최근 추세에 따라 수치실험은 높은 해상도와 정확도를 요구하고 있다. 일반적으로 파랑장 계산은 광역모형을 도입하고, 주된 해석 대상 영역의 지형적 복잡성을 반영할 수 있는 적절한 분해능의 상세격자를 통해 내부의 상세역 모형을 구성하게 된다. 여기서, 세역에서의 입사파는 광역에서의 결과를 토대로 추출하게 되는데, 이 때 결과의 연속성에서 문제를 가지게 된다. 대체로 이러한 문제점을 극복하기 위하여 가변격자체계와 스펙트럼 추출 등의 방법을 사용하게 되지만 관련 수치적 오류에 대한 분석과 검토가 충분하지 않은 것으로 보인다. 따라서, 본 연구에서는 최근 가장 일반적으로 사용되고 있는 SWAN모형의 Nested 모형에 대한 현장 적용성을 확인하고자 한다. 이를 위하여 각기 다른 조석환경하에 있는 두 개의 항에 대한 실험을 실시하고 이에 대한 결과를 비교 분석하였다. 분석결과, Nested 모형으로 구성된 광역과 세역 경계에서의 추출된 값이 거의 동일한 값을 가지며 각기 다른 조석환경하에서의 결과 또한 다르지 않다는 것으로 나타났다. 그러나, Nested 모형의 경계를 구성시 수심의 변화가 심한 곳을 피하고 비교적 수심이 깊은 해역까지를 포함시키는 것이 오차를 줄일 수 있음을 확인하였다.
최근 추세에 따라 수치실험은 높은 해상도와 정확도를 요구하고 있다. 일반적으로 파랑장 계산은 광역모형을 도입하고, 주된 해석 대상 영역의 지형적 복잡성을 반영할 수 있는 적절한 분해능의 상세격자를 통해 내부의 상세역 모형을 구성하게 된다. 여기서, 세역에서의 입사파는 광역에서의 결과를 토대로 추출하게 되는데, 이 때 결과의 연속성에서 문제를 가지게 된다. 대체로 이러한 문제점을 극복하기 위하여 가변격자체계와 스펙트럼 추출 등의 방법을 사용하게 되지만 관련 수치적 오류에 대한 분석과 검토가 충분하지 않은 것으로 보인다. 따라서, 본 연구에서는 최근 가장 일반적으로 사용되고 있는 SWAN모형의 Nested 모형에 대한 현장 적용성을 확인하고자 한다. 이를 위하여 각기 다른 조석환경하에 있는 두 개의 항에 대한 실험을 실시하고 이에 대한 결과를 비교 분석하였다. 분석결과, Nested 모형으로 구성된 광역과 세역 경계에서의 추출된 값이 거의 동일한 값을 가지며 각기 다른 조석환경하에서의 결과 또한 다르지 않다는 것으로 나타났다. 그러나, Nested 모형의 경계를 구성시 수심의 변화가 심한 곳을 피하고 비교적 수심이 깊은 해역까지를 포함시키는 것이 오차를 줄일 수 있음을 확인하였다.
The recent trend for numerical experiment requires more higher resolution and accuracy. Generally, in the wave field calculation, it starts with a large region formulation first and follows by a separated detailed region formulation by more denser grids for the main interest area considering the geo...
The recent trend for numerical experiment requires more higher resolution and accuracy. Generally, in the wave field calculation, it starts with a large region formulation first and follows by a separated detailed region formulation by more denser grids for the main interest area considering the geographical and bathymetrical variation. The wave fields resulted from the large region calculation is being introduced into the detail region calculation as the incident waves. In this process there exists a problem of continuity. In order to get over such problem, method of variable gridding system or spectrum sampling, etc., is being used. However, it seems not enough to examine and analyze the related numerical errors. Therefore, it is investigated in this study the field applicability of the most pervasive use of wave model, the nested SWAN model. For this purpose, we made model experiment for two coastal harbours with different tidal environment, and compared and analyzed the result. From the analysis, it was found that both the extracted values, near the boundaries of the large and detail region and the nested formulation of SWAN model, show almost the same and no different between those with different tidal environment conditions. However it is necessary for reducing the numerical errors to set the boundaries for the detailed region outside of the rapid bathymetric change and deeper region.
The recent trend for numerical experiment requires more higher resolution and accuracy. Generally, in the wave field calculation, it starts with a large region formulation first and follows by a separated detailed region formulation by more denser grids for the main interest area considering the geographical and bathymetrical variation. The wave fields resulted from the large region calculation is being introduced into the detail region calculation as the incident waves. In this process there exists a problem of continuity. In order to get over such problem, method of variable gridding system or spectrum sampling, etc., is being used. However, it seems not enough to examine and analyze the related numerical errors. Therefore, it is investigated in this study the field applicability of the most pervasive use of wave model, the nested SWAN model. For this purpose, we made model experiment for two coastal harbours with different tidal environment, and compared and analyzed the result. From the analysis, it was found that both the extracted values, near the boundaries of the large and detail region and the nested formulation of SWAN model, show almost the same and no different between those with different tidal environment conditions. However it is necessary for reducing the numerical errors to set the boundaries for the detailed region outside of the rapid bathymetric change and deeper region.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 실제 모델링 과정 중에서 격자체계의 선택에 있어서 충분한 적용성을 입증하기 위한 목적으로 진행하였으며, 이를 위하여 조차가 큰 대조역이면서 수심의 변화가 복잡한 용기포항과 조차가 작은 소조역이며 수심의 변화가 단조로운 동해항을 대상으로 실제로 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 이러한 조건들 중, Nested model의 적용성을 확인하기 위하여 최근에 가장 빈번하게 사용되는 파랑모형인 SWAN모형을 선택한 후, 우리나라 서·동해안의 물리적 조건을 갖춘 항을 대상으로 실험을 수행하고 그 결과를 분석하였다.
제안 방법
Nested 모형의 적용성을 비교하기 위하여 광역과 상세역의 계산결과를 이용하였다. 먼저, 세역 경계에서의 파고분포를 파악하여 비교․검토하고 심해역에서 천해로의 파랑 전파에 따른 파고변화를 일정 비교라인을 설정한 후, 검토하였다.
방재공학적 측면을 고려하여 기준해면을 인근 삭망평균고조위를 보정하여 산정한 삭망평균고조위[용기포항 DL.(+)4.215m, 동해항 DL.(+)0.45)]로 수심보정하였으며, 입사파 제원은 전해역 심해설계파 추정보고서(2005. 12)의 자료를 참고하였다.
SWAN모형은 바람, 수심 및 해류조건으로부터 근해, 호소 및 하구에서 파랑특성인자를 추정하는 제3세대 수치파랑모형이다. 이전의 SWAN모형(최 등, 2002)은 다방향 불규칙파를 재현하나 구조물 배후에서의 회절이나 구조물에 따른 반사파 재현 등에 문제점이 있었으나 회절 매개변수 등이 도입되어 회절파 해석이 크게 개선되었으며 이에 따라 본 연구에서는 SWAN모형의 천해역에서의 적용성을 해석하는데 사용하기로 하였다.
대상 데이터
대상해역은 대조차 해역(Spring tide) 환경 하에 있는 서해안의 용기포항과 소조차 해역(Neap tide) 환경 하에 있는 동해안의 동해항으로 선정하였다.
입사파 조건은 각항에 가장 큰 영향을 주는 것으로 판단되는 파향에 대한 심해설계파 제원을 선정하였다. 용기포항의 경우는 S파향, 6.79m, 11.57sec으로, 동해항은 ESE파향,5.93m, 10.66sec로 선정하였다.
이론/모형
Nested 모형의 적용성을 비교하기 위하여 광역과 상세역의 계산결과를 이용하였다. 먼저, 세역 경계에서의 파고분포를 파악하여 비교․검토하고 심해역에서 천해로의 파랑 전파에 따른 파고변화를 일정 비교라인을 설정한 후, 검토하였다.
은 비선형 파랑 상호작용을 나타낸다. SWAN 모형의 기본배경은 SWAN(2009)을 참조하기로 한다.
파랑장 해석은 앞서 언급한 적용모형에서 설명한 SWAN모형을 사용하였으며, 광역 및 세역(Nested model)의 계산영역은 Fig. 1 및 Fig. 2와 같다. 또한, 광역 및 세역에서의 입사파 및 격자체계에 대한 자료는 Table 1과 Table 2에 정리하였다.
성능/효과
따라서, 남쪽에서의 장주기 너울은 항 부근에서 회절, 굴절 등의 영향을 받아 소산 또는 증폭되는 양상을 보인다. S파향 심해설계파에 의한 파랑변형 결과, 항 부근역에서의 파고분포는 3.0m～3.5m를 나타내었다.
실험결과, 수심이 얕고 급변하는 해역인 용기포항의 경우는 충분한 수심역을 가지는 경계에서의 거의 동일한 값을 가지나 수심이 얕고 급변하는 구역의 경우는 다소의 차이를 보였는데 그 크기는 크지 않은 것으로 나타났다. 또한, 동해항의 수심이 깊고 완만한 변화를 보이는 곳은 경계역에서의 차이는 크지 않고 거의 동일한 값을 보이는 것으로 나타났다.
실험결과, 수심이 얕고 급변하는 해역인 용기포항의 경우는 충분한 수심역을 가지는 경계에서의 거의 동일한 값을 가지나 수심이 얕고 급변하는 구역의 경우는 다소의 차이를 보였는데 그 크기는 크지 않은 것으로 나타났다. 또한, 동해항의 수심이 깊고 완만한 변화를 보이는 곳은 경계역에서의 차이는 크지 않고 거의 동일한 값을 보이는 것으로 나타났다.
이러한 분석 결과에서 Nested 모형을 적용할 때에는 상세역의 설정에서 단순히 작업의 편이성보다 섬이 존재하거나 수심의 변동이 심한 해역보다 깊은 수심역과 균일한 수심의 변화를 나타내어 파랑의 변화가 작은 곳에서 경계를 선정하는 것이 경계역에서 오차를 줄일 수 있음을 알 수 있다.
동해항은 강원도에 위치하여 동해에 면한 항으로 인공적으로 굴입된 항이다. 지형적 조건으로 볼 때, 항입구부를 통하여 항내에 영향을 미칠 수 있는 파랑은 E, ESE, SE계열의 파랑이며, 앞서와 같이 다년간의 파랑관측 및 조사에 따르면 동계에 발생하는 NE, ENE, E계열의 파랑의 출현율이 높게 타나고 이들의 최대파고는 5.0～6.0m로 발생빈도와 파고가 크게 나타났다. 평균해면은 DL(+)0.
후속연구
향후, 현장관측치를 분석하여 격자체계에 따른 전반적인 비교로 실제 모델링 과정에서 놓치기 쉬운 미세한 결과차이를 파악함으로써, SWAN Nested 모델링 과정 중에 있을 수 있는 오차를 최소화시킬 수 있을 것으로 판단된다.
김강민, 강석형, 이중우, 권소현, 이훈(2005), “SWAN모형을 이용한 남서 도서해역에서의 설계 파라메타 추출”, 한국항해항만학회 춘계학술대회 논문집, pp. 253-260.
남기대(2010), 실린더형 슬릿 방파제의 개발을 위한 실험적 해석, 한국해양대학교 공학석사 학위 논문.
최병호, 김경옥, 박상욱, 엄현민, 고진석, 안성모(2002), “천해의 스펙트럼 해파모형:SWAN-WAM 결합모형의 한반도 해역에의 적용", 한국해안해양공학발표논문집, 제13권, pp.246- 255.
한국해양연구원(2005), 전해역 심해설계파 추정 보고서 II.
해양수산부(1997-2002), 해상파랑관측 및 조사.
Lee, J.W., Park, S.G., Kim, S.M., and Kang, S.J. (2009),“Design and Construction of the Cylindrical Slit TypeShore Structures", Asia Navigation Conference 2009,Shizuoka, Japan, Japan Institute Navigation, pp.292-298.
SWAN(2006), SWAN User Manual, Delft University of Technology.
SWAN(2009), SWAN Scientific and Technical Documentation, Delft University of Technology.
AI-Helper
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.