슬리트케이슨제에 의한 반사율과 구조물에 작용하는 파압에 관한 2차원 및 3차원해석 Two and Three Dimensional Analysis about the Reflection Coefficient by the Slit Caisson and Resulting Wave Pressure Acting on the Structure원문보기
최근 슬리트케이슨제와 같은 유공방파제의 파랑제어특성에 대한 이론적 실험적 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 규칙파의 작용하에 슬리트케이슨에 의한 반사율의 특성과, 전면유공부 및 유수실의 내부벽면에 작용하는 파압을 2차원 및 3차원수치파동수로에서 각각 추정하고, 그 결과를 검토하였다. 수치실험에서는 주기 7초, 9초, 11초 및 13초와 각각의 주기에 대해 파형경사 0.02, 0.03 및 0.04를 갖는 입사파고의 수치실험안을 설정하였고, 본 연구에서 사용된 2차원 및 3차원의 수치해석은 Navier-Stokes운동방정식에 기초한 이상류(이상류(二相流)) 수치 모델로서, 이는 타해석기법에 비해 복잡한 수면변동에 대한 물리현상을 쉽게 재현할 수 있으며, 수치프로그램의 구성이 보다 간략하게 되는 장점이 있다. 실험결과에 의하면, 반사율에 있어서 주기가 짧은 경우에는 2차원해석이 상당히 큰 값을 나타내지만, 주기가 길어지고 파형경사가 큰 경우에는 2차원해석과 3차원해석의 결과가 거의 동일한 값을 나타낸다. 파압에 있어서 주기가 짧은 경우에는 두 해석법에서 차이는 작지만, 주기가 길어지고 파형경사가 큰 경우에는 차이가 크게 나타나는 경향을 확인할 수 있었다.
최근 슬리트케이슨제와 같은 유공방파제의 파랑제어특성에 대한 이론적 실험적 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 규칙파의 작용하에 슬리트케이슨에 의한 반사율의 특성과, 전면유공부 및 유수실의 내부벽면에 작용하는 파압을 2차원 및 3차원수치파동수로에서 각각 추정하고, 그 결과를 검토하였다. 수치실험에서는 주기 7초, 9초, 11초 및 13초와 각각의 주기에 대해 파형경사 0.02, 0.03 및 0.04를 갖는 입사파고의 수치실험안을 설정하였고, 본 연구에서 사용된 2차원 및 3차원의 수치해석은 Navier-Stokes운동방정식에 기초한 이상류(이상류(二相流)) 수치 모델로서, 이는 타해석기법에 비해 복잡한 수면변동에 대한 물리현상을 쉽게 재현할 수 있으며, 수치프로그램의 구성이 보다 간략하게 되는 장점이 있다. 실험결과에 의하면, 반사율에 있어서 주기가 짧은 경우에는 2차원해석이 상당히 큰 값을 나타내지만, 주기가 길어지고 파형경사가 큰 경우에는 2차원해석과 3차원해석의 결과가 거의 동일한 값을 나타낸다. 파압에 있어서 주기가 짧은 경우에는 두 해석법에서 차이는 작지만, 주기가 길어지고 파형경사가 큰 경우에는 차이가 크게 나타나는 경향을 확인할 수 있었다.
Recently, the theoretical and experimental research is being made actively in control character of waves of perforated-wall caisson breakwater like the slit caisson. This study showed that the character of reflection coefficient and the wave pressure acting on the front and inner of slit caisson wer...
Recently, the theoretical and experimental research is being made actively in control character of waves of perforated-wall caisson breakwater like the slit caisson. This study showed that the character of reflection coefficient and the wave pressure acting on the front and inner of slit caisson were estimated in two and three dimensional numerical wave flume and compared each other. The numerical experiment was set and conducted by various cases as to a variety of wave steepness under 7 sec, 9 sec, 11sec and 13 sec period condition. In this study using a 2 and 3 dimensional numerical wave flume, it applied the Model for the immiscible two-phase flow based on the Naveir-Stokes Equations. This technique can easily reproduce a complicated physical phenomenon more than others and organize the program simply. According to the results of the experiment, the reflection coefficient was estimated high in short-period waves. However, 2-dimensional numerical experiment and 3-dimensional numerical experiment were the same in case of the long-period waves and high wave steepness. And to conclude in case of short-period waves the pressures were a relatively small difference between the two, but there was a big gap in longperiod waves and high wave steepness.
Recently, the theoretical and experimental research is being made actively in control character of waves of perforated-wall caisson breakwater like the slit caisson. This study showed that the character of reflection coefficient and the wave pressure acting on the front and inner of slit caisson were estimated in two and three dimensional numerical wave flume and compared each other. The numerical experiment was set and conducted by various cases as to a variety of wave steepness under 7 sec, 9 sec, 11sec and 13 sec period condition. In this study using a 2 and 3 dimensional numerical wave flume, it applied the Model for the immiscible two-phase flow based on the Naveir-Stokes Equations. This technique can easily reproduce a complicated physical phenomenon more than others and organize the program simply. According to the results of the experiment, the reflection coefficient was estimated high in short-period waves. However, 2-dimensional numerical experiment and 3-dimensional numerical experiment were the same in case of the long-period waves and high wave steepness. And to conclude in case of short-period waves the pressures were a relatively small difference between the two, but there was a big gap in longperiod waves and high wave steepness.
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문제 정의
1(b)에서 제시하는 3차원슬리트케이슨제를 해석의 편리상 Fig. 1(a)와 같이 단면2차원적으로 해석하는 경우에 슬리트케이슨제에 의한 반사율과 작용파압에서 차이 및 3차원적인 접근의 타당성을 확보할 목적으로 수치해석을 수행하였다. 수 치해석기법으로 고정도해석법으로 알려진 2차원 및 3차원수치파동수로에 기초한 이상류(二相流) 수치모델을 적용하여 슬리트케이슨제 전면유공부 및 유수실내의 불투과연직벽체에서 작용파압을 위시한 반사율의 변화특성을 논의하였다.
일반적으로 3차원형상인 연직벽형의 횡슬리트케이슨제에 의한 반사율과 작용파압을 산정함에 있어서 해석의 편리상 2차원적으로 접근하여 처리하는 경우가 많다. 본 연구에서는 2차원과 3차원적인 접근에서 반사율과 작용파압에 얼마 정도의 차이가 발생하는지를 수치해석적으로 검토한다. 본 수치해석에서는 저자들이 연구·개발한 기체와 액체의 혼상동적현상을 동일한 지배방정식으로 해석하는 2차원수치파동수로와 3차원 수치파동수로를 각각 적용하며, 규칙파의 작용하에 슬리트케이슨제 전면유공부 및 유수실내 불투과연직벽체로부터 발생하는 반사파의 특성을 2차원 및 3차원수치실험으로부터 검토하고, 동시에 슬리트케이슨제 전면유공부와 유수실내 불투과연 직벽체에 작용하는 파압의 2차원 및 3차원적인 특성을 고찰한다.
제안 방법
반사율의 측정 위치는 상류측에서 하류측으로 400 m지점인 기초사석의 단부에서부터 상류측으로 6개소에 대해 20 m 간격으로 측정하였고, 입·반사파분리를 위해 파고계의 간격을 10 m 내외로 조정하였다.
본 수치해석에서는 저자들이 연구·개발한 기체와 액체의 혼상동적현상을 동일한 지배방정식으로 해석하는 2차원수치파동수로와 3차원 수치파동수로를 각각 적용하며, 규칙파의 작용하에 슬리트케이슨제 전면유공부 및 유수실내 불투과연직벽체로부터 발생하는 반사파의 특성을 2차원 및 3차원수치실험으로부터 검토하고, 동시에 슬리트케이슨제 전면유공부와 유수실내 불투과연 직벽체에 작용하는 파압의 2차원 및 3차원적인 특성을 고찰한다.
본 절에서는 7초, 9초, 11초 및 13초의 주기를 가진 규칙파를 수심 23 m의 2차원 및 3차원수치파동수로에서 각각 조파하여 상류측에서 하류측으로 430 m 지점에 설치된 슬리트케이슨에의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다. 실험에 사용된 2차원수치파동수로는 길이 500 m, 높이 45 m인 직사각형수조이고, 3차원수치파동수로는 2차원의 경우와 동일한 크기에 폭이 36 m로 구성되어 있으며, 이로부터 2차원적인 해석에서 검토가 힘들었던 유공벽의 영향을 포함한 유수실내에서의 파랑 에너지감쇠 등의 영향을 검토할 수 있다.
1(a)와 같이 단면2차원적으로 해석하는 경우에 슬리트케이슨제에 의한 반사율과 작용파압에서 차이 및 3차원적인 접근의 타당성을 확보할 목적으로 수치해석을 수행하였다. 수 치해석기법으로 고정도해석법으로 알려진 2차원 및 3차원수치파동수로에 기초한 이상류(二相流) 수치모델을 적용하여 슬리트케이슨제 전면유공부 및 유수실내의 불투과연직벽체에서 작용파압을 위시한 반사율의 변화특성을 논의하였다.
비록 Hirt and Nichols (1981)의 VOF법이 경계면의 재구축에 SLIC(Simplified Line Interface Calculation)을 사용하지만 그의 적용에 대해서는 많은 연구자들에 의해 검증되어 왔다. 이러한 배경에 기초하여본 연구는 상당한 계산시간을 요구하는 2차원 및 3차원 수치해석임으로 기존의 VOF법을 적용하는 것으로 한다.
실험에 사용된 2차원수치파동수로는 길이 500 m, 높이 45 m인 직사각형수조이고, 3차원수치파동수로는 2차원의 경우와 동일한 크기에 폭이 36 m로 구성되어 있으며, 이로부터 2차원적인 해석에서 검토가 힘들었던 유공벽의 영향을 포함한 유수실내에서의 파랑 에너지감쇠 등의 영향을 검토할 수 있다. 입사규칙파의 파고는 주기에 따른 파형경사(H/L)가 0.02, 0.03 및 0.04에 상당하는 크기로 각각 주어지며, 총 12가지의 케이스 에 대해 수치실험을 수행하였다. 본 연구에서는 반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다.
전술한 2차원 및 3차원의 경우와 동일한 조건하에 슬리트케이슨제에 있어서 유공부의 전면연직벽면 및 유수실내의 불투과벽체에서 작용파압을 산정하였다. 전면연직벽면에서 파압의측정위치는기초사석상부에서전면유공벽의상단까지이며, 유수실내의 불투과벽체에 작용하는 파압은 내부에 존재하는 격벽을 제외한 입사파의 수직방향으로 산정하였다. 산정된 파압을 ρgH로 무차원화하여 나타내고, 연직깊이는 z를 수심 h로 무차원화하여 나타내며, 이를 Fig.
전술한 2차원 및 3차원의 경우와 동일한 조건하에 슬리트케이슨제에 있어서 유공부의 전면연직벽면 및 유수실내의 불투과벽체에서 작용파압을 산정하였다. 전면연직벽면에서 파압의측정위치는기초사석상부에서전면유공벽의상단까지이며, 유수실내의 불투과벽체에 작용하는 파압은 내부에 존재하는 격벽을 제외한 입사파의 수직방향으로 산정하였다.
대상 데이터
본 절에서는 7초, 9초, 11초 및 13초의 주기를 가진 규칙파를 수심 23 m의 2차원 및 3차원수치파동수로에서 각각 조파하여 상류측에서 하류측으로 430 m 지점에 설치된 슬리트케이슨에의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다. 실험에 사용된 2차원수치파동수로는 길이 500 m, 높이 45 m인 직사각형수조이고, 3차원수치파동수로는 2차원의 경우와 동일한 크기에 폭이 36 m로 구성되어 있으며, 이로부터 2차원적인 해석에서 검토가 힘들었던 유공벽의 영향을 포함한 유수실내에서의 파랑 에너지감쇠 등의 영향을 검토할 수 있다. 입사규칙파의 파고는 주기에 따른 파형경사(H/L)가 0.
이론/모형
2차원 및 3차원 이상류(二相流) 수치모델에서는 수면형의 추적에 VOF법(Hirt & Nichols, 1981)을, 이산방정식에 SMAC 법(Amsden & Harlow, 1970)을, 난류해석에 LES모델(Smagorinsky, 1963)을 각각 적용하며, 입사파의 무반사를 위하여 감쇠역(스폰지층)을 적용한 수치파동수로를 사용한다.
SGS(sub-grid scale)의 와에 의해 발생되는 에너지소산을 함께 고려하기 위해 Smagorinsky model(Smagorinsky, 1963)을 이용하였다. 이 모델은 필터폭을 대표길이로 하는 와점성모델로써 LES(Large Eddy Simulation)와 동일시될 정도로 대표적인 난류해석모델이다.
SMAC법에 기초하여 계산된다. SMAC법에서 운동량방정식의 모든 항은 n+1의 시간스텝에서 임시유속 u, v, w에 대해 첫 번째 스텝에서 다음의 식과같이 양적으로 계산된다.
04에 상당하는 크기로 각각 주어지며, 총 12가지의 케이스 에 대해 수치실험을 수행하였다. 본 연구에서는 반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다. 반사율의 측정 위치는 상류측에서 하류측으로 400 m지점인 기초사석의 단부에서부터 상류측으로 6개소에 대해 20 m 간격으로 측정하였고, 입·반사파분리를 위해 파고계의 간격을 10 m 내외로 조정하였다.
본 연구에서는 이상류(二相流)의 시뮬레이션에서 기체와 액체가 구성하는 경계면의 추적법으로 VOF(Hirt and Nichols, 1981)법을 적용하는 것으로 하였다. Hirt and Nichols(1981)에 의해 제안된 VOF법 이후로, GENSMAC(Tome and McKee, 1994), TUMMAC(Miyata and Nishimura, 1985), FCT-VOF (Rudman, 1997) 및 MARS(Kunugi, 2000)을 포함하는 많은 수정 및 확장된 경계면 추적법이 접면의 재구축으로 인한 오차를 줄이기 위하여 대체스킴으로 제안되어 왔다.
성능/효과
이러한 근거로 Fig. 3의 (a) H/L=0.02의 경우 2차원수조에서 0.41~0.57의 반사율을 나타내었고, 3차원수조에서는 이보다 0.15~0.23 정도가 낮은 0.26~0.35의 결과를 나타낸다. 또한, (b) H/L=0.
⑤ 전면유공부에 작용하는 파압의 경우에는 2차원형상의 구조물에 비해 유공율이 낮은 3차원해석에서 큰 파압분포를 나타내며, 유수실내부벽에 작용하는 파압의 경우에는 유공율이 높은 2차원해석에서 큰 파압분포를 나타낸다. 그러나 T=13 sec 의 결과에서 유수실내부벽에 작용하는 파압의 경우에는 2차원에 비해 3차원해석에서 큰 파압분포를 나타내었고, 이러한 결과는 입사파의 파장과 유수실폭과의 관계가 파압에 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다.
다음으로 파형경사가 커질 수록 2차원 및 3차원의 무차원파압의 차이가 다소 커지는 경향을 나타낸다. 또한, Fig. 10~11에서 확인할 수 있듯이, 주기 11초, 13초의 경우에서도 앞선 결과와 동일한 형상의 무차원파압분포를 얻을 수 있으며, 주기가 길어질수록 유공부에 작용하는 무차원파압이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 주기가 길어지고, 동시에 파형경사가 클수록 2차원과 3차원수치해석으로부터 산정되는 무차원파압에서 그 차이가 크게 되는 경향을 알 수 있다.
입사파랑에너지가 클수록(즉, 파형경사가 클수록) 유공부를 통과하면서 많은 쇄파가 발생하게 되고, 유 수실 내부에서 파랑의 상호간섭이 강하게 발생하면서 와류 및 난류형성이 쉽게 이루어져 결국 슬리트케이슨제의 유공벽 및 유수실 내부에서 이러한 와류 및 난류형성에 의한 에너지손실이 많아지기 때문인 것으로 판단된다. 또한, Fig. 5~6에서도 전술한 결과와 동일한 결과를 나타내며, 주기가 길어질수록 2차원수치해석과 3차원수치해석에 의한 반사율의 차이는 줄어들고, 동시에 파형경사가 커지는 경우에는 2차원과 3차원수치 해석에 의한 반사율이 거의 동일한 결과를 나타내는 것을 알 수 있다.
이상의 결과로부터, 2차원과 3차원해석결과가 동일한 분포 양상을 나타내고, 그 차이는 미소하나 파형경사가 커질수록 2차원수치해석의 결과가 3차원수치해석에 비해 작게나타난다. 또한, 입사파의 주기가 길어질수록 무차원파압이 증가하고, 특히, 13초의 주기를 가진 규칙파 작용하에서는 파형경사가 커질수록 2차원과 3차원수치해석 사이에 다소 큰 차이가 발생 하는 것을 확인할 수 있다.
, 1992). 본 연구에서는 2차원 형상의 구조물의 경우에 전면유공벽의 유공율이 약 46%, 3차원형상의 구조물의 경우에 약 27%의 유공율을 나타내며, 유 수실 내부에서 가장 에너지 손실이 많이 발생하는 최적의 유공율의 범위에 포함되도록 하였다. 여기서, 유공율은 유공판 전체면적에서 유공부의 면적이 차지하는 비율을 나타낸다.
이상의 결과로부터, 2차원과 3차원해석결과가 동일한 분포 양상을 나타내고, 그 차이는 미소하나 파형경사가 커질수록 2차원수치해석의 결과가 3차원수치해석에 비해 작게나타난다. 또한, 입사파의 주기가 길어질수록 무차원파압이 증가하고, 특히, 13초의 주기를 가진 규칙파 작용하에서는 파형경사가 커질수록 2차원과 3차원수치해석 사이에 다소 큰 차이가 발생 하는 것을 확인할 수 있다.
이상의 결과를 종합하면, 슬리트케이슨에 의한 반사파의 저감효과와 유공부에서 발생하는 수두손실 및 유수실배후에서의 에너지포획 등과 같이 3차원적 수리현상들의 영향을 확인할수 있었으며, 나아가 해석의 편의상 구조물에 공극율을 적용 하는 등의 기법을 통한 단면2차원적인 접근이 불가피하게 이루어지고 있는 실정을 감안한다면 3차원수치해석의 적용이 2차원수치해석에 비해 고정도 해석을 수행하고, 경제성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다. 작용파압의 경우, 2차원해석과 3차원해석의 차이는 크지 않지만, 주기가 길어지고, 동시에 파형경사가 커질수록 그 차이는 증가한다.
12~13을 살펴보면, 전체적으로 정수면에서 최대파압을 나타내고, 깊이에 따라 지수함수적으로 감소하는 것은 전술한 전면의 유공부에서와 동일한 현상이지만, 정수면에서 무차원파압이 보다 크고, 깊이에 따른 무차원파압의 변화가 보다 크게 나타나는 것을 알 수 있다. 특히, 전술한 유 공부에서의 결과와는 달리 2차원수치실험에서 산정된 무차원파압이 3차원의 경우보다 검토된 모든 파형경사에서 다소 높게 나타났다. 이러한 결과는 전절에서 언급한 바와 같이 3차원의 경우가 (1)유수실내로 유입되는 파랑에너지가 작고, (2) 유수실내에서 상하뿐만 아니라 좌우로 파랑에너지가 분산되며, (3)와류 및 난류발생에 의한 파랑에너지의 감쇠가 보다 크고, (4)유수실내에서 다중반사로 인한 파랑에너지의 포획이 보다 많기 때문에 3차원의 경우가 2차원의 경우보다 불투과연직벽체에서 반사파가 작아지기 때문으로 판단된다.
후속연구
작용파압의 경우, 2차원해석과 3차원해석의 차이는 크지 않지만, 주기가 길어지고, 동시에 파형경사가 커질수록 그 차이는 증가한다. 이러한 결과를 통해 입사파의 파장과 유수실폭과의 관계가 파압에 미치는 영향에 대한 추가적인 검토가 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
파력과 반사파를 저감시키기 위해 등장한 방파제는 무엇인가?
그 후, 여러가지 형태의 케이슨제를 적용한 직립방파제와 파력과 반사파를 저감시키기 위하여 TTP로 대표되는 이형블록 혹은 사석으로 피복한 형태의 방파제가 등장하기 시작하였고, 더불어 친수공간 및 레크레이션 공간으로서의 기능까지 요구되면서 다기능을 갖는 신형식구조물의 필요성이 대두되었다. 이에 따라 반사파의 저감이 가능하면서 유공부를 통과하는 유체에서 수두손실이 발생하고, 유수실 내부에서 파랑에너지를 포획하는 유공형류의 방파제가 주목을 받게 되었다(CDIT, 2001).
초기의 방파제에 발생하던 문제는 무엇인가?
이러한 과정에서 발생하는 파랑과 구조물 사이의 상호간섭에 따른 각각의 특성치를 추정하여 해일을 포함한 내습파랑의 제어는 물론, 시설물을 보호하고, 항 내의 정온을 유지하기 위한 목적으로 건설되었던 초기의 방파제는 거의 직립방파제와 같은 중력식 구조물이 대부분이었다. 그러나, 이러한 구조물은 대상해역의 지리적 특성 및 구조물의 배치에 따라 회절파 및 반사파를 발생시키게 되고, 파의 중첩으로 인한 파고증폭이 발생하게 되면서 방파제의 역기능을 초래하는 경우도 적지 않았다.
초기의 방파제의 대부분은 어떤 구조물이었는가?
일반적으로 해안가에서는 인근해역에서의 선박의 항행 혹은 산업활동과 같은 외적인 요인에 의해 생성된 파랑이나 외해에서의 해수의 순환, 바람, 지진 및 태풍 등의 영향으로 생성된 파랑이 천해로 전파되어 오면서 육상에 설치된 구조물, 해빈 및 자연암벽 등에 의해 반사되어 다시 외해로 전파되는 일련의 과정이 되풀이 된다. 이러한 과정에서 발생하는 파랑과 구조물 사이의 상호간섭에 따른 각각의 특성치를 추정하여 해일을 포함한 내습파랑의 제어는 물론, 시설물을 보호하고, 항 내의 정온을 유지하기 위한 목적으로 건설되었던 초기의 방파제는 거의 직립방파제와 같은 중력식 구조물이 대부분이었다. 그러나, 이러한 구조물은 대상해역의 지리적 특성 및 구조물의 배치에 따라 회절파 및 반사파를 발생시키게 되고, 파의 중첩으로 인한 파고증폭이 발생하게 되면서 방파제의 역기능을 초래하는 경우도 적지 않았다.
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