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문제 정의
- 그러나 기존의 연구에서는 실험장비의 불충분으로 인해 방파제와 파도의 상호 간섭을 볼 수 있는 유 동장 해명을 통한 파랑변형과의 관계를 연구한 경우는 거의 없는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 PIV시스템을 이용한 수리실험과, VOF법과 RANS 방정식을 기초로 하여 난류 모델을 결합한 수치모델을 사용하여 부방파제의 유동특성을 해명하고 파랑변형의 관계를 밝히는 것을 목적으로 하였다.
제안 방법
- 을 측정하였다. 2개의 Wave gage를 구조물 전·후 4cni에각각 설치하였고, 나머지 2개의 Wave gage는 각각 구조물 전면의 10m 지점에, 구조물 후면의 2in 지점에 설치하여 각각의 자유수면을 측정하였다.
- 구조물 모서리 부근의 유동장 및 와의 생성 및 소멸에 대한 수리실험과 수치실험의 비교를 위해 각 Case별 위상을 주기가 Gse-1 에서는 O.lsec 간격으로 8개의 위상으로 분리하였으며, Ca史-2, 3에서는 0.116sec 간격으로 위상분리수를 8개, C迎에서는 O.lsec로 하여 12개, 마지막으로 C迎e-5에서는 0.25sec간격으로 16개로 분리하였다. 그러나 실험 Case에 대한 결과를 모두 나타내기에는 자료의 양이 너무 많아서 Fig.
- (+), (-)의 분리시점을 Case별로 비교해 본 결과 Case-1, Case-2, Gs&3 의 경우는 파곡에서 분리가 일어나지만 장주기인 Case4z Gse5의 경우에는 파곡보다 위상이 빠른 시점에서와의 분리가 일어나는 것을 볼 수 있다. 그러나 수리실험의 결과로는 위상시간간격이 일정하여 좀 더 세밀한 (+), (-)의 분리 시점을 파악하기 힘들어 수치실험으로 와의 분리시점을 Gse별로 비교하였다.
- 0005sec 이다. 또한 주기 및 파고는 수리실험과 동일하게 주어 계산을 실시하였다.
- 먼저 파고전달계수(K9를 산정하기 위해 Table 1과 같이 총 16case의 파를 조파하였으며, 구조물의 고유진동주기인 0.93sec를 기준으로 하여 단주기파와 장주기파로 구분하여 총 5case에 대해서만 PIV실험을 실시하였다. 입사파 및 전달 파의 자유 수면을 측정하기 위해 구조물 전면 10ni지점과 구조물 후면 2m지점에 Wave gage를 설치하였고, 조파판으로부터 파를 조파하기 시작하여 조파수조의 끝에서 되반사가 일어나기 전에 실험을 실시하여 결과를 취득하였다.
- 와류강도는 유속이 동일하더라도 계산 격자의 크기에 따라 그 값이 달라지며, 격자의 크기가 작을수록 와류강도는 크게 나타난다. 본 연구에서는 수리실험의 경우 Interrogation 血dow는 32x32 Pixel(4.0x4.0nm, )이고 여기에 50%의 Overlap을 실시하였다. 따라서 하나의 유속이 계산되는 격자의 크기는 2.
- 본 연구에서는 유동특성을 더욱 상세하게 해석하기 위해 실용성이 높고 여러 분야에서 사용되고 있는 冗-e난류모델을채용하여 난류항의 완결(Closure)을 실시하였다. 난류 모델의 기초방정식은 다음과 같다.
- 부방파제의 유동구조를 해석하기 위해 조파수조를 사용하여 수리모형실험을 실시하였다, 수리모형실험에 사용된 수조는 길이 35m, 폭 0.9m, 높이 1.2m이고/ 1:5.5 기울기의 감쇠 대를 수조 끝에 설치하였으며, 이 감쇠대 위에 Horsehair 한 층을 설치하여 파의 에너지를 흡수하고 반사를 감소시켰다. 플랩 타입의 조파기는 컴퓨터로 조절되는 서브모터와 공기조절시스템으로 자동으로 일정한 힘이 유지되어 정수역학적 균형을 잡는 것이 동시에 이루어지면서 가동되도록 하였다.
- 수리실험 및 수치실험의 유동 및 와의 비교 결과를 바탕으로 와의 생성 및 소멸과 파랑변형의 관계를 밝혀보았다. (+), (-)의 분리시점을 Case별로 비교해 본 결과 Case-1, Case-2, Gs&3 의 경우는 파곡에서 분리가 일어나지만 장주기인 Case4z Gse5의 경우에는 파곡보다 위상이 빠른 시점에서와의 분리가 일어나는 것을 볼 수 있다.
- 수리실험에서 사용한 부방파제에 관한 구조물을 그대로 재현하여 수치모델의 계산을 수행하였다. 입사파가 재반사 되지 않도록 해석영역의 양끝에는 개경계 및 각 Case별 파장의 2 배를 감쇠영역 설치하였다.
- 00sec이후 한 주기에 대한 시 간파형을 나타내었다. 수치실험은 입사파가 안정화되고 난 이후의 계산 결과로 수리실험과 비교하였다. Fig.
- 이에 대한 연구를 살펴보면 고립파(Chang et al., 2001) 및 크노이드파(CQang et al., 2005) 통과 시 파 아래의 수중 구조물에 대한 와의 발생 및 발달을 PIV를 이용하여 측정하였다.
- 93sec를 기준으로 하여 단주기파와 장주기파로 구분하여 총 5case에 대해서만 PIV실험을 실시하였다. 입사파 및 전달 파의 자유 수면을 측정하기 위해 구조물 전면 10ni지점과 구조물 후면 2m지점에 Wave gage를 설치하였고, 조파판으로부터 파를 조파하기 시작하여 조파수조의 끝에서 되반사가 일어나기 전에 실험을 실시하여 결과를 취득하였다.
- 5 기울기의 감쇠 대를 수조 끝에 설치하였으며, 이 감쇠대 위에 Horsehair 한 층을 설치하여 파의 에너지를 흡수하고 반사를 감소시켰다. 플랩 타입의 조파기는 컴퓨터로 조절되는 서브모터와 공기조절시스템으로 자동으로 일정한 힘이 유지되어 정수역학적 균형을 잡는 것이 동시에 이루어지면서 가동되도록 하였다. 아래의 Fig.
- 한 쌍으로 이루어진 4개의 Wave gage를 이용하여 자유수면 을 측정하였다. 2개의 Wave gage를 구조물 전·후 4cni에각각 설치하였고, 나머지 2개의 Wave gage는 각각 구조물 전면의 10m 지점에, 구조물 후면의 2in 지점에 설치하여 각각의 자유수면을 측정하였다.
- 시간파형을 구조물 전 . 후면 4cm 지점에서 비교하였다. 수리실험을 통해 획득한 파형은 조파판으로부터 조파를 시작한 후 Case-1은 45.
대상 데이터
- PIV 시스템에서 사용되는 레이저소스는 Nd-YAG(Neody- mium-yttrium aluminum garnet) 레이저이다. 이 레이저는 532 nm 파장에서 최대 출력에너지 400niJ/pulse 이고 Pulse 주기는 10ns, 각각의 헤드에 10田의 반복율을 가진다.
- 구조물은 길이 0.3ni, 폭 0.9m 직사각형 단면의 구조물을 사용하였고 구조물의 위치는 조파기로부터 20m 지점에 수조 폭에 꽉 차게 설치하였다. 흘수는 0.
- 3mm 직경 레이에서 얇은 광선판을 발생시키기 위해서 사용되는 광선판(Hght sheet)렌즈는 두 개의 구형 렌즈와 하나의 원통렌즈로 이루어져 있다. 카메라는 1280x1024 Pixel, 최대 프레임이 8田인 디지털 CCD 카메라를 사용하였으며, 카메라는 컴퓨터에 의해 제어되는 3D트레버스에 설치하였다.
데이터처리
- 취득된 이미지는 La Vision사의 상용 소프트웨어를 이용하여 계산하였다 PIV의 유속의 계산시 조사구간는 32x32 Pixel 이고 주변의 조사구간과 50%로 Overlap하여 속도장을 계산하였다. 유속벡터를 계산한 다음 중앙의 필터는 가상 벡터의 확인과 삭제를 위해 사용하였고, 유속의 비현실적인 변동을 줄이기 위해 3×3 Smoothing 필터를 사용하였다.
이론/모형
- 적용한 Patel et al.(1985)의 실험적 함수형을 채용하여 수치모델을 구성하였다. 특히 난류모델의 구성에 있어서 난류량 k, e 에 대하여 초기조건과 유입경계조건을 설정하는 데에는 특별한 주의가 필요하다.
- PIV 시스템의 유속 결정을 위해 Double-franie/sir咯le- pulsed 방법을 사용하였으며, 연속된 두 이미지의 시간차(dt) 는 5ms이다. Double-franie/single-pulsed 방법은 하나의 유속을 취득할 수 있는 조사구간(Interrogation window)내에서 하나의 최대상관값 만을 취하기에 유동방향에 대한 모호성의 없다는 장점을 가진다.
- 따라서 본 수치모델에서는 Sommerfeld의 방사경계조건과 에너지 감쇠대를 적용하여 무반사조건을 설정하였다.
- 본 수리모형실험에서는 유속을 측정하기 위해 PIV시스템이실사용되었다. PIV시스템은 간접적인 유속측정 방법이므로험 중에 유체의 흐름을 방해하지 않는 큰 장점을 가지고 있수으며, 유속측정을 하는 동안 인공적으로 입자를 살포하여유 천 개의 유속벡터를 얻을 수 있다.
- 수치모델을 이용하였다. 본 수치모델은 윤종성 등(2005) 에서 적용성을 검토하였으며, 이하에서는 기본이론에 대해 서술한다.
- 본 연구에서는 자유수면을 해석하기 위해 현재까지 가장 유용한 방법으로 알려져 있는 VOF법을 이용하고 있다. VOF 함수 F는 일정 물리량인 유체의 체적율로서 0 M FM1의 범위를 가진다.
- 본 연구에서는 파동장에서 구조물의 설치에 따른 유동 및 파동 특성의 수치해석을 위해 자유수면을 해석할 때 매우 유용한 VOF법과, RANS 방정식을 기초로 하여 난류모델을 결합한 수치모델을 이용하였다. 본 수치모델은 윤종성 등(2005) 에서 적용성을 검토하였으며, 이하에서는 기본이론에 대해 서술한다.
성능/효과
- (2) 구조물 후면에서 와의 생성 및 소멸을 파의 주기와 관계 시켜 비교를 해본 결과 Case-1 보다 주기는 길지만 파고는 작은 G心3에서 와의 강도가 더 크게 나타났다. 이는 주기가 길수록 부유식 구조물의 에너지전달이 커져 파고전달률(K』 이 크게 나타난다고 판단된다.
- (3) 와의 추적에서 (+), (-) 와 모두 입사파의 파고와 주기가 증가할수록 와의 궤적이 커졌으며, (-)와는 주기보다는 파고가 증가할수록 궤적이 크게 나타났다. 구조물 전면의 (+)와는 자유수면 부근까지 이동하여 소멸되는 반면, (-)와는 구조물 아래 부근에서 소멸하였다.
- (4) 각 Gse별 와의 분리시점을 위상으로 비교해 본 결과구조물의 고유진동주기를 기준으로 단주기파에 속하는 Cas&l, Case-2, Case-3의 위상분리시점은 정확한 파곡은 아니지만 파곡 부근에서 일어났으며 장주기파인 Case-4Z Case-5에서는 파곡보다 위상이 빠른 시점에서 분리가 났다. 이는 Case-4Z Cas&5와 같이 위상이 빠른 지점에서 와의 분리가 일어날 경우, 와의 생성 및 소멸에 의해 발생되는 파의 에너지 소산이 Case-1, Case-2, Gse-3의 경우보다 훨씬 빨라 잔여 파 에너지가 구조물 후면으로 전달이 되어 파랑변형이 작아지는 것으로 사려된다.
- Fig. 7에서 볼 수 있듯이 수리실험과 수치실험의 유동장 비교 결과, 수치모델이 각 위상에 대해 유동장을 잘 재현하는 것으로 나타났다. 와류강도의 비교 결과는 수리실험이 수치실험보다 크게 나타나고 있지만 경향은 동일하게 나타난다.
- (-)와가 생성되는 것을 확인할 수 있다. 구조물 후면에서는 Fig. 7의 경우 구조물 후면으로의 파고전달률이 작아서 유속과 와류강도가 작게 발생하여 확연하게 나타나지는 않지만, 주기가 긴 Case4z Cas」5를 비교하여 보면, 구조물 전면과는 반대의 흐름과 와가 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
- 또한 구조물 후면에서 와의 생성 및 소멸을 파의 주기와 관계 시켜 비교하면, Case-1보다 주기는 길지만 파고는 약간 작은 Gs&3에서 와의 강도가 더 크게 나타나는 것을 볼 수 있다. 이는 주기가 길수록 부방파제의 파고전달률이 커지는 것과 상통되는 것으로 장주기파 일수록 에너지 전달이 커져 후면에서 와류강도 역시 크게 발생하게 된다.
- 또한 반시계방향의 (+)와의 경우 입사파의 파고와 주기가 증가할수록 와의 궤적이 커졌으며, 시계방향의 (-)와는 주기보다는 파고가 증가할수독 궤적이 크게 나타난다고 생각된다. 구조물 전면의 반시계방향 (+)와는 자유수면 부근까지 이동하여 소멸되는 반면, 시계방향의 (-)와는 구조물 아래 부근에서 소멸하였다.
- 10은 수치계산 결과에 대한 위상분리시점을 주기에 따른 실험 Case별로 구분하여 비교하였다. 이 결과 구조물 고유진동 주기를 기준으로 단주기파에 속하는 Gs&l, Gse-2, Cas&3의 위상분리시점은 정확한 파곡은 아니지만 파곡 부근에서 일어나고, 장주기파인 Case-4Z Gse-5에서는 파곡보다 위상이 빠른 시점에서 분리가 일어난다. 그리고 Case 4보다는 주기가 긴 Qse-5에서 와의 분리가 일어나는 위상이 훨씬 빨라진다.
- 수리실험 및 수치실험 모두 동일하게 구조물 전 . 후면 4cm 떨어진 지점에서 수면에서부터 d= 12cm까지 Gse별로 가장 연직유속변화가 심한 위상에 대한 연직분포를 비교한 결과, Ca史4에서 약간의 오차가 있었지만, 전반적으로 수치실험 결과가 잘 재현하는 것으로 나타났다. Fig- 6에서 京에대한 결과만을 대표적으로 나타내었으며, 수심에 대한 유속 以와 迪변화가 잘 재현되는 것을 볼 수 있다.
- (1) 구조물 전 . 후면의 시간파형은 가장 주기가 긴 Case-5 경우의 구조물 전면에서 측정한 입사파가 수치실험에 비해 수리실험이 크게 나타난 것을 제외하면 비교적 잘 일치하였고, 연직유속분포 비교에서도 유속변화가 가장 심한 Case』를 제외하고 잘 일치하는 것으로 나타났다. Case4의 경우 유속크기는 약간의 차이는 있지만 유속변화 경향은 수심에 따라 일치하는 것을 볼 수 있기에 본 수치모델은 비교적 부방파제주변의 유동특성 및 와의 생성 및 소멸을 잘 해석하였다고 판단된다.
- 4에서 볼 수 있듯이, 구조물 전 . 후면의 시간파형은 가장 주기가 긴 Case-5 경우의 입사파가 수치실험에 비해 수리실험이 비교적 크게 나타난 것을 제외하면, 잘 일치하는 것으로 나타났다.
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