[논문]2차원 조파수조에서의 파 생성 특성 조사

안재열; 최정규; 김형태

doi:10.5574/ksoe.2013.27.4.068

2차원 조파수조에서의 파 생성 특성 조사
Investigation of Characteristics of Waves Generated in Two-Dimensional Wave Channel 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.27 no.4 = no.113, 2013년, pp.68 - 75

안재열 (충남대학교 선박해양공학과) , 최정규 (충남대학교 선박해양공학과) , 김형태 (충남대학교 선박해양공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper investigates the characteristics of waves generated by a flap-type wave maker in a two-dimensional wave channel. Measurements are carried out for various water depths, wave heights, periods, and lengths capacitance-type wave height gages. The experimental results are shown to satisfy the dispersion relation of the linear wave theory. For waves with a small height and long period, the wave profiles agree well with those of the linear wave theory. However, as the wave height and period become higher and shorter, respectively, it is shown that the wave profiles measured in the present experiments are different from the linear wave profiles, and the measured wave heights are smaller than the target wave heights, which may be due to the non-linearity of the waves. As the wave progresses toward the channel end, the wave height gradually decreases. This reduction in the wave height along the wave channel is explained by the wave energy dissipation due to the friction of the side walls of the channel. The performance of the wave absorber in the channel is found to be acceptable from the results of the wave reflection tests.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 2차원 조파수조에서 플랩형 조파기를 대상으로 선형 조파기 이론을 적용하여 파를 생성하고, 파고 및 파장을 계측하여 생성된 파의 특성을 조사하였다. 또한 2차원 수조에서의 파전파 특성과 소파장치의 성능을 파악하여 향후 2차원 조파수조에서 수행할 실험에 필요한 파 생성 정보를 얻고자 하였다.
본 논문에서는 2차원 조파수조에서 파고, 파주기, 수조의 길이 방향 위치별로 파고를 계측하고 플랩형 조파기에 의해 생성된 파특성에 대해 조사하였다. 생성된 파는 대부분 유한 수심의 Stokes 2차 파에 속하며, 계측파의 분산 관계는 선형이론과 잘 일치하였다.
본 논문에서는 2차원 조파수조에서 플랩형 조파기를 대상으로 선형 조파기 이론을 적용하여 파를 생성하고, 파고 및 파장을 계측하여 생성된 파의 특성을 조사하였다. 또한 2차원 수조에서의 파전파 특성과 소파장치의 성능을 파악하여 향후 2차원 조파수조에서 수행할 실험에 필요한 파 생성 정보를 얻고자 하였다.

제안 방법

58m이다. 계측은 수심 0.25m인 상태에서 조파기로부터 2, 5, 8m위치(Fig. 5, P1, P4, P7)에서 수행되었고, 파고 0.01, 0.02, 0.03m, 파주기 0.812, 1.141초이다. 실험 조건을 Table 3에 나타내었다.
에너지의 경우 파고의 제곱에 비례하기 때문에 수조 길이방향으로 파고 변화에 대한 특성을 파악해야 하며, 본 조파수조에서 생성한 파가 길이방향으로 어떻게 전파되는지를 살펴보았다. 수심 0.22m에 대해 파고 0.01m, 0.015m, 0.025m와 Table 1과 동일한 5개 주기를 가지는 파를 대상으로 조파기로부터 2~8m 까지 1m 간격으로 파고를 계측하였으며(Fig. 5, P1~P7), Table 2에 이를 정리하였다.
파고계의 교정을 위해서 정지되어 있는 물에서 파고계의 높이를 변화해 가며 신호를 계측하였다. 실험에서는 파장의 계측 및 반사파 영향 등을 살펴보기 위해 두 개의 파고계 사용하였으며, 두 개의 파고계에 대해 교정을 수행하였다. 샘플링 데이터는 100Hz이며, 30초간의 계측 신호를 평균하였다.
특히 본 연구의 2차원 조파수조는 폭이 좁아서 수조 벽면 등의 영향으로 에너지 전파가 길이방향으로 달라질 수 있다. 에너지의 경우 파고의 제곱에 비례하기 때문에 수조 길이방향으로 파고 변화에 대한 특성을 파악해야 하며, 본 조파수조에서 생성한 파가 길이방향으로 어떻게 전파되는지를 살펴보았다. 수심 0.
입력 파고 및 파주기에 따른 플랩형 조파기의 파 생성 특성을 확인하기 위해 식 (1)로부터 파고에 대해 스트로크를 도출하고, 조파기를 작동하여 조파기로부터 2m 위치에서의 파고를 계측하였다. 조파기에 의해 생성된 파도의 파고 및 파장을 파고와 스트로크의 비(H/S)와 수심과 파장의 비(kh)의 관계로 Fig.
파고계의 교정을 위해서 정지되어 있는 물에서 파고계의 높이를 변화해 가며 신호를 계측하였다. 실험에서는 파장의 계측 및 반사파 영향 등을 살펴보기 위해 두 개의 파고계 사용하였으며, 두 개의 파고계에 대해 교정을 수행하였다.
파장은 2개의 파고계를 이용하여 파고계 사이의 거리(Δl=1m)와 파가 첫 번째에서 두 번째 파고계를 지나는 시간을 계측하여 도출하였으며, 파고 및 파장 계측 위치는 Fig. 5와 같다.
2에는 실험에 사용된 플랩형 조파기의 개략적인 모습을 나타내었다. 플랩형 조파기를 구현하기 위해 조파기 아래와 바닥을 힌지로 연결하였으며, 힌지를 수조 바닥과 일치시키는 것은 구조적으로 복잡해지기 때문에 수조바닥과 0.02m 떨어져 고정되도록 하였고, 힌지 아래쪽으로 유동이 없도록 벽을 설치하였다.
373이다. 한편 식 (11) 우변의 계수들은 푸리에 분석(Fourier analysis)을 통해 얻을 수 있으며, 본 실험에서는 반사파의 영향을 확인할 수 있도록 샘플링 주파수 100Hz로 108초 동안 계측을 하여 분석을 수행하였다.
또한 앞서 입력 파고가 크고, 파주기가 짧을 때 나타나는 현저한 파고 감소도 비선형성의 증가보다는 벽면 효과에 의한 감쇠가 영향을 미쳤을 것으로 사료된다. 한편, 수조 뒤쪽으로 갈수록 파주기 0.483초를 제외하면 어느 정도 파의 교란을 받는 것을 볼 수 있는데, 이는 수조 끝에서의 반사파 영향으로 보이며, 이를 살펴보기 위해 파의 반사계수를 도출하였다.

대상 데이터

용량식 파고계는 크롬 와이어와 신호증폭을 위한 앰프로 구성되며, 선형성이 우수하고, 저렴하며, 설치 및 운용이 비교적 용이한 장점이 있다. 계측 신호는 데이터 수집장치(DAS, Data acquisition system)를 통해 PC로 전송되고, DAS는 HBM 사의 MGCPlus를 사용하였다.
본 실험은 수심 0.22, 0.25, 0.28m의 세 개의 조건을 대상으로 하였으며, 파고(H)는 0.01~0.03m까지 5개, 파주기(T)는 0.483~1.141초이고, 식 (2)의 분산관계(Dispersion relation)에 의한 파장(L)은 0.35~1.326m이다. 이러한 파 특성은 우리나라 연근해(서남해안)의 평균 파고(0.
본 연구에 사용한 충남대학교 선박해양공학과의 조파수조는 길이 12m, 폭 0.4m, 높이 0.345m인 소규모의 2차원 조파수조이다. 파 생성은 힌지에 연결된 플랩으로 하며, 직경 약 1mm의 플라스틱 와이어 다발을 조파기로부터 11.
실험에서는 파장의 계측 및 반사파 영향 등을 살펴보기 위해 두 개의 파고계 사용하였으며, 두 개의 파고계에 대해 교정을 수행하였다. 샘플링 데이터는 100Hz이며, 30초간의 계측 신호를 평균하였다. 조파수조에서의 실험은 파고계를 어느 정도 물속에 잠기게 하기 때문에 수면이 위치하는 부근에서는 1mm 단위로 정밀하게 계측하였으며, 교정 결과를 Fig.
326m이다. 이러한 파 특성은 우리나라 연근해(서남해안)의 평균 파고(0.3~2.0m)와 평균 파주기(3~8초)을 대상으로 축척비 1/40을 적용하여 기하학적 상사 및 Froude 상사를 통해 도출한 것 중에서 선택하였다. 대상 파의 주요 제원을 Table 1에 나타내었다.

이론/모형

본 실험에서는 파고 계측을 위해서 크롬 와이어를 이용한 용량식 파고계(Capacitance type wave gauge)를 사용하였다 (Fig. 3). 용량식 파고계는 크롬 와이어와 신호증폭을 위한 앰프로 구성되며, 선형성이 우수하고, 저렴하며, 설치 및 운용이 비교적 용이한 장점이 있다.

성능/효과

Fig. 6에서 보는 바와 같이 비교한 모든 변수에 대해 선형 이론과 잘 일치하고 있음을 볼 수 있으며, 무차원 변수들이 선형 이론의 분산 관계에 기반하고 있기 때문에 선형 조파기 이론으로 생성한 파의 계측 결과가 파의 주기, 파장, 수심에 따른 분산 관계를 잘 만족하고 있음을 확인하였다.
교정 데이터로부터 수면 높이에 따른 전압의 기울기가 선형적이며, 비선형성(Non-linearity)이 ±0.1%이내, 이력성(Hysteresis)이 ±0.1%이내로서 파고 계측에 적합함을 확인하였다.
파주기가 긴 경우 반사계수가 크고, 파고에 따라서는 큰 변화가 없는 것을 볼 수 있으며, 거리에 따라서는 조파기에서 멀어질수록 반사파의 영향이 큰 것으로 나타나고 있다. 따라서 반사파의 영향은 파주기가 길어질수록 즉 위상속도가 클수록 그리고 수조의 끝에 가까워질수록 반사파의 영향이 큰 것을 알 수 있다. 한편 시간에 따른 반사계수의 변화를 살펴보기 위해 측정 시간의 구간별로 반사계수의 평균을 Fig.
반사파 영향은 파주기가 길어지거나 수조의 끝에 가까워질수록 증가하며, 파고에 따른 차이는 작게 나타났다. 또한 시간이 지날수록 반사파의 영향은 증가하지만 그 크기가 크지 않음을 볼 때, 소파기의 파 흡수 성능이 우수함을 알 수 있었다.
실제로 조파수조의 길이방향으로 파고 및 파주기에 따라 계측한 결과로부터도 벽면 층류마찰에 의한 파고 감쇠를 확인할 수 있었다. 반사파 영향은 파주기가 길어지거나 수조의 끝에 가까워질수록 증가하며, 파고에 따른 차이는 작게 나타났다. 또한 시간이 지날수록 반사파의 영향은 증가하지만 그 크기가 크지 않음을 볼 때, 소파기의 파 흡수 성능이 우수함을 알 수 있었다.
계측 위치 5m 이내의 위치에서 계측 시간 20초 이내에는 반사파의 영향이 크지 않은 것을 볼 수 있으며, 시간이 지날수록 반사파 영향이 증가하는 것을 볼 수 있다. 주기가 긴 파는 시간이 지날수록 주기가 짧은 파보다 반사파의 영향이 크며, 수조 끝으로 갈수록 반사파의 증가율이 더 큰 것으로 나타났다.
파고가 높고, 파주기가 긴 경우 길이 방향으로 변화가 작게 나타나고 있으며, 파고가 작은 경우는 모든 주기에 대해 길이 방향으로 낮아지는 경향을 보이고 있다. 특히 모든 파고에서 파주기가 짧아지면 예외 없이 길이 방향으로 파고가 낮아지는 경향을 보이고 있으며, 파고가 작을수록 변화율이 큰 것을 볼 수 있다.

후속연구

피스톤형이나 플랩형 조파기에 대해서는 선형이론에 기초한 선형 조파기 이론(Dean and Darlymple, 1991)이나 2차의 비선형 이론(Schäffer, 1996) 등이 있으며, 플런저형(Rytkönen and Granholm,1989)에 대한 연구도 수행된 바 있다. 이러한 이론에 기초하여 조파수조에서 파를 생성하고 있으나, 조파기의 종류나 조파수조의 제원 그리고 소파장치의 성능 등에 따라 실제로 생성된 파의 특성이 다양하게 나타나므로 목적하는 파를 생성하여 실험을 수행하기 위해서는 조파수조에서의 파 생성 특성에 대한 조사가 필요하다.
향후 본 조파수조를 해양플랜트 및 파력발전 등의 다양한 실험 연구에 사용할 수 있을 것으로 기대되며, 비선형파 등에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	조파수조(Wave channel) 실험에 대한 필요성이 높아지고 있는 이유는?	최근 들어 해양플랜트, 해양에너지 등 해양에 대한 관심이 고조되면서 조파수조(Wave channel) 실험에 대한 필요성이 높아지고 있으며, 국내에서도 선박, 해양플랜트, 파력발전 등 관련된 실험 연구가 많이 수행되고 있다(Shin et al., 2008; Lee et al.
	조파기에는 어떤것이 있는가?	한편, 조파수조에서 파의 생성은 조파기(Wave maker)를 통해 이루어지는데, 조파기는 피스톤(Piston), 플랩(Flap), 플런저(Plunger), 실린더(Cylinder) 형 등이 있으며, 이 중에서도 플랩형의 조파기는 구조가 간단하고, 원하는 파 생성을 위한 제어가 쉽기 때문에 2차원 및 3차원 조파수조에서 많이 활용되고 있다. 피스톤형이나 플랩형 조파기에 대해서는 선형이론에 기초한 선형 조파기 이론(Dean and Darlymple, 1991)이나 2차의 비선형 이론(Schäffer, 1996) 등이 있으며, 플런저형(Rytkönen and Granholm,1989)에 대한 연구도 수행된 바 있다.
	플랩형 조파기의 장점은?	한편, 조파수조에서 파의 생성은 조파기(Wave maker)를 통해 이루어지는데, 조파기는 피스톤(Piston), 플랩(Flap), 플런저(Plunger), 실린더(Cylinder) 형 등이 있으며, 이 중에서도 플랩형의 조파기는 구조가 간단하고, 원하는 파 생성을 위한 제어가 쉽기 때문에 2차원 및 3차원 조파수조에서 많이 활용되고 있다. 피스톤형이나 플랩형 조파기에 대해서는 선형이론에 기초한 선형 조파기 이론(Dean and Darlymple, 1991)이나 2차의 비선형 이론(Schäffer, 1996) 등이 있으며, 플런저형(Rytkönen and Granholm,1989)에 대한 연구도 수행된 바 있다.

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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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