본 연구에서는 3차원수치파동수조에 규칙파뿐만 아니라 안정적인 불규칙파가 조파될 수 있는 새로운 조파시스템 3D-NIT(3-Dimensional Numerical Irregular wave Tank)모델을 제안한다. 그의 타당성을 검증하기 위하여 1) 조파지점에서 계산파형과 목표파형을 비교 검토하고, 2) 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 기존 월파량에 대한 실험치와 비교 검토하며, 3) 연직원주 구조물에 작용하는 파력 및 구조물에 의한 파랑변형의 해석에 적용하여 기존의 수치 및 수리실험결과와 비교한다. 이상의 결과를 기초로 3D-NIT모델을 경사수심역에 설치된 원주구조물에 작용하는 쇄파력의 해석에 적용하여 입사파고, 구조물의 이격거리 등에 따른 작용쇄파력의 특성을 규명하고, 더불어 국내현장의 특수방파제에 적용하여 반사율, 월파량 등을 검토하였다. 그 결과 본 연구에서 제안하는 3D-NIT모델을 이용한 수치실험결과는 기존의 수리모형실험을 잘 재현하고 있음을 확인하였고 복잡한 형상을 갖는 해안구조물의 해석에 적용할 수 있음이 확인되었다.
본 연구에서는 3차원수치파동수조에 규칙파뿐만 아니라 안정적인 불규칙파가 조파될 수 있는 새로운 조파시스템 3D-NIT(3-Dimensional Numerical Irregular wave Tank)모델을 제안한다. 그의 타당성을 검증하기 위하여 1) 조파지점에서 계산파형과 목표파형을 비교 검토하고, 2) 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 기존 월파량에 대한 실험치와 비교 검토하며, 3) 연직원주 구조물에 작용하는 파력 및 구조물에 의한 파랑변형의 해석에 적용하여 기존의 수치 및 수리실험결과와 비교한다. 이상의 결과를 기초로 3D-NIT모델을 경사수심역에 설치된 원주구조물에 작용하는 쇄파력의 해석에 적용하여 입사파고, 구조물의 이격거리 등에 따른 작용쇄파력의 특성을 규명하고, 더불어 국내현장의 특수방파제에 적용하여 반사율, 월파량 등을 검토하였다. 그 결과 본 연구에서 제안하는 3D-NIT모델을 이용한 수치실험결과는 기존의 수리모형실험을 잘 재현하고 있음을 확인하였고 복잡한 형상을 갖는 해안구조물의 해석에 적용할 수 있음이 확인되었다.
In this study, 3D-NIT(3-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model in which regular wave as well as stable irregular wave can be generated in 3-dimensional numerical irregular wave tank was proposed. To verify validity, the following steps need to be conducted: 1) comparative analysis between ...
In this study, 3D-NIT(3-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model in which regular wave as well as stable irregular wave can be generated in 3-dimensional numerical irregular wave tank was proposed. To verify validity, the following steps need to be conducted: 1) comparative analysis between calculated waveforms and targeted waveforms at the wave generating point, 2) comparative analysis with the existing experimental values of overtopping volume estimated, targeting shore protection structures installed on a slope bed, 3) comparison with the existing numerical and hydraulic experimental results through application in the analysis on the wave deformation by structures and wave force acting on the vertical cylindrical structures. Based on the results, characteristics of the breaking wave forces according to incident waves and interval distance of structures were identified through application of 3D-NIT model in the analysis on the breaking wave forces acting on the cylindrical structures installed on a slope bed, and reflection and overtopping was reviewed through application in the special breakwaters on the domestic fields. The numerical results obtained the 3D-NIT model are in good agreement with experimental results, and its applicaion to the complex-shpaed coastal structures is verified.
In this study, 3D-NIT(3-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model in which regular wave as well as stable irregular wave can be generated in 3-dimensional numerical irregular wave tank was proposed. To verify validity, the following steps need to be conducted: 1) comparative analysis between calculated waveforms and targeted waveforms at the wave generating point, 2) comparative analysis with the existing experimental values of overtopping volume estimated, targeting shore protection structures installed on a slope bed, 3) comparison with the existing numerical and hydraulic experimental results through application in the analysis on the wave deformation by structures and wave force acting on the vertical cylindrical structures. Based on the results, characteristics of the breaking wave forces according to incident waves and interval distance of structures were identified through application of 3D-NIT model in the analysis on the breaking wave forces acting on the cylindrical structures installed on a slope bed, and reflection and overtopping was reviewed through application in the special breakwaters on the domestic fields. The numerical results obtained the 3D-NIT model are in good agreement with experimental results, and its applicaion to the complex-shpaed coastal structures is verified.
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문제 정의
이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하게 되며, 이에 따라 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다. 따라서, 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 3차원 구조물과의 간섭 현상만을 검토하는 것으로 한다.
쇄파에 대한 이론 및 실험적 연구는 오래 전부터 많은 연구자들에 의해서 수행되어 왔고, 최근에는 과도수파생성법(조 등, 2001)에 의한 쇄파현상의 재현 및 비선형파의 3차원수치해석법에 의한 연구가 수행되어 오고 있다(신, 2008). 본 논문에서는 3D-NIT모델을 적용하여 쇄파가 발생할 경우에 쇄파전의 영역, 쇄파영역 및 쇄파후의 영역에 각각 원주구조물이 설치된 경우에 작용쇄파력과 파랑변형의 특성을 조사하여 3D-NIT모델의 적용성을 검토한다.
본 연구에서는 수리실험에 의존해 오던 3차원 불규칙파와 구조물과의 상호작용에 의한 3차원 수리특성을 수치적으로 접근 가능하고, 복잡한 구조물에 대해서도 실해역에 주어지는 불규칙파의 재현이 가능한 3D-NIT모델의 개발 및 그의 적용성을 검토하는 것을 목적으로한다. 세부내용으로1) 조파지점에서 계산파형과 목표파형을 비교·검토하고,2) 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 추정된 기존의 월파량의 실험치와 비교·검토하며,3) 연직원주구조물에 작용하는 파력 및 구조물에 의한 파랑변형의 해석에 적용하여 기존의 수치 및 수리실험결과와 비교함으로써 수치모형을 검증하였다.
본 연구에서는 이상에서 타당성이 검증된 3D-NIT모델을 원주구조물에 작용하는 쇄파력의 해석에 적용하여 그 특성을 검토한다. 쇄파에 대한 이론 및 실험적 연구는 오래 전부터 많은 연구자들에 의해서 수행되어 왔고, 최근에는 과도수파생성법(조 등, 2001)에 의한 쇄파현상의 재현 및 비선형파의 3차원수치해석법에 의한 연구가 수행되어 오고 있다(신, 2008).
제안 방법
1. 3D-NIT모델을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 문제로 되는 평균수위상승문제를 해결하여 안정적으로 불규칙파를 조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다.
3차원파동장에 설치된 비균등단면의 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 따른 구조물주변의 파랑변형에 대하여 해석해 및 2차오더의 회절산란포텐셜을 유도한 眞田(1998)의 수치해석결과 및 수리실험결과와 본 수치해석결과를 비교·검토한다.
Fig. 1에서 적용한 구조물은 상이한 두 직경으로 구성된 원주구조물(하부; 직경 50 cm, 높이 30 cm, 상부; 직경 33 cm, 높이 15 cm)이 일정수심 h = 45 cm의 3차원수치파동수조에 놓여 있고, 이에 입사파고 H = 3 cm, 입사주기 T = 1.0 sec의 규칙파가 내습하는 경우에 수치해석을 수행하였다. 수치계산에서는 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을 방지하기 위하여 부가감쇠영역을 설치하며(Hinatsu, 1992), 부가감쇠영역의 길이는 입사파장 L의 2배 이상으로 하였다.
83 sec, 환산심해파고 #의 목표파가 설정되었다. 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 파가 안정적인 것으로 판단되는 조파 개시후 50 sec에서부터 600 sec 사이의 파이며, 호안의 마루위에 설치된 수평유속계로부터 얻어진 수평유속에 미소단면적을 곱하여 산정한 미소월파량을 전 단면에 대해 합하고 시간평균하여 월파량을 산정하였다.
본 연구에서는 3차원 VOF법에 의한 수면추적법과 k-ε 난류모델에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT모델을 이용하여 규칙파 및 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 작용파력, 반사율 및 월파유량을 검토하였으며, 3차원에서도 안정적으로 규칙파 및 불규칙파가 조파될 수 있는 것을 검증·확인하였다. 그리고, 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석, 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고, 더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT모델을 적용하여 반사율과 월파량 등을 검토하였으며, 이로부터 얻어진 주요한 사항을 아래에 기술한다.
세부내용으로1) 조파지점에서 계산파형과 목표파형을 비교·검토하고,2) 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 추정된 기존의 월파량의 실험치와 비교·검토하며,3) 연직원주구조물에 작용하는 파력 및 구조물에 의한 파랑변형의 해석에 적용하여 기존의 수치 및 수리실험결과와 비교함으로써 수치모형을 검증하였다. 또한 이상의 결과를 기초로 3D-NIT모델을 경사수심역에 설치된 원주구조물에 작용하는 쇄파력의 해석에 적용하여 입사파고, 구조물의 이격거리 등에 따른 작용쇄파력의 특성을 규명하고, 더불어 국내현장의 특수방파제에 적용하여 반사율, 월파량 등을 검토한다.
본 연구에서 적용한 수치파동수조에서는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여 Δx = 0.5m, 수치파동수조의 폭방향에 대해서는Δy = 0.5m, 높이방향에 대해서는 Δz = 0.5m의 일정한 격자를 각각 적용하였다.
본 연구에서는 3차원 VOF법에 의한 수면추적법과 k-ε 난류모델에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT모델을 이용하여 규칙파 및 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 작용파력, 반사율 및 월파유량을 검토하였으며, 3차원에서도 안정적으로 규칙파 및 불규칙파가 조파될 수 있는 것을 검증·확인하였다.
세부내용으로1) 조파지점에서 계산파형과 목표파형을 비교·검토하고,2) 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 추정된 기존의 월파량의 실험치와 비교·검토하며,3) 연직원주구조물에 작용하는 파력 및 구조물에 의한 파랑변형의 해석에 적용하여 기존의 수치 및 수리실험결과와 비교함으로써 수치모형을 검증하였다.
9는 Table 3의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다. 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 50 sec에서부터 600 sec 사이의 파이며, 순간월파량 qs는 호안 전면 상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda, 1985).
전술한 실험조건을 적용한 3차원 수치파동수조에서 Fig. 8과 같이 구조물로부터 파장 L만큼 떨어진 지점에 y축방향으로 파고계 간격 L/4로 7개의 파고계를 설치한 후 획득된 데이터를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다. 본 연구에서는 반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다.
대상 데이터
Fig. 4와 같은 수심 h = 30 cm를 갖는 규칙파동장의 경사 수심역에 설치된 원주구조물을 대상으로 파력을 산정하였다. 적용한 규칙파는 주기 T = 1.
3D-NIT모델은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의 조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다. 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 312.5 m, 폭 43.5 m, 높이 31.5 m인 직사각형수조이다.
7(b)의 요철곡면슬리트케이슨(I케이슨) 안벽을 대상으로 반사율과 월파량을 산정하기 위하여 본 연구의 3D-NIT모델을 적용한다. 이에 적용한 불규칙파는 유의주기 T1/3 = 7.0, 15.5 sec, 유의파고 H1/3 = 1.4, 2.5m를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다. 3D-NIT모델은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의 조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다.
이론/모형
7(a)의 육각슬리트케이슨(H케이슨) 안벽과 Fig. 7(b)의 요철곡면슬리트케이슨(I케이슨) 안벽을 대상으로 반사율과 월파량을 산정하기 위하여 본 연구의 3D-NIT모델을 적용한다. 이에 적용한 불규칙파는 유의주기 T1/3 = 7.
8과 같이 구조물로부터 파장 L만큼 떨어진 지점에 y축방향으로 파고계 간격 L/4로 7개의 파고계를 설치한 후 획득된 데이터를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다. 본 연구에서는 반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다. 반사율의 추정결과를 Table 2에 나타내었으며, 결과를 살펴보면 H케이슨보다 I케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다.
일반적으로 수치해석을 통해 불규칙파를 검토하는 경우 해석시간이 증가됨에 따라 평균수위가 상승하는 문제가 있다(CDIT, 2001; 이, 2007). 본 연구에서는 평균수위상승을 억제하는 방법으로 조파지점에서 수평유속을 산출할 때 각성분파에 대응하는 Stokes파의 질량수송속도(Mass transport velocity)를 빼주는 방법을 적용한다(Fujiwara, 2005; 이, 2007). 즉, 식(8)에서 질량수송속도를 뺀 수평유속은 식(12)과 같이 표현된다.
본 연구의 3D-NIT모델은 기존의 2D-NIT(Two-Dimensional Numerical Irregular wave Tank)모델의 계산수법을 3차원으로 확장한 것으로, 자유표면의 해석모델에 VOF법을, 난류해석에는 k-ε모델을 각각 적용하였다.
성능/효과
2. 본 연구에서 제안한 3D-NIT모델에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑에 의한 결과를 실험치와 비교·검토한 결과 수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT모델의 타당성이 검증되었다.
3. 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 월파량을 실험치와 비교·검토한 결과 호안의 전면수심 및 여유고의 변화에 따른 월파량의 특성을 잘 재현하고 있음을 알 수 있었고 10-3 이상의 오더를 갖는 월파량에 대해서는 수리실험 결과를 높은 정도를 재현하였다.
Fig. 10은 H케이슨단면 및 I케이슨에 h = 19.05m, H1/3 = 2.5m, T1/3 = 15.5 sec의 조건에 대한 구조물 주변에서 수위의 시·공간적인 3차원 변화과정을 나타낸 것으로, 제시된 결과를 보면 3차원 수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동 및 월상황의 3차원적인 특성을 잘 재현하고 있음을 확인할 수 있다.
33으로 변화시킨 경우에 구조물의 무차원이격거리에 따른 무차원최대파력의 크기를 검토한 결과이다. 결과를 살펴보면 구조물의 무차원이격거리가 증가함에 따라 무차원파력이 감소하는 경향을 나타낸다. 이와 같은 결과는 기본적으로 원주구조물이 설치된 지점의 이전에 쇄파가 발생하였기 때문이며, 결과적으로 쇄파후의 파랑에 대한 무차원파력의 변화를 나타낸 것으로 볼 수 있다.
결과를 살펴보면 실험치가 주어져 있는 ka > 0.75(k는 파수, k = 2π/L)의 범위에서는 본 연구의 수치해석결과는 수리실험결과를 잘 재현하고 있는 것으로 판단된다.
결과적으로, ka > 0.75의 영역에서 항력과 관성력이 동시에 고려되는 Navier-Stokes의 운동방정식에 근거한 본 연구의 수치해석이 타당한 결과를 나타내는 것으로 판단된다.
슬리트케이슨의 기본적인 반사율의 특성을 고찰한 Tanimoto and Yoshimoto(1982)의 연구결과에 의하면 슬리트케이슨의 유수실의 폭과 입사파장과의 관계는 반사율에 큰 영향을 미치며 주기가 감소함에 따라 비교적 작은 유수실 폭을 갖는 슬리트케이슨에서 반사율을 제어할 수 있다고 보고하고 있다. 따라서 본 연구에서 적용하고 있는 슬리트케이슨의 경우 유수실의 크기가 제한적이기 때문에 긴 주기의 파랑제어는 다소 무리가 있는 것으로 판단된다. 하지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 짧은 주기파랑이 지배적이며 짧은 주기파랑일 때 수심에 따른 반사율은 전면부가 직벽에 가까운 H케이슨보다 복잡한 형태의 I케이슨에서 반사율의 저감율이 62.
59 이상부터 경사수심의 끝단부 이전 지점에서 쇄파가 발생하여 쇄파로 인한 파랑에너지가 많이 소산된 결과로 판단된다. 따라서, Ursell수가 더 커지더라도 쇄파가 발생하는 위치에 따라 낮은 파고에서도 높은 파력이 작용할 수 있다는 것을 나타낸다.
정상상태로 판단되는 t/T ≈3이후의 무차원파력의 결과를 살펴보면 Ur = 3.44, 5.16, 6.87까지는 무차원최대파력이 증가하지만 Ur = 8.59 이상부터는 오히려 무차원최대파력이 감소하는 것을 알 수 있다.
또한 본 연구에서 적용하고 있는 수치모델은 액체의 거동만을 해석하는 단상류 모델로 월파시에 발생하는 격자크기 이하의 소규모의 비말(Droplet)의 거동에 대해서는 무시하고 있기 때문에 수리실험에 비해 월파량을 과소평가할 수 있다. 하지만 10-3 이상의 오더를 갖는 월파량에 대해서는 수리실험 결과를 잘 재현하고 있으므로 본 연구에서 적용한 수치모델은 월파량을 수치적으로 예측함에 있어서 그 적용성이 충분하게 인정된다고 할 수 있다.
따라서 본 연구에서 적용하고 있는 슬리트케이슨의 경우 유수실의 크기가 제한적이기 때문에 긴 주기의 파랑제어는 다소 무리가 있는 것으로 판단된다. 하지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 짧은 주기파랑이 지배적이며 짧은 주기파랑일 때 수심에 따른 반사율은 전면부가 직벽에 가까운 H케이슨보다 복잡한 형태의 I케이슨에서 반사율의 저감율이 62.2 %와 18.75 %로 각각 나타났다. 이는 I케이슨에서 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과에 기인한 것으로 판단된다.
후속연구
4. 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 월파량에 3D-NIT모델을 적용한 결과 타당한 결과를 나타내므로 3차원수리실험에서 요구되는 막대한 시간과 경제적인 측면을 보완할 수 있는 해석기법으로 그 유용성이 기대된다.
본 연구에서 제안한 3차원 수치모델의 효용성을 증대시키기 위해 경제적인 계산에 대한 고민이 필요하며 이에 대한 연구를 지속할 계획에 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
불규칙파의 조파방법이란 무엇인가?
그리고 불규칙파의 파운동을 디지털방식으로 작성하는 Goda방법에 따른 불규칙파의 조파방법도 간략히 기술한다. 불규칙파의 조파방법은 선형이론으로부터 얻어진 성분파의 주파수에 하나씩 순번을 붙여서 이를 무한급수의 합으로 고려하는 것이다. 조파지점에 있어서는 수면파형 η, 수평유속 u 및 연직유속 w의 시간적인 변동이 필요하게 되며, 이들은 각각 식(7)∼(9)로 주어진다.
3D-NIT모델을 통하여 구조물과 파랑과의 간섭현상을 검토하는 경우의 장점은 무엇인가?
구조물의 파랑응답은 파랑과 구조물의 3차원적인 특성들로 인하여 복잡하게 나타나는 현상으로, 이를 고정도로 평가하기 위해서는 3차원구조물의 형상을 정확히 재현하고, 작용하는 불규칙파랑의 영향을 면밀히 검토할 수 있는 3차원 불규칙 수치파동수조(3D-NIT) 모델의 개발이 필요하다. 3D-NIT모델을 통하여 구조물과 파랑과의 간섭현상을 검토하는 경우 구조물에 의한 주변파동장의 3차원적인 시·공간 변화, 복잡한 구조물의 형상에 의한 파랑 상호간의 간섭현상, 구조물의 3차원적인 특성에 따른 작용파압 및 파랑의 월파현상까지도 수치적으로 검토할 수 있는 장점이 있다.
본 연구는 3D-NIT모델의 개발 및 그의 적용성을 검토하는 것을 목적으로 하는데 그 세부내용 세 가지는 무엇인가?
본 연구에서는 수리실험에 의존해 오던 3차원 불규칙파와 구조물과의 상호작용에 의한 3차원 수리특성을 수치적으로 접근 가능하고, 복잡한 구조물에 대해서도 실해역에 주어지는 불규칙파의 재현이 가능한 3D-NIT모델의 개발 및 그의 적용성을 검토하는 것을 목적으로한다. 세부내용으로1) 조파지점에서 계산파형과 목표파형을 비교·검토하고,2) 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 추정된 기존의 월파량의 실험치와 비교·검토하며,3) 연직원주구조물에 작용하는 파력 및 구조물에 의한 파랑변형의 해석에 적용하여 기존의 수치 및 수리실험결과와 비교함으로써 수치모형을 검증하였다. 또한 이상의 결과를 기초로 3D-NIT모델을 경사수심역에 설치된 원주구조물에 작용하는 쇄파력의 해석에 적용하여 입사파고, 구조물의 이격거리 등에 따른 작용쇄파력의 특성을 규명하고, 더불어 국내현장의 특수방파제에 적용하여 반사율, 월파량 등을 검토한다.
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