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문제 정의
- 최근에는 수리실험 및 현장조사를 통해 흐름장과 파랑장의 환경에서 이루어져 왔으며, 이러한 결과를 바탕으로 인공어초의 안정성 평가에 대한 연구가 진행되고 있다[2]. 본 연구에서는 2차원 단면수조를 이용하여 새롭게 개발된 인공어초의 설치수심에 따른 파고, 주기, 흐름 등 외력을 변화시켜 패조류형 어초의 안정 조건이 되는 한계치를 구하고, 설계외력(파랑, 흐름 등)의 안정성에 대한 검토를 수행하였다.
제안 방법
- 따라서, 본 실험실에서는 파고 및 주기조건에 따른 구조물의 거동을 분석하기 위해 조파전과 후의 변화정도를 고화질 비디오로 촬영된 영상분석 자료를 이용하여 대상 어초의 안정성에 대한 평가를 시도하였다. 구조물의 안정성은 동일한 중량의 구조물이라 하더라도 사면의 조건(경사, 지반특성) 정도에 따라 변하며, 그 기초가 되는 저면의 안정성에 따라 큰 영향을 받으므로, 설치위치에 대해서는 해저면의 모래구간을 길이 2m, 중앙입경 D50=0.16mm의 모래를 5cm두께로 도포하여 현지조건과 유사한 상태에서 실험을 수행하였다.
- 입사파의 경우 기후변화로 외해에서 입사하는 파고가 점점 증가하는 경향을 고려하여 파고 5~8m, 주기 2~8sec를 선정하였으며, 100파 이상 조파하여 구조물의 전도나 활동을 관찰하였다. 디지털 캠코더와 카메라를 이용한 화상해석법을 이용하고, 파랑이 내습하는 동안 영상을 촬영하고, 파랑에 의한어초의 움직임을 분석하였다.
- 4의 경우, 실험조건 가운데 대표적인 Case에 해당되는 파랑스펙트럼 해석결과를 나타낸 것으로, 입사파주기의 첨두치와 실험치와는 큰 차이가 없는 것으로 나타났다[5-6]. 따라서 이들 입사파조건을 실험시 입력 스펙트럼으로 각각의 파고와 주기를 변화시켜 조파기 입력함수로 사용하여 실험을 수행하였다.
- 본 실험과 같이 자유수면을 갖는 파랑실험에서는 중력이 유체의 운동을 지배하게 된다. 따라서, 모형과 원형 사이의 상사관계는 Froude 상사율에 의해 지배되며, 제반인자는 Froude 상사율에 의해 수심, 해저경사, 모형제작 영역, 실험수조의 크기 등을 종합적으로 고려하여 연직 및 수평방향의 축척을 1/36로 결정하였다. 단, 실험에 사용된 모래의 경우, 해역의 입경을 정확히 상사할 수 없으며, 본 검토의 목적이 침식(세굴), 퇴적을 검토하는 경우가 아니므로, 유사한 입경의 모래를 사용하였다.
- 따라서, 본 실험실에서는 파고 및 주기조건에 따른 구조물의 거동을 분석하기 위해 조파전과 후의 변화정도를 고화질 비디오로 촬영된 영상분석 자료를 이용하여 대상 어초의 안정성에 대한 평가를 시도하였다.
- 본 실험에서 적용한 입사파랑 조건은 2차원 조파수조의 조파특성을 고려하여 Table 4와 같이 설정하였으며, 파랑의 불규칙성을 고려하여 Bretschneider-Mitsuyasu 스펙트럼을 이용하여 불규칙파 실험을 수행하였다. 어초모형의 설치지점에서의 수심을 현지 수심 5~15m에 해당되는 13.
- 새롭게 개발된 인공어초의 안정성을 검토하기 위해 시설대상해역의 특성(설치수심, 파고, 주기)을 고려하여 실험파에 대한 어초의 안정성을 검토하였다. 본 연구에서 검토한 파랑은 동해안에서 관측 및 예측되고 있는 파랑의 특성을 파형경사 또는 내습파항으로 적용하였으며, 내습하는 파랑에 대한 주기의 비율로 표현될 수 있는 파형경사의 범위로 설정하고 실험조건을 설정하였다. 실해역에서 인공어초의 최종 피해는 일반적으로 구조물이 제자리를 이탈하거나 파괴되는 현상으로 나타난다.
- 새롭게 개발된 인공어초의 안정성을 검토하기 위해 시설대상해역의 특성(설치수심, 파고, 주기)을 고려하여 실험파에 대한 어초의 안정성을 검토하였다. 본 연구에서 검토한 파랑은 동해안에서 관측 및 예측되고 있는 파랑의 특성을 파형경사 또는 내습파항으로 적용하였으며, 내습하는 파랑에 대한 주기의 비율로 표현될 수 있는 파형경사의 범위로 설정하고 실험조건을 설정하였다.
- 시험어초의 재질은 콘크리트를 주 재료로 만들었으며, 연안 수심 5∼15m 해역에 시설되는 패조류용 인공어초로서 해황의 변동이 심한 천해역에 설치됨으로 피라미드 형태의 구조로 설계하여, 실해역에서의 파랑에 대한 안정성을 확보하고자 하였다.
- 단, 실험에 사용된 모래의 경우, 해역의 입경을 정확히 상사할 수 없으며, 본 검토의 목적이 침식(세굴), 퇴적을 검토하는 경우가 아니므로, 유사한 입경의 모래를 사용하였다. 실험에 사용되는 어초모형은 합성플라스틱을 이용하여 제작하였으며, 중량 조절을 위해 납 성분을 추가로 혼합하였다. 이 때 추가로 혼합된 성분이 모형의 한쪽 부분으로 치우쳐 무게중심이 이동하지 않도록 주의하였으며, Table 3에 어초의 제원 및 형상에 대해 나타내었다.
- 여기서 말하는 어초 사면상의 최대수립자속도(Vmax)는 어초 설치지점에서의 수립자속도 분포의 최대를 나타내는 것이고, 이 Vmax의 무차원량 Vmax# 는 차원해석에 의해 다음과 같이 다양한 무차원량에 의해 좌우된다. 아울러, 최대수립자속도 Vmax는 본 연구에서 대상으로 하고 있는 어초 주변의 흐름 발생 메카니즘과 어초의 안정성을 검토하는데 이용하였다.
- 67cm로 상사하였다. 입사파의 경우 기후변화로 외해에서 입사하는 파고가 점점 증가하는 경향을 고려하여 파고 5~8m, 주기 2~8sec를 선정하였으며, 100파 이상 조파하여 구조물의 전도나 활동을 관찰하였다. 디지털 캠코더와 카메라를 이용한 화상해석법을 이용하고, 파랑이 내습하는 동안 영상을 촬영하고, 파랑에 의한어초의 움직임을 분석하였다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 2차원 수로(two-dimensional flume)는 길이(L) 45m, 폭(B) 1.0m, 높이(H) 1.5m로 양면이 강화유리로 제작되어 실험단면 뿐만 아니라 입사파랑의 전반적인 경향에 대하여 관측할 수 있도록 설계되었다[Fig. 1].
- 새롭게 개발된 신형인공어초(요철형어초)는 갯녹음의 심각성을 극복하고 연안 수산자원 증강을 위해 2010년 7월 특허권으로 등록 하였으며, 중앙어초협의회에서 시험어초로 최종 선정되었다. 시험어초의 재질은 콘크리트를 주 재료로 만들었으며, 연안 수심 5∼15m 해역에 시설되는 패조류용 인공어초로서 해황의 변동이 심한 천해역에 설치됨으로 피라미드 형태의 구조로 설계하여, 실해역에서의 파랑에 대한 안정성을 확보하고자 하였다.
- 실험에 사용된 실험수로는 주기와 파고를 연속적으로 변화시킬 수 있게 설치되어 있는 전기 서보 피스톤식 조파기로서 규칙파 및 불규칙파를 조파할 수 있도록 설계되었다[Fig. 2]. 본 조파기는 조파판 전면에 용량식 파고계가 부착되어 있어 파고계에서 계측된 자료를 바탕으로 반사파 흡수식 제어가 가능하고, 수로 양쪽 끝 부분에는 여러 겹의 다공성 물질로 구성된 소파장치가 설치되어 있다.
이론/모형
- 여기서, ξ는 Battjets(1974)가 제안한 Surf similarity parameter이고 H는 입사파고, L은 파장, g는 중력가속도, h는 설치수심이다[4]. 본 실험에서는 다른 힘보다는 중력성분이 탁월하고 점성의 영향은 무시할 수 있으므로 Froude 상사법칙을 사용하였다.
- 원형과 모형에서 흐름이 완전상사를 이룬다는 것은 실질적으로 불가능하다 할 수 있으며, 실제의 수리현상에서 하나 혹은 몇 개의 성분력이 작용하지 않거나 혹은 무시할 정도로 작은 경우가 대부분이며, 주로 지배하는 힘 하나만을 고려하여도 충분한 것이 보통이다. 유체가 받는 외력으로는 압력, 중력, 점성력, 표면장력, 탄성력등이 있으며, 유체에 작용하는 주요 외력이 중력인 경우에는 Froude 상사법칙이 적용되며, 점성력이 흐름을 지배하는 경우에는 Reynold 상사법칙이 적용된다.
성능/효과
- 이외에 전도 및 활동 등의 거동은 관측되지 않았다. 따라서, 본 연구에서 검토된 인공어초는 설치수심에 따른 외력조건(파랑)뿐만 아니라, 각각의 배열형식에 충분히 안정성을 확보하고 있는 것으로 판단된다. 본 검토에서는 파랑에 의한 안정성을 검토하였으나, 향후 어초 주변의 매몰 및 세굴에 대해서는 현장조사 및 이동상수리모형실험 등을 통해 해저지형변화에 미치는 영향도 검토할 필요가 있다고 판단된다.
- 본 검토에서 수행한 설치수심 및 내습파랑조건에 대한 14개의 실험조건에서 안정함을 볼 수 있었다. 설치수심과 내습파랑의 비율(D/H)이 1.
- 설치수심과 내습파랑의 비율(D/H)이 1.67 ∼ 3.0 범위에서 어초가 안정함을 보였으며, 설치수심과 내습파랑의 비율(D/H)이 1.67이상의 위치에 설치하는 것이 안정할 것으로 예상된다.
후속연구
- 따라서, 본 연구에서 검토된 인공어초는 설치수심에 따른 외력조건(파랑)뿐만 아니라, 각각의 배열형식에 충분히 안정성을 확보하고 있는 것으로 판단된다. 본 검토에서는 파랑에 의한 안정성을 검토하였으나, 향후 어초 주변의 매몰 및 세굴에 대해서는 현장조사 및 이동상수리모형실험 등을 통해 해저지형변화에 미치는 영향도 검토할 필요가 있다고 판단된다.
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