇄파대내에서 저파고를 형성하였다. 계산결과를 보면 천퇴 정상부 상류쪽에서는 파랑류 발생이 미미하나 하류 쪽에서는 쇄파에 의하여 파고는 대폭 감소한 반면, 0.54 m/s(실스케일에서 6 m/s)정도의 강한 파랑류가 형성되는 것으로 나타났다.
- 잘 일치하는 것으로 나타났다. 구조물이 쇄파 대에 위치하는 NNW 파향의 경우에서 흐름이 복합된 유체력은 단순 파고에 근거한 파력보다 약 7배 이상의 큰 값을 보이는 것으로 나타났다.
- 방향성 흐름의 영향에 의하여 비롯된 것으로 판단하였으며, 완경사 방정식 모델과 천수방정식 모델을 사용하여 이어도 정상부에서의 쇄파가 주변에 강한 이차적 흐름을 발생시킬 수 있음을 보인 바 있다. 파향 별 파력을 비교한 결과 파향 NNW은 파고는 가장 작으나 파력 측정치는 타파 향들의 경우보다도 큰 것으로 나타났다.
- 우단의 파고저하 부위는 해당 측점들이 수리모형실험의 파 유도대(wave guider) 밖에 위치하고 있기 때문이다. 이를 감안하면 전반적으로 Boussinesq 모델의 결과가 실험치에잘 일치하는 것으로 판단된다.
- 통과한다. 파력의 계측결과, 이와 같은 쇄파 발생은 구조물에 작용하는 유체력에도 영향을 미치는 것으로 나타났다. 파향 S와 NNW에 대한 구조물 위치에서 의 수면 변위와 파력계측 결과를 Fig.
- 수 있음을 보인 바 있다. 파향 별 파력을 비교한 결과 파향 NNW은 파고는 가장 작으나 파력 측정치는 타파 향들의 경우보다도 큰 것으로 나타났다.
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