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문제 정의
- 본 연구는 방파제 배후면에서 월파거동을 분석하여 배후사면에 미치는 영향을 역학적으로 규명하는 것을 목적으로 하고 있으며, 향후 배후면 안정성에 직접적인 영향을 주는 월파의 운동량 검토를 위해 파형, 층두께, 관입 입사각 등을 고려한 연구가 수행될 예정이다. 또한, 월파와 불규칙성을 갖는 파랑조건과의 상관성을 검토하기 위해 불규칙파를 대상으로 하는 연구가 수반될 것이다.
- 본 연구에서는 방파제 배후면으로 떨어지는 월파의 거동을 검토하기 위해 2차원 수리모형실험을 수행하였다. 월파거동과 파랑조건의 상관관계를 검토하기 위해 규칙파를 대상으로 하고, 파랑의 주기와 파고를 변화시키며 수행하였다.
- 본 연구에서는 방파제 배후면의 안정성에 직접적인 영향을 미치는 월파거동을 분석하기 위해 규칙파를 대상으로 한 수리모형실험을 수행하였다. 월파거동의 분석을 위해 구조물 후면선단에서의 월파 유속, 배후면으로의 월파 관입 거리, 그리고 배후면에서 발생하는 월파제트의 관입 시 유속을 측정하였다.
가설 설정
- 11]의 관입 거리 비교와 마찬가지로 좋은 일치를 보였다. 월파제트 관입 거리의 비교로부터 월파제트는 외부 인자에 의 한 영향을 크게 받지 않음을 알 수 있으며, 동일한 가정 하에 월파제트의 관입유속크기 Vp 를 Ve 로부터 추정하였다. 초기연직방향유속이 없다는 가정하에 중력가속도 g에의해 여유고 Rc 만큼 낙하할 때 연직방향유속은 # 이다.
제안 방법
- 주기와 파고에 대한 측정값의 무차원화한 분포로부터 얻어진 상사관계를 이용하여 구조물 후면선단에서의 월파 속과 관입거리를 나타내는 경험식을 제시하였다.
- 영상분석을 통해 얻어진 유속장내 오차유속은 이웃한 속도벡터의 공간분포를 이용한 통계적 후처리방법을 적용하여 1차적으로 제거한 후, 동일한 위상에 해당하는 표본들의 편차를 이용한 2차적 후처리를 수행하였다. 각 실험안별 파고값의 편차가 5% 이내에 해당하는 약 100개의 월파횟수에서 측정된 월파거리와 유속을 평균하여 각 실험안의 대표값으로 결정하였으며, 평균에 사용된 표본으로는 파고변화가 크지 않은 조건에 해당하는 월파를 선택하였다.
- 수리모형실험에서 월파의 파형측정은 연행기포에 의한 영향을 최소화할 수 있는 그림자기법(shadowgraphy)을 응용한 영상기법을 이용하였으며, 디지털화상분석과 상관관계기법을 적용하여 월파수괴의 관입 거리 및 유속결과를 분석하였다. 동일한 조건에서 반복수행 된 실험결과로부터 얻어진 순간측정값을 위상평균하여 각 실험안별 대표값으로 결정하였다. 또한, 파랑조건에 따른 월파의 측정값 분포를 제시하여 그 관계를 검토하였고, 무차원 변수 사이의 상관관계를 이용하여 경험식을 제시하였다.
- 주기와 파고에 대한 측정값의 무차원화한 분포로부터 얻어진 상사관계를 이용하여 구조물 후면선단에서의 월파 속과 관입 거리를 나타내는 경험식을 제시하였다. 또한 월파의 후면선단유속을 이용하여 월파제트의 관입 거리와 관입유속을 계산하였으며, 각 인자간의 상관관계를 검토하였다.
- 동일한 조건에서 반복수행 된 실험결과로부터 얻어진 순간측정값을 위상평균하여 각 실험안별 대표값으로 결정하였다. 또한, 파랑조건에 따른 월파의 측정값 분포를 제시하여 그 관계를 검토하였고, 무차원 변수 사이의 상관관계를 이용하여 경험식을 제시하였다.
- 영상분석을 위해 대상체의 그림자를 제외한 배경은 밝기가 일정해야 하는데 이를 위해 광원으로는 빛세기가 고르게 분포된 면광을 발생시켜야한다. 본 실험에서는 면광을 위해 500 W 할로겐조명 2개와 백색 아크릴판을 조합한 조명장치를 이용하였으며, 수조 측벽과 평행하게 얇은 백색 아크릴판을 설치하여 2차원적 흐름에 미칠 수 있는 영향을 최소화하면서 대상체인 흐름과 조명원을 분리하였고, 그 후면에서 할로겐조명으로 아크릴판을 발광시켰다. 백색 아크릴판은 불투명한 소재로서 할로겐조명에 의한 점광을 고르게 분산시켜 면광을 발생시키게 되며, 이렇게 만들어진 면광에 의해 비추어진 공기 및 물의 유체부분은 밝은 색으로, 경계면과 기포영역은 대상체가 되어 어두운 색으로 카메라화상에 기록된다.
- 또한, 월파와 불규칙성을 갖는 파랑조건과의 상관성을 검토하기 위해 불규칙파를 대상으로 하는 연구가 수반될 것이다. 본 연구에 적용된 실험모형은 실험자료 계측의 편의를 위해 제체 후면에 케이슨을 설치하였다. 그러나 소파블록피복 케이슨 방파제 항내측 사면의 안정성에는 제체상단에서의 투과파도 영향을 미칠 수 있으므로 향후 안정성 검토에서는 이러한 영향을 고려하여 수행할 예정이다.
- 본 연구에서 월파 유속측정을 위해 사용된 기법은 PIV 기법과 유사한 기법으로서 교차상관기법을 적용한 화상분석 기법은 같은 반면, 그 분석대상으로 PIV기법의 입자화상 대신 월파의 물-기포 경계면 및 기포형상을 가시화한 화상을 이용하였다. 월파흐름에서 기포영역은 특히 전면에 많이 분포하기 때문에 그림자기법과 교차상관기법을 이용한 유속은 월파전면에서 좋은 결과를 주는 반면, 후면에서는 상대적으로 작은 수의 유속벡터만이 계산되었다.
- 월파의 거동 특성은 구조물 상부에서의 전면유속과 후면으로 관입하는 순간의 유속 및 관입 거리를 측정하여 얻은 결과를 분석하여 검토하였다. 수리모형실험에서 월파의 파형측정은 연행기포에 의한 영향을 최소화할 수 있는 그림자기법(shadowgraphy)을 응용한 영상기법을 이용하였으며, 디지털화상분석과 상관관계기법을 적용하여 월파수괴의 관입 거리 및 유속결과를 분석하였다. 동일한 조건에서 반복수행 된 실험결과로부터 얻어진 순간측정값을 위상평균하여 각 실험안별 대표값으로 결정하였다.
- 실험모형은 tetrapod(TTP), 중간피복층 및 속채움 사석으로 구성된 1:1.5 경사의 경사식단면으로 구성하였고, 피복재 등은 실험파 범위 내에서 안정성이 확보되는 중량 을 설치하였다. 제체 후면에는 케이슨을 설치하였으며, 이는 월파와 자유수면의 접촉지점인 관입 거리를 측정하기 위함이다.
- 실험에서 월파과정은 O(0.1 s) 정도가 소요되는 빠른 흐름을 갖기 때문에 화상녹화는 고속카메라를 이용하여 768×512 픽셀의 해상도와 200 Hz의 측정율로 측정하였다.
- 월파흐름에서 기포영역은 특히 전면에 많이 분포하기 때문에 그림자기법과 교차상관기법을 이용한 유속은 월파전면에서 좋은 결과를 주는 반면, 후면에서는 상대적으로 작은 수의 유속벡터만이 계산되었다. 영상분석을 통해 얻어진 유속장내 오차유속은 이웃한 속도벡터의 공간분포를 이용한 통계적 후처리방법을 적용하여 1차적으로 제거한 후, 동일한 위상에 해당하는 표본들의 편차를 이용한 2차적 후처리를 수행하였다. 각 실험안별 파고값의 편차가 5% 이내에 해당하는 약 100개의 월파횟수에서 측정된 월파거리와 유속을 평균하여 각 실험안의 대표값으로 결정하였으며, 평균에 사용된 표본으로는 파고변화가 크지 않은 조건에 해당하는 월파를 선택하였다.
- 본 연구에서는 방파제 배후면으로 떨어지는 월파의 거동을 검토하기 위해 2차원 수리모형실험을 수행하였다. 월파거동과 파랑조건의 상관관계를 검토하기 위해 규칙파를 대상으로 하고, 파랑의 주기와 파고를 변화시키며 수행하였다. 월파의 거동 특성은 구조물 상부에서의 전면유속과 후면으로 관입하는 순간의 유속 및 관입 거리를 측정하여 얻은 결과를 분석하여 검토하였다.
- 본 연구에서는 방파제 배후면의 안정성에 직접적인 영향을 미치는 월파거동을 분석하기 위해 규칙파를 대상으로 한 수리모형실험을 수행하였다. 월파거동의 분석을 위해 구조물 후면선단에서의 월파 유속, 배후면으로의 월파 관입 거리, 그리고 배후면에서 발생하는 월파제트의 관입 시 유속을 측정하였다. 월파의 파형과 유속을 측정하기 위 해 그림자기법을 응용한 영상기법을 이용하였으며 일련의 결과를 제시하였다.
- 월파거동과 파랑조건의 상관관계를 검토하기 위해 규칙파를 대상으로 하고, 파랑의 주기와 파고를 변화시키며 수행하였다. 월파의 거동 특성은 구조물 상부에서의 전면유속과 후면으로 관입하는 순간의 유속 및 관입 거리를 측정하여 얻은 결과를 분석하여 검토하였다. 수리모형실험에서 월파의 파형측정은 연행기포에 의한 영향을 최소화할 수 있는 그림자기법(shadowgraphy)을 응용한 영상기법을 이용하였으며, 디지털화상분석과 상관관계기법을 적용하여 월파수괴의 관입 거리 및 유속결과를 분석하였다.
- 월파거동의 분석을 위해 구조물 후면선단에서의 월파 유속, 배후면으로의 월파 관입 거리, 그리고 배후면에서 발생하는 월파제트의 관입 시 유속을 측정하였다. 월파의 파형과 유속을 측정하기 위 해 그림자기법을 응용한 영상기법을 이용하였으며 일련의 결과를 제시하였다. 구조물 상부의 월파수괴와 배후면의 월파제트는 주기와 파고가 증가함에 따라 그 유속이 증 가하였으며, 관입 거리 또한 증가하는 경향을 보였다.
- 실험측정은 반사된 파랑에 의한 간섭이 없는 범위에서 수행되었다. 즉, 첫 번째 파랑이 구조물로부터 반사되어 조파판에 도달하고, 조파판에서 재반사된 파랑이 구조물에 도달하기 전까지의 시간범위에서 측정되었으며, 얻어진 자료는 자유수면변위를 확인한 후 그 편차가 일정한 구간을 분석에 이용하였다.
- 카메라 메모리 내 시간적 화상배열은 파형분석과 유속분석을 동시에 할 수 있게 조절하였다. 파형분석을 위한 화상은 초당 100개로서 일정한 시간차 dt1(=0.01 s)를 두고 측정하였으며, 각 화상에 dt1보다 작은 시간차 dt2를 두고 추가적인 화상을 측정하여 유속분석에 이용하였다.
- 백색 아크릴판은 불투명한 소재로서 할로겐조명에 의한 점광을 고르게 분산시켜 면광을 발생시키게 되며, 이렇게 만들어진 면광에 의해 비추어진 공기 및 물의 유체부분은 밝은 색으로, 경계면과 기포영역은 대상체가 되어 어두운 색으로 카메라화상에 기록된다. 화상의 밝고 어두운 화상세기 정보를 바탕으로 한 영상분석을 통해 파형 및 기포의 형태를 결정하였으며, 이를 통해 관입거리 및 전면유속측정을 가능하게 하였다. [Fig.
대상 데이터
- 본 실험에서는 규칙파를 대상으로 하였고, 주기(T)는 1.2 s~2.4 s 범위에서 0.3 s 간격, 파고(H)는 0.10 m ~0.16 m 범위에서 0.02 m 간격으로 구조물이 없는 상태에서 파랑 이 설정되었으며, 실험에 적용된 전체 파랑은 20개 조건에 해당된다. 제체 전면의 수심(h)은 0.
- 제체 후면에는 케이슨을 설치하였으며, 이는 월파와 자유수면의 접촉지점인 관입 거리를 측정하기 위함이다. 사용된 케이슨은 너비 0.34 m에 높이 0.6 m이며, 케이슨 전면의 TTP는 2층 피복된다. [Fig.
데이터처리
- 5]로부터 동일주기 조건에서 상대파고가 증가할수록 상대관입거리는 증가하는 것을 알 수 있으며, 그 증가정도는 선형적인 분포를 보인다. 상대파고에 대한 상대관입거리의 증가정도가 선형이라는 가정하에 회귀분석을 통한 파고증가에 따른 관입거리의 증가율을 추정하였다. T=1.
- 상대후 면선단유속(Ve/C)의 분포는 월파 관입거리의 분포와 유사 하게 파고가 증가함에 따라 유속이 커지는 경향을 보였으나, 증가되는 분포형태에 있어서 특징적인 양상은 보이지 않았다. 파고증가에 따른 후면선단유속의 증가율을 분석하기 위해 회귀분석으로 증가율을 검토하였다. 회귀분 석으로부터 얻어진 파고증가에 따른 유속 증가율은 주기가 길어질수록 감소하였으나, 그 차이가 미미하여 주기에 따른 증가율의 변화가 크지 않음을 알 수 있었다.
이론/모형
- 내습파가 구조물을 월파하게 되면 기포영역을 포함하게 되는데, 기포의 양이 많아질수록 흐름측정에 있어서 기존 유속계로는 정확도 확보측면에서 제약을 받게 된다. 따라서 본 연구에서는 기포영역을 포함한 월파수괴의 파형 과 유속을 측정하기 위해 화상을 이용한 광학적 측정기법을 이용하였다. 월파 경계면 및 기포영역을 가시화하여 화상기록을 얻기 위해 그림자기법을 이용하였고, 얻어진 흐름의 화상을 교차상관기법을 적용한 영상분석을 통해 유속을 계산하였다.
- 광원으로 사용되는 레이저는 회절현상이 작고 높은 세기를 가지고 있어 물-공기 경계면 및 유체안의 작은 입자의 가시화에 큰 장점을 보이는 반면, 기포가 많이 분포된 영역에서는 경계면에 의한 빛의 산란으로 인해 기록된 화상이 색포화현상을 갖게 된다. 본 연구에서는 기포에 의한 빛의 산란현상을 최소화하고 물-공기 경계면을 가시화하기 위해 광원을 후면에 배치한 그림자기법을 사용하였다. 그림자기법은 대상체를 촬영하는 카메라의 반대편에 광원을 설치하여 물-공기 경계면의 그림자를 가시화하는 기법으로서 자유수면 및 기포 측정에 사용된다(Ryu et al.
- 따라서 본 연구에서는 기포영역을 포함한 월파수괴의 파형 과 유속을 측정하기 위해 화상을 이용한 광학적 측정기법을 이용하였다. 월파 경계면 및 기포영역을 가시화하여 화상기록을 얻기 위해 그림자기법을 이용하였고, 얻어진 흐름의 화상을 교차상관기법을 적용한 영상분석을 통해 유속을 계산하였다.
성능/효과
- 7]에 제시된 월파수괴 후면선단유속에 비해 월파제트의 관입유속은 파고증가에 대해 다소 큰 편차를 갖는 분포를 보이나 파고가 증가함에 따라 월파 제트의 관입유속이 커지는 경향은 유사하게 나타났다. 각 상대파고별 관입유속 또한 주기가 증가함에 따라 증가하는 형태를 보였으나, 그 증가율은 후면선단유속의 분포에 비해 일정하지 않음을 알 수 있다. 월파제트의 관입유속은 월파수괴의 후면선단유속에 비해 상대적으로 큰 크기를 갖는데, 이는 월파가 구조물에서 이탈하면서 중력가속도에 의한 연직방향운동에 영향을 받기 때문으로 판단된다.
- 월파의 파형과 유속을 측정하기 위 해 그림자기법을 응용한 영상기법을 이용하였으며 일련의 결과를 제시하였다. 구조물 상부의 월파수괴와 배후면의 월파제트는 주기와 파고가 증가함에 따라 그 유속이 증 가하였으며, 관입 거리 또한 증가하는 경향을 보였다. 주기와 파고에 대한 측정값의 무차원화한 분포로부터 얻어진 상사관계를 이용하여 구조물 후면선단에서의 월파 속과 관입 거리를 나타내는 경험식을 제시하였다.
- 9배 크기를 갖 는다. 동일한 주기에서 파고가 약 37% 감소할 때 후면선 단유속은 위상속도의 약 45%정도 감소하였으며, 주기가 감소하는 경우에도 5% 내외의 차이만을 보였다.
- 10]은 월파제트 관입유속(Vp)과 월파수괴전면의 후면선단유속(Ve) 차이를 위상속도(C)에 대한 상대값으로 도시한 것이다. 두 유속의 크기차이는 주기가 길고 파고가 클수록 작아졌으며, 주기가 짧고 파고가 작을수록 유속차가 증가하였다. 이와 같은 유속차이의 분포경향은 전술한 바와 같이 후면으로 낙하하는 월파제트의 거동특성에서 찾을 수 있다.
- 7]에 제시된 결과로부터 관입거리와 후면선단유속 의 파고 및 주기에 대한 분포경향이 서로 유사하다는 것을 알 수 있으며, 이는 관입거리가 월파의 후면선단유속 과 상관관계가 있음을 보여준다. 본 연구에서 수행된 실험안 중 측정된 최대 후면선단유속은 약 1.87 m/s로서 동일한 파랑조건에 해당하는 위상속도의 약 0.9배 크기를 갖 는다. 동일한 주기에서 파고가 약 37% 감소할 때 후면선 단유속은 위상속도의 약 45%정도 감소하였으며, 주기가 감소하는 경우에도 5% 내외의 차이만을 보였다.
- 상치콘크리트 후면선단을 이탈한 월파수괴는 초기 수평유속을 갖는 자유낙하운동을 하게 되며, 이러한 월파제트의 운동특성으로 인해 항내측 수면으로 관입하는 월파제트의 관입거리는 월파수괴의 후 면선단유속과 상관관계가 있을 것으로 판단된다. 상대후 면선단유속(Ve/C)의 분포는 월파 관입거리의 분포와 유사 하게 파고가 증가함에 따라 유속이 커지는 경향을 보였으나, 증가되는 분포형태에 있어서 특징적인 양상은 보이지 않았다. 파고증가에 따른 후면선단유속의 증가율을 분석하기 위해 회귀분석으로 증가율을 검토하였다.
- Ve 를 이용한 두 종류의 계산값 모두 측정값에 비해 최대 20%정도 큰 크기를 보였는데, 유속크기가 크거나 작은 영역에서 그 차이가 두드러졌다. 월파 후면선단유속을 이용한 월파제트 관입유속의 추정은 관입 거리에 비해 측정값과의 차이가 상대적으로 컸으나 그 오차가 20%내로 양호한 일치를 보였다.
- 10]에 도시한 유속차이는 낙하운동이 이와 같은 월파 제트의 관입유속크기에 미치는 영향을 설명해 주는 것이다. 월파제트의 관입거리와 관입유속 그리고 월파 후면선 단유속의 분포로부터 주기와 파고가 클수록 월파의 수평 유속성분은 증가하고, 이에 따라 월파제트는 관입거리가 증가하며 수평에 가까운 운동방향을 갖는 반면, 주기와 파고가 감소할수록 월파유속은 감소하여 관입거리는 짧아지고 월파제트의 관입유속은 연직에 가까운 운동방향을 갖는다는 것을 알 수 있다.
- 파고증가에 따른 후면선단유속의 증가율을 분석하기 위해 회귀분석으로 증가율을 검토하였다. 회귀분 석으로부터 얻어진 파고증가에 따른 유속 증가율은 주기가 길어질수록 감소하였으나, 그 차이가 미미하여 주기에 따른 증가율의 변화가 크지 않음을 알 수 있었다. [Fig.
후속연구
- 본 연구에 적용된 실험모형은 실험자료 계측의 편의를 위해 제체 후면에 케이슨을 설치하였다. 그러나 소파블록피복 케이슨 방파제 항내측 사면의 안정성에는 제체상단에서의 투과파도 영향을 미칠 수 있으므로 향후 안정성 검토에서는 이러한 영향을 고려하여 수행할 예정이다.
- 본 연구는 방파제 배후면에서 월파거동을 분석하여 배후사면에 미치는 영향을 역학적으로 규명하는 것을 목적으로 하고 있으며, 향후 배후면 안정성에 직접적인 영향을 주는 월파의 운동량 검토를 위해 파형, 층두께, 관입 입사각 등을 고려한 연구가 수행될 예정이다. 또한, 월파와 불규칙성을 갖는 파랑조건과의 상관성을 검토하기 위해 불규칙파를 대상으로 하는 연구가 수반될 것이다. 본 연구에 적용된 실험모형은 실험자료 계측의 편의를 위해 제체 후면에 케이슨을 설치하였다.
- 기존 연구들은 외력조건이라 할 수 있는 파랑조건과 배후면 안정성과의 관계를 파악할 수 있는 장점이 있으나, 내습하는 파랑에너지를 배후면에 전달하는 중간과정인 월파 과정에 대한 분석이 생략되어 있다. 배후면의 피복재가 이탈되고, 에너지 전달에 의해 전달파가 발생하는 것은 월파수괴의 운동량과 직접적인 연관을 가지기 때문에 월파수괴의 운동량을 포함하는 월파수괴의 거동특성에 관한 연구는 배후면 안정성에 관한 역학적 분석에 있어서 필요한 과정이므로 이에 대한 연구는 보완되어야 한다. 국내에서는 최근 월파거동을 분석하기 위해 신뢰성 해석을 이용하는 연구들(이, 2003; 오 등, 2006)이 소개되었으나, 월파의 운동량보다는 월파량 산정에 초점을 맞추어 역학적 분석에는 제약을 받는다.
- 피복재가 수면아래에 위치하는 경우에는 부력이 존재하기 때문에 상대적으로 작은 외력에도 불안정하게 될 수 있으며, 기존 연구에서 자유수면에 가까운 배후사면의 안정성이 상대적으로 낮다고 보고한 사례를 찾을 수 있다(Van Dijk, 2001; Van Gent and Pozueta, 2004). 배후사면에 미치는 월파제트의 영향을 면밀히 검토하기 위해서는 유속, 층두께, 운동량, 그리고 운동방향을 고려한 월파제트 운동량과 관입에 따른 주변수의 거동, 그리고 월파제트 및 주변수와 사석제의 상호작용에 대한 검토도 필요할 것으로 판단된다.
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