[논문]운하에서 파랑·흐름·항주파의 상호작용에 의한 처오름 특성

허동수; 이우동; 정광효

doi:10.5574/ksoe.2013.27.4.055

[국내논문] 운하에서 파랑·흐름·항주파의 상호작용에 의한 처오름 특성
Wave Run-up Characteristics of Ocean Wave, Current, and Kelvin Wave Interaction in the Canal 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.27 no.4 = no.113, 2013년, pp.55 - 61

허동수 (국립경상대학교 해양토목공학과(해양산업연구소)) , 이우동 (국립경상대학교 해양산업연구소) , 정광효 (부산대학교 조선해양공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The numerical simulation using LES-WASS-3D is developed to investigate the wave run-up on the revetment along the canal. Interaction of ocean wave, current, and Kelvin wave is investigated on 40 conditions varying the number of ship, cruising direction, and relative cruising location of ships, when a 650TEU container cruises in the canal. The mean wave run-up heights on the revetment are compared for every simulated conditions. The largest height of wave run-up is generated at the C-pair condition and the wave run-up generated at the canal entrance is larger than that at the inside canal. When Kelvin waves is interacted with the current, the mean wave run-up height is increased approximate 10% compared with no current condition.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 3차원 수치모델에서 항주파의 조파가 가능하게 개발된 수치모델(Lee and Hur, 2011a)를 기반으로 흐름을 발생시킬 수 있게 수치모델을 개량하였다. 개량한 수치모델을 이용하여 파랑-흐름-항주파가 공존하는 운하의 출입구에서 이들 간의 비선형 상호작용에 의한 호안에서의 처오름 높이에 관하여 검토하였다. 그 주요한 결과를 기술하면 아래와 같다.
게다가 운하의 입ㆍ출구에서는 항주파와 흐름 그리고 파랑이 공존하기도 한다. 따라서 본 연구에서는 파랑-흐름-항주파가 공존하는 운하의 출입구를 대상 지역으로 새롭게 항주파의 조파방법을 개발 및 검증을 수행한 Lee and Hur (2011a)의 3차원 수치모델을 이용하여 운하의 호안에서 파랑-흐름-항주파의 비선형 상호작용에 의한 처오름 높이에 관하여 논의하는 것을 목적으로 한다.

제안 방법

(1) 파랑, 흐름 그리고 항주파의 비선형 상호작용을 해석할 수 있는 수치모델을 제안하였다.
본 연구에서는 3차원 수치모델에서 항주파의 조파가 가능하게 개발된 수치모델(Lee and Hur, 2011a)를 기반으로 흐름을 발생시킬 수 있게 수치모델을 개량하였다. 개량한 수치모델을 이용하여 파랑-흐름-항주파가 공존하는 운하의 출입구에서 이들 간의 비선형 상호작용에 의한 호안에서의 처오름 높이에 관하여 검토하였다.
본 연구에서는 운하에서 파랑-흐름-항주파의 비선형 상호작용을 해석하기 위하여 비압축성 점성유체를 고려하고 있는 기존의 3차원 동수학적 모델(Lee and Hur, 2007)을 개량하여 경사입사파(Lee and Hur, 2011b) 및 항주파(Lee and Hur, 2011a)의 재현 이 가능한 수치모델에 일정한 흐름을 발생시킬 수 있는 흐름소스를 새롭게 적용한다.
본 연구에서는 파랑-흐름-항주파의 비선형 상호작용에 의한 호안에서의 처오름 특성을 고찰하기 위하여 Fig. 1과 같은 3차원 수치수조를 적용한다. 해석영역의 운하 길이는 700m, 상부의 폭 150m, 하부의 폭 50m, 호안의 경사는 1:1.

대상 데이터

2척이 운항할 경우에 있어서 L-pair는 2척이 동일한 항로로 연이어 운항할 경우, Cpair는 교차 운항, P-pair는 평행하게 운항할 경우를 의미한다. 따라서 시뮬레이션은 파랑 및 흐름의 유입 그리고 선박의 운항 조건에 따라 파랑-흐름-항주파의 실험조건은 총 40경우이다.
본 연구의 시뮬레이션에서 적용하는 선박은 경인 아라뱃길 굴포천 방수로 실시설계에 적용한 R/S II급 650TEU급 선박을 대상으로 하며 상세한 제원은 Table 1과 같다. 적용하는 선박에 의해 발생하는 항주파의 입사조건은 식 (11)~(22)에 의해 추정하여 Table 3에 나타낸다.
1과 같은 3차원 수치수조를 적용한다. 해석영역의 운하 길이는 700m, 상부의 폭 150m, 하부의 폭 50m, 호안의 경사는 1:1.33이다. 또한 해석영역에는 총 3개의 소스를 포함하고 있으며, 파랑을 발생시키기 위한 조파소스, 흐름을 발생시키기 위한 흐름소스 그리고 항주파를 재현하기 위한 움직이는 조파소스로 나누어진다.

이론/모형

항주파의 최대 파향각(Cusp locus angle) α는 Depth froude number(Ft) 식 (14)을 고려한 Weggel and Sorensen(1986)에 의해서 제안된 식 (15)을 이용한다.

성능/효과

(2) 운하 내부호안의 처오름 높이에 대하여 선박의 운항조건(척수, 항로, 운항간격 등)에 따른 공간수면분포의 특성에 대해 수치적으로 검토하였으며, 선박 1척이 운항하는 것보다 2척의 선박이 운항할 경우 호안에서 처오름 높이가 높게 나타났다. 특히 두 선박이 나란히 운항 할때 호안에서 처오름 높이 가장 높게 나타났다.
(3) 흐름과 항주파의 상호작용에 의한 운하 내부호안의 처오름 높이는 흐름이 존재하지 않는 경우와 큰 차이를 나타내지 않았다.
(4) 운하의 출입구 호안에서는 파랑의 유입으로 인하여 운하의 내부호안보다 상당히 높은 처오름 높이를 나타낼 뿐만 아니라, 흐름이 유입될 경우(파랑-흐름-항주파) 파랑과 흐름과의 상호간섭으로 인하여 그렇지 않은 경우(파랑-항주파)에 비하여 약 10% 전후로 처오름 높이가 상승하였다.
4의 경우에 비해 호안(운하 출입구 부근)에서 처오름이 크게 발생한다. 또한, 3.2절에서 전술한 것과 같이 1척의 선박이 운항할 경우에 비해 2척의 선박이 운항할 때 처오름이 커지며, 2척의 선박이 교차운항할 경우에는 처오름 높이가 더욱 높아진다.
이상의 결과로부터 제한적인 결과이기는 하나 운하의 호안에서 항주파에 의한 처오름높이 특성을 흐름 및 파랑과 상관하여 검토하였으며, 항주파의 동수학적 특성 해석을 위한 토대가 마련되었다고 판단된다.

후속연구

이상의 해석결과를 근거로 Althage(2010)이 보고하고 있는 것과 같이 운하에서 호안 부근의 피해를 저감시키기 위해서는 선박의 운항 척수, 운항 간격, 항로 그리고 운하의 구역별 수리특성을 고려한 설계가 뒷받침 되어야 운하의 유지관리에 유리할 것으로 사료되며, 이러한 검토를 수행하기 위하여 본 연구에서 제안한 수치해석방법이 크게 도움이 될 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	항주파의 발생원리 및 전파양상에 대해 어떤 선행연구들이 있는가?	항주파의 발생원리 및 전파양상에 관하여 예전부터 많은 연구자들에 의해서 다양한 연구들이 이루어졌다. 항주파의 물리적인 메커니즘에 대한 분석은 Kelvin(1887)에 의해 처음으로 시도되었으며, Kelvin(1887)과 Havelock(1908)는 항주파의 전파각에 대한 특성을 파악하였다. 또한 모형선박을 이용한 다양한 실험들(Johnson, 1968; Sorensen, 1969; Newman, 1977)과 실험을 통한 항주파산정식을 제안하였다(Sorensen and Weggel, 1984). 근래에 와서는 컴퓨터의 발달과 더불어 수치모델을 이용한 연구들을 수행하고 있으며, 이들 대부분의 연구는 완경사방적식이나, Boussinesq 방정식(Jiang et al., 2002; Shin and Jeong, 2003; Kim et al., 2008) 등과 같은 적분방정식을 이용하는 평면 2차원 모델을 이용하고 있다. 최근에는 상업용 3차원 수치모델인 FLOW-3DⓇ의 툴을 이용한 항주파의 수치모의(Kang et al., 2008; Kim, 2009)가 이루어지기도 하며, 이상의 연구들은 항주 파만을 대상으로 하고 있다. 최근에는 대형선박이 운항하는 하천에서 항주파에 의한 침식 및 구조물의 피해사례에 관한 현장 조사가 수행되기도 하였다(Althage, 2010).
	경인 아라뱃길이란?	우리나라 최초의 운하로서 경인 아라뱃길이 2011년에 인천 서구 오류동(서해)과 서울 강서구 개화동(한강)을 잇는 총 18km 구간이 개통되었다. 여기에 김포터미널부터 여의도를 잇는 총 15km 구간의 서해뱃길 사업이 추진되었다가 현재 답보상태이지만, 이 두 사업이 완료되면 서해와 한강 잇는 총 33km의 뱃길이 조성되어 화물선, 크루즈선 등이 서해로부터 여의도까지 운항될 전망이다.
	운하의 출입구가 운하의 흐름, 항주파 그리고 파랑과의 상호간섭이 발생하는 지역인 이유는?	운하에서의 동수학적 특성은 운하의 흐름과 선박의 운항에 의해 발생하는 항주파의 상호간섭이 절대적이라고 할 수 있다. 그리고 운하의 출입구는 바다와 연결되어 있으므로 외해로부터의 풍파로부터 자유롭지 못하기 때문에 이곳은 운하의 흐름, 항주파 그리고 파랑과의 상호간섭이 발생하는 지역이다. 따라서 운하의 수로뿐만 아니라, 운하의 출입구의 동수학적 특성을 파악하기 위해서는 파랑-흐름-항주파와의 상호작용을 해석하는 것이 매우 중요하다고 할 수 있다.

참고문헌 (24)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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