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문제 정의
- 본 연구는 파랑에 의한 연안지역 침식현상에 관한 기초 연구로 고립파를 발생시켜 파랑의 특성을 분석하였다. 또한, 수리실험과 수치모의 결과를 비교 검증하였다.
- . 이러한 한계를 극복하기 위하여 본 연구에서는 Sluice gate 개방 속도를 조절 가능한 수리실험 장치를 개발하여 수문개방속도를 조절하였다. 수문개방속도와 고립파 파고에 관한 상관성을 분석하였으며, 이를 정량적인 방법으로 결과를 제시하였다.
제안 방법
- Fig. 2에 나타내는 바와 같이 Headtank 전면에 있는 Sluice gate를 개방하여 고립파를 발생시키는 방식을 사용하였다.
- Sluice gate의 개방속도를 조절하기 위하여 모터(2 HP, 2 P, 3600 rpm)의 동력을 조절나사(control screw)에 전달하여 인버터를 통하여 모터의 회전수를 조절하여 조절나사 회전 속도에 따라 수문개방속도가 결정되는 방식을 채택하여 설계하였다. 이러한 수문개방 방식으로 0.
- 수문개방을 통하여 생성된 고립파는 경사면에 접근하면서 쇄파의 형태를 보이며 경사면의 압력을 증가시킨다. 각 초기조건에 따라 경사면에 작용하는 압력, 접근 고립파의 파고, 수로 수심을 이용하여 무차원화하여 결과 값을 제시하였다. 수로수심 (d2)에 따라 3가지 실험조건으로 나누었으며 수로수심 (d2) = 0.
- 경사면에 작용하는 고립파의 압력 특성을 분석하기에 앞서 Sluice gate를 이용한 고립파 생성 특성에 관하여 수문개방속도를 달리하여 수리실험과 수치모의를 수행하였다. 수문개방속도를 조절하는 장치의 기작에 관한 성능 검증과 FLOW-3D 수치모의 결과 값에 관한 신뢰도 검증을 위하여 모든 실험조건에 대하여 수리실험과 수치모의 고립파의 특성인 파고, 파속을 비교하였다.
- 7 m/s의 범위로 설정하였다. 고립파의 생성과 경사면에서 쇄파의 형태에 따라서 경사면에 작용하는 압력을 측정하였다.
- 단파의 특성과 유사한 고립파는 초기 파형의 변형 없이 진행하는 특징을 해석적으로 분석하였다5). 실험적 접근방법은 수문을 개방하는 방법과 조파기를 활용하여 고립파를 생성하는 방식 중 본 연구에서는 수문은 순간적으로 개방하는 방식을 통하여 급작스러운 수위의 변화를 유도하여 고립파를 발생시키는 방법을 사용하였다.
- . 본 연구에서도 고립파에 관한 수리실험결과의 비교검증 및 추가 연구를 위하여 Flow Science사에서 개발한 FLOW-3D를 이용하여 고립파 특성을 모의하였다. 연속방정식과 운동량방정식을 지배 방정식으로 사용하고 있다10).
- 경사면에 작용하는 고립파의 압력 특성을 분석하기에 앞서 Sluice gate를 이용한 고립파 생성 특성에 관하여 수문개방속도를 달리하여 수리실험과 수치모의를 수행하였다. 수문개방속도를 조절하는 장치의 기작에 관한 성능 검증과 FLOW-3D 수치모의 결과 값에 관한 신뢰도 검증을 위하여 모든 실험조건에 대하여 수리실험과 수치모의 고립파의 특성인 파고, 파속을 비교하였다. 이때, 수위차와 고립파 파고에 대한 비교한 결과는 수위차 0.
- 수문개방조절 장치의 기작에 관한 분석을 위하여 Headtank의 수위(d1)과 수로의 수심(d2)을 수리실험과 수치모의 변수로 각 조건에 따른 고립파 대표적 특성인 파고를 도출하였다.
- . 실험적 접근방법은 수문을 개방하는 방법과 조파기를 활용하여 고립파를 생성하는 방식 중 본 연구에서는 수문은 순간적으로 개방하는 방식을 통하여 급작스러운 수위의 변화를 유도하여 고립파를 발생시키는 방법을 사용하였다. 향후 수문을 이용한 고립파 연구에 기초적인 연구자료를 제공하고자 수리실험 조건에 따른 재현 고립파 특성을 분석하였다.
- 향후 수문을 이용한 고립파 연구에 기초적인 연구자료를 제공하고자 수리실험 조건에 따른 재현 고립파 특성을 분석하였다. 실험조건을 상류 Headtank 수위와 하류 수심과의 수위차를 이용하는 경우와 sluice gate 개방 속도에 따라 고립파를 생성하는 두 가지 경우로 나누어 실험을 수행하였다.
- Sluice gate의 개방속도를 조절하기 위하여 모터(2 HP, 2 P, 3600 rpm)의 동력을 조절나사(control screw)에 전달하여 인버터를 통하여 모터의 회전수를 조절하여 조절나사 회전 속도에 따라 수문개방속도가 결정되는 방식을 채택하여 설계하였다. 이러한 수문개방 방식으로 0.2 ~ 0.75 m/s 범위에서 조절이 가능하여, Sluice gate를 개방할 수 있는 최대 가동범위를 고려하여 수심을 변화시키고 고립파의 파고를 측정하였다. 파고를 수심에 대해 무차원화한 상대파고(수심 대 파고비)를 기준으로 수심변화에 따라 생성되는 고립파의 파고에 대한 분석을 수행하였다.
- 일반적인 고립파 재현에 관한 수리실험 방법인 상하류 수위차가 있는 수문개방을 통하여 고립파를 생성하였으나, 수문개방 속도에 관한 수리실험은 상대적으로 부족하여 수문개방속도를 조절할 수 있는 장치를 이용한 수리실험을 독자적으로 수행하였다. 수문개방속도에 따라 생성되는 고립파의 파고는 증가하다가 수문개방속도가 0.
- 75 m/s 범위에서 조절이 가능하여, Sluice gate를 개방할 수 있는 최대 가동범위를 고려하여 수심을 변화시키고 고립파의 파고를 측정하였다. 파고를 수심에 대해 무차원화한 상대파고(수심 대 파고비)를 기준으로 수심변화에 따라 생성되는 고립파의 파고에 대한 분석을 수행하였다. 상대파고는 주기 혹은 파장에 영향을 받지 않는 매개변수로써, 고립파 해석에 사용하는 무차원 매개변수이다.
- 실험적 접근방법은 수문을 개방하는 방법과 조파기를 활용하여 고립파를 생성하는 방식 중 본 연구에서는 수문은 순간적으로 개방하는 방식을 통하여 급작스러운 수위의 변화를 유도하여 고립파를 발생시키는 방법을 사용하였다. 향후 수문을 이용한 고립파 연구에 기초적인 연구자료를 제공하고자 수리실험 조건에 따른 재현 고립파 특성을 분석하였다. 실험조건을 상류 Headtank 수위와 하류 수심과의 수위차를 이용하는 경우와 sluice gate 개방 속도에 따라 고립파를 생성하는 두 가지 경우로 나누어 실험을 수행하였다.
대상 데이터
- 수리실험에서 사용된 고립파 발생조건은 Headtank수위와 하류측 수위와의 차이와 수문개방속도에 따라 실험 조건을 설정하였으며, 세부조건은 Table 1에 제시하였다. 수위차를 각 실험조건에 맞추어 0.
- 본 연구에서 사용된 2차원 수조에서 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 단면수로의 길이는 9.0 m, 폭이 0.8 m, 깊이 0.75 m, 경사면 10°이며, 수로측면은 강화유리로 되어있어 고립파의 변화와 진행을 가시적으로 관측할 수 있도록 제작되었다. Fig.
데이터처리
- 동일한 조건에서 고립파의 재현에 관한 이론적 검토와 수리실험결과를 이용하여 수치모의 결과를 비교하였다. 고립파의 파고에 대한 수리실험과 수치모의를 비교한 결과, R2=0.
- 본 연구는 파랑에 의한 연안지역 침식현상에 관한 기초 연구로 고립파를 발생시켜 파랑의 특성을 분석하였다. 또한, 수리실험과 수치모의 결과를 비교 검증하였다.
- 이러한 한계를 극복하기 위하여 본 연구에서는 Sluice gate 개방 속도를 조절 가능한 수리실험 장치를 개발하여 수문개방속도를 조절하였다. 수문개방속도와 고립파 파고에 관한 상관성을 분석하였으며, 이를 정량적인 방법으로 결과를 제시하였다.
- 고립파는 일반적인 파랑에 비하여 상대적으로 긴 파장을 가진다. 이러한 특징을 이용하여 고립파 수리실험에서 상대파고(고립파 파고(H)/수로 수심(d2))를 적용하여 고립파 특성을 무차원화 하여 분석하였다.
이론/모형
- 이는 수리실험의 특성을 재현하기 위하여 사용한 기법이다. 계산상 FLOW-3D의 격자망은 직사각형 격자망을 사용하였고, 총 격자의 수는 1,027,500이고, 수문개방에 따른 고립파의 적절한 모의를 위하여 난류 거동을 해석은 LES(Large Eddy Simulation) 난류모형으로 적용하여 해석하였다.
- 본 연구에서는 수치모의에서 Sluice gate를 개방하는 방식을 동일하게 적용하기 위해 GMO(General Moving Object) 기능을 이용하여 고립파를 재현하였다 (Fig 4참조). 이는 수리실험의 특성을 재현하기 위하여 사용한 기법이다.
성능/효과
- Sluice gate를 이용한 고립파의 특성인 파고는 수문 개방속도를 증가시킬수록 파고가 증가하였으나, 수문 개방속도가 0.5 m/s 이상에서는 값의 변화가 적어지는 경향을 나타내었다. 또한, 수리실험 수행이 어려운 구간에 대하여 수치모의를 통하여 결과 값을 선형적으로 도출하여 나타내었다.
- 4 m/s 이상의 구간에서는 일정한 파고를 형성하였다. 또한 3차원 수치모의를 통하여 수리실험 결과와 비교분석을 수행하여, 수문에서 발생하는 표면마찰로 인하여 발생된 고립파 에너지의 미소 손실이 발생함을 확인하였다. 수문개방을 통하여 생성된 고립파는 경사면에 접근하면서 쇄파의 형태를 보이며 경사면의 압력을 증가시킨다.
후속연구
- 향후 실험수조와 경사면에 다양한 유사를 포설하여 고립파에 따른 유사거동 특성 수리실험을 진행한다면, 해당연구결과와 함께 본 연구결과는 압력과 부유사 발생 및 이송 현상을 분석하는 이다. 또한, 고립파의 대표적인 파랑인 지진해일에 관한 수리실험을 수행할 시 본 연구결과를 활용하여 연안지역 침식현상 뿐만 아니라 구조물에 직접적, 간접적으로 안정성에 문제를 해결에 기여할 수 있을 것이다.
- 침식과 퇴적 메커니즘에 관한 분석을 수행하기 위하여 경사면에 작용하는 고립파의 압력측정치는 연안지역 유사거동 특성을 분석하기 위한 기초가 되는 연구자료로 활용할 수 있으며, 향후 침식현상을 설명하는데 활용 가능하다. 유사의 부유현상에 깊게 관여하는 양력은 연안지역 침식현상 예측을 위한 수치모델의 검증에 활용이 가능하며, 고립파에 의한 부유사 거동 특성분석을 위한 기초자료로 활용가능하다. 향후 실험수조와 경사면에 다양한 유사를 포설하여 고립파에 따른 유사거동 특성 수리실험을 진행한다면, 해당연구결과와 함께 본 연구결과는 압력과 부유사 발생 및 이송 현상을 분석하는 이다.
- 또한 바닥면 유사에 작용하는 압력을 주요 인자로 간주하였다4). 이러한 연구들을 통해서 연안지역에서 발생되는 침식과 퇴적현상의 경향을 분석하기 위해서는 경사면에 작용하는 고립파의 압력에 관한 수리실험이 세밀하게 수행되어야 한다는 것을 확인할 수 있다.
- 침식과 퇴적 메커니즘에 관한 분석을 수행하기 위하여 경사면에 작용하는 고립파의 압력측정치는 연안지역 유사거동 특성을 분석하기 위한 기초가 되는 연구자료로 활용할 수 있으며, 향후 침식현상을 설명하는데 활용 가능하다. 유사의 부유현상에 깊게 관여하는 양력은 연안지역 침식현상 예측을 위한 수치모델의 검증에 활용이 가능하며, 고립파에 의한 부유사 거동 특성분석을 위한 기초자료로 활용가능하다.
- 유사의 부유현상에 깊게 관여하는 양력은 연안지역 침식현상 예측을 위한 수치모델의 검증에 활용이 가능하며, 고립파에 의한 부유사 거동 특성분석을 위한 기초자료로 활용가능하다. 향후 실험수조와 경사면에 다양한 유사를 포설하여 고립파에 따른 유사거동 특성 수리실험을 진행한다면, 해당연구결과와 함께 본 연구결과는 압력과 부유사 발생 및 이송 현상을 분석하는 이다. 또한, 고립파의 대표적인 파랑인 지진해일에 관한 수리실험을 수행할 시 본 연구결과를 활용하여 연안지역 침식현상 뿐만 아니라 구조물에 직접적, 간접적으로 안정성에 문제를 해결에 기여할 수 있을 것이다.
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