[논문]3차원 경사입사파동장에서 이중유공슬릿케이슨 내부의 수리특성 및 반사특성

허동수; 이준; 이우동

doi:10.5574/ksoe.2014.28.3.227

3차원 경사입사파동장에서 이중유공슬릿케이슨 내부의 수리특성 및 반사특성
Reflection and Hydraulic Characteristics inside Two-Chamber Vertical Slit Caisson in 3-D Oblique Wave Field 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.28 no.3 = no.118, 2014년, pp.227 - 235

허동수 (국립경상대학교 해양과학대학 해양토목공학과) , 이준 ((주)세광종합기술단 항만설계1본부) , 이우동 (국립경상대학교 해양산업연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Using a 3-D numerical scheme (LES-WASS-3D) that considered wave-structure-sandy seabed interactions in a 3-D wave field, we analyzed the wave reflection and hydraulic characteristics inside a slit caisson with two chambers in a 3-D oblique wave field. To verify the 3-D numerical analysis method suggested in this study, we compared the numerical results with existing experimental results and found good agreement. The numerical analysis revealed that a standing wave field is generated on the front side of the slit caisson due to the effect of wave reflection. For incident waves propagating perpendicular to the slit caisson, the nodes and anti-nodes of the standing wave are apparent and symmetrical. However, in an oblique wave field, as the incident wave angle decreases, the nodes and anti-nodes of the standing wave become ambiguous and unsymmetrical. It was also found that the wave reflection coefficient decreases as the incident wave angle decreases. It can be pointed out that as the incident wave angle decreases, the turbulent intensity in the chamber increases. Thereby, the increased wave energy dissipation by the increased turbulent intensity reduces the rate of wave reflection. In addition, a strong turbulent intensity generally occurs in the first chamber.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 격자보다 작은 난류의 재현 및 투과성구조물의 유체저항(관성저항, 난류저항, 층류저항)의 고려가 가능하고, 파⋅구조물⋅해저지반의 상호간섭을 직접해석 가능한 강비선형 3차원 수치해석방법인 LES-WASS-3D(Hur et al., 2012)를 이용하여 이중유공슬릿케이슨에 작용하는 경사입사파의 3차원 반사특성을 파악하는 것을 목적으로 한다.
본 연구에서는 3차원 파동장 내에서 이중유공슬릿케이슨에 작용하는 경사입사파의 반사특성을 파악하기 위하여 3차원 수치해석방법(LES-WASS-3D)을 이용하여 수치시뮬레이션을 수행하였다. 수치시뮬레이션에 앞서 본 수치해석모델의 타당성 및 유효성을 입증하기 위해 기존의 수리모형실험(Suh and Ji, 2006)의 실험결과와 수치해석결과를 비교⋅검토하여 본 수치해석모델의 타당성 및 유효성을 확보하였다.
수치시뮬레이션에 앞서 본 수치해석모델의 타당성 및 유효성을 입증하기 위해 기존의 수리모형실험(Suh and Ji, 2006)의 실험결과와 수치해석결과를 비교⋅검토하여 본 수치해석모델의 타당성 및 유효성을 확보하였다. 타당성을 입증하였다고 판단된 본 수치해석모델을 이용하여 이중유공슬릿케이슨에 작용하는 경사입사파의 3차원 반사특성에 관한 연구를 수행하였다.

제안 방법

먼저 LES-WASS-3D의 유효성과 타당성을 입증하기 위해 수리모형실험의 결과와 비교⋅검토를 수행하고, 유효성 및 타당성이 확인된 LES-WASS-3D를 이용하여 이중유공슬릿케이슨에 작용하는 경사입사파의 반사특성에 관한 검토를 수행하였다.
3과 같은 수치파동수조를 구성하였다. 무반사조파를 위해 계산영역의 x, y축 양단에 부가감쇠영역, 해석영역의 시작부분에는 조파소스를 설치하였다. Fig.
그림에서 x축은 입사파의 입사각(θ_W), z축은 반사계수 K_R의 값을 나타낸다. 반사계수의 측정 시 슬릿의 존재 및 경사입사파의 내습으로 하나의 지점에서 측정할 경우 측점지점에 따른 반사계수의 차이가 발생하므로 오차를 줄이기 위해 중앙케이슨 전면의 31개 지점에서 측정한 값을 평균하여 검토에 이용하였다.
본 연구에서는 이중유공슬릿케이슨에 작용하는 경사입사파의 3차원 반사특성을 논의하기 위해 Fig. 3과 같은 수치파동수조를 구성하였다. 무반사조파를 위해 계산영역의 x, y축 양단에 부가감쇠영역, 해석영역의 시작부분에는 조파소스를 설치하였다.
수치시뮬레이션에 앞서 본 수치해석모델의 타당성 및 유효성을 입증하기 위해 기존의 수리모형실험(Suh and Ji, 2006)의 실험결과와 수치해석결과를 비교⋅검토하여 본 수치해석모델의 타당성 및 유효성을 확보하였다.
이중유공슬릿케이슨에 경사입사파가 작용하는 경우의 반사 특성을 파악하기 위해 중앙케이슨 전면을 대상으로 하여 검토를 수행하였다. 그리고 입사각(θ_W)은 케이슨 법면을 기준으로 직각방향으로 입사하는 경우 90°로 나타내며 60°로 갈수록 입사각(θ_W)이 작아지는 것으로 정의한다.
입사각(θW)의 변화에 따른 이중유공슬릿케이슨의 반사특성을 파악하기 위해 입사파고(Hi) 및 입사주기(Ti)를 고정하고 입사각(θW)을 달리하여 수치계산을 실시하였으며, 상세한 입사파랑조건에 대해서는 Table 1에 나타내고 있다.
1과 같은 3차원 수치파동수조를 설치하고 무반사 조파를 위해 해석영역의 양단에는 부가 감쇠영역을 설치하였으며, 해석영역 좌측에 조파소스를 위치시켰다. 해석영역에는 그림과 같은 이중 커튼월-파일을 설치하여 파형경사(H/L)가 0.03인 규칙파를 대상으로 주기(T_i) 1.0-2.0sec의 범위에서 0.2sec 간격으로 총 6개의 입사파를 CASE-1~CASE-3에 동일하게 적용시켜 수치시뮬레이션을 실시하였다.

이론/모형

그리고 자유수면을 모의하기 위한 VOF(Volume of fluid)함수와 계산격자의 크기보다 작은 난류구조를 해석하기 위하여 SGS모델(Sub-grid-scale Model)을 이용하는 LES(Large eddy simulation)기법을 적용하였으며, 유한차분법(FDM, Finite difference method)을 이용함에 따라 적용된 직각격자체계의 구조물 왜곡현상을 보완하기 위하여 Hur et al.(2008)이 제안한 경사면처리기법을 적용하여 혼성방파제의 사석마운드를 구성하였다.
LES-WASS-3D을 이용하여 시뮬레이션한 결과를 바탕으로 반사계수를 산정하기 위한 방법으로 구조물 전면의 파고분포를 측정하고 그 최대값과 최소값을 사용하여 반사계수를 구하는 Healy의 방법을 이용하였고 식은 다음과 같다.
또한 투수성구조물의 특성(입경, 공극, 형상 등)에 따른 유체저항인 관성저항, 층류저항, 난류저항을 고려할 수 있도록 수정된 Navier-Stokes운동방정식을 적용한 강비선형의 3차원 수치모델이다. 그리고 자유수면을 모의하기 위한 VOF(Volume of fluid)함수와 계산격자의 크기보다 작은 난류구조를 해석하기 위하여 SGS모델(Sub-grid-scale Model)을 이용하는 LES(Large eddy simulation)기법을 적용하였으며, 유한차분법(FDM, Finite difference method)을 이용함에 따라 적용된 직각격자체계의 구조물 왜곡현상을 보완하기 위하여 Hur et al.(2008)이 제안한 경사면처리기법을 적용하여 혼성방파제의 사석마운드를 구성하였다.
본 연구에서 이용하는 LES-WASS-3D의 타당성 및 유효성을 입증하기 위하여 Suh and Ji(2006)에 의해 수행된 수리모형실험을 근거로 수치시뮬레이션을 수행하였다. Fig.
본 연구에서는 기존의 3차원 수치해석방법(Hur et al., 2012)에 경사입사파의 조파방법(Hur and Lee, 2011)을 도입하여 개량된 수치해석방법을 이용하였다. 기존의 LES-WASS-3D에서 경사조파를 위하여 조파소스항에서 x, y방향의 유속성분(V_x, V_y)의 유량밀도 #와 #를 고려하여 다양한 각도의 경사조파가 가능한 3차원 수치해석방법이다.

성능/효과

(1) 이중유공슬릿케이슨의 전면에서는 케이슨의 반사에 의한 영향으로 부분중복파동장이 발생하고 직각입사파의 경우에는 node와 anti-node의 경계가 뚜렷하고 대칭적인 형태로 나타나지만, 입사파의 입사각(θW)이 작아질수록 케이슨 전면의 부분중복파동장의 경계가 흐트러지고 비대칭적인 형태로 변화하는 것을 확인하였다.
(2) 유수실 내의 난류강도분포를 확인한 결과 첫 번째 유수실에서는 입사파의 입사각(θW)이 작아질수록 유수실 내의 난류강도가 강해지는 것으로 나타났으며, 두 번째 유수실에서의 난류강도 차이는 미미한 것을 확인하였다.
(3) 이중유공슬릿케이슨에 발생하는 와도분포를 확인한 결과 전반적으로 경사입사파의 경우 직각입사파의 경우보다 위상차 및 연파작용에 의해 평균류 및 평균와도분포가 크게 나타났다
(4)이중유공슬릿케이슨에 작용하는 입사파의 입사각(θW)이 작아질수록 케이슨의 반사계수가 감소하는 것을 확인하였으며, 직각입사파인 θW=90°의 경우에 비해 가장 큰 경사입사파인 θW=60°의 경우에 약 30% 정도 반사계수가 감소하였다.
이는 앞서 나타난 결과와 마찬가지로 파가 케이슨 내로 진행함으로 인해 슬릿 및 유수실에 의한 에너지 감쇠가 발생하기 때문이라 판단된다. (a) x/L_i=0.0의 결과로부터 케이슨 저면에서 정수면까지 전체적인 와도분포가 CASE1의 경우보다 CASE4의 경우 강하게 나타나는 것을 확인 할 수 있는데 이것은 역시 경사입사파의 연파작용이 영향을 미치는 것으로 판단할 수 있다. 그리고 Fig.
또한 유수실 내부의 파고분포 결과를 비교해볼 때도 입사각(θW)이 90°에서 60°로 작아짐(경사입사각이 커짐)과 함께 입사파의 반대방향 격벽 모서리부근에 파가 집중되어 높은 파고를 형성하는 것을 확인할 수 있다.
)이 작아질수록 케이슨 전면의 부분중복파동장의 경계가 흐트러지고 비대칭적인 형태로 변화하는 것을 확인하였다. 또한 유수실 내의 파고분포를 확인한 결과 유수실 내 우각부에 높은 파고가 형성되는 것을 확인하였다.
또한 전술한 바와 같이 Fig. 4의 파고분포도에서 입사각(θW)이 작아질수록 케이슨 우각부의 파고가 높게 나타나는 것과 같이 CASE4의 경우 케이슨 우각부에 빠른 유속과 강한 와도가 나타나는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이 입사각(θW)이 작아질수록 반사계수가 감소하는 이유는 전술한 결과를 종합하여 검토하면 Fig. 5의 (a) First chamber의 난류강도분포가 입사각(θW)이 작아지면서 비교적 증가하는 경향이 나타나는 것과 함께 케이슨 주변에 발생하는 평균와도분포가 CASE1의 직각입사파의 경우보다 CASE2, CASE3, CASE4로 경사입사 경향이 강해지면서 더욱 강한 분포를 나타냄에 따른 에너지의 감쇠효과가 크기 때문으로 판단된다.

후속연구

본 연구와 같이 경사입사파의 재현이 가능한 3차원 수치해석방법의 이용은 이중유공슬릿케이슨과 같이 복잡한 구조물이 설치되어 있는 해역에 경사입사파가 작용할 경우, 수리모형실험이나 현장관측으로서는 검토할 수 없는 수리학적인 메커니즘을 분석하고 이해하는데 크게 도움이 될 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	소파효과가 뛰어나도록 케이슨을 어떻게 향상시켰는가?	그 중 대표적으로 설치되는 방파제 중 하나가 혼성방파제인데 이러한 혼성방파제는 직립식 및 경사식 방파제를 혼합한 형태로 기존의 직립식 방파제보다 효과적이라는 평가를 받고 있으며, 최근 실해역에 설치되는 사례가 증가하고 있다. 혼성방파제의 사석마운드 위에 거치되는 케이슨은 초기에는 무공의 형태로 설계되었으나, 많은 연구를 통해 소파효과가 뛰어나도록 슬릿 및 유수실을 추가한 형태의 케이슨이 이용되고 있다. 현재까지도 유공슬릿케이슨에 작용하는 파의 수리적 특성을 파악하고 단점을 개선하기 위한 다양한 연구들이 이루어지고 있으며, 많은 성과를 이루어내고 있다.
	혼성방파제의 특징은?	최근, 해안선 및 연안구조물을 보호하기 위한 다양한 형태의 방파제가 건설되고 있다. 그 중 대표적으로 설치되는 방파제 중 하나가 혼성방파제인데 이러한 혼성방파제는 직립식 및 경사식 방파제를 혼합한 형태로 기존의 직립식 방파제보다 효과적이라는 평가를 받고 있으며, 최근 실해역에 설치되는 사례가 증가하고 있다. 혼성방파제의 사석마운드 위에 거치되는 케이슨은 초기에는 무공의 형태로 설계되었으나, 많은 연구를 통해 소파효과가 뛰어나도록 슬릿 및 유수실을 추가한 형태의 케이슨이 이용되고 있다.
	해안선 및 연안구조물을 보호하기 위한 다양한 형태의 방파제 중 가장 대표적인 방파제는?	최근, 해안선 및 연안구조물을 보호하기 위한 다양한 형태의 방파제가 건설되고 있다. 그 중 대표적으로 설치되는 방파제 중 하나가 혼성방파제인데 이러한 혼성방파제는 직립식 및 경사식 방파제를 혼합한 형태로 기존의 직립식 방파제보다 효과적이라는 평가를 받고 있으며, 최근 실해역에 설치되는 사례가 증가하고 있다. 혼성방파제의 사석마운드 위에 거치되는 케이슨은 초기에는 무공의 형태로 설계되었으나, 많은 연구를 통해 소파효과가 뛰어나도록 슬릿 및 유수실을 추가한 형태의 케이슨이 이용되고 있다.

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저자의 다른 논문 :

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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