선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 이상과 같은 일련의 공기흐름속도, 구조물 전면 및 공기실 내에서 파랑변형 및 구조물에 의한 반사율에 대한 수리실험 결과 및 본 3D-NIT모델에 의한 수치시뮬레이션결과와의 비교·분석으로부터 본 모델의 타당성이 충분히 검증되는 것으로 판단된다. 따라서, 이하에서는 불규칙파동의 작용하에 OWC파력발전구물에서 공기흐름속도의 주파수스펙트럼 등을 위시한 여러 특성을 검토한다.
- 이로부터 공기흐름속도의 측정에 계측기기가 갖는 프로펠러의 관성력으로 공기흐름속도에 관한 직접적인 검증은 충분히 수행되지 못하였지만 합리적인 변화양상을 확인할 수 있었다. 또한 공기실 내에서 수위변동 및 구조물에 의한 반사율에서 본 3D-NIT모델의 적용성을 확인할 수 있었다. 이상으로부터 본 모델을 불규칙파동장에 설치된 OWC파력발전구조물의 주변파동장 및 공기실 내에서 공기흐름속도의 추정에 적용하여 다음과 같은 중요한 사항을 알 수 있었다.
- 본 연구에서는 3D-NIT모델을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우에 문제로 지적되는 평균수위상승을 억제하면서 안정적으로 불규칙파가 조파될 수 있는 시스템을 기술(Fujiwara, 2005; 이, 2007)하며, Goda의 방법(1985)에 따른 불규칙파의 조파방법도 간략히 기술한다. 규칙파의 조파방법은 선형이론으로부터 얻어진 성분파의 주파수에 하나씩 순번을 붙여서 이를 무한급수의 합으로 고려하는 것이다.
- 중요한 대체에너지기술의 하나로 인식되는 진동수주형의 파랑에너지변환시스템에 있어서 불규칙파동장하 공기실 내의 불규칙공기흐름속도의 추정에 본 연구에서 제시하는 3D-NIT모델의 적용성을 검토할 목적으로, 먼저 규칙파동장하에서 공기흐름속도, 구조물 주변과 공기실 내에서 수위변동 및 구조물에 의한 반사율에 대한 본 수리실험결과와 본 3D-NIT모델에 의한 결과를 비교·검토하였다.
제안 방법
- 3D-NIT모델의 검증을 위한 다른 수단으로 구조물 주변에서 발생하는 파랑변형과정에 대한 수리모형실험결과와 수치해석결과를 비교·검토한다.
- 3차원수치파동수로에 기초한 본 3D-NIT모델에 의한 불규칙파의 조파성능을 검토하기 위하여 Table 1에 제시하는 규칙파의 파랑조건에 상당하는 불규칙파랑의 유의주기 및 유의파고를 적용하여 Bretschneider and Mitsuyasu스펙트럼으로부터 불규칙파랑(주파수성분은 M = 150개)을 조파한다. 이로부터 조파위치에서 발생하는 수위변동에 의한 주파수스펙트럼(편리상 target spectrum으로 칭함) 및 구조물이 존재하지 않을 때 구조물의 위치에서 수위변동에 의한 주파수스펙트럼(편리상 incident spectrum으로 칭함)을 본 수치모델로부터 산한 결과 및 입력조파스펙트럼(편리상 input spectrum으로 칭함)을 각각 Fig.
- OWC파력발전구조물을 대상으로 구조물 주변의 파동장 및 공기흐름속도에 관한 수리모형실험을 수행하였다. 단, 수리모형실험의 범위는 본 연구의 주된 목적인 수치파동수조모델의 공기흐름에 대한 적용성의 검증이라는 측면에서 규칙파동장 하에 제한된 조건으로 실시되었다.
- 공기흐름해석에 3D-NIT모델의 적용성을 검증하기 위하여 규칙파에 대한 공기실 내에서의 수위변동으로부터 추산된 공기흐름속도와 수리모형실험으로부터 얻어진 공기흐름속도를 비교·검토하며, 또한 구조물 주변에서 발생하는 파랑변형과정을 비교·검토한다.
- 수위변동은 구조물 전면에 3점 (W2, W3(구조물 전면에서 파장L 지점) 및 W4(구조물 전면에서 1 cm 지점)) 및 공기실내 중앙부 1점(W5)에 설치된 용량식파고계(Keneck-CHT-6-30)로부터 측정되었으며, 또한 입사파고를 측정하기 위하여 조파기 전면(W1)에도 파고계를 설치하였다. 그리고, Fig. 3에 나타낸 바와 같이 구조물 상단의 공기 유출부(지름이 4 cm인 원형단면)에 0~20 m/s의 계측범위를 갖는 프로펠라형풍속계(Miniair6)를 설치하여 공기흐름속도를 계측하였다. OWC파력발전구조물의 모형크기 및 파고계의 설치지점 등은 Fig.
- 본 연구에서는 이상의 기초방정식에 기초한 3D-NIT모델을 적용하여 규칙파 및 불규칙파에 의한 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도 및 수위변동 등의 해석을 수행하였다. 대상의 구조물은 불투과성이기 때문에 실제의 수치계산에서는 체적공극율, 면적공극율 및 투과층 내에서 저항력 등은 무시되었고, 또한 계산영역의 양측면과 바닥에는 불투과경계조건이 적용되었다.
- 본 3D-NIT모델의 조파이론으로부터 Bretschneider and Mitsuyasu(Mitsuyasu, 1970)에 의한 입력조파스펙트럼과 조파위치에서의 수위변동으로부터 산정된 주파수스펙트럼, 그리고 OWC파력발전구조물의 공기실 위치까지 전파된 불규칙파랑의 수위변동으로부터 얻어지는 주파수스펙트럼을 구조물의 유무에 따라 비교·검토한다. 또한, OWC파력발전 구조물의 공기실 내에서 수위변동에 식 (15)를 적용하여 추정되는 공기흐름속도에 대한 주파수스펙트럼의 특성을 분석하며, Fig. 2의 W2, W3의 위치에서 얻어지는 수위변동에 Goda and Suzuki(1976)의 2점법에 의한 반사율추정법을 적용하여 유의주기의 변화에 따른 반사율의 변화를 검토한다.
- 본 3D-NIT모델의 조파이론으로부터 Bretschneider and Mitsuyasu(Mitsuyasu, 1970)에 의한 입력조파스펙트럼과 조파위치에서의 수위변동으로부터 산정된 주파수스펙트럼, 그리고 OWC파력발전구조물의 공기실 위치까지 전파된 불규칙파랑의 수위변동으로부터 얻어지는 주파수스펙트럼을 구조물의 유무에 따라 비교·검토한다.
- 본 연구에서는 이상의 기초방정식에 기초한 3D-NIT모델을 적용하여 규칙파 및 불규칙파에 의한 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도 및 수위변동 등의 해석을 수행하였다. 대상의 구조물은 불투과성이기 때문에 실제의 수치계산에서는 체적공극율, 면적공극율 및 투과층 내에서 저항력 등은 무시되었고, 또한 계산영역의 양측면과 바닥에는 불투과경계조건이 적용되었다.
- 수리실험에서 측정항목은 공기 유출부에서의 공기흐름속도, 구조물 전면 및 공기실 내에서 수위변동이다. 수위변동은 구조물 전면에 3점 (W2, W3(구조물 전면에서 파장L 지점) 및 W4(구조물 전면에서 1 cm 지점)) 및 공기실내 중앙부 1점(W5)에 설치된 용량식파고계(Keneck-CHT-6-30)로부터 측정되었으며, 또한 입사파고를 측정하기 위하여 조파기 전면(W1)에도 파고계를 설치하였다. 그리고, Fig.
- 이와 같이 검토된 본 해석법의 타당성 하에 본 3D-NIT모델을 불규칙파동장하의 OWC파력발전구조물에서 공기실 내 공기흐름의 해석에 적용하여, Bretschneider and Mitsuyasu스펙트럼(Mitsuyasu, 1970)에 근거한 입사주파수스펙트럼의 변화에 따른 공기흐름 주파수스펙트럼의 변화특성, 구조물의 존재여부에 따른 공기실 위치에서 주파수스펙트럼의 변화특성 및 구조물에 의한 반사율의 변화특성 등을 논의한다. 이러한 결과로부터 실해역에서 이용가능한 파랑에너지밀도가 가장 높게 분포하는 파랑조건이 결정되면 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도, 반사율 및 공기실 내에서 수위변동의 특성 등을 용이하게 판단할 수 있을 것이며, 향후 OWC파력발전구조물의 계획, 설계 및 시공 등에 중요한 기초자료를 제공할 수 있을 것이다.
- 진동수주형 파력발전구조물에 대한 전술한 수리모형실험과 3D-NIT모델에 의해 도출된 공기실 내에서 유·출입하는 공기흐름속도의 최대치 및 구조물 주변에서 발생하는 파랑변형 과정을 비교하였다.
대상 데이터
- 단, 수리모형실험의 범위는 본 연구의 주된 목적인 수치파동수조모델의 공기흐름에 대한 적용성의 검증이라는 측면에서 규칙파동장 하에 제한된 조건으로 실시되었다. 수리모형실험은 피스톤형의 조파장치가 설치된 한국해양대학교 2차원조파수조(폭 : 0.5 m, 높이 : 0.5 m, 길이 : 12 m)에서 실시되었으며, Fig. 1에 나타낸 바와 같이 아크릴(폭 : 0.5 m, 높이 : 0.41 m, 길이 : 0.38 m)로 주문제작된 OWC파력발전구조물을 고정시켰다. 수리실험의 전체적인 개요를 Fig.
이론/모형
- 3차원불규칙파수치파동수로에 기초한 본 연구의 3D-NIT모델은 기존의 2차원수치파동수로의 계산수법을 기본으로 3차원으로 확장한 것이며, 자유수면 해석모델에 VOF법을, 난류해석에는 k-ε 모델을 각각 적용하였고, 3차원수치파동수로의 기초방정식은 3차원비압축성의 점성유체를 대상으로 한 연속식 및 Navier-Stokes방정식을 PBM (Porous Body 모델)에 근거하여 확장한 다음의 식(1)~(4)와 같이 주어진다.
- 의 선택방법에는 주파수스펙트럼을 등구간으로 분할하는 방법과 각각의 성분파의 진폭이 거의 같도록 하는 등에너지로 분할하는 방법 등이 있다. 본 연구에서는 에너지밀도함수인 Bretschneider and Mitsuyasu스펙트럼(Mitsuyasu, 1970)을 대상으로 성분파의 에너지를 균둥하게 고려하기 위해 Goda(1985)가 제안한 등에너지로 스펙트럼을 분할하는 다음의 식(14)를 이용하여 주파수 fm을 선택하였다.
- 본 연구에서는 저반사안벽용 OWC파력발전구조물에서 공기흐름을 해석하기 위하여 규칙파랑뿐만 아니라 불규칙파랑을 해석할 수 있는 3차원수치모델인 3D-NIT(Three-Dimensional Numerical Irregular wave Tank)모델(이 등, 2012)을 적용한다. 해석에서는 자유수면추적에 VOF법(Hirt and Nichols, 1981)을, 난류해석에 k-ε모델을 각각 적용하며, 무반사조파 시스템을 구현한 3차원수치조파수로를 적용한다.
- 일반적으로 수치해석을 통해 불규칙파를 검토하는 경우 전술한 바와 같이 해석시간이 증가됨에 따라 평균수위가 상승하는 문제가 지적되어 있다(CDIT, 2001). 본 연구에서는 평균수위상승을 억제하는 방법으로 조파지점에서 수평유속을 산출할 때 각 성분파에 대응하는 Stokes파의 질량수송속도를 뺀 다음의 식(12)를 적용한다(Fujiwara, 2005; 이, 2007).
- 여기서, ∆f는 주파수폭, S(f)는 파랑에너지밀도이며, 불규칙파의 스펙트럼은 불규칙파를 모의하는 데에 널리 사용되고 있는 식(11)의 Bretschneider and Mitsuyasu스펙트럼(Mitsuyasu, 1970)을 적용하였다.
- 해석에서는 자유수면추적에 VOF법(Hirt and Nichols, 1981)을, 난류해석에 k-ε모델을 각각 적용하며, 무반사조파 시스템을 구현한 3차원수치조파수로를 적용한다.
성능/효과
- (1) Bretschneider and Mitsuyasu스펙트럼에 기초한 input spectrum과 조파지점에서 계측된 수위변동으로부터 산정된 target spectrum은 잘 일치하며, 조파된 불규칙파랑의 전파에 따라 파랑에너지의 분산 및 유체점성 등에 의해 incident spectrum의 첨두주파수대에서 파랑에너지의 감쇠가 발생하며, 이러한 경향은 유의주기와 유의파고가 커질수록 현저하게 나타난다.
- (2) OWC파력발전구조물의 설치 유무에 따른 공기실 위치에서의 수위변동으로부터 추산된 스펙트럼에서 구조물이 존재할 때 모든 주파수대에서 파랑에너지가 증대되며, 이는 첨두주파대 근방에서 최대로 나타난다.
- (3) 공기실 내에서 수위변동과 이에 따른 공기흐름속도의 시간변화에서는 항상 위상차이가 존재하며, 공기흐름속도에 관한 주파수스펙트럼의 첨두주파수가 수위변동에 대한 주파수스펙트럼의 경우보다 약간 단주기측으로 이동된다.
- (4) 규칙파동장 및 불규칙파동장에서 OWC파력발전구조물에 의한 반사율 Kr은 동일한 변화양상을 나타내지만 불규칙파동장의 경우가 단주기측에서, 특히 최소의 반사율을 나타내는 주기대 근방에서는 상대적으로 큰 반사율을 나타낸다.
- Figs. 5, 6에서 두 결과치의 대응성을 살펴보면 구조물 전면의 경우에는 주기가 길어질수록 파곡부분에서 약간의 불일치가 나타나고, 공기실 내에서는 파봉과 파곡부분에서 실험치가 약간 작은 값을 나타내는 것을 알 수 있지만, 그의 차이는 전체적으로 미소한 것으로 판단된다. 특히, 실험치와 수치해석결과의 경과시간 및 주기에 따른 변화과정 등이 매우 잘 일치하는 것을 알 수 있기 때문에 본 3D-NIT모델의 적용성을 확인할 수 있는 것으로 판단된다.
- 13에는 불규칙파랑에 대한 OWC파력발전구조물의 반사율 Kr의 변화를 공기실 폭 B와 유의파장 L1/3과의 비인 B/L1/3의 변화에 대해 제시한다. 결과를 살펴보면 특정한 B/L1/3= 0.106에서 최소의 반사율을 나타내고, 좌우로 갈수록 반사율이 증가하는 경향을 나타낸다. 이러한 경향은 규칙파동장하인 Fig.
- 11에서 언급한 바와 같이 두 변동량의 시간변화에서 위상차이가 존재하기 때문으로, 즉 수위변동의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때문이다. 그리고, 수위변동의 시간변화량에서 일반적으로 동일한 유의파고의 조건하에서는 유의주기가 길수록 변환되는 공기흐름속도는 감소될 것이고, 반면에 동일한 유의주기의 조건하에서는 유의파고가 클수록 변환되는 공기흐름속도는 증가할 것으로 예측된다. 따라서, 이러한 사실에 근거하여 Fig.
- 7을 검토한다. 그림에서 수리실험결과 및 3D-NIT모델에 의한 수치해석결과 모두 특정한 B/L의 값에서 최소치(B/L = 0.106)를 취하고, B/L의 양측으로 갈수록 반사율이 증가하는 경향을 나타내며, 두 결과의 대응성은 매우 잘 일치하는 것을 알 수 있다. 여기서, 반사율이 최소로 되는 지점에서 공기흐름속도가 최대로 된다는 사실이 이 등(2011)에 의해 주어져 있다.
- 다음으로, 구조물이 존재하지 않을 때 조파된 불규칙파랑이 구조물이 위치하는 지점까지 전파된 경우에 수위변동으로부터 산정되는 incident spectrum을 target spectrum과 비교하면 전체적으로 incident spectrum의 파랑에너지가 감쇠되고, 이러한 현상은 첨두주파수대에서 크게 나타나며, 특히 유의주기 및 유의파고가 큰 경우에 현저하게 나타나는 것을 알 수 있다. 이것은 조파된 target spectrum이 수심이 얕은 수조상을 전파하면서 나타나는 파랑에너지의 분산에 의한 결과로, 첨두주파수대에서 고파랑에너지의 분산이 크게 나타나는 것으로 추산된다.
- 먼저, input spectrum과 target spectrum을 살펴보면 유의주기가 T1/3 = 1.04, 1.12 sec인 경우는 주파수의 변화에 따른 두 스펙트럼의 변화과정은 거의 일치하는 것을 알 수 있고, 특히 첨두주파수에서 스펙트럼의 값도 거의 동일한 것을 알 수 있다. 그러나, 유의주기가 길어지는 case 9와 11의 경우에는 주파수의 변화에 따른 두 스펙트럼의 변화과정은 거의 일치하지만 첨두주파수에서 target spectrum의 값이 약간 큰 것을 볼 수 있고, 특히 유의주기가 긴 경우에 이러한 현상이 명확히 나타나는 것을 알 수 있다.
- 중요한 대체에너지기술의 하나로 인식되는 진동수주형의 파랑에너지변환시스템에 있어서 불규칙파동장하 공기실 내의 불규칙공기흐름속도의 추정에 본 연구에서 제시하는 3D-NIT모델의 적용성을 검토할 목적으로, 먼저 규칙파동장하에서 공기흐름속도, 구조물 주변과 공기실 내에서 수위변동 및 구조물에 의한 반사율에 대한 본 수리실험결과와 본 3D-NIT모델에 의한 결과를 비교·검토하였다. 이로부터 공기흐름속도의 측정에 계측기기가 갖는 프로펠러의 관성력으로 공기흐름속도에 관한 직접적인 검증은 충분히 수행되지 못하였지만 합리적인 변화양상을 확인할 수 있었다. 또한 공기실 내에서 수위변동 및 구조물에 의한 반사율에서 본 3D-NIT모델의 적용성을 확인할 수 있었다.
- 이상과 같은 일련의 공기흐름속도, 구조물 전면 및 공기실 내에서 파랑변형 및 구조물에 의한 반사율에 대한 수리실험 결과 및 본 3D-NIT모델에 의한 수치시뮬레이션결과와의 비교·분석으로부터 본 모델의 타당성이 충분히 검증되는 것으로 판단된다.
- 또 다른 원인으로는 유체점성에 의한 파랑에너지의 감쇠 등을 들 수 있을 것이다. 이상과 같이, 주파수의 변화에 따른 input spectrum, target spectrum 및 incident spectrum의 각 변화특성 및 전파과정에서 나타나는 target spectrum의 파랑에너지 분산과정 등의 특성이 일반 해안공학적인 사실과 잘 합치되는 것으로 판단된다.
- 11에 제시한다. 전체적인 경향은 유의주기 및 유의파고가 클수록 공기실 내에서 수위변동과 이에 따른 공기흐름속도가 크게 나타나고, 두 변동량의 시간변화에서는 항상 위상차이가 존재한다는 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 식 (15)로부터도 알 수 있는 바와 같이 파봉과 파곡의 전후에서는 수위변동량이 나타나지 않기 때문에 공기흐름속도는 0으로 주어지고, 반면에 수위의 영점상향 혹은 하향교차점에서는 수위변동량이 크게 나타나므로 이에 따라 공기흐름속도가 크게 주어지기 때문이다.
- 10은 OWC파력발전구조물의 설치 유무에 따른 공기실 위치에서 수위변동으로부터 추산된 스펙트럼을 나타낸 결과이다. 제시된 모든 결과에서 구조물이 존재할 때 모든 주파수대에서 파랑에너지가 증대되는 것을 알 수 있고, 이는 첨두주파대 근방에서 최대로 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과로부터 공기실 내에서 다중반사 등에 의해 파고가 증폭되는 것을 알 수 있고, Nakamura and Nakahashi(2005)에 의하면 piston mode의 공진에 의해 입사파랑에너지를 포획하여 반사율을 감소시키는 결과로 귀착되는 것으로 알려져 있다.
- 5, 6에서 두 결과치의 대응성을 살펴보면 구조물 전면의 경우에는 주기가 길어질수록 파곡부분에서 약간의 불일치가 나타나고, 공기실 내에서는 파봉과 파곡부분에서 실험치가 약간 작은 값을 나타내는 것을 알 수 있지만, 그의 차이는 전체적으로 미소한 것으로 판단된다. 특히, 실험치와 수치해석결과의 경과시간 및 주기에 따른 변화과정 등이 매우 잘 일치하는 것을 알 수 있기 때문에 본 3D-NIT모델의 적용성을 확인할 수 있는 것으로 판단된다.
- 그리고, 주기가 길어지면 상대적으로 프로펠러의 관성력이 상대적으로 줄어들기 때문에 두 결과치에서 차이가 줄어들어야 하는 것이 당연하지만, 두 결과치에서 차이가 커지는 것은 본 실험에서는 주기가 길수록 큰 입사파고를 적용하였기 때문이다. 하여튼, 두 결과치에서 주기의 변화에 따른 변화양상은 동일하게 나타나는 것을 알 수 있고, 전술한 프로펠러의 관성력을 감안하면 두 결과치의 대응성은 합리적인 것으로 판단된다.
후속연구
- 본 연구에서는 규칙파를 대상으로 제안된 수리실험을 수행하였지만 향후 불규칙파동장에 대한 수리모형실험을 통해 보다 상세한 검증이 요구된다.
- 이와 같이 검토된 본 해석법의 타당성 하에 본 3D-NIT모델을 불규칙파동장하의 OWC파력발전구조물에서 공기실 내 공기흐름의 해석에 적용하여, Bretschneider and Mitsuyasu스펙트럼(Mitsuyasu, 1970)에 근거한 입사주파수스펙트럼의 변화에 따른 공기흐름 주파수스펙트럼의 변화특성, 구조물의 존재여부에 따른 공기실 위치에서 주파수스펙트럼의 변화특성 및 구조물에 의한 반사율의 변화특성 등을 논의한다. 이러한 결과로부터 실해역에서 이용가능한 파랑에너지밀도가 가장 높게 분포하는 파랑조건이 결정되면 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도, 반사율 및 공기실 내에서 수위변동의 특성 등을 용이하게 판단할 수 있을 것이며, 향후 OWC파력발전구조물의 계획, 설계 및 시공 등에 중요한 기초자료를 제공할 수 있을 것이다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.