[논문]잠제 주변의 파고분포 및 흐름의 3차원 특성; PART II-해빈이 있을 경우

허동수; 이우동

doi:10.12652/ksce.2008.28.1b.115

[국내논문] 잠제 주변의 파고분포 및 흐름의 3차원 특성; PART II-해빈이 있을 경우
Three-Dimensional Flow Characteristics and Wave Height Distribution around Permeable Submerged Breakwaters; PART II - with Beach 원문보기

大韓土木學會論文集, Journal of the Korean Society of Civil Engineers, B. 수공학, 해안 및 항만공학, 환경 및 생태공학, v.28 no.1B, 2008년, pp.115 - 123

허동수 (국립경상대학교 토목환경공학부(해양산업연구소)) , 이우동 (국립경상대학교 대학원 해양토목공학과)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 파 잠제 해빈의 상호간섭에 의한 파동장 및 흐름장의 변화를 검토하기 위하여, 2기의 잠제와 모래해빈을 설치한 경우를 대상으로 허와 이(2007)에 의해 개발된 모델(LES-WASS-3D)을 이용하여 잠제 주변의 3차원적 흐름특성과 파고분포에 대해 고찰하였다. 그 결과, 잠제단부를 중심으로 회전하는 순환류를 확인할 수 있었으며, 여러 단면의 평균류 및 평균와도를 검토함으로서 잠제주변의 3차원 흐름특성을 고찰하였다. 아울러 잠제 천단상의 쇄파점분포, 잠제주변의 파고분포 및 wave set-up에 대해서도 논의하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the present study, a three dimensional hydrodynamic characteristics around the fully submerged dual breakwaters with a sand beach has been investigated numerically using a 3-D numerical scheme, which can determine the eddy viscosity with LES turbulence model and is able to consider wave-structure-seabed interaction in 3-dimensional wave field (LES-WASS-3D), recently developed by Hur and Lee (2007). Based on the numerical experiments, strong vortices can be generated fore and aft edges of the structures, and propagate lee sides. Thus relatively large circulation flows are occurred around submerged breakwaters. The 3-D flow hydrodynamic characteristics have been examined by mean flows and mean vortices for various x-y, x-z sections and y-z layers. Wave height distribution and wave set-up around and over submerged breakwaters, and breaking point migration toward shore side is discussed in detail.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 파ㆍ잠제ㆍ해빈의 상호간섭에 의한 파동장 및 흐름장의 변화를 검토하기 위하여, 2기의 잠제와 모래해빈을 설치한 경우를 대상으로 허와 이(2007)에 의해 개발된 모델(LES-WASS-3D)을 이용하여 잠제 주변의 3차원적 흐름특성과 파고분포에 대해 논의하는 것을 목적으로 한다.
본 연구에서는 파ㆍ잠제ㆍ해빈의 상호간섭에 의한 파동장 및 흐름장의 변화를 검토하기 위하여, 2기의 잠제와 모래해빈을 설치한 경우를 대상으로 허와 이(2007)에 의해 개발되고 검증된 모델을 이용하여 천단고 변화 및 파의 주기변화에 따른 잠제 주변의 3차원적 흐름특성과 파고분포에 대해 논의하였다. 이로부터 얻어진 중요한 사항을 기술하면 아래와 같다.

제안 방법

기초방정식은 무반사조파를 위한 조파소스(조파원천)항이 포함된 연속방정식 (1)과 투과성구조물 내에서의 유체저항을 도입한 수정된 Navier-Stokes 운동방정식 (2)-(4) 및 자유표면을 모의하기 위한 VOF함수의 이류방정식 (5)로 구성된다.
여기서는 3차원 수치해석결과를 바탕으로 많은 단면 중, Fig. 1에 나타내고 있는 3개의 x-z단면에 대한 흐름특성 및 와도분포에 대해 검토한다.
이용된 수치해석조건에 대한 상세한 사항은 Table 1에 나타내었으며, 입사파조건(H_i=6.0 cm, T_i=1.5 sec)을 고정하고, 천단고 변화 즉, 천단수심(R)을 변화시킨 경우 및 파고(H_i=6 cm)와 천단수심(R=2 cm)을 고정하고, 입사파의 주기(T_i)를 변화시킨 경우에 대해 잠제 주변의 흐름특성 및 파고 분포를 고찰하였다.
1과 같은 3차원 수치파동수조를 이용하였고, 파의 재반사를 방지하기위해 조파소스(조파원천) 및 offshore측에는 부가감쇠영역을 설치하였으며, 해석영역에는 바닥경사 1:100의 seabed를 기초로 하여 1:2의 비탈면경사를 가진 2기의 잠제와 비탈면경사 1:10인 해빈을 설치하였다. 잠제는 피복부분과 core부분으로 나누어 구성하였고, 피복석의 평균입경은 4 cm, core의 평균입경은 1 cm로 하였으며, 또한 해빈은 모래로 고려하여 0.002 cm로 구성하였다.
잠제의 천단고 및 파의 주기 변화에 따른 잠제 및 모래해빈 주변의 3차원적 흐름특성 및 파고분포를 파악하기 위하여, Fig. 1과 같은 3차원 수치파동수조를 이용하였고, 파의 재반사를 방지하기위해 조파소스(조파원천) 및 offshore측에는 부가감쇠영역을 설치하였으며, 해석영역에는 바닥경사 1:100의 seabed를 기초로 하여 1:2의 비탈면경사를 가진 2기의 잠제와 비탈면경사 1:10인 해빈을 설치하였다. 잠제는 피복부분과 core부분으로 나누어 구성하였고, 피복석의 평균입경은 4 cm, core의 평균입경은 1 cm로 하였으며, 또한 해빈은 모래로 고려하여 0.

대상 데이터

본 연구에서는 잠제의 천단고 및 파의 주기 변화에 따른 잠제 주변의 흐름특성을 파악하기 위하여 대표적으로 R/H_i및 H_i/L_i의 차가 가장 큰 CASE1, CASE5와 CASE6, CASE7의 평균류에 대해 검토를 수행하였으며, Fig. 1에 나타낸 중앙 개구부측 사각형 i-j-n-k의 내부의 평균류를 대상으로 하였다.

이론/모형

본 연구에서는 천단고 변화 및 파의 주기변화에 따른 잠제 주변의 파고분포 및 흐름의 3차원특성을 파악하기 위하여, 허와 이(2007)에 의해 개발된 모델을 이용하였다. 이 모델은 기존의 3차원 수치해석수법(Hur and Mizutani, 2003; Hur, 2004)을 토대로 SGS모델(Sub-Grid Scale model; Smagorinsky, 1963)을 도입한 수치해석기법(허 등, 2006)에 투과성구조물 내의 유체저항으로서 관성저항(Sakakiyama et al.
본 연구에서는 천단고 변화 및 파의 주기변화에 따른 잠제 주변의 파고분포 및 흐름의 3차원특성을 파악하기 위하여, 허와 이(2007)에 의해 개발된 모델을 이용하였다. 이 모델은 기존의 3차원 수치해석수법(Hur and Mizutani, 2003; Hur, 2004)을 토대로 SGS모델(Sub-Grid Scale model; Smagorinsky, 1963)을 도입한 수치해석기법(허 등, 2006)에 투과성구조물 내의 유체저항으로서 관성저항(Sakakiyama et al., 1992), 난류저항(Ergun, 1952; van Gent, 1995) 및 층류저항(van Gent, 1995; Liu and Masliyah, 1999)을 도입하여 개발된 3차원 수치해석기법이다.

성능/효과

1. 전체적인 쇄파특성은 해빈이 존재하지 않는 경우(허와 이, 2007)와 거의 유사한 경향을 나타내고 있지만, 잠제상에서의 쇄파점이 해빈이 존재하지 않는 경우(허와 이, 2007)에 비해 전체적으로 onshore측으로 약간 이동한 것을 알 수 있었다. 또한, 천단상에서 쇄파가 발생하지 하지 않는 경우 정선부근에서 쇄파가 발생하였다.
2. 잠제주변의 전체적인 파고분포는 offshore측에서는 해빈이 존재하지 않는 경우(허와 이, 2007)와 거의 유사한 경향을 나타내고, onshore측에서는 해빈의 유체저항에 의한 파랑감쇠효과가 더 크게 작용하기 때문에 해빈이 존재하지 않는 경우(허와 이, 2007)보다 낮은 파고분포를 나타낸다.
3. 본 연구에서 검토한 모든 경우에 있어서 잠제의 offshore측에서 평균수위가 하강하고, onshore측에서는 평균수위가 상승함을 알 수 있었다. 또한, R/H_i 및 H_i/L_i가 작아질수록 onshore측과 offshore측의 평균수위 차가 크게 발생하였다.
4. 연직 평균한 평균류분포에서는 모든 경우에 있어서 해빈이 존재하는 경우에 일반적으로 발생한다고 알려져 있는 잠제단부에서의 순환류(宇多高明ら, 1988)를 확인할 수 있었으며, 이러한 경향은 평균수위의 차가 클수록(R/H_i 및 H_i/L_i가 작아질수록) 두드러지게 나타나는 것을 알 수 있었다.
5. 모래 해빈이 존재하는 해안에 잠제가 설치된 경우, 다양한 x-y단면, x-z단면 및 y-z단면의 평균류 및 평균와도분포를 검토한 결과, 2차원적인 해석 및 연직 평균한 평균류에서는 확인할 수 없었던 잠제 주변의 3차원적인 흐름 특성 및 와도분포 특성을 확인할 수 있었다.
Fig. 2(a)로부터 R/Hi<1인 CASE4, CASE5에서는 쇄파가 발생하는 것을 확인할 수 있으며 또한, R/Hi=0.33인 천단수심이 가장 낮은 CASE5에서 쇄파점이 넓은 범위에 걸쳐서 많이 분포하는 것을 알 수 있다.
y축의 양단의 경계조건 즉, 계산영역의 측면경계조건은 slip조건을 이용함으로서 본 연구에서 대상으로 하는 파의 입사방향이 잠제에 대해 직각인 것을 감안한다면 y방향으로 무수의 잠제 및 반무한 해빈이 설치되어 있는 것으로 가정할 수 있으며, 이로 인하여 해석대상영역을 축소하여 계산상의 편의를 도모하였다.
본 연구에서 검토한 모든 경우에 있어서 잠제의 offshore측에서 평균수위가 하강하고, onshore측에서는 평균수위가 상승함을 알 수 있었다. 또한, R/H_i 및 H_i/L_i가 작아질수록 onshore측과 offshore측의 평균수위 차가 크게 발생하였다.
33인 천단수심이 가장 낮은 CASE5에서 쇄파점이 넓은 범위에 걸쳐서 많이 분포하는 것을 알 수 있다. 또한, R/H_i가 작을수록 잠제 법면을 통한 수심 감소로 인해 입사파의 비선형성이 강해짐으로서 천단상의 offshore측에서 쇄파가 발생하기 때문에 CASE5에서의 쇄파점이 CASE4의 경우에 비해 잠제의 천단 offshore측에 분포함을 확인할 수 있다. 천단상에서 쇄파가 발생하지 않았던 R/H_i≥1인 즉, 입사파고보다 천단수심이 크거나 같은 경우(CASE1-3)에 정선부근에서 쇄파점이 분포함을 알 수 있는데, R/H_i가 큰 경우에는 잠제상에서의 비쇄파로 인하여 비교적 큰 파랑에너지가 배후로 전달될 뿐만 아니라 잠제로 인한 파의 회절 및 굴절의 영향으로 개구부를 통과한 파가 잠제배후로 유입되어 합쳐짐으로서 높은 파고를 형성하기 때문에, 정선부근에서 쇄파점이 잠제의 중앙부측으로 집중되어 분포함을 알 수 있다.
즉, offshore측에서 잠제의 천단을 통해 onshore측으로 유입된 파가 평균수위 차로 인해 개구부를 통하여 offshore측으로 빠져나가기 때문에 이와 같은 순환류가 발생한다. 또한, 개구부의 offshore측 및 onshore측 사면에 각각 작은 순환류가 발생함을 확인할 수 있는데, offshore측 순환류는 수위 차에 의해 개구부로 빠져나오는 흐름과 잠제에 의한 굴절의 영향으로 개구부 offshore측에서 잠제천단상으로 진행하는 흐름과 만나서 이루어지며, onshore측 순환류는 개구부를 통해 회절하여 잠제 배후로 돌아 들어가는 흐름과 개구부로 빠져나오는 흐름과의 간섭으로 발생하는 것으로 판단된다.
개구부측 단면(c-c')에서는 해빈의 존재로 인해 더욱 크게 발생하는 평균수위 차로 인하여 개구부로 빠져나가는 유속이 커짐으로서 표층을 제외한 모든 층에서 offshore측으로 빠져나가는 흐름이 발생하며, 잠제 전후의 평균수위 차가 큰 CASE5의 경우가 흐름이 더 큰 것을 알 수 있다. 또한, 이로 인하여 개구부측 seabed에서 강한 와도가 형성됨을 확인할 수 있다. 한편, 정선부근에서는 개구부측보다 잠제 중앙부측으로 갈수록 빠른 흐름으로 인한 강한와도가 형성됨을 확인할 수 있다.
1에서의 연직적분한 평균류와 유사한 분포를 가진다. 또한, 잠제 내부로 향하는 강한 침투 유속으로 인해 피복석의 안팎에서 강한 와도가, 해빈으로 침투하는 유속으로 인하여 해빈 안팎에서 와도가 형성됨을 확인할 수 있다.
또한, 잠제의 중앙부 배후 정선부근에서 쇄파가 발생하는 R/Hi≥1인 CASE1-3의 정선부근에서는 급격히 파고가 감쇠함을 확인할 수 있다.
이와 같은 현상은 R/Hi가 작아서 잠제의 파랑감쇠효과를 적게 받기 때문에 onshore측에서 높은 파고분포를 나타내는 CASE1에서 두드러지게 나타나며, CASE1 중에서도 정선에서 쇄파가 발생하는 잠제 중앙단면(a-a'단면)의 정선부근에서 가장 강한 흐름 및 와도가 분포함을 확인할 수 있다.
이와 같이 층별 평균류 및 평균와도를 검토한 결과, 연직평균한 흐름으로는 설명할 수 없는 3차원적인 흐름이 존재하는 것을 확인할 수 있으며, 해빈이 존재하지 않는 경우(허와 이, 2007)에서도 설명한 바와 같이, 잠제의 시공시나 시공후의 잠제 및 해빈에 대한 안정성 즉, 잠제의 피복석 이탈과 단부의 세굴 및 해빈침식과 저질유출 등에 대한 세밀한 검토를 위해서는 3차원적인 흐름의 고려가 필수적일 것으로 판단된다.
10의 CASE5와 유사한 분포를 나타낸다. 천단상에서 강한 쇄파가 발생하는 CASE6은 천단상에서 빠른 흐름 및 강한 와도가 형성되고, onshore측에서 높은 파고분포를 나타내는 CASE7은 정선부근에서 빠른 흐름 및 강한 와도가 형성됨을 확인할 수 있었다.
0 축을 대칭으로 각각 반대의 방향을 가진 한 쌍의 와가 형성되는 것을 알 수 있다. 한편, R/H_i가 커질수록 개구부의 폭이 넓어지므로 양쪽 사면에서 발생하는 순환류가 상호간섭 하는 영향이 작아지기 때문에 빠른 흐름 및 강한 와도가 넓게 분포하는 것을 확인할 수 있으며, 잠제의 저면 단부에까지 영향이 미치고 있는 것을 알 수 있다.
또한, 이로 인하여 개구부측 seabed에서 강한 와도가 형성됨을 확인할 수 있다. 한편, 정선부근에서는 개구부측보다 잠제 중앙부측으로 갈수록 빠른 흐름으로 인한 강한와도가 형성됨을 확인할 수 있다. 이와 같은 현상은 R/H_i가 작아서 잠제의 파랑감쇠효과를 적게 받기 때문에 onshore측에서 높은 파고분포를 나타내는 CASE1에서 두드러지게 나타나며, CASE1 중에서도 정선에서 쇄파가 발생하는 잠제 중앙단면(a-a'단면)의 정선부근에서 가장 강한 흐름 및 와도가 분포함을 확인할 수 있다.

후속연구

이와 같은 문제를 근본적으로 해결하기 위해서는 파ㆍ잠제ㆍ해빈의 상호간섭에 대해 충분히 검토되어야 할 것이며, 수리모형실험을 통해서 이러한 현상을 세부적으로 파악하기에는 비용과 노력면에서 한계성이 있다. 따라서 현 상태에서는 정도가 검증된 수치모형실험을 통하여 잠제 주변의 3차원적인 흐름 및 파랑변형에 대한 심도 있는 분석이 선행된다면, 잠제의 설계 및 시공에 크게 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
이상과 같은 배경에 근거하여, 실 해역에 잠제와 같은 해안구조물을 건설하기 위해서는 수리모형실험 및 구조물이 설치된 해안에서의 모니터링뿐만 아니라 본 연구와 같이 파ㆍ구조물ㆍ해빈과의 상호간섭을 고려할 수 있는 3차원 수치해석기법을 이용한 다양한 검토 및 분석이 이루어지고, 또한 많은 데이터들이 축적된다면, 향후 잠제와 같은 새로운 해안구조물의 건설에 대한 경제성 및 안정성 등의 검토에 크게 도움이 될 것으로 판단된다.
이로 인하여 평균수위가 높은 잠제의 중앙부측과 개구부측에서 평균수위가 낮은 중앙으로 향하는 연안류가 발생함으로 이 흐름으로 인하여 복잡한 순환류가 발생한다고 판단된다. 이와 같은 결과는 잠제를 통과하는 파의 파장과 관련이 있는 것으로 보이나, 본 연구에서는 주기의 다양한 변화에 대해서 고려하지 않았기에 일반적인 현상으로 결론짓기에는 검토가 더욱 필요한 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연안역이 일으키고 있는 것은?	우리가 접하고 있는 연안역은 인위적인 개발 및 무분별한 해사채취로 인하여 표사이동이 불균형을 이루어 해안침식과 항내매몰 등의 해빈지형변화를 일으키고 있다. 또한, 지구의 온난화에 기인하여 점진적인 해수면 상승과 초대형 태풍으로 인한 폭풍해일의 잦은 내습 및 동계의 너울성 파랑 등의 원인으로 연안침식의 가속화가 우려될만한 수준에 이르렀다.
	해안선 보호와 더불어 파랑으로부터 해안구조물을 보호할 수 있을 뿐만 아니라, 환경적인 측면과 미관적인 측면을 모두 수용할 수 있는 다목적 친자연적인 연안구조물의 개발이 절실한 실정이라고 말한 이유는?	우리가 접하고 있는 연안역은 인위적인 개발 및 무분별한 해사채취로 인하여 표사이동이 불균형을 이루어 해안침식과 항내매몰 등의 해빈지형변화를 일으키고 있다. 또한, 지구의 온난화에 기인하여 점진적인 해수면 상승과 초대형 태풍으로 인한 폭풍해일의 잦은 내습 및 동계의 너울성 파랑 등의 원인으로 연안침식의 가속화가 우려될만한 수준에 이르렀다. 따라서 해안선 보호와 더불어 파랑으로부터 해안구조물을 보호할 수 있을 뿐만 아니라, 환경적인 측면과 미관적인 측면을 모두 수용할 수 있는 다목적 친자연적인 연안구조물의 개발이 절실한 실정이다.
	잠제가 천단상을 통한 원활한 해수교환으로 인하여 생태계 보전이 가능한 이유는?	잠제는 수면위로 돌출된 기존의 방파제와는 달리 수중에 건설되기 때문에 천단상을 통한 원활한 해수교환으로 인하여 생태계 보전이 가능할 뿐만 아니라 주변 경관과도 조화를 이루며 입사하는 파랑에너지를 대규모로 감소시켜 해안침식 방지 및 해안구조물 보호가 가능한 대표적인 친환경 해안·항만구조물로 평가되고 있다.

참고문헌 (11)

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허동수, 이우동(2007) 잠제 주변의 파고분포 및 흐름의 3차원 특성; PARTI-해빈이 없을 경우. 대한토목학회논문집, 대한토목학회, 제27권, 제6B호, pp. 689-701
宇多高明, 小篤, 橫山揚(1988) 人工リ-クの機能と設計法. 建設省土木硏究所, 河川部海岸硏究室, 土木硏究所資料, 第2696號
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Smagorinsky, J. (1963) General circulation experiments with the primitive equation. Mon. Weath. Rev. Vol. 91, No. 3, pp. 99-164

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van Gent, M.R.A. (1995) Wave interaction with permeable coastal structures, Ph.D. Thesis, Delft University The Netherlands

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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