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가설 설정
- . 그는 단파가 전달 될 때의 수위차이를 쇄파파고로 가정하였고, 쇄파대 내에서의 유속분포는 단면형상이 일정하다는 가정 하에서, 오직 쇄파파고 만의 함수로 정의하여, 쇄파대 내의 유속 분포를 식 (4)와 같이 유도, 제안하였다.
- 어초에 작용하는 유체력은 밀도가 일정하다고 가정한다면 유속과 항력계수 및 투영 단면적의 함수가 된다. 또한 유속이 일정하다고 가정한다면, 오직 항력계수와 투영단면적 만의 함수가 된다. Fig.
- 어초에 작용하는 유체력은 밀도가 일정하다고 가정한다면 유속과 항력계수 및 투영 단면적의 함수가 된다. 또한 유속이 일정하다고 가정한다면, 오직 항력계수와 투영단면적 만의 함수가 된다.
제안 방법
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본 연구에서는 실제로 전도와 활동이 일어난 해역을 선정하여 쇄파대에서 이용되는 기존의 유체력 산정식과 미소진폭파 이론에 의한 유체력 산정식에 본 연구에서 제시한 쇄파대의 수립자 속도 값을 적용하여 구한 값을 각각 비교하였다. 계산과정에서 과소평가하거나 고려하지 않은 배치 간격비(어초의 유체력 작용 길이에 대한 어초간의 시설 간격)에 대한 항력계수의 차이도 함께 고려하였다. 이와 함께, 본 연구에서 제시된 결과를 이용하여 실제 사업 수행 시 현장에서 어초의 안정성을 간편하게 예측할 수 있
- 그리고, 본 수치모형에 사용된 VOF법에는 셀에서의 유체존재 여부에 대한 함수를 평균화한 F의 이류방정식과 유체의 자유수면에 관련된 Flag를 축차계산 함으로써 자유표면을 계산했다.
- 따라서 파형경사는 (1) 식으로 고려하였을 때, 수심 20m(x 방향으로부터 53m 되는 지점의 수심)에서 가장 커지며, 그 이후로는 쇄파가 진행되기 시작하므로, 인공어초의 안정성을 고려하기 위한 수립자속도의 계산은 쇄파로 인해 이론적으로 계산이 곤란한 수심 20m이천 해역을 대상으로 하여 수치실험으로서 x방향 수립자 속도를 계산하였다. Fig.
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본 연구에서는 흐름방향에 대한 요철형어초의 정면 및 측면 그리고 45° 방향에 대하여 다양한 유속을 적용하여 실험하였다. 또한 어초간의 간격에 대한 유체의 간섭정도를 파악하기 위하여, 흐름에 대한 어초의 정면에 대해 배치간격(D)을 어초 폭(B)의 0.25, 0.5, 0.75, 1.0배로 설정하여 각 간격에 대한 유체력의 간섭여부로 인한 항력계
수의 변화를 분석하였다. 어초의 배치 및 격자 생성도는 Fig. - 마찰계수는 동해안 대부분에 널리 분포하는 사질지반과의 관계인 0.6을 사용하였으며, 어초의 단위 중량은 일반적으로 많이 사용하는 재료인 콘크리트를 상정하여 2.6t/m3을 사용하여 계산하였다. Fig.
- 본 연구에서는 미소진폭파 이론에 의한 수립자속도 대신 파랑으로 인해 발생하는 쇄파대 내의 유체력 값에 대해, 수치실험에서 계산된 수립자속도 값을 이용하여 구하였고, 이것을 기존 쇄파대 이론식에 의한 값과 비교하였다. 일반적으로 수중구조물에 작용하는 유체력은 식 (2)와 같이 표현된다.
- 외부 유체력에 의해 전도, 활동, 쇄굴, 매몰 등을 야기하는 경우가 있다[4-7]. 본 연구에서는 실제로 전도와 활동이 일어난 해역을 선정하여 쇄파대에서 이용되는 기존의 유체력 산정식과 미소진폭파 이론에 의한 유체력 산정식에 본 연구에서 제시한 쇄파대의 수립자 속도 값을 적용하여 구한 값을 각각 비교하였다. 계산과정에서 과소평가하거나 고려하지 않은 배치 간격비(어초의 유체력 작용 길이에 대한 어초간의 시설 간격)에 대한 항력계수의 차이도 함께 고려하였다.
- 본 연구에서는 어초의 전도 혹은 활동에 대한 안정성을 계산함에 있어 上北(1985)〔10〕가 제안한 쇄파대에서 이용되는 기존의 유체력값과 수치파동 수로에서 구한 쇄파대의 수립자 속도 값을 적용하여 구한 유체력을 각각 비교하기위해 수치파동수로 실험을 수행하였다. 수치파동수로는 CADMASSURF를 이용하였다.
- 본 연구에서는 흐름방향에 대한 요철형어초의 정면 및 측면 그리고 45° 방향에 대하여 다양한 유속을 적용하여 실험하였다.
- 수치실험으로 계산된 쇄파대의 수립자 속도를 이용하여 식 (2)와 어초의 활동을 식 (6)을 이용, 삼척시 임원해역의 50년 주기 설계파를 이용하여 인공어초의 안정성을 검토하였다.
- 어초에 작용하는 투영단면의 변화가 항력계수에 어떠한 변화를 가져오는지를 파악하기 위해 연구에 사용된 요철형어초를 흐름방향에 대하여 각각 0°, 45°, 90°로 배치 한 후(Fig. 1), 각각의 투영단면적에 대한 항력계수를 산정하였다.
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또한, 난류를 모델링 하기위해, 이방정식모형(Two equation model)인 realizable k-ε 모형을 사용하여 유동을 해석하였다. 유동해석 후에는 어초에 작용하는 유체력(F)을 근거로 하여 항력계수를
산정하였다. -
계산과정에서 과소평가하거나 고려하지 않은 배치 간격비(어초의 유체력 작용 길이에 대한 어초간의 시설 간격)에 대한 항력계수의 차이도 함께 고려하였다. 이와 함께, 본 연구에서 제시된 결과를 이용하여 실제 사업 수행 시 현장에서 어초의 안정성을 간편하게 예측할 수 있
도록 구조의 형상(항력계수)과 유체 작용면을 변수로 하여 수심에 따른 적정 어초의 중량을 제시하였다. - 식 (2)으로 구해진 유체력은 안정성 여부를 검토하기 위하여 사용되었다. 일반적으로 해중에 투하된 구조물은 전도보다 활동에 훨씬취약하며, 활동에 안정하면 전도에도 안정하므로 본 연구에서는 활동력을 고려하여 계산하였다. 활동력은 유체력에 대한 지반마찰력의 비로서 다음의 식 (6)으로써 계산된다.
- 한편, 어초의 배치형태에 따른 항력계수의 차이와 관련하여, 어초간의 간격으로 인한 유체의 상호 간섭과 영향이 항력계수에 어떠한 영향을 미치는지를 파악하였다. 흐름방향 0°에 대하여 어초의 길이(폭) 방향으로 어초를 병렬 배치한 경우의 항력계수는 Fig.
대상 데이터
- 본 연구에 이용된 어초는 요철형어초로 크기는 2.5× 2.0× 1.5m무게는 4.185톤이다(Fig. 1).
- 본 연구에서 실험에 적용한 해역은 한국 동해안에 위치하고 있는 개방해역으로 서고동저의 지형적인 특성으로 인해 육지로부터 200m정도까지는 수심이 10 m내외를 유지하나 그 이후 일정한 비율로 급격히 깊어지는 양상을 보이며, 해안선이 매우 단조롭다[8]. 또한 일반적으로 동해는 조석 간만의 차가 약 0.
- 그러나, 인공어초의 안정성을 계산하기 위하여 식 (5)를 사용하는 경우에는, 쇄파의 거동이 단파의 형태를 지녀야 한다는 한계점이 있다. 파의 형성기구로부터 살펴보았을 때, 본 연구에서 상정한 50년 주기 설계파는 태풍을 고려하여 산정한 풍파로서, 본질적으로 유체가 주기성 운동을 하는 진동파에 속한다. 그러나 단파는 조석보어(bore)와 같이 파가 진행하는 방향으로 유체의 수송이 뒤따르는 이동파로서 수립자의 물리적인 거동이 진동파와 는 상이하다[11].
이론/모형
- 수치파동수로는 CADMASSURF를 이용하였다. CADM AS-SURF는 기본 방정식으로서 2차원 비압축성유체의 연속방정식 및 Navier-Stokes방정식을 이용한 것으로 각각의 식들은 유체중의 실제구조물의 형상을 반영하기 위하여 Porous모델을 도입하여 형상의 근사정도를 높였다.
- 또한, 난류를 모델링 하기위해, 이방정식모형(Two equation model)인 realizable k-ε 모형을 사용하여 유동을 해석하였다.
- 수치실험에 앞서 수치파동수로의 길이와 수심을 구성하기 위하여 실물과의 상사성을 고려하였다. 본 연구는 파랑에 의한 유동으로서 유체가 중력의 지배하에 있다고 판단되므로, Froude상사법칙을 이용하여 수치파동수로를 구성하였다. Froude상사법칙은 식 (1)과 같다.
- 가 제안한 쇄파대에서 이용되는 기존의 유체력값과 수치파동 수로에서 구한 쇄파대의 수립자 속도 값을 적용하여 구한 유체력을 각각 비교하기위해 수치파동수로 실험을 수행하였다. 수치파동수로는 CADMASSURF를 이용하였다. CADM AS-SURF는 기본 방정식으로서 2차원 비압축성유체의 연속방정식 및 Navier-Stokes방정식을 이용한 것으로 각각의 식들은 유체중의 실제구조물의 형상을 반영하기 위하여 Porous모델을 도입하여 형상의 근사정도를 높였다.
- 어초주변에서 생성되는 흐름 및 항력계수를 산정하기 위하여 FLUENT.Inc에서 개발된 범용CFD 코드인 FLUENT 6.3.26 패키지를 사용하였다. 또한, 난류를 모델링 하기위해, 이방정식모형(Two equation model)인 realizable k-ε 모형을 사용하여 유동을 해석하였다.
- 인공어초의 안정성에 대한 파랑 외력은 한국해양연구원(2005)에서 발간한 “전해역 심해설계파 추정보고서 II”에 수록된 50년 빈도 주기의 설계파를 이용하였다[9].
성능/효과
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1m는 (1) 식으로 환산해 보면 바닥으로부터 각각 1, 2, 3, 4, 5m이고, 바닥과 가까운 쪽이 수립자 속도가 느린 것으로 나타났다. 각각의 층별 유속분포는 파형경사가 가장 큰 20m의 수심대에서 가장 적었고, 이후 점점 증가하기 시작하여, 수심 10m에서는 수평 유속의 차이가 20m부근에 비해 27%증가한 값을 보였으나, 5m부근에서는 약간 감소되는 형태를 나타냈다. 수립자 속도에 대한 바닥의 영향은 수심이 얕아지면서 점점 커지는데, 수심 20~15m의 층별
- 5의 항력계수 값에 비해 7~10%정도 낮게 나타났다. 또한, 병렬배치 된 어초의 경우 또한 마찬가지로, 레이놀즈수가 높을수록 항력계수 값은 감소하는 것으로 나타났다.
- 인공어초의 안정성에 대한 파랑 외력은 한국해양연구원(2005)에서 발간한 “전해역 심해설계파 추정보고서 II”에 수록된 50년 빈도 주기의 설계파를 이용하였다[9]. 분석 결과, 삼척해역에서의 인공어초 안정성에 가장 큰 영향을 미치는 파향으로서는 동북동방향이고, 파고와 주기는 각각 8.1m와 12.8s로 나타났다. 따라서 인공 어초의 파랑에 대한 안정성분석에 이들 값을 사용하였다.
- 수립자 속도에 대한 바닥의 영향은 수심이 얕아지면서 점점 커지는데, 수심 20~15m의 층별 수평유속 값의 차이는 수심 5~0m에서의 값과 약 4배 정도의 차이가 있었다. 쇄파대에 대한 수치실험 값과 기존 이론식의 유체력을 비교한 결과, 쇄파대 이론식에 의한 값, 즉 단파이론을 적용한 식의 경우에는 파고 값에 따라 유체력이 매우 커져 유체력을 과대평가할 수 있으나, 미소진폭파 이론에 수치실험에서 계산된 쇄파대의 수립자 속도 값을 적용하여 계산한 값은 인공어초의 설계에 있어 경제적이고 합리적이라고 할 수 있다.
- 07m2이었으며, 흐름방향에 대하여 45°인 경우가 90°인 경우에 비하여 40~46%가량 큰 단면특성 값을 나타냈다. 수립자 속도에 대한 바닥의 영향은 수심이 얕아지면서 점점 커지는데, 수심 20~15m의 층별 수평유속 값의 차이는 수심 5~0m에서의 값과 약 4배 정도의 차이가 있었다. 쇄파대에 대한 수치실험 값과 기존 이론식의 유체력을 비교한 결과, 쇄파대 이론식에 의한 값, 즉 단파이론을 적용한 식의 경우에는 파고 값에 따라 유체력이 매우 커져 유체력을 과대평가할 수 있으나, 미소진폭파 이론에 수치실험에서 계산된 쇄파대의 수립자 속도 값을 적용하여 계산한 값은 인공어초의 설계에 있어 경제적이고 합리적이라고 할 수 있다.
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각각의 층별 유속분포는 파형경사가 가장 큰 20m의 수심대에서 가장 적었고, 이후 점점 증가하기 시작하여, 수심 10m에서는 수평 유속의 차이가 20m부근에 비해 27%증가한 값을 보였으나, 5m부근에서는 약간 감소되는 형태를 나타냈다. 수립자 속도에 대한 바닥의 영향은 수심이 얕아지면서 점점 커지는데, 수심 20~15m의 층별
수평유속 차이는 수심 5~0m에서의 값과 약 4배 정도의 차이가 있었다. - 수치파동수로를 이용하여 수립자 속도를 실험한 결과, 0.16m로 시작된 파고는 x방향으로 거리가 증가함에 따라 약간씩 증가하는 양상을 보이고, 수심이 얕아짐에 따라 파장의 감소와 더불어 붕괴파의 형태로 쇄파가 진행되는 현상이 양호하게 재현되었다. 53m부근에서는 파고가 0.
- 흐름에 대한 전 투영 단면적 값은 0°, 45°, 90°의 순으로 각각 6.72 m2, 6.37 m2, 2.07 m2이었으며, 산출결과, 흐름방향에 대하여 45°인 경우가 90°인 경우에 비하여 40~46%가량 큰 값을 나타냄을 알 수 있었다.
후속연구
- 그러나, 본 연구에서는 파랑으로 인한 수립자 속도를 계산하기 위하여 2차원 수치파동수로를 이용하였으나, 실제 해양에서는 파랑이 3차원적으로 거동하므로, 파랑의 수치모의를 3차원으로 확장할 필요가 있으며, 연구결과를 실무에서 보다 편리하게 이용하기 위해서는 다양한 어초에 대한 항력계수 및 단면계수를 파악할 필요가 있을 것으로 사료된다.
- 그러나 단파는 조석보어(bore)와 같이 파가 진행하는 방향으로 유체의 수송이 뒤따르는 이동파로서 수립자의 물리적인 거동이 진동파와 는 상이하다[11]. 다만, 이동파라 할지라도 완전 쇄파가 되어 수립자가 더 이상 진동하지 않고 한 방향으로만 진행한다면 단파이론을 적용 할 수 있을 것으로 사료된다. 따라서 파랑이 급격한 경사 등을 만나서 쇄파점에서 완전히 쇄파가 되어 파랑이 사면을 치고 올라가는 현상이 발생하는 구간에서는 적용성이 있다고 할 수 있다.
- 11은 식 (6)을 사용하여 삼척해안의 수심에 따른 어초의 활동력을 흐름에 저항하는 어초의 단면의 특성인 항력계수와 투영단면적의 곱과의 관계를 기술한 것이다. 어초시설 예정지에 콘크리트로 제작된 어초의 경우 활동에 대해 안정한 조건을 확보하려면, 어초의 항력계수와 투영단면적을 곱한 값을 x축으로 하였을 때, 각각의 수심대별로 기술된 선보다 위쪽에 있어야 활동에 대한 안정성을 확보할 수 있으며, 각 수심대에서 도시된 선 근처로 어초를 설계 할 수 있다면, 과다설계를 피하면서도 설계주기 파랑에 대해 안정성을 확보한 인공어초를 시설 할 수 있을 것으로 판단된다.
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