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FLOW-3D를 이용한 해상 자켓구조물 주변의 세굴 수치모의 실험
Numerical Simulation Test of Scour around Offshore Jacket Structure using FLOW-3D 원문보기

한국해안·해양공학회논문집 = Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, v.27 no.6, 2015년, pp.373 - 381  

고동휘 ((주)해풍기술) ,  정신택 (원광대학교 토목환경공학과) ,  오남선 (목포해양대학교 해양.플랜트건설공학과)

초록
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해상풍력 기기, 해상 플랫폼과 같은 구조물이 해상에서 빈번하게 설치되면서 세굴에 관한 영향도 중요시되고 있다. 이러한 세굴 영향을 검토하기 위해 세굴 수치모의 실험을 수행한다. 일반적으로 수치모의 조건은 일방향 흐름에 대해서만 검토가 이뤄지고 있으며 서해안과 같은 왕복성 조류 흐름에 대해서는 검토되지 않는다. 본 연구에서는 서해안에 설치된 HeMOSU-1호 해상 자켓구조물 주변에서 발생하는 세굴 현상을 FLOW-3D를 이용하여 수치모의하였다. 해석 조건으로는 일방향 흐름과 조석현상을 고려한 왕복성 흐름을 고려하였으며, 이를 현장 관측값과 비교하였다. 10,000초 동안의 수치모의 결과, 일방향의 흐름 조건에서는 1.32 m의 최대 세굴심이 발생하였으며, 양방향 흐름 조건에서는 1.44 m의 최대 세굴심이 발생하였다. 한편, 현장 관측값의 경우 약 1.5~2.0 m의 세굴심이 발생하여 양방향의 흐름에 대한 해석 결과와 근사한 값을 보였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

As offshore structures such as offshore wind and offshore platforms have been installed frequently in ocean, scour effects are considered important. To test the scour effect, numerical simulation of scour has been carried out. However, the test was usually conducted under the uni-directional flow wi...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 단일방향 고정유속 그리고 양방향 변동유속조건에서 발생하는 지형 변화와 세굴 현상을 수치 모의하였으며, 이러한 비선형성 흐름변화에 따른 세굴 영향 정도를 검토하였다. 더불어 현장 관측 자료와의 비교를 통해 서남해안과 같은 왕복성 흐름이 발생하는 지역에서의 세굴 예측시 적절한 모델 수립 방안을 제안하고자 한다.
  • 본 연구에서는 단일방향 고정유속 그리고 양방향 변동유속조건에서 발생하는 지형 변화와 세굴 현상을 수치 모의하였으며, 이러한 비선형성 흐름변화에 따른 세굴 영향 정도를 검토하였다. 더불어 현장 관측 자료와의 비교를 통해 서남해안과 같은 왕복성 흐름이 발생하는 지역에서의 세굴 예측시 적절한 모델 수립 방안을 제안하고자 한다.
  • 서해안은 조석현상으로 인해 왕복성 조류 흐름이 나타나고 있으며 대상해역은 -1~1 m/s의 유속분포를 가지고 있다. 본 연구에서는 이러한 특성을 고려한 왕복성 흐름에 대해서 수치모의하였다.
  • 본 연구에서는 자켓구조물인 해상기상탑 HeMOSU-1 주변에서 발생하는 세굴현상을 검토하기 위하여 2013년 7월 1일 현장 관측을 수행하고, FLOW-3D를 이용하여 수치모의 실험을 수행하였다. 실험 조건으로는 먼저 1 m/s의 유속을 가진 일방향 흐름과 -1~1 m/s의 흐름 분포를 가진 왕복성 흐름에 대해서 수치모의를 수행하였다.
  • 본 케이스에서는 1 m/s의 유속을 가진 흐름이 구조물 주변을 흐를 때, 발생하는 세굴에 대해서 수치 모의하였다. Fig.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
해양 기초에서 발생하는 세굴은 무엇인가? 특히 해상에서의 구조물 설치는 육상과 달리 수력학적 하중이 작용하게 되기 때문에 파랑에 의한 구조물과의 진동, 세굴 현상에 대하여 철저한 사전 검토가 요구된다. 특히, 해상 기초에서 발생하는 세굴은 조류 및파랑 등 유체 흐름과 구조물 사이의 상호작용으로 인해 해저입자가 유실되는 현상으로 정의할 수 있으며 해상 외력 조건에 포함되어 설계시 고려하도록 제안하고 있다(IEC, 2009).
해상구조물의 안정성을 저하시키는 요인에 대한 연구가 필요한 이유는 무엇인가? 최근 해상풍력기기, 해상플랫폼과 같은 해상구조물 설치가빈번해지면서 해상구조물의 안정성을 저하시키는 요인에 대한 대응 연구가 필요하다. 특히 해상에서의 구조물 설치는 육상과 달리 수력학적 하중이 작용하게 되기 때문에 파랑에 의한 구조물과의 진동, 세굴 현상에 대하여 철저한 사전 검토가 요구된다.
구조물 주위에 더 빠른 유속이 발생하는 원인과 그 영향은 무엇인가? 구조물을 해상에 설치하게 되면 구조물이 흐름을 방해하는 장애요인으로 작용하여 구조물 주위에 부분적으로 더 빠른 유속이 발생하게 된다. 이러한 유속 변화는 압력 분포 변화에 기인하게 되어 해양구조물 주위에 아래로 흐르는 유속(downflow), 말굽형 와류(horseshoe vortex) 그리고 후류 와류(wake vortex)가 나타난다. 결국, 유속과 흐름의 변화를 야기하고 하상전단응력과 유사이동 능력을 증가시켜 해저 입자를 유실시키며 구조물의 안정성을 위협하는 요인으로 작용하게 된다. 이러한 세굴 현상이 계속 진행되면 해상풍력 지지구조물 기초의 지지력이 감소하게 될 뿐만 아니라 지지면의 유실로 상부반력 작용에 편심을 유발하여 기초의 전도를 초래한다.
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참고문헌 (14)

  1. American Bureau of Shipping (ABS) (2013). Guide for Building and Classing Bottom-Founded Offshore Wind turbine Installations. 

  2. API RP 2A WSD (2005). Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design. API. 

  3. Det Norske Veritas (DNV) (2010). OS-J101 Design of Offshore Wind Turbine Structures. 

  4. Federal Maritime and Hydrographic Agency (BSH) (2007). Standard. Design of Offshore Wind Turbines. 

  5. FLOW SCIENCE (2014). FLOW-3D User's Manual, Version 11.0.4.5. 

  6. International Electrotechnical Commission (IEC) (2009). IEC 61400-3: Wind turbines - Part 3: Design Requirements for Offshore Wind Turbines, Edition 1.0, IEC. 

  7. International Organization for Standardization (ISO) (2007). ISO 19902: Petroleum and Natural Gas Industries - Fixed Steel Offshore Structures. 

  8. Kim, Y.S., and Kang G.O. (2011). Experimental Study on Hydraulic Resistance of Sea Ground Considering Tidal Current Flow. Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, 23(1), 118-125 (in Korean). 

  9. Kim, Y.S., Han, B.D., and Kang G.O. (2012). Effect of Incidence Angle of Current on the Hydraulic Resistance Capacity of Clayey Soil. Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, 24(1), 26-35 (in Korean). 

  10. KORDI (2011). BSPN64710-2275-2. An Analysis on the Marine Characteristics and Design Supporting for Offshore Wind Power Plant (in Korean). 

  11. Ministry of Maritime Affairs and Fisheries (2005). Harbor and fishery design criteria (in Korean). 

  12. Soulsby, R. (1997). Dynamics of marine sands. Thomas Telford Publications, London. 

  13. U.S. Army Corps of Engineers (2006). Coastal Engineering Manual, Part II : Coastal Hydrodynamics, Chapter II-2, Meteorology and Wave Climate. 

  14. van Rijn, L. (1984). Sediment transport, Part II:bed load transport. Journal of Hydraulic Engineering, 110(10), 1431-1456. 

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