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문제 정의
- , 2003) 및 기타의 연구결과와 본 해석결과를 비교하여 본 해석법의 타당성을 검증한다. 더불어, 본 연구에서 고립파의 제어를 위해 처음으로 도입되는 투과성이열수중방파제에 있어서 수치파동수로내에서 파랑변형, 파랑변형율, 최대수위의 변화 및 와의 형성 등을 일렬의 경우와 대비하면서 그의 특성을 고찰하고, 고립파를 효과적으로 제어할 수 있는 방안을 모색함으로써 연안방재계획의 기초자료를 수립하고자 한다.
- 본 연구에서는 수치적으로 고립파를 조파할 수 있는 조파방법을 제안하고, 조파방법에 대한 타당성을 검토하기 위하여 고립파의 이론치와 비교하였으며, 일렬수중방파제에 의한 고립파의 파랑변형에 대하여 본 연구의 계산결과와 기존의 연구결과와 비교 및 검토를 수행하였다. 이를 근거로 하여 주변해역의 자연경관을 그대로 살릴 수 있고, 유수역을 통한 해수교환이 우수하며, 환경성 및 경제성이 뛰어난 구조물로 알려진 수중방파제를 대상으로 일렬수중방파제가 제어하기 어려운 고립파(지진해일)를 보다 효과적으로 그리고 경제적으로 제어할 수 있는 이열투과성수중방파제의 유용성을 검토하였다.
- 본 연구에서는 조파소스에 의한 고립파의 조파방법 및 조파소스로부터 발생된 파형의 전달과정에 대한 타당성을 검증하기 위하여 일정수심 h=40 cm를 갖는 2차원수치파동수로에서 입사파고 Hi=4 cm의 고립파를 목표로 하여 내부조파소스에 의해 수치적으로 조파시겼다.
- 14에 나타내는 바와 같은 이열수중방파제를 적용한다. 여기서, 이열수중방파제의 배치간격 l과 수중방파제의 천단고 h0를 조절함으로서 제어기능의 향상을 도모함과 동시에, 재료량의 절감에 따른 건설비의 절약을 기하면서 일렬수중방파제가 갖는 단점을 보완하고자 한다. 이 때, 적용한 고립파의 입사파고는 Hi=4 cm로 Hi/h= 0.
제안 방법
- 1이며, 각 수중방파제의 천단폭 b는 40 cm로 일정하다. 그리고, 이열수중방파제의 배치간격을 l/Leff=0.1~1.0의 범위에서 0.1씩 증가시켰으며, 증가된 각각의 l/Leff에 대하여 천단고 h0를 h0/h=0.925(q=3 cm), 0.875(q=5 cm), 0.825(q=7cm)로 변화시켰다.
- 먼저, 일렬수중방파제에 있어서 천단폭 b의 변화에 따른 고립파의 시·공간적인 파랑변형을 살펴본다.
- 본 연구에서는 고립파와 같은 장주기파를 효율적으로 제어할 목적으로 Fig. 14에 나타내는 바와 같은 이열수중방파제를 적용한다. 여기서, 이열수중방파제의 배치간격 l과 수중방파제의 천단고 h0를 조절함으로서 제어기능의 향상을 도모함과 동시에, 재료량의 절감에 따른 건설비의 절약을 기하면서 일렬수중방파제가 갖는 단점을 보완하고자 한다.
- 본 연구에서는 수중방파제에 의한 고립파의 반사율 Kr과 전달율 Kt를 산정하기 위하여 Fig. 11에 나타낸 수치파동수로를 대상으로 수중방파제의 중앙으로부터 육측과 해측으로 충분히 떨어진 거리로 판단되는 x/Leff=2.0의 위치에 검사면 S1과 S2를 두고(Lin, P. 2004), 최대수위가 도달하지 않는 정수면으로부터 연직으로 충분히 떨어진 위치에 검사면 S3를 둔다. 따라서, 검사체적내에서는 식(23)과 같은 에너지보존법칙이 성립한다.
- 본 연구는 고립파의 작용하에 일렬수중방파제에 대비한 이열수중방파제의 기본적인 파랑제어기능과 특성을 검토하기 위하여 직사각형단면을 갖는 수중방파제를 대상으로 한다(Sollitt and Cross, 1972). 이 때, 입사파고 Hi=4 cm, 수심에 대한 입사파고의 비 Hi/h=0.1의 고립파를 적용하여 구조물의 천단고, 천단폭 및 배치간격의 변화에 따른 파랑과 구조물과의 기초적인 상호간섭현상의 특성을 규명한다.
- 여기서, 수치해석수법으로는 Navier-Stokes운동방정식과 VOF함수의 이류방정식을 지배방정식으로 사용하는 2차원수치파동수로를 적용한다. 이로부터 일렬의 수중방파제를 사용하여 고립파의 파랑변형을 논한 기존의 연구결과(Huang et al., 2003) 및 기타의 연구결과와 본 해석결과를 비교하여 본 해석법의 타당성을 검증한다. 더불어, 본 연구에서 고립파의 제어를 위해 처음으로 도입되는 투과성이열수중방파제에 있어서 수치파동수로내에서 파랑변형, 파랑변형율, 최대수위의 변화 및 와의 형성 등을 일렬의 경우와 대비하면서 그의 특성을 고찰하고, 고립파를 효과적으로 제어할 수 있는 방안을 모색함으로써 연안방재계획의 기초자료를 수립하고자 한다.
- 본 연구에서는 수치적으로 고립파를 조파할 수 있는 조파방법을 제안하고, 조파방법에 대한 타당성을 검토하기 위하여 고립파의 이론치와 비교하였으며, 일렬수중방파제에 의한 고립파의 파랑변형에 대하여 본 연구의 계산결과와 기존의 연구결과와 비교 및 검토를 수행하였다. 이를 근거로 하여 주변해역의 자연경관을 그대로 살릴 수 있고, 유수역을 통한 해수교환이 우수하며, 환경성 및 경제성이 뛰어난 구조물로 알려진 수중방파제를 대상으로 일렬수중방파제가 제어하기 어려운 고립파(지진해일)를 보다 효과적으로 그리고 경제적으로 제어할 수 있는 이열투과성수중방파제의 유용성을 검토하였다. 이로부터 얻어진 사항을 아래에 기술하여 본 논문의 결론을 한다.
대상 데이터
- 본 연구는 고립파의 작용하에 일렬수중방파제에 대비한 이열수중방파제의 기본적인 파랑제어기능과 특성을 검토하기 위하여 직사각형단면을 갖는 수중방파제를 대상으로 한다(Sollitt and Cross, 1972). 이 때, 입사파고 Hi=4 cm, 수심에 대한 입사파고의 비 Hi/h=0.
- 비교에 사용된 수치파동수로에는 Fig. 5에 나타내는 바와 같이 공극률 γx=γz=γv=0.521, 평균입경 Dp=2.09 cm로 구성된 직사각형의 일렬수중방파제가 설치되어 있고, 이 때 적용된 고립파의 입사조건은 Hi/h=0.15이다.
이론/모형
- 본 연구에서는 단주기파랑에서 이열수중방파제에 의한 Bragg 반사를 이용하여 전달파를 감소시키는 파랑제어법(김도삼, 2000)을 고립파(지진해일)의 제어에 응용한다. 여기서, 수치해석수법으로는 Navier-Stokes운동방정식과 VOF함수의 이류방정식을 지배방정식으로 사용하는 2차원수치파동수로를 적용한다.
- 본 연구에서는 수중방파제의 천단폭 b와 천단고 h0의 변화에 따른 고립파의 파랑변형을 MAC과 SUMMAC을 결합한 수치해석법으로부터 검토한 Huang et al.(2003)의 계산결과와 본 연구의 계산결과를 비교ㆍ검토한다.
- 는 발생파의 수평유속성분을, 계수 2는 조파소스에 의한 파의 발생시 해석영역의 양방향으로 파진행을 각각 나타낸다. 본 연구에서는 조파소스강도 q로서 식(13)과 같이 Grimshaw(1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사인 수평 방향유속 U0를 적용한다(Fenton, 1972).
- 본 연구에서는 단주기파랑에서 이열수중방파제에 의한 Bragg 반사를 이용하여 전달파를 감소시키는 파랑제어법(김도삼, 2000)을 고립파(지진해일)의 제어에 응용한다. 여기서, 수치해석수법으로는 Navier-Stokes운동방정식과 VOF함수의 이류방정식을 지배방정식으로 사용하는 2차원수치파동수로를 적용한다. 이로부터 일렬의 수중방파제를 사용하여 고립파의 파랑변형을 논한 기존의 연구결과(Huang et al.
성능/효과
- 1. 고립파와 수중방파제와의 상호간섭을 해석하기 위한 본 연구의 타당성을 확인할 수 있었다.
- 2. 비록 한정된 범위에서 수행된 수치해석결과이지만,이열 수중방파제의 천단고 및 배치간격을 적절히 조절함으로써 파랑제어기능을 극대화시킬 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 특히, h0/h=0.
- 3. 전반적으로 입사파랑에너지의 소산은 수중방파제에 의한 와동현상과 밀접한 관계를 가지며, 더불어 본 연구에서 고립파의 제어를 위해 처음으로 도입되는 이열투과성수중방파제는 일렬의 경우와 대비하여 경제적으로, 그리고 보다 효과적으로 고립파를 제어한다는 것을 알 수 있었다.
- 4는 수치파동수로내에서 고립파의 최대파고가 x/h= 25에 도달한 경우에 수위변동 η/Hi의 공간분포를 x=hㆍ25를 원점으로 재설정하여 나타낸 것으로, 유효거리 Leff는 536 cm인 경우이다. Fig. 4로부터 유효거리내에 존재하는 유효체적은 전체의 94.95386%로 산정되며, 따라서 본 연구의 조파방법으로부터 발생된 고립파는 전체에 대해 유효거리내의 유효체적의 비율이 95%로 주어지는 이론치를 매우 잘 재현하고 있는 것을 알 수 있다.
- 17의 x/h=40의 위치에서 측정한 무차원최대수위 ηmax/Hi를 수중방파제의 배치간격 l/Leff와 천단고 ho/h를 파라미터로 하여 검토한 결과이다. 결과를 살펴보면, ho/h가 클수록 무차원최대수위는 작아지는 것을 알 수 있고, 수중방파제의 l/Leff가 증가하는 경우에는 무차원최대수위가 서서히 감소하다가 l/Leff가 0.4 이상의 범위에서는 거의 일정한 값으로 주어지는 것을 알 수 있다. 전체적으로 본 연구의 이열수중방파제는 Fig.
- 결과를 살펴보면, 고립파의 공간 수위변동 η가 목표한 입사파고 Hi를 동일하게 유지하고, 또한 공간파형의 전파과정에서 수면형상을 동일하게 유지하는 것을 알 수 있으며, 일정한 포락선이 형성되는 것을 확인할 수 있다.
- 0의 범위에서 파동장의 시공간적인 변화를 연속적으로 나타낸 것이다. 결과를 살펴보면, 일렬수중방파제의 경우와 거의 동일한 형태로 파랑이 반사되어 해측으로 진행하며, 해측에서는 파랑의 반사가 연속적으로 나타나는 것을 확인할 수 있고, 또한 육측의 수중방파제의 영향으로 두 번째의 반사가 연속적으로 나타나는 것을 확인할 수 있다. 그리고, 여기서 제시되어 있지 않았지만, 해측에서 관찰되는 첫 번째 반사와 두 번째 반사 사이의 거리는 수중방파제의 배치간격이 넓어질수록 길게 되는 것을 알 수 있었다.
- 2는 본 연구의 조파소스로부터 발생된 조파파형과 고립파의 3차근사이론으로부터 얻어진 수면형을 비교한 것으로, 수위변동 η를 고립파의 목표입사파고 Hi로 무차원하여 표시하였다. 결과적으로 본 연구에서 제시되는 고립파의 조파파형은 목표한 고립파의 파형을 만족스럽게 재현하고 있는 것을 알 수 있다.
- 그림을 살펴보면, b/h가 클수록 반사율 Kr은 다소 증가하고, 전달율 Kt는 약간 감소하는 경향을 나타낸다. 그러나, 본 연구의 범위내에서는 반사율 Kr과 전달율 Kt가 수중방파제의 천단폭 b의 변화에 크게 관계하지 않고 거의 일정한 Kr 0.49와 Kt 0.82의 값으로 주어지는 것을 확인할 수 있다. 특히, 수중방파제의 천단폭 b가 가장 긴 경우에 대해서도 수중방파제의 파랑제어기능은 명확히 나타나지 않으므로 일렬수중방파제의 파랑제어기능을 기대하기 위해서는 수중방파제의 천단폭 b를 충분히 길게 할 필요가 있을 것으로 판단된다(김원규 등, 1994; Huang et al.
- 그림을 살펴보면, 해측에 있는 수중방파제의 천단을 통과한 파랑은 천단의 우측 우각부 근방에서 하향으로 주어지는 빠른 유체입자의 속도벡터와 시계방향으로 주어지는 와를 발생시킨 후에 시간이 지나면서 육측으로 이동되는 것을 알 수 있다. 그리고, 본 연구의 검토를 통하여 h0/h가 작을수록 수중방파제의 천단 우각부 근방에서와는 보다 작은 범위로 발생하고, 배치간격내에서 와의 이동속도 역시 h0/h가 큰 경우에 비해 느리게 진행하는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같이 수중방파제의 배치간격내에서 와의 크기 및 이동속도가 h0/h의 변화에 따라 상이한 이유는 해측의 수중방파제 천단을 통과한 파랑에너지가 배후역에 미치는 영향이 상이하기 때문으로 판단된다.
- 그림을 살펴보면, 고립파가 수중방파제의 전면부로 접근함에 따라 속도벡터의 기울기가 급해지면서 수위가 상승되는 현상을 볼 수 있다. 그리고, 수중방파제의 천단상을 통과하는 파랑은 갑작스런 수심의 감소로 인한 운동에너지의 증가로 속도벡터의 크기가 상당히 커지고, 천단을 통과하는 동안 속도벡터는 대부분 육측을 향하는 강한 흐름으로 변환되는 것을 확인할 수 있다. 수중방파제의 육측 천단 우각부의 근방에서는 천단을 통과한 빠른 유체입자의 속도벡터의 영향으로 시계방향의 강한 와도가 발생하며, 시간의 경과와 더불어와도의 크기는 줄어들지만, 그 분포범위는 넓어지는 것을 알 수 있다(Chang et al.
- 결과를 살펴보면, 일렬수중방파제의 경우와 거의 동일한 형태로 파랑이 반사되어 해측으로 진행하며, 해측에서는 파랑의 반사가 연속적으로 나타나는 것을 확인할 수 있고, 또한 육측의 수중방파제의 영향으로 두 번째의 반사가 연속적으로 나타나는 것을 확인할 수 있다. 그리고, 여기서 제시되어 있지 않았지만, 해측에서 관찰되는 첫 번째 반사와 두 번째 반사 사이의 거리는 수중방파제의 배치간격이 넓어질수록 길게 되는 것을 알 수 있었다. 이와 같은 파랑의 반사형태는 해측의 수중방파제를 통과한 파랑이 육측의 수중방파제로 인하여 다시 반사되기 때문이다.
- 전체적으로 수중방파제의 배치간격이 넓을수록 수치파동수로내의 파랑감쇠는 계단형상으로 주어지는 것을 알 수 있다. 그리고, 육 측의 수중방파제 배후역에서 무차원최대수위는 ho/h가 작을수록 크게 되며, 수중방파제에서 멀어질수록 서서히 감소하는 것을 관찰할 수 있다. 이러한 원인은 Fig.
- 특히, ho/h가 클수록 해측의 수중방파제 전면에서는 반사파가 크게 되므로 무차원최대수위가 크게 나타나고, 수중방파제의 배치간격내로 전달되는 파랑에너지는 작아지므로 육측의 수중방파제 전면에서는 ho/h가 작을수록 무차원최대수위가 크게 되는 것을 알 수 있다. 그리고, 육측의 수중방파제의 주변에서 무차원 최대수위의 공간분포를 살펴보면, 수중방파제의 배치간격이 넓어질수록 해측의 수중방파제 주변에서 무차원최대수위의 공간분포와 거의 동일한 형상을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이로부터 수중방파제의 배치간격이 넓은 경우에는 수중방파제의 주변에서 무차원최대수위의 공간변화에 미치는 전후의 수중방파제에서 간섭현상은 크지 않은 것으로 판단된다.
- 한편, 수중방파제의 배치간격 l/Leff에 따른 반사율 Kr과 전달율 Kt의 변화를 살펴보면, 수중방파제의 배치간격이 넓어질수록 반사율 Kr은 증가하고, 전달율 Kt는 감소하는 경향을 보이다가 수중방파제의 배치간격이 일정한 거리 이상에서는 거의 일정한 값으로 주어지는 것을 알 수 있다. 그리고, 일렬수중방파제에 대한 파랑의 반사율과 전달율을 이열수중방파제에 대한 결과와 비교하면, h0/h=0.825인 이열수중방파제의 경우에 일렬수중방파제에 비해 보다 넓은 파랑의 통과수역을 가짐에도 불구하고 거의 대등소이한 결과를 제시하고 있고, h0/h가 0.825 이상의 이열수중방파제에 대해서는 일렬수중방파제에 비해 파랑제어 효과가 매우 탁월한 것을 알 수 있다. 특히, 일렬수중방파제의 경우에 기대하는 파랑제어효과를 얻기 위해서는 천단폭 b를 충분히 길게 할 필요가 있지만(김원규 등, 1994; Huang et al.
- 4 이상의 범위에서 일렬수중방파제에 비해 반사율 Kr이 약 47%정도 증가하고, 전달율 Kt는 약 18%정도로 감소하는 결과를 나타내었다. 따라서, 본 연구의 이열수중방파제는 고립파와 같은 장주기파랑을 제어하는데 그의 유용성이 충분히 인정된다.
- , 2001). 또한, 본 연구의 검토로부터 파랑이 수중방파제를 완전히 통과한 후에도 수중방파제의 배후역에는 다소 약화된 와도가 여전히 존재하며, 이는 서서히 육측으로 이동되는 것을 확인할 수 있다.
- 2004)와 동일하게 수중방파제의 천단상에서 수심변동에 따라 비선형성분이 발달하고, 수중방파제를 통과한 후는 입사파형과 거의 동일한 형상으로 복원된 후에 파랑의 분열현상(soliton fission)이 동반되는 것을 관찰할 수 있다. 또한, 지면관계상 관련된 결과들이 제시되어 있지 않지만, 파랑의 분열현상은 수중방파제의 천단폭 b가 넓을수록 보다 명확히 나타나는 것을 알 수 있었다.
- , 2003), 이열수중방파제의 경우는 보다 작은 소요재료량(단면적)으로 구성됨에도 불구하고 수중방파제의 천단고를 적절히 조절함으로써 기대하는 파랑제어효과를 충분히 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 이로부터 h0/h=0.925인 이열수중방파제의 경우는 수중방파제의 배치간격 l/Leff가 0.4 이상의 범위에서 일렬수중방파제에 비해 반사율 Kr이 약 47%정도 증가하고, 전달율 Kt는 약 18%정도로 감소하는 결과를 나타내었다. 따라서, 본 연구의 이열수중방파제는 고립파와 같은 장주기파랑을 제어하는데 그의 유용성이 충분히 인정된다.
- 4 이상의 범위에서는 거의 일정한 값으로 주어지는 것을 알 수 있다. 전체적으로 본 연구의 이열수중방파제는 Fig. 10에서 검토한 일렬수중방파제와 비교하여 수중방파제의 배후역에서 최대수위가 상당히 감소하는 결과를 제시하고 있으므로 고립파와 같은 장주기파랑에 대해 일렬수중방파제보다 적은 소요재료량(단면적)으로도 충분한 파랑감쇠효과를 기대할 수있을 것으로 판단된다.
- 이로부터 수중방파제의 배치간격이 넓은 경우에는 수중방파제의 주변에서 무차원최대수위의 공간변화에 미치는 전후의 수중방파제에서 간섭현상은 크지 않은 것으로 판단된다. 전체적으로 수중방파제의 배치간격이 넓을수록 수치파동수로내의 파랑감쇠는 계단형상으로 주어지는 것을 알 수 있다. 그리고, 육 측의 수중방파제 배후역에서 무차원최대수위는 ho/h가 작을수록 크게 되며, 수중방파제에서 멀어질수록 서서히 감소하는 것을 관찰할 수 있다.
- 특히, h0/h=0.925인 이열수중방파제의 경우는 수중방파제 배치간격 l/Leff > 0.4의 범위에서 입사파랑의 파고가 이열수중방파제에 의해 약 60%까지 감쇠되는 것을 알 수 있었고, 일렬수중방파제에 비해 반사율이 약 47%정도로 증가하며, 전달율은 약 18%로 감소하였다.
- 17을 살펴보면, 해측과 육측에 설치된 각 수중방파제의 전면에서는 수위가 급격하게 상승하는 것을 관찰할 수 있다. 특히, ho/h가 클수록 해측의 수중방파제 전면에서는 반사파가 크게 되므로 무차원최대수위가 크게 나타나고, 수중방파제의 배치간격내로 전달되는 파랑에너지는 작아지므로 육측의 수중방파제 전면에서는 ho/h가 작을수록 무차원최대수위가 크게 되는 것을 알 수 있다. 그리고, 육측의 수중방파제의 주변에서 무차원 최대수위의 공간분포를 살펴보면, 수중방파제의 배치간격이 넓어질수록 해측의 수중방파제 주변에서 무차원최대수위의 공간분포와 거의 동일한 형상을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
- 전체적으로 h0/h가 클수록 반사율 Kr은 크게 되고, 전달율 Kt는 작아지는 경향을 나타내며, 이는 수중방파제의 h0/h가 크게 되면, 파랑에너지의 통과수역이 좁아지므로 이로 인하여 파랑의 반사가 커지기 때문이다. 한편, 수중방파제의 배치간격 l/Leff에 따른 반사율 Kr과 전달율 Kt의 변화를 살펴보면, 수중방파제의 배치간격이 넓어질수록 반사율 Kr은 증가하고, 전달율 Kt는 감소하는 경향을 보이다가 수중방파제의 배치간격이 일정한 거리 이상에서는 거의 일정한 값으로 주어지는 것을 알 수 있다. 그리고, 일렬수중방파제에 대한 파랑의 반사율과 전달율을 이열수중방파제에 대한 결과와 비교하면, h0/h=0.
- 이와 같이 수중방파제의 배치간격내에서 와의 크기 및 이동속도가 h0/h의 변화에 따라 상이한 이유는 해측의 수중방파제 천단을 통과한 파랑에너지가 배후역에 미치는 영향이 상이하기 때문으로 판단된다. 한편, 육측의 수중방파제 주변의 유속장을 살펴보면, 해측의 수중방파제 주변에서의 유속장과 거의 동일한 형태를 나타내지만, 육측의 수중방파제 배후역에 형성되는 와는 해측의 수중방파제 배후역에서의 와에 비해 상대적으로 작은 크기와 좁은 분포범위로 주어지는 것을 확인할 수 있다. 이로부터 수중방파제의 배치간격내에서는 상당한 파랑에너지가 소산되는 것으로 판단된다.
후속연구
- 4. 본 연구로부터 얻어진 사항들은 향후 고립파(지진해일)와 같은 장주기파랑을 제어하기 위한 연안방재계획의 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단되고, 더불어 실제 해안에 건설되는 수중방파제는 사다리꼴 단면을 갖는 투과성수 중방파제이므로 향후 이에 대한 검토와 분석이 요구된다.
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