[논문]Delft-3D Model을 이용한 다원주 군파일의 파랑제어 효과에 관한 연구

이상화; 장은철; 이한승; 정석재

doi:10.5574/ksoe.2011.25.2.029

[국내논문] Delft-3D Model을 이용한 다원주 군파일의 파랑제어 효과에 관한 연구
Study on Effect of Wave Control by Multi-Cylinder Piles Using Delft-3D Hydrodynamic Model 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.25 no.2 = no.99, 2011년, pp.29 - 35

이상화 (동아대학교 토목공학과) , 장은철 (동아대학교 대학원 토목공학과) , 이한승 (동아대학교 대학원 토목공학과) , 정석재 (동아대학교 대학원 토목공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In order to effectively control waves in a coastal zone, Multi-Cylinder Piles have been suggested as economic structures. A numerical analysis was conducted using the Delft-3D: WAVE module based on SWAN, which considered wave shoaling and refraction. Moreover, irregular waves were used to investigate the hydrodynamic characteristics of the wave interaction with the structure. In this paper, a numerical analysis was carried out to research the effect of wave control through a wave height analysis concerning an existing, concrete wave breaker and multi-cylinder piles placed at the same location. As a result, the effect of the wave control is shown using the wave breaker, multi-cylinder piles, and existing data.

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AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 다원주 군파일 구조물의 파랑제어 기능을 검증하기 위하여 항만의 외곽시설 중 대표적인 파제제(또는 방파제)와 비교·분석 하였다.
연구대상지역은 국토해양부에서 발간한 연안침식 모니터링 체계구축 보고서(국토해양부, 2007)의 자료를 토대로 기장군 임랑 해수욕장으로 선택하였으며, 조석 및 파랑의 해석이 가능한 상용프로그램인 Delft-3D : WAVE(SWAN)를 이용하여 외해 측에 콘크리트를 사용한 방파제를 설치하는 기존의 방법과 다원주 군파일 형태의 구조물을 설치하는 방법을 동일 평면 배치상에서 수치해석을 수행하여 파랑제어의 효과를 비교·분석하는 것이 본 논문의 목적이다.
본 연구에서는 기존에 시공되고 있는 콘크리트 파제제와 비교하여, 시공이 간편하고 해수유동이 원활하여 해양오염을 줄일 수 있는 파랑제어 구조물로써 다원주 군파일의 구조물을 제시하였다. 콘크리트 파제제와 다원주 군파일의 구조물을 동일 평면상에 배치하여 수치해석 해 본 결과를 요약하면 다음과 같다.

제안 방법

심해 설계파제원은 한국해양연구원에서 ”해상 파랑관측 및 조사” 사업의 일환으로 한반도 주변 전해역에 대해 매 18km 격자마다 매시간 연속 파랑산출 결과와 50년대 이후의 주요 태풍시의 이상 파랑 시뮬레이션 결과를 바탕으로 산정한 ‘전해역 심해설계파 보고서II(한국해양연구원, 2005. 12)’에서 본 과업대상 지역에 해당하는 부분을 선정하여 50년 빈도의 심해 설계파랑 조건으로 광역 수치해석을 실시하였다.
12)’에서 본 과업대상 지역에 해당하는 부분을 선정하여 50년 빈도의 심해 설계파랑 조건으로 광역 수치해석을 실시하였다. 설계파랑은 임랑해수욕장의 50년 빈도 파 중 가장 큰 영향을 차지하는 SSE, SE, ESE파에 대하여 해석하였다. 설계파의 제원은 Table 1에 제시하였다.
Model의 범위는 임랑해수욕장의 4.42km × 3.960km 구간이고, 공간 계산 격자는 6.67m~20m의 간격으로 Rectanguler grid로 구성하였고(Fig. 2 참조), 시간 계산 간격은 10분으로 하여 설계파랑 내습시의 3시간에 대하여 해석하였다.
1개의 원주는 각각 1개의 Rectanguler grid(6.67m × 6.67m)로 표현을 하여 수치해석을 수행하였다(Fig. 3, 5 참조).
수치해석은 현 상태(파제제가 없는 경우)와 파제제(콘크리트) 구조물을 설치했을 때 그리고 다원주 군파일 구조물을 설치했을 경우의 세 가지 Case를 해석하여 연안역을 3개의 구역으로 나누어 파고를 비교해보았다.
콘크리트 파제제는 길이 500m, 폭 33m 3개를 100m간격으로 이안제 형식으로 3개 설치하였고, 다원주 군파일 구조물의 파일직경은 6.67m이며 교차배열방식으로 콘크리트 파제제와 동일위치상에 설치하였다. 각 구조물의 높이는 EL.
각 구조물의 높이는 EL. 0m로 잠제형식으로 하였다. 1개의 원주는 각각 1개의 Rectanguler grid(6.

대상 데이터

광역 모형은 임랑해수욕장을 포함한 21.4km × 23.6km의 범위로 100m 격자간격으로 구성하였으며, 수심자료는 한국해양개발의 수치지도 No. 103과 No. 264를 이용하였다(Fig. 1 참조).
3. 수치해석

수치모형실험의 대상 구간은 연안침식 모니터링 체계구축 보고서(국토해양부, 2007)의 내용을 참고하여 현재 연안침식지역을 파악하고 해역별로 다원주 군파일 형태의 연안침식방지 기술적용 대상지역을 부산광역시 기장군 장안읍 임랑해수욕장으로 선정하였다. 임랑해수욕장은 연안침식 현황 C등급(우려) 지역으로 백사장 침식현상이 우려되거나 심각한 상황으로 조사되어 도류제 정비공사를 실시하여 해빈폭의 변화는 미미하나, 해빈고의 변화는 아직 우려되는 상황으로 항내 퇴적된 모래를 준설하고 양빈을 실시하여 해빈을 유지하고 있다.

성능/효과

파향에 따른 수치해석 결과 SSE파향일 때 파고가 가장 높게 나타났으며, 연안역에 근접해있는 a, c구역이 b구역보다 상대적으로 파고가 낮은 것을 볼 수 있다. 구역별 파고는 b구역> c구역> a구역 순으로 나타났다.
구역별 파고 결과 현 상태에서 최소 3.98m~최대 4.74m의 파가 콘크리트 파제제 설치 시 최소 2.32m~최대 3.03m로 나타났고, 다원주 군파일 구조물 설치 시 최소 3.13m~최대 4.09m로 나타났다.
구역별 파고 결과 현 상태에서 최소 3.65m~최대 4.44m의 파가 콘크리트 파제제 설치 시 최소 1.99m~최대 2.59m로 나타났고, 다원주 군파일 구조물 설치 시 최소 3.02m~최대 3.55m로 나타났다.
구역별 파고 결과 현 상태에서 최소 3.31m~최대 4.11m의 파가 콘크리트 파제제 설치 시 최소 1.80m~대 2.61m로 나타났고, 다원주 군파일 구조물 설치 시 최소 2.64m~최대 3.14m로 나타났다.
(1) 동일 평면배치 상에서 파랑제어 효과는 콘크리트 파제제 > 다원주 군파일 구조물 > 현 상태 순으로 나타났다.
(2) 기존의 콘크리트 파제제에 비해 다원주군 파일의 구조물이 최대 97.77%에서 최소 38.13%로 평균 52.92% 정도의 감쇄효과가 있는 것으로 나타났다.
(3) 수치해석의 파고 분포도에서 볼 수 있듯이 반사파의 영향으로 콘크리트 파제제 배후의 파고가 커지는 현상이 다원주 군파일 구조물에서는 현저하게 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.
연구대상지역인 임랑해수욕장 인근의 실시간 파랑 관측 자료가 없는 관계로 광역모형의 검증을 심해 설계파 지점보다 연안측에 위치한 지점에서의 파고와 주기를 비교한 결과 5% 이하의 오차를 나타내었다(Table 2참조).

후속연구

앞으로 다원주 군파일 구조물의 파랑제어의 효율을 높이기 위하여 다원주 군파일의 배열이나 치수 등을 변화해가며 좀 더 기능을 보완 할 수 있는 방법을 더 연구하고, 연안 침식의 문제와 관련한 수리모형 실험과 수치해석을 통하여 다원주 군파일 형태의 구조물의 수리적 특성과 기능을 규명해야한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	오늘날 연안해역은 무엇을 제공하는 자원인가?	오늘날 연안해역은 임해공업단지, 항만시설 등의 경제적인 측면과 동시에 휴식공간을 제공하는 해양공간자원으로 중요성이 더해지고 있다. 또한 해양환경 보전에 대한 사회적 관심이 집중되고 있다.
	원주형태 구조물에 대한 기존의 연구는 대부분 무엇에 관한 것인가?	원주형태 구조물(Circular cylinder)에 연구는 국내․외에서 Maull and Milliner(1978), Turgut(1986), 문종춘(1988), Tasuno and Bearman(1990), Mittal and Kumar(2001) 등이 연구하였으나, 대부분 단일 원주 및 2~3개 원주 주위에서 일어나는 흐름현상에 관한 것이며, 한건모(1987)는 원주의 직경, 배치형태에 따라 파력에 대해 실험하여 소개하였다. 그리고 동아대학교 하천 및 항만실험실에서 장은철(2004)은 다원주 실린더 주위의 Vortex 현상을 실험적으로 제시하였으며, 정동화(2005)는 다원주 구조물의 의한 파랑제어 효과에 대한 실험적 연구를 수행한 바 있다.
	Delft-3D WAVE 모델은 무슨 모델인가??	Delft-3D Hydrodynamic Model은 3개의 모듈로 구성되어 있는데 Delft-3D FLOW(Tidal), Delft-3D WAVE(SWAN), Delft3D SED and MOR(Sediment transport)이다. 이 중 SWAN(Simulating waves nearshore)모델은 바람, 수심 및 해류조건으로부터 근해, 호수 및 강어귀에서 파랑의 특성인자를 추정하는 제3세대 수치 파랑모델이다(Booji et al., 1991; Ris et al.

참고문헌 (12)

국토해양부 (2007). 연안침식 모니터링 체계구축 보고서.
문종춘 (1988). 왕복운동하는 원주 주위의 유동특성에 관한 연구, 석사학위논문, 동아대학교 대학원 기계공학과.
장은철 (2004). 다원주 주위 유동에 관한 실험적 연구, 석사학위 논문, 동아대학교 대학원 토목공학과.
정동화 (2005). 연안역 파랑제어 구조물에 관한 실험적 연구, 석사학위 논문, 동아대학교 대학원 토목공학과.
이상화, 박정호 (2006). "수치모형을 이용한 다원주 주위의 유동 해석", 한국해양공학회지, 제20권, 제2호, pp 29-35.

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한건모 (1987). 원주 해양구조물에 작용하는 파력의 파력계수에 관한 연구, 박사학위 논문, 동아대학교 대학원 토목공학과.
Booji, N., Ris, R.C. and Holthuijsen, L.H. (1999). "A Thirdgeneration Wave Model for Coastal Regions, Part I, Model Description and Validation", J. Geophys. Res., Vol 104, C4, pp 7649-7666.

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Maull, D.J. and Milliner, M.G. (1978). Sinusoidal Flow Past a Circular Cylinder, Coastal Engineering 2.
Mittal, S. and Kumar, V. (2001). "Flow-induced Oscillations of Two Cylinders in Tandem and Staggered Arrangements", Journal of Fluids and Structures, 15, pp 717.

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Ris, R.C., Booij, N. and Holthuijsen, L.H. (1999). "A Thirdgeneration Wave Model for Coastal Regions, Part II, Verification", J. Geophys. Res., Vol 104, C4, pp 7667-7681.

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Tatsuno, M. and Bearman, P.W. (1990). A Visual Study of the Flow around an Oscillating Circular Cylinder at Low, J. Fluid.
Turgut, S. (1986), "Force on a Circular Cylindeer in Viscous Oscillatory Flow at Low Keulegan-Carpenter Numbers", J. Fluid Mech., 165, pp 61-71.

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