Recently, there has been an increase in the construction of various types of coastal structures for efficient wave dissipation, seawater exchange, and so on. Among these, a perforated slit caisson has been widely used to reduce the reflected wave energy and the wave pressure on the structure. Theref...
Recently, there has been an increase in the construction of various types of coastal structures for efficient wave dissipation, seawater exchange, and so on. Among these, a perforated slit caisson has been widely used to reduce the reflected wave energy and the wave pressure on the structure. Therefore, many studies on the wave force on a caisson, as well as the wave reflection from it, have been carried out with laboratory experiments and numerical analyses, considering it as a 2-D problem. However, because a structure like a perforated slit caisson has a variable 3-D shape, waves forces should be considered as a 3-D problem. Therefore, in this paper, a fully-nonlinear 3-D numerical model (LES-WASS-3D) is proposed to examine the reflection characteristics of a perforated slit caisson with two chambers. The numerical model, LES-WASS-3D, was verified in a 3-D wave field by a comparison with existing experimental data for wave reflection coefficients. Then, using the numerical results, the reflection from a perforated slit caisson with two chambers was examined in relation to wave steepness, chamber width, and the shape/porosity of perforated slit.
Recently, there has been an increase in the construction of various types of coastal structures for efficient wave dissipation, seawater exchange, and so on. Among these, a perforated slit caisson has been widely used to reduce the reflected wave energy and the wave pressure on the structure. Therefore, many studies on the wave force on a caisson, as well as the wave reflection from it, have been carried out with laboratory experiments and numerical analyses, considering it as a 2-D problem. However, because a structure like a perforated slit caisson has a variable 3-D shape, waves forces should be considered as a 3-D problem. Therefore, in this paper, a fully-nonlinear 3-D numerical model (LES-WASS-3D) is proposed to examine the reflection characteristics of a perforated slit caisson with two chambers. The numerical model, LES-WASS-3D, was verified in a 3-D wave field by a comparison with existing experimental data for wave reflection coefficients. Then, using the numerical results, the reflection from a perforated slit caisson with two chambers was examined in relation to wave steepness, chamber width, and the shape/porosity of perforated slit.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 LES-WASS-3D(허동수와 이우동, 2007)를 이용하여 수리모형실험(서경덕과 지창환, 2006)과의 비교ㆍ 검토를 통하여 타당성과 유효성을 확인한 후, 이중 유공슬릿 케이슨 유수실 폭과 유공벽의 형태에 따른 혼성방파제 전면에서의 반사특성에 대해 고찰하는 것을 목적으로 한다.
본 연구에서는 이중 유공슬릿케이슨의 형태(유수실 폭, 유공율, 유공벽의 형태)에 따른 반사특성을 파악하기 위하여 LESWASS-3D(허동수와 이우동, 2007)를 이용하여 수치시뮬레이션을 실시하였다. 아울러 수리모형실험(서경덕과 지창환, 2006)과의 비교ㆍ검토를 통하여 LES-WASS-3D의 타당성 및 유효성을 확인하였으며, 시뮬레이션결과를 이용하여 케이슨 주변의 파고분포, 유수실내의 유동장 및 와도분포를 검토한 후, 이와 관련하여 케이슨 전면에서의 반사특성을 파악하였다.
제안 방법
3과 같은 3차원 수치파동수조의 해석영역에 비탈면 경사 1:2인 사석마운드를 기초로 하여 이중 유수실을 가진 슬릿케이슨 1함을 거치하였다. 또한 무반사조파시스템을 적용함에 따라 해석영역의 양쪽 끝에는 감쇠영역 및 외해측에는 조파소스를 두어 파의 재반사를 방지하였다. 슬릿케이슨의 구성 및 입사파랑조건에 대해서는 Table 1과 Fig.
본 연구에서 이용하는 LES-WASS-3D의 타당성과 유효성을 확인하기 위하여, Fig. 1과 같이 서경덕과 지창환(2006)의 수리모형실험에 근거한 3차원 수치파동수조를 설치하였다. 무반사 조파를 위해 해석영역의 양측에는 부가감쇠영역과 외해측에는 조파소스를 배치하였다.
본 연구에서의 이중 유공슬릿 케이슨의 형태(유수실 폭, 유공율, 유공벽의 형태)에 따른 반사율을 산정하기 위하여 파랑의 입사조건(Hi = 6.0cm, Ti = 1.5sec)을 고정하고, Fig. 3과 같은 3차원 수치파동수조의 해석영역에 비탈면 경사 1:2인 사석마운드를 기초로 하여 이중 유수실을 가진 슬릿케이슨 1함을 거치하였다. 또한 무반사조파시스템을 적용함에 따라 해석영역의 양쪽 끝에는 감쇠영역 및 외해측에는 조파소스를 두어 파의 재반사를 방지하였다.
본 연구에서는 이중 유공슬릿케이슨의 형태(유수실 폭, 유공율, 유공벽의 형태)에 따른 반사특성을 파악하기 위하여 LESWASS-3D(허동수와 이우동, 2007)를 이용하여 수치시뮬레이션을 실시하였다. 아울러 수리모형실험(서경덕과 지창환, 2006)과의 비교ㆍ검토를 통하여 LES-WASS-3D의 타당성 및 유효성을 확인하였으며, 시뮬레이션결과를 이용하여 케이슨 주변의 파고분포, 유수실내의 유동장 및 와도분포를 검토한 후, 이와 관련하여 케이슨 전면에서의 반사특성을 파악하였다. 이로부터 본 연구의 범위에서 얻어진 중요한 사항을 기술하면 다음과 같다.
파형경사(H/L)가 0.03인 규칙파에 대해 주기(Ti = 1.0~2.0sec)를 0.2sec 간격으로 달리 적용하여 총 6가지의 입사파조건을 이용하여 이중 커튼월-파일의 폭(B = 25.5, 100cm) 변화에 따른 파랑의 반사ㆍ투과율을 계산하였다.
데이터처리
시뮬레이션에 있어서 계산간격을 1/2000sec로 하여 계산을 수행하였고 데이터 취득은 0.03sec 간격으로 하였으며, 반사율 산정은 정상상태 이후의 수면변위결과 512개(15.36sec)를 이용하여, Goda and Suzuki(1976)가 제안한 불규칙파의 입ㆍ반사파 분리방법으로 계산하였다.
이론/모형
이러한 격자수를 설정하여 수치해석을 수행하는 것은 현실적으로 불가능한 면이 없지 않다. 따라서 본 연구에서는 난류의 비교적 큰 구조를 직접계산의 대상으로 하고, 격자크기보다 작은 난류에 대해서는 SGS모델을 이용하는 LES기법을 도입하였으며, 식 (6)~(9)로 표현되는 Smagorinsky sub-grid model(Smagorinsky, 1963)을 이용하였다.
)의 합으로 나타낸다. 또한 Schumann(1987)은 CS의 값으로 0.07~0.21의 값을 제안하였으나, 본 연구에서는 유사한 연구(Christensen and Deigaard, 2001; Okayasu et al., 2005)에서 이용된 CS = 0.1을 적용하였다. ∆는 식 (10)로 표현되는 필터의 대표길이(Filter length scale), Sij는 격자크기에서의 변형 Tensor를 각각 나타내고 있다.
또한 유한차분법(FDM; Finite difference method)의 적용에 따른 직각격자체계에서의 계단식 경사면처리를 보완하기 위하여 허동수 등(2008)이 제안한 경사면처리기법을 적용하여 사석마운드를 구성하였다.
성능/효과
(1) 유수실 폭 비(BF/BR)에 따른 방파제 전면에서의 반사특성은 BF/BR가 1.0보다 작거나 커질수록 파랑감쇠의 공간이 충분히 확보되지 않아 유수실 폭의 영향이 아니라 단지 유공벽의 폭이 좀 더 두꺼워지는 효과를 나타냄에 따라 단일 유수실과 유사한 파랑에너지의 감쇠효과를 보이기 때문에 반사율이 증가한다.
(2) 유공슬릿벽의 배치형상에 따른 반사율은 횡슬릿보다 종슬릿의 경우가 낮은 반사율을 나타내며, 또한 동일한 형상의 배치보다는 엇갈린 형상의 배치가 방파제 전면에서 낮은 반사율을 나타낸다.
(3) 유공슬릿벽의 유공율에 따른 반사율은 유공율이 0.4일때 방파제 전면에서의 최소 반사율을 나타낸다
(b) CASE3(BF/BR = 1.0)의 경우 일정한 크기의 동일한 유수실 폭(B/Li = 0.1)을 유지함으로 인하여 파랑 유입 시에는 유수실의 자유수면 부근에서 반시계방향의 강한 와도(⊖), 바닥에서 시계방향의 강한 와도(⊕)가 형성되고, 파랑이 반사될 시에는 반대방향의 와도가 형성되는 것을 확인할 수 있다.
Fig. 7(a)로부터 유수실 폭 비(BF/BR)가 0.5, 1.0인 CASE2(BF/BR = 0.5), CASE3(BF/BR = 1.0)에서 가장 낮은 반사율을 나타내고 이것보다 작아지거나 커질수록 반사율이 증가하며, 특히 유수실 폭 비(BF/BR)가 커질 경우 반사율이 급격히 증가하는 것을 확인할 수 있다.
이와 같은 경향은 다음과 같이 설명할 수 있을 것이다. 본 연구에 있어서 유공율이 0.4보다 작은 경우, 유공벽을 통과한 파랑에너지가 유수실 내부에서 감쇠하는 정도는 유공율이 0.4의 경우에 비해 커지지만 제1유공벽에 의한 반사파의 증가가 더욱 큰 영향을 미쳐 반사율이 커지며, 반대로 유공율이 0.4보다 큰 경우는 이와 반대의 영향으로 인하여 큰 반사율을 나타내고 있는 것으로 판단된다.
이러한 경향은 단일 유수실 유공케이슨의 수리모형실험을 통한 기존의 연구결과(박우선 등, 1993)에서도 찾아볼 수 있는데, 박우선 등(1993)은 유공벽의 형상(종슬릿, 횡슬릿, 원형구멍)에 따른 반사율은 종슬릿, 횡슬릿, 원형구멍 순으로 높게 나타난다고 보고하고 있다. 아울러 엇갈리는 구조의 슬릿(CASE6; V1-V2, CASE8; H1-H2)이 동일한 구조의 슬릿(CASE3; V1-V1, CASE7; H1-H1)보다 반사율 감소에 효과적인 것을 확인할 수 있다. 또한 횡슬릿/종슬릿의 복합형상(CASE9; V1-H1, CASE10; H1-V1)인 경우는 전반적으로 단일형상인 경우에 비해 높은 반사율을 나타내고 있다.
이로서 이중 커튼월-파일에 대한 한정된 비교⋅검토 결과이기는 하지만, 본 연구에서 이용하는 LES-WASS-3D에 의한 반사율/전달율 계산결과의 타당성과 유효성이 일정 부분 검증되었다고 판단된다.
, 1976; 서경덕 등, 1992; 박우선 등, 1993)과 일맥상통한다고 볼 수 있다. 이상에 근거하여 살펴보면 BF/Li = 0.17, BR/Li = 0.17인 CASE1(BF/BR = 0.2)과 CASE5(BF/BR = 5.0)의 경우에서는 한쪽 유수실 내에서의 파랑에너지감쇠효과가 탁월하나, 동일한 유수실 폭(B/Li = 0.1)을 가진 CASE3(BF/BR = 1.0)의 경우에는 양쪽 유수실 내에서 모두 파랑에너지의 감쇠가 발생하고 이에 따른 파랑에너지 감쇠의 합이 더욱 크게 나타나기 때문에 방파제 전면에서의 반사율이 감소하는 것으로 사료된다. 또한 이중 유공슬릿 케이슨에 있어서 제1유수실 폭보다 제2유수실 폭이 넓은 경우가 방파제 전면에서의 반사율 저감에 더 효과적인 것으로 나타났다.
이상에 근거하여 이중 유공슬릿케이슨 전면에서의 반사특성에 있어서 파장과 유수실 폭과의 비(B/L)가 매우 중요한 인자임을 확인함과 동시에 동일한 입사조건(Hi = 6.0cm, Ti = 1.5sec)에서 유수실 폭 비 BF/BR = 0.5~1.0, 유공슬릿벽의 배치형상 V1-V2, 유공슬릿벽의 유공율 0.4인 이중 유공슬릿케이슨 방파제가 케이슨 전면에서의 반사율 저감에 효과적일 것으로 판단된다. 이러한 경향은 케이슨의 제원 및 입사파랑조건에 따라서 다르게 나타날 수도 있을 것으로 사료되며, 향후 이에 대한 자료의 확보 및 다양한 검토가 병행되어야 할 것으로 판단된다.
후속연구
4인 이중 유공슬릿케이슨 방파제가 케이슨 전면에서의 반사율 저감에 효과적일 것으로 판단된다. 이러한 경향은 케이슨의 제원 및 입사파랑조건에 따라서 다르게 나타날 수도 있을 것으로 사료되며, 향후 이에 대한 자료의 확보 및 다양한 검토가 병행되어야 할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
방파제는 무엇인가?
방파제는 파랑과 같은 해양외력이 항내로 침입하는 것을 방지하거나 최소화하는 것을 목적으로 설치되는 연안구조물로서 최근에는 기상이변으로 인하여 고파랑을 동반한 잦은 태풍의 내습으로 방파제의 역활이 더욱더 부각되고 있다. 이들 방파제 중에서 혼성방파제는 사석마운드 위에 케이슨을 설치하는 형태로서 케이슨을 유공으로 설치할 경우 구조물 전면에서의 파의 반사뿐만 아니라 파력을 감소시키는데 효과적이며, 유수실이 다수 존재할 경우 유수실내에서의 추가적인 파랑에너지 감쇠로 인하여 그 효율성은 더욱 극대화될 수 있다.
혼성방파제의 장점은?
방파제는 파랑과 같은 해양외력이 항내로 침입하는 것을 방지하거나 최소화하는 것을 목적으로 설치되는 연안구조물로서 최근에는 기상이변으로 인하여 고파랑을 동반한 잦은 태풍의 내습으로 방파제의 역활이 더욱더 부각되고 있다. 이들 방파제 중에서 혼성방파제는 사석마운드 위에 케이슨을 설치하는 형태로서 케이슨을 유공으로 설치할 경우 구조물 전면에서의 파의 반사뿐만 아니라 파력을 감소시키는데 효과적이며, 유수실이 다수 존재할 경우 유수실내에서의 추가적인 파랑에너지 감쇠로 인하여 그 효율성은 더욱 극대화될 수 있다. 이와 관련하여 종래부터 많은 연구들이 수행되고 있다.
유공슬릿케이슨의 형태(유수실 폭, 유공율, 유공벽의 형태)에 따른 반사특성 파악을 위한 연구 결과는?
(1) 유수실 폭 비(BF/BR)에 따른 방파제 전면에서의 반사특성은 BF/BR가 1.0보다 작거나 커질수록 파랑감쇠의 공간이 충분히 확보되지 않아 유수실 폭의 영향이 아니라 단지 유공벽의 폭이 좀 더 두꺼워지는 효과를 나타냄에 따라 단일 유수실과 유사한 파랑에너지의 감쇠효과를 보이기 때문에 반사율이 증가한다.
(2) 유공슬릿벽의 배치형상에 따른 반사율은 횡슬릿보다 종슬릿의 경우가 낮은 반사율을 나타내며, 또한 동일한 형상의 배치보다는 엇갈린 형상의 배치가 방파제 전면에서 낮은 반사율을 나타낸다.
(3) 유공슬릿벽의 유공율에 따른 반사율은 유공율이 0.4일때 방파제 전면에서의 최소 반사율을 나타낸다
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