[논문]파랑-흐름의 상호작용에 의한 파랑변형 메커니즘 분석

이우동; 허동수

doi:10.12652/ksce.2016.36.4.0645

[국내논문] 파랑-흐름의 상호작용에 의한 파랑변형 메커니즘 분석
Analysis on Mechanism of Wave Attenuation under Wave-Current Interaction 원문보기

대한토목학회논문집 = Journal of the Korean Society of Civil Engineers, v.36 no.4, 2016년, pp.645 - 650

이우동 (국립경상대학교 해양산업연구소) , 허동수 (국립경상대학교 해양토목공학과)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 기존의 수리모형실험에서 나타나는 파랑-흐름 상호작용에 의한 파고감쇠현상을 분석하기 위하여 Navier-Stokes Solver를 이용한 수치시뮬레이션을 수행하였다. 파랑과 흐름이 만날 경우, 유속의 난류성분이 증가하여 난류강도가 커지는 것을 확인하였다. 이것으로부터 파랑이 전파될수록 난류의 영향으로 파랑에너지가 감소하고, 파고가 줄어드는 현상을 이해할 수 있었다. 그리고 흐름의 유속이 증가할수록 난류강도가 증가함으로 파고감쇠효과가 크게 나타났다. 또한 파랑이 동일한 거리를 전파할 때에 파고가 작을수록, 주기가 짧을수록 파고감쇠현상이 심화되는 것을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we conducted a numerical simulation using Navier-Stokes Solver (HYMO-WASS-3D) in order to analyze wave attenuation under wave-current interaction found in existing hydraulic experiments. It showed that wave energy and wave height are reduced as the wave propagates in coexisting fields between waves and currents. And the wave attenuation became more serious as the velocity of current and thus turbulence intensity were increased at wave-current coexisting field. As well, the wave attenuation became more serious with lower wave height and shorter period when the wave propagates the same distance under interactions between waves and currents.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이로서 지금까지 명확히 이해할 수 없었던 파랑-흐름의 상호작용에 의한 파랑변형 메커니즘을 본 연구를 통해 파악할 수 있었다. 향후에는 본 연구의 수치모델을 적용하여 다양한 형태로 나타나는 파랑-흐름의 상호작용에 대해서 심도 깊은 연구를 수행할 예정이다.

제안 방법

, 2012)을 토대로 파랑-흐름의 상호작용 하에서 지형변동까지 고려할 수 있게 개발된 HYMO-WASS-3D (Lee and Hur, 2014)을 이용한다. 그리고 파랑-흐름의 상호작용에 의한 파랑변형 메커니즘을 면밀히 분석하며, 나아가 두 외력간의 상호간섭에 의해 발생하는 난류가 파랑변형에 미치는 영향을 파악한다.
이와 같은 파랑에너지 손실은 파고의 변화로 나타나기 때문에 V_c /C_i가 커질수록 파고 감쇠 현상도 뚜렷이 나타나게 된다. 또한 파랑에너지 손실의 원인에 대해서는 난류현상과 연관하여 후술한다.

이론/모형

기초방정식은 3차원 비압축성ㆍ점성유체에서 파랑과 흐름을 무반사로 발생시킬 수 있는 소스항이 포함된 연속방정식 (1)과 투과성 구조물 내부의 유체저항을 고려한 수정된 Navier-Stokes 운동량 방정식 (2)로 구성되어 있다.
또한 과거의 수리모형실험에서 파랑-흐름의 상호작용에 의한 파고감쇠 현상이 나타나고 있음에도 이것에 대한 논의는 거의 이루어지지 않고 있다. 따라서 본 연구에서는 파랑-흐름의 공존장을 직접 해석할 수 있는 수치모델 HYMO-WASS3D (Lee and Hur, 2014)를 적용하여 수치모의를 수행하였다. 파랑-흐름의 상호작용 하에서 명확하게 검토된 주요내용을 기술하면 아래와 같다.
본 연구에서는 PBM (Porous Body Model) 기반의 3차원 수치 모델(Hur et al., 2012)을 토대로 파랑-흐름의 상호작용 하에서 지형변동까지 고려할 수 있게 개발된 HYMO-WASS-3D (Lee and Hur, 2014)을 이용한다. 그리고 파랑-흐름의 상호작용에 의한 파랑변형 메커니즘을 면밀히 분석하며, 나아가 두 외력간의 상호간섭에 의해 발생하는 난류가 파랑변형에 미치는 영향을 파악한다.
본 연구에서는 파랑과 흐름의 비선형 상호간섭에 파랑변형 메커니즘을 분석하기 위하여 파랑-흐름의 공존장에서 유체-지반의 상호작용에 의해서 지형변동까지 예측할 수 있는 Navier-Stokes solver 기반의 HYMO-WASS-3D (Lee and Hur, 2014)를 이용한다. 이 수치모델은 PBM (Porous Body Model)과 VOF법을 기반으로 하며, 난류해석을 위하여 Germano et al.
본 연구에서는 파랑과 흐름의 비선형 상호간섭에 파랑변형 메커니즘을 분석하기 위하여 파랑-흐름의 공존장에서 유체-지반의 상호작용에 의해서 지형변동까지 예측할 수 있는 Navier-Stokes solver 기반의 HYMO-WASS-3D (Lee and Hur, 2014)를 이용한다. 이 수치모델은 PBM (Porous Body Model)과 VOF법을 기반으로 하며, 난류해석을 위하여 Germano et al. (1991)과 Lilly (1992)가 제안한 동적 와동점성모델 그리고 자유수면의 표면장력을 고려하기 위하여 CSF (Continuum Surface Force)모델(Brackbill et al., 1992)을 적용하고 있다.

성능/효과

(1) 파랑과 흐름의 입사조건을 고려한 결과, V_c /C_i가 커질수록 파고감쇠 효과가 커지는 것을 확인하였다.
(2) V_c /C_i가 커질수록 파랑과 흐름의 상호작용이 강하여 파랑에너지의 손실이 증가하였고, 이 영향으로 파고가 감쇠하는 것으로 나타났다.
(3) 파랑과 흐름의 상호작용 하에서 난류강도는 파랑만 존재할 경우보다 증가하였고, V_c /C_i가 커질수록 강한 상호작용이 발생하기 때문에 난류강도가 크게 증가하였다. 특히 상호작용이 가장 활발한 정수면 부근에서 최대값이 발생하였다.
, 2013; Son and Lynett, 2014). 그리고 이 연구들은 기존의 수리모형실험결과와 비교ㆍ분석하여 높은 일치도를 나타내는 고정도의 수치모델인 것을 알 수 있다. 그러나 파랑-흐름 공존장의 유동구조만을 논의하고 있을 뿐, 파랑변형에 대해서는 거의 고찰하지 않고 있다.
모든 해석결과를 종합하면, 파랑과 흐름이 만나면 난류강도가 강해지게 되고, 이 영향에 의해서 파랑에너지가 손실된다. 결국에는 파랑에너지 손실이 파고감쇠 현상으로 나타나며, V_c /C_i가 커질수록 감쇠율이 증가한다.
특히 파랑과 흐름의 상호간섭이 가장 활발한 정수면 부근에서 최대의 평균난류강도가 발생하는 것을 알 수 있다. 여기에 나타내지 않은 많은 경우에서도 V_c/C_i가 커질수록 평균난류강도가 증가하는 경향을 보이는 것을 확인하였다. 이같은 난류구조는 파랑에너지를 감소시켜, 결국에는 파고를 줄이는 현상으로 나타나게 된다.

후속연구

여기서 (c)의 경우는 각기 파장이 다르기 때문에 파랑이 같은 거리를 전파할 때는 입사주기가 짧을수록 파고감쇠효과는 크게 증가하게 된다. 그리고 흐름이 없는 경우에도 수치확산에 의해 미미한 파고감쇠가 나타나나, 이것에 대해서는 본 논문에서 논의하지 않기로 한다.
이로서 지금까지 명확히 이해할 수 없었던 파랑-흐름의 상호작용에 의한 파랑변형 메커니즘을 본 연구를 통해 파악할 수 있었다. 향후에는 본 연구의 수치모델을 적용하여 다양한 형태로 나타나는 파랑-흐름의 상호작용에 대해서 심도 깊은 연구를 수행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	파랑-흐름 상호작용에 의한 파고감쇠현상을 분석한 본 연구의 결과는?	본 연구에서는 기존의 수리모형실험에서 나타나는 파랑-흐름 상호작용에 의한 파고감쇠현상을 분석하기 위하여 Navier-Stokes Solver를 이용한 수치시뮬레이션을 수행하였다. 파랑과 흐름이 만날 경우, 유속의 난류성분이 증가하여 난류강도가 커지는 것을 확인하였다. 이것으로부터 파랑이 전파될수록 난류의 영향으로 파랑에너지가 감소하고, 파고가 줄어드는 현상을 이해할 수 있었다. 그리고 흐름의 유속이 증가할수록 난류강도가 증가함으로 파고감쇠효과가 크게 나타났다. 또한 파랑이 동일한 거리를 전파할 때에 파고가 작을수록, 주기가 짧을수록 파고감쇠현상이 심화되는 것을 확인할 수 있었다.
	해양에는 다양한 물리적 외력이 존재하는데 그중 대표적인 물리적 외력은 무엇인가?	해양에는 다양한 물리적 외력이 존재하며, 그 외력들 간에는 끊임없이 상호간섭이 발생한다. 여기에서 파랑과 흐름의 상호작용이 가장 대표적이라고 할 수 있으며, 이것을 수리학적으로 이해하기 위하여 많은 연구들이 수행되었다. 하지만 아직까지 파랑-흐름의 상호작용에 의한 수리특성이 명확하지 않다.
	파랑과 흐름의 비선형 상호간섭에 파랑변형 메커니즘을 분석하기 위하여 사용하는 모델은 무엇인가?	본 연구에서는 파랑과 흐름의 비선형 상호간섭에 파랑변형 메커니즘을 분석하기 위하여 파랑-흐름의 공존장에서 유체-지반의 상호작용에 의해서 지형변동까지 예측할 수 있는 Navier-Stokes solver 기반의 HYMO-WASS-3D (Lee and Hur, 2014)를 이용한다. 이 수치모델은 PBM (Porous Body Model)과 VOF법을 기반으로 하며, 난류해석을 위하여 Germano et al.

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