전인식
(Department of Civil Engineering, Konkuk University)
,
민인기
(Coastal and Harbor Engineering Division, Korea Ocean Research and Development Institute)
,
심재설
(Coastal and Harbor Engineering Division, Korea Ocean Research and Development Institute)
파랑이 수중 천퇴부를 넘어 쇄파하는 경우 파고는 작게 형성되나 강한 이차적 흐름 (쇄파유도류)이 발생한다. 따라서, 임의의 해양구조물이 쇄파대에 위치할 경우에는 단순히 가시적인 파고에만 근거한 파력산정은 과소설계를 초래할 가능성이 있으며 구조물의 안정설계를 위해서는 쇄파유도류의 유속이 가미된 상태에서의 유체력을 정확히 산정하여 반영할 필요가 있다. 본 연구에서는 Boussinesq 방정식 모델을 이용하여 쇄파대내에서의 파고분포와 쇄파유도류를 계산하는 기법을 수립하였으며 과거에 수행하였던 이어도 해양과학기지의 수리모형실험 (1/120)의 모델영역에 적용하였다. 이 계산결과를 이용하여 모형구조물에 작용하는 유체력을 계산하고 수리모형실험 결과와 비교함으로써 쇄파유도류의 영향을 정량적으로 평가하였다.
파랑이 수중 천퇴부를 넘어 쇄파하는 경우 파고는 작게 형성되나 강한 이차적 흐름 (쇄파유도류)이 발생한다. 따라서, 임의의 해양구조물이 쇄파대에 위치할 경우에는 단순히 가시적인 파고에만 근거한 파력산정은 과소설계를 초래할 가능성이 있으며 구조물의 안정설계를 위해서는 쇄파유도류의 유속이 가미된 상태에서의 유체력을 정확히 산정하여 반영할 필요가 있다. 본 연구에서는 Boussinesq 방정식 모델을 이용하여 쇄파대내에서의 파고분포와 쇄파유도류를 계산하는 기법을 수립하였으며 과거에 수행하였던 이어도 해양과학기지의 수리모형실험 (1/120)의 모델영역에 적용하였다. 이 계산결과를 이용하여 모형구조물에 작용하는 유체력을 계산하고 수리모형실험 결과와 비교함으로써 쇄파유도류의 영향을 정량적으로 평가하였다.
When waves propagating over an underwater shoal break at the top of the shoal, wave heights are drastically decreased in the downstream breaking zone, but a secondary current shooting downstream with strong velocity can be induced by the breaking waves themselves. In the case that an offshore struct...
When waves propagating over an underwater shoal break at the top of the shoal, wave heights are drastically decreased in the downstream breaking zone, but a secondary current shooting downstream with strong velocity can be induced by the breaking waves themselves. In the case that an offshore structure is placed in the breaking zone, the estimation of wave farce purely based on the visible wave height may cause an under-design of the structure. Thus, for the safe design of the structure, the breaking wave induced current should be necessarily considered in the comprehensive estimation of design load. In the present study, Boussinesq equation model to calculate the wave height distribution and breaking wave induced current was set up and applied to the scheme of a hydraulic model test previously undertaken. Based on the results of the Boussinesq model, fluid forces acting on the model structure were calculated and compared with the experimental results. The importance of the breaking wave induced current was quantitatively assessed by comparing fluid forces with or without current.
When waves propagating over an underwater shoal break at the top of the shoal, wave heights are drastically decreased in the downstream breaking zone, but a secondary current shooting downstream with strong velocity can be induced by the breaking waves themselves. In the case that an offshore structure is placed in the breaking zone, the estimation of wave farce purely based on the visible wave height may cause an under-design of the structure. Thus, for the safe design of the structure, the breaking wave induced current should be necessarily considered in the comprehensive estimation of design load. In the present study, Boussinesq equation model to calculate the wave height distribution and breaking wave induced current was set up and applied to the scheme of a hydraulic model test previously undertaken. Based on the results of the Boussinesq model, fluid forces acting on the model structure were calculated and compared with the experimental results. The importance of the breaking wave induced current was quantitatively assessed by comparing fluid forces with or without current.
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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.
참고문헌 (13)
전인식, 성상봉, 김귀동, 심재설 (2005). Boussinesq 방정식을 이용한 수중 천퇴에서의 파랑변형 및 파랑류 계산, 한국해안.해양공학회지, 202-212
전인식, 김귀동, 심재설 (2006). 수중 천퇴에서의 쇄파거동 예측을 위한 Boussinesq 방정식 모델의 적용, 한국해안.해양공학회지, 154-165
Nwogu, O. (1993). Alternative form of Boussinesq equation for nearshore wave propagation, J. Wtrway., Port, Coast. and Oc. Engrg., ASCE, 119(6), 618-638
SPM, (1977). Shore Protection Manual, Coastal Engineering Research Center, Corps of Engineers, U.S. Army
Wei, G., Kirby, J.T., Grilli, S.T. and Subramanya, R. (1995). A fully nonlinear Boussinesq model for surface waves, Part 1, highly nonlinear unsteady waves, J. Fluid Mechanics, 294, 71-92
Yoon, S., Cho, Y. and Lee, C. (2004). Effects of breakinginduced currents on refraction-diffraction of irregular waves over submerged shoal, Ocean Engineering, 31, 633-652
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