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문제 정의
- 본 연구는 구조물의 형상과 홀수, 거리 변화에 따른 부유식방파제의 방파효율성 및 와의 상호작용을 파악하기 위하여 2차원 수리모형실험을 수행하였다. 실험에 사용된 단면수로의 길이는 32.
제안 방법
- Fig. 7의 결과 중 총 6개의 Case를 기준으로 비교적 장주기 영역에 해당하는 Case 4~6의 방파성능 개선을 위하여 3열형 구조에서의 수리모형실험을 실시하였으며, 수치모형을 통하여 분석하였다. Fig.
- 실험에 사용한 LDV는 Dantec사의 제품이며 측정렌즈의 초점거리는 310 mm이고 레이저 광은 아르곤이온 레이저 4000 mmW를 최대로 출력하여 사용하였다. 광선 분산기를 사용하여 2D로 측정을 하되 한 파장에 대하여 데이터(45,000~60,000)개를 case별로 20~45초 동안 한 지점에 대하여 2 cm간격으로 수집하고 평균값을 취하였다. LDV는 현존하는 장비 중 가장 정확한 유속측정이 가능하나 상대적으로 PIV에 비하여 측정시간이 오래 걸린다는 단점이 있다.
- 구조물의 동요방지를 위하여 수로 상단에 강판을 설치하여 구조물을 고정시켰으며, 2열형 부유식방파제 실험에 있어 구조물간 거리(S)는 0.8 m, 1.6 m, 2.4 m로 거리에 따른 구조물 제체 길이의 비(S/SL)가 각각 0.8, 1.6, 2.4인 지점에 설치하였다. 수심(h)은 0.
- 6 m로 동일시 적용 하였다. 구조물의 폭(B)은 수로의 폭에 꽉 차는 0.595 m를 사용하였고 전방제 1방파제의 흘수(D)는 0.10 m, 0.15 m, 0.20 m로 각각 변화를 주고 제 2방파제는 0.15 m로 고정시켰다. 3열형 구조에서는 구조물간 거리를 0.
- 1 m이며, 사용된 조파기는 피스톤형이다. 단독형일 경우 입사파용으로 1개(wave gage 1), 투과파용으로 1개(wave gage 2-1)의 파고계를 사용하였고, Fig. 2의 수리모형 실험 단면도와 같이 2열형일 경우 입사파용 1개(wave gage 1), 투과파용 1개(wave gage 2-2)를 사용하였으며, 3열형일 경우 입사파용 1개(wave gage 1), 투과파용으로 1개(wave gage 2-3)를 사용하였다. 파고계위치는 구조물 전 · 후면으로부터 각 파장의 두 배인 지점에 각각 설치하였다.
- 본 연구에서는 수리모형실험을 통하여 단독형, 2열형 및 3열형 부유식방파제의 형상, 흘수 및 거리를 변화시키며 유동장을 수집하였으며, 방파성능에 따른 와의 생성 및 소멸시점에서의 파랑변형과의 관계를 분석하였다. 부유체는 구조물의 흘수심과 구조적 형상에 따라 파랑제어 성능이 크게 달라지므로, 단독형의 경우 직사각형 구조물의 흘수변화에 대하여 실험을 실시하였고, 2열형의 경우 전방 제 1방파제의 형상과 흘수를 변화시킴과 동시에 제 2방파제와의 거리변화에 따른 와의 변화를 분석하였으며, 3열형의 경우 장주기를 고려한 방파성능 향상을 위하여 투과율과 와의 상호 작용에 대하여 분석을 실시하였다.
- 부유식방파제 해석의 타당성 제시를 위하여 수리모형실험시 전방방파제와 후방방파제의 3 cm 지점에 용량식 파고계를 장착하여 시간변화에 따른 자유수면의 데이터를 측정하였다. 획득한 데이터는 조파판으로부터 조파를 시작한 후 총 6개의 Case에 대하여 모의 테스트를 걸쳐 파고데이터를 독취 후 수로 내 에너지가 쌓이지 않는 시점으로 사료되는 (Case 1은 45.
- 본 연구에서는 수리모형실험을 통하여 단독형, 2열형 및 3열형 부유식방파제의 형상, 흘수 및 거리를 변화시키며 유동장을 수집하였으며, 방파성능에 따른 와의 생성 및 소멸시점에서의 파랑변형과의 관계를 분석하였다. 부유체는 구조물의 흘수심과 구조적 형상에 따라 파랑제어 성능이 크게 달라지므로, 단독형의 경우 직사각형 구조물의 흘수변화에 대하여 실험을 실시하였고, 2열형의 경우 전방 제 1방파제의 형상과 흘수를 변화시킴과 동시에 제 2방파제와의 거리변화에 따른 와의 변화를 분석하였으며, 3열형의 경우 장주기를 고려한 방파성능 향상을 위하여 투과율과 와의 상호 작용에 대하여 분석을 실시하였다.
- 수리모형 및 수치모형실험을 통하여 모두 동일한 구조물전 · 후면 3 cm 떨어진 지점에서 LDV시스템의 측정 허용범위를 고려한 수면아래 흘수심 구간으로부터 Fig. 1의 FOV처럼 2 cm간격으로 유속을 측정하였다.
- 수리모형실험을 통하여 각 Case에 대한 와의 생성과 소멸에 대한 궤적을 양와, 음와로 각각 나누어 추적하였다. 여기서, 시계방향인 음와의 시작은 “N”, 양와의 시작은 “P”로 정의하였으며, 각 위상별로 최대절대와류강도가 최대치인 지점으로 나타내었다.
- 수리모형실험을 통한 단독형, 2열형 및 3열형에 대한 흘수, 거리 및 형상 변화에 따른 전달파고비를 중심으로 방파제의 투과성향을 나타내었다. 종축은 구조물의 흘수를 3가지로(D=0.
- 수리모형실험의 결과검증을 위하여 비교적 규칙파에 탁월한 성능을 보이며, 난류모형을 토대로 하는 수치모형인 캐드머스서프(CADMAS-SURF)를 사용하였다. 수치모형실험 시 수리모형실험의 입력조건과 동일한 조건의 계수들을 적용함과 동시에 3열형 부유식 방파제에서의 전달파고비를 비교하였다. 본 수치모형은 2차원 비압축성 점성유체를 대상으로 하는 연속방정식 식 (1)과 Navier-Stokes 방정식을 Porous모델에 근거하여 확장한 운동방정식인 식 (2)와 식 (3)을 사용한다.
- 00 sec)이후 한 주기에 대한 시간파형을 나타내었다. 수치모형실험은 입사파가 안정화된 이후의 계산결과를 동일한 조건하에서 수리모형실험과 비교하였다. Fig.
- 수리모형실험을 통한 단독형, 2열형 및 3열형에 대한 흘수, 거리 및 형상 변화에 따른 전달파고비를 중심으로 방파제의 투과성향을 나타내었다. 종축은 구조물의 흘수를 3가지로(D=0.10 m, 0.15 m, 0.20 m) 변화시키고 구조물간 거리(0.8 m, 1.6 m, 2.4 m)를 변화시켜 측정한 부유식방파제의 전달파고비 변화를 나타내었으며, 그래프의 횡축은 L/SL을 사용하였다. 이것은 전달파랑의 파장과 구조물의 비로써, 값이 증가할수록 부유체 제체길이에 비해 파장이 상대적으로 긴 장주기 영역이 됨을 의미한다.
- 부유식방파제 해석의 타당성 제시를 위하여 수리모형실험시 전방방파제와 후방방파제의 3 cm 지점에 용량식 파고계를 장착하여 시간변화에 따른 자유수면의 데이터를 측정하였다. 획득한 데이터는 조파판으로부터 조파를 시작한 후 총 6개의 Case에 대하여 모의 테스트를 걸쳐 파고데이터를 독취 후 수로 내 에너지가 쌓이지 않는 시점으로 사료되는 (Case 1은 45.20 sec, Case 2는 40.00 sec, Case 3은 34.30 sec, Case4는 31.00 sec, Case 5는 24.00 sec, Case 6은 16.00 sec)이후 한 주기에 대한 시간파형을 나타내었다. 수치모형실험은 입사파가 안정화된 이후의 계산결과를 동일한 조건하에서 수리모형실험과 비교하였다.
대상 데이터
- 파고계위치는 구조물 전 · 후면으로부터 각 파장의 두 배인 지점에 각각 설치하였다. 수로의 길이를 고려하여 총 6개의 실험case중 비교적 주기가 긴 파랑(Case 4~Case 6)은 한파장인 지점에 설치하였다.
- 본 연구는 구조물의 형상과 홀수, 거리 변화에 따른 부유식방파제의 방파효율성 및 와의 상호작용을 파악하기 위하여 2차원 수리모형실험을 수행하였다. 실험에 사용된 단면수로의 길이는 32.5 m, 폭은 0.6 m, 높이 1.1 m이며, 사용된 조파기는 피스톤형이다. 단독형일 경우 입사파용으로 1개(wave gage 1), 투과파용으로 1개(wave gage 2-1)의 파고계를 사용하였고, Fig.
- 실험에 사용된 파랑의 특성은 파장(L) 0.99 m~9.50 m, 파고(H) 0.027 m~0.095 m, 파형경사도(H/L) 0.02~0.03 정도의규칙파에 해당한다. Table 1은 수리모형실험에 사용된 파랑계측 결과를 보여주고 있다.
- 실험에 사용한 LDV는 Dantec사의 제품이며 측정렌즈의 초점거리는 310 mm이고 레이저 광은 아르곤이온 레이저 4000 mmW를 최대로 출력하여 사용하였다. 광선 분산기를 사용하여 2D로 측정을 하되 한 파장에 대하여 데이터(45,000~60,000)개를 case별로 20~45초 동안 한 지점에 대하여 2 cm간격으로 수집하고 평균값을 취하였다.
이론/모형
- 또한, 자유표면 해석은 VOF법을 사용하고 F의 이류방정식과 경계조건인 Flag를 축차(누적) 계산함으로써 자유표면의 거동을 해석하게 된다. Fig.
- 수치모형실험 시 수리모형실험의 입력조건과 동일한 조건의 계수들을 적용함과 동시에 3열형 부유식 방파제에서의 전달파고비를 비교하였다. 본 수치모형은 2차원 비압축성 점성유체를 대상으로 하는 연속방정식 식 (1)과 Navier-Stokes 방정식을 Porous모델에 근거하여 확장한 운동방정식인 식 (2)와 식 (3)을 사용한다.
- 수리모형실험의 결과검증을 위하여 비교적 규칙파에 탁월한 성능을 보이며, 난류모형을 토대로 하는 수치모형인 캐드머스서프(CADMAS-SURF)를 사용하였다. 수치모형실험 시 수리모형실험의 입력조건과 동일한 조건의 계수들을 적용함과 동시에 3열형 부유식 방파제에서의 전달파고비를 비교하였다.
성능/효과
- (c) Case 3의 경우 후면에서의 와류강도는 거의 발생하지 않는다는 것을 알 수 있으며, 이러한 결과를 조합해 보면 후방 구조물 근처에서 발생되는 와는 전방구조물로 진행하는 입사파의 파봉에서 파곡으로 진행할 때 내려오는 유속에 의하여 양와가 생성되고 파랑의 진행에 따라 파곡 부근에서 위상에 의한 흐름이 분리된다.
- 13. (d) Case 4의 경우 제 1전방방파제의 하단 모서리부분에서 파봉에서 파곡으로 내려가는 파랑변화에 따른 양, 음와의 분리가 일어났으며 제 3후방방파제에서는 와의 궤적운동이 현저히 저감됨을 확인할 수가 있다. 구조물의 형상적 변화(직사각형, 사다리꼴)에 의하여 입사파랑이 진행시 구조물 하단 모서리에서 와의 분리가 일어나는 것을 확인 할 수 있었다.
- 2열형 전방 직사각형 구조물의 경우 전방 구조물의 흘수가 0.1 m일 때 수리모형실험 결과보다 수치모형실험 결과가 상대적으로 조금 높은 것과 3열형 구조물의 경우 약간의 오차를 제외한 수치모형실험과 수리모형실험의 결과는 대부분 잘 일치하는 것으로 나타났다. 정리된 결과를 보면, 구조물 전방의 자유수면의 높이가 제 2, 제 3방파제의 후방보다 높은 것을 확인 할 수 있다.
- LDV시스템을 이용한 수리모형실험의 결과를 토대로 각 실험 Case에 대하여 위상별로 최대절대와류강도(Maximumabsolute Vorticity)를 나타내었다. Raffel et al(1988).
- 구조물 전 · 후면에서 발생되는 와류강도는 주기가 길고 파고가 큰 경우에 크게 나타나고, 구조물 후면에서는 입사파의에너지 감쇠로 인하여 와류강도가 작아지는 현상을 나타냈다.
- 구조물의 형상적 변화(직사각형, 사다리꼴)에 의하여 입사파랑이 진행시 구조물 하단 모서리에서 와의 분리가 일어나는 것을 확인 할 수 있었다.
- 대체적으로 단주기 파랑인 Case 1~3의 경우 유속자체가 현저히 작아서 큰 와의 경향성은 없었으나 장주기에 해당하는 Case 4~6의 경우 큰 궤적의 와의 경향성을 볼 수가 있었으며, 3열형 구조의 경우 제 1전방방파제에서 음와가 수직으로, 양와가 수평으로 큰 궤적을 나타낸 반면, 제 3후방방파제에서는 양, 음와의 궤적이 상당수 작아지는 현상을 나타내었다. 또한, 전방방파제 입사면에서 양와, 음와가 구조물 전 · 후면 파봉(crest)에서 파곡(though)으로 내려가는 위상과 구조물하단 모서리부근의 유속장 변화로 강한 음와가 발생하였고, 반대로 후방방파제 투과 면에서는 파곡에서 파봉으로 올라가는 위상에 의하여 양와가 발생하였다.
- 정리된 결과를 보면, 구조물 전방의 자유수면의 높이가 제 2, 제 3방파제의 후방보다 높은 것을 확인 할 수 있다. 반면, 입사파의 주기가 길어질수록 후방방파제에서 발생되는 파랑은 상대적으로 커지는 현상을 보였으며, 3열형 구조물의 경우 흘수심이 깊어질수록 전방방파제 입사 면에서 자유수면이 높게 관측되는 결과를 보였다.
- 11의 (a) Case 1~(c) Case 3의 경우 후면에서의 와류강도는 거의 발생하지 않는다는 것을 알 수 있으며, 이러한 결과를 조합해 보면 후방 구조물 근처에서 발생되는 와는 전방구조물로 진행하는 입사파의 파봉에서 파곡으로 진행할 때 내려오는 유속에 의하여 양와가 생성되고 파랑의 진행에 따라 파곡 부근에서 위상에 의한 흐름이 분리된다. 이렇게 분리된 양, 음와중 양와는 시간이 지남에 따라 강도가 약해지면서 소멸되는현상을 보였으며, 음와는 점차 와류강도가 커지는 것을 확인할 수 있다. Fig.
- 1 m일 때 수리모형실험 결과보다 수치모형실험 결과가 상대적으로 조금 높은 것과 3열형 구조물의 경우 약간의 오차를 제외한 수치모형실험과 수리모형실험의 결과는 대부분 잘 일치하는 것으로 나타났다. 정리된 결과를 보면, 구조물 전방의 자유수면의 높이가 제 2, 제 3방파제의 후방보다 높은 것을 확인 할 수 있다. 반면, 입사파의 주기가 길어질수록 후방방파제에서 발생되는 파랑은 상대적으로 커지는 현상을 보였으며, 3열형 구조물의 경우 흘수심이 깊어질수록 전방방파제 입사 면에서 자유수면이 높게 관측되는 결과를 보였다.
- 후방방파제에서 발생되는 파랑은 입사파의 주기가 길어질수록 상대적으로 커지는 현상을 보였으며, 흘수심이 깊어질수록 전방방파제 입사 면에서 자유 수면이 높게 관측되는 결과를 보였다. 또한, 장주기파랑에 해당하는 Case 4의 경우 전달파고비 산정에 있어 설계기준인 0.
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