본 연구에서는 아직까지 수치해석에서 적용할 수 없었던 식생대의 거동에 따른 파랑감쇠를 수치적으로 검토하기 위하여 파동장모델(LES-WASS-2D)과 개별요소법(DEM)의 양방향 연성해석기법을 개발하였다. 본 논문에서 적용하는 양방향 연성해석기법의 타당성 및 유효성을 확보하기 위하여 식생을 이용한 파랑감쇠 특성에 관한 수리모형실험결과와 비교 분석하였다. 식생대의 높이, 분포, 간격 및 입사파랑조건에 따른 거동 및 파랑감쇠특성을 수치적으로 분석하였으며, 식생대의 높이가 길어질수록, 분포가 늘어날수록, 간격이 좁아질수록 3~4%정도 파랑감쇠에 효과적인 것을 확인하였다. 이로써 본 연구에서 개발한 연성 수치모델이 식생대의 거동에 따른 파랑감쇠 예측에 적용 가능한 것을 확인하였다.
본 연구에서는 아직까지 수치해석에서 적용할 수 없었던 식생대의 거동에 따른 파랑감쇠를 수치적으로 검토하기 위하여 파동장모델(LES-WASS-2D)과 개별요소법(DEM)의 양방향 연성해석기법을 개발하였다. 본 논문에서 적용하는 양방향 연성해석기법의 타당성 및 유효성을 확보하기 위하여 식생을 이용한 파랑감쇠 특성에 관한 수리모형실험결과와 비교 분석하였다. 식생대의 높이, 분포, 간격 및 입사파랑조건에 따른 거동 및 파랑감쇠특성을 수치적으로 분석하였으며, 식생대의 높이가 길어질수록, 분포가 늘어날수록, 간격이 좁아질수록 3~4%정도 파랑감쇠에 효과적인 것을 확인하였다. 이로써 본 연구에서 개발한 연성 수치모델이 식생대의 거동에 따른 파랑감쇠 예측에 적용 가능한 것을 확인하였다.
In this study, the two-way coupled analysis method of LES-WASS-2D and DEM has been newly developed to review numerically wave attenuation due to behavior of vegetation zone could not yet applied in numerical analysis. To verify the applicability, two-way coupled analysis method is analyzed comparing...
In this study, the two-way coupled analysis method of LES-WASS-2D and DEM has been newly developed to review numerically wave attenuation due to behavior of vegetation zone could not yet applied in numerical analysis. To verify the applicability, two-way coupled analysis method is analyzed comparing to the experimental result about characteristics of wave attenuation using vegetation. Numerically analyzed behavior and characteristics of wave attenuation according to height length, distribution length, spacing of vegetation zone and incident wave conditions. It was confirmed to be effective of 3~4% wave attenuation were increased height length and distribution length, narrowed spacing of vegetation. Finally, this study is applicable to behavior and wave attenuation prediction of vegetation zone.
In this study, the two-way coupled analysis method of LES-WASS-2D and DEM has been newly developed to review numerically wave attenuation due to behavior of vegetation zone could not yet applied in numerical analysis. To verify the applicability, two-way coupled analysis method is analyzed comparing to the experimental result about characteristics of wave attenuation using vegetation. Numerically analyzed behavior and characteristics of wave attenuation according to height length, distribution length, spacing of vegetation zone and incident wave conditions. It was confirmed to be effective of 3~4% wave attenuation were increased height length and distribution length, narrowed spacing of vegetation. Finally, this study is applicable to behavior and wave attenuation prediction of vegetation zone.
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문제 정의
그리고 Harada et al.(2007)은 분리되어 있는 요소 간에 인장력을 부여하여 특정 형태를 재현할 수 있는 연구를 검토하였으며, 본 연구에서는 이러한 기법을 적용하여 식생대의 거동특성을 재현한다.
본 연구에서는 식생대의 거동특성에 따른 파랑감쇠 특성을 수치적으로 검토하기 위하여 식생-파랑의 비선형 상호작용을 수치적으로 해석할 수 있는 2차원 수치해석기법(LES-WASS-2D; Hur and Choi, 2008)과 개별요소법(DEM)간의 양방향 연성해석기법을 개발하여 검토한다. 이러한 수치모델은 Hur and Jeon (2011)에 의해 기존에 제안된 일방향 연성해석기법에서 새롭게 양방향 연성해석기법으로 개발되었다.
본 연구에서는 식생대의 거동특성을 고려한 파랑감쇠특성을 수치적으로 검토하는 것을 목적으로 한다. 이에 식생을 이용한 파랑감쇠에 관한 실험적 연구로서 Kim(2008)은 섬유 재질 식생의 횡밀도 변화에 따른 파랑감쇠효과, Lee et al.
따라서 본 연구에서는 아직까지 수치해석에서 적용할 수 없었던 식생의 거동특성에 따른 파랑감쇠를 수치적으로 검토하기 위하여 식생대의 식생을 개별요소법(DEM)의 요소를 이용하여 재현하며, 식생-파랑의 상호작용에 따른 에너지감쇠는 파동장모델(LES-WASS-2D)을 이용한다. 이러한 수치해석방법 간에 양방향 연성해석기법을 개발하여 식생대의 거동을 고려한 파랑감쇠특성을 검토한다.
6으로부터 파고가 커질수록 식생의 상·하 운동궤적은 점점 커지며, 주기가 길어질수록 식생의 좌·우 운동궤적이 점점 커지는 것을 확인할 수 있다. 이러한 식생의 운동특성은 식생대에 의한 파랑에너지 저감에 중요한 인자로서 작용할 뿐만 아니라 입사파랑의 변화와 밀접한 관계가 있으며 이에 대해서는 후술한다.
제안 방법
(1) 개발한 양방향 연성해석기법을 검증하기 위하여 식생대의 파랑감쇠특성에 따른 반·투과율을 측정한 수리모형실험 결과(Kim, 2008)와 비교·검토하여 타당성 및 유효성을 확인하였다.
Fig. 2에 나타내고 있는 것과 같이 식생대의 파랑감쇠에 관한 검증을 실시한 수치파동수조를 이용하여 입사파고(Hi)와 주기(Ti)변화, 식생대의 높이(hv), 분포(Lv), 분포간격(Dv)에 따른 파랑감쇠 특성을 파악하였다. 이용된 수치해석조건에 대한 상세한 사항은 Table 2에 나타내었다.
그리고 식생대의 거동을 재현하기 위해 개발한 개별요소법(DEM)을 이용하여 요소의 초기배열 후, 파동장모델(LES-WASS-2D)에서 산정된 유체력을 이용하여 운동방정식 조건하에 거동을 수치적으로 검토한다. 거동된 요소의 위치를 추적하여 파동장모델에서 식생대의 영역을 재산정하게 되는 일련의 과정을 반복적으로 수행하는 양방향 해석방법을 적용하여 수치모델의 해석을 실시한다.
먼저, 해석 영역의 식생대 거동 특성에 따른 파랑감쇠특성을 검토하기위하여 비압축성 유체 운동의 연속방정식과 Porous media에도 적용이 가능하도록 수정된 Navier-Stokes 운동방정식을 기초방정식으로 하여, 식생대의 항력저항을 고려할 수 있는 LES-WASS-2D(Hur and Choi, 2008)를 이용하여 수행한다. 그리고 식생대의 거동을 재현하기 위해 개발한 개별요소법(DEM)을 이용하여 요소의 초기배열 후, 파동장모델(LES-WASS-2D)에서 산정된 유체력을 이용하여 운동방정식 조건하에 거동을 수치적으로 검토한다. 거동된 요소의 위치를 추적하여 파동장모델에서 식생대의 영역을 재산정하게 되는 일련의 과정을 반복적으로 수행하는 양방향 해석방법을 적용하여 수치모델의 해석을 실시한다.
여기서 연두색선(⎯)은 연성식생, 파란색선(⎯)은 자유수면, 붉은색 화살표(←)는 유속을 의미한다. 그리고 파동장 계산이 안정된 후에 개별요소법(DEM)을 이용하여 연성식생의 운동특성을 시뮬레이션한 결과이다. 식생대의 거동이 시작되는 시점(개별요소법의 계산을 시작하는 시점)의 의미는 수치파동수조에서 조파개시 후 파동장이 안정된 시점 (t = 15sec)에서 식생의 운동이 시작되도록 수치모의를 수행하였다는 것을 나타낸다.
그리고 해석영역에는 개별요소법(DEM)의 요소를 이용하여 식생대를 배치하였으며, 식생의 밀도(ρV)는 0.95, 식생간의 간격(DV)은 4 cm, 식생의 높이(hV)는 25 cm, 식생대의 분포(LV)는 200 cm이다.
본 연구에서 제안한 연성해석방법을 이용한 식생대의 거동을 수치적으로 검토하면서 파랑감쇠특성을 검증하기 위하여 기존의 수리모형실험(Kim, 2008)에 근거한 수치파동수조를 구성하였다. Fig.
본 연구에서는 아직까지 수치해석에서 적용할 수 없었던 식생의 거동특성에 따른 파랑감쇠를 수치적으로 검토하기 위하여 식생대의 식생을 개별요소법(DEM)의 요소를 이용하여 재현하며, 식생-파랑의 상호작용에 따른 에너지감쇠는 파동장모델(LES-WASS-2D)을 이용한다. 이러한 수치해석방법 간에 양방향 연성해석기법을 개발하여 식생대의 거동을 고려한 파랑감쇠특성을 검토하였다. 그리고 기존의 일방향 해석기법에서 새롭게 양방향 해석기법으로 개발한 연성 수치모델의 주요내용은 아래와 같다.
이론/모형
따라서 본 연구에서는 아직까지 수치해석에서 적용할 수 없었던 식생의 거동특성에 따른 파랑감쇠를 수치적으로 검토하기 위하여 식생대의 식생을 개별요소법(DEM)의 요소를 이용하여 재현하며, 식생-파랑의 상호작용에 따른 에너지감쇠는 파동장모델(LES-WASS-2D)을 이용한다. 이러한 수치해석방법 간에 양방향 연성해석기법을 개발하여 식생대의 거동을 고려한 파랑감쇠특성을 검토한다.
본 연구에서는 유체-식생 상호작용에 따른 식생대의 거동 및 파랑감쇠특성을 양방향 연성수치모델(LES-WASS-2D and DEM)을 이용하여 검토한다. 먼저, 해석 영역의 식생대 거동 특성에 따른 파랑감쇠특성을 검토하기위하여 비압축성 유체 운동의 연속방정식과 Porous media에도 적용이 가능하도록 수정된 Navier-Stokes 운동방정식을 기초방정식으로 하여, 식생대의 항력저항을 고려할 수 있는 LES-WASS-2D(Hur and Choi, 2008)를 이용하여 수행한다. 그리고 식생대의 거동을 재현하기 위해 개발한 개별요소법(DEM)을 이용하여 요소의 초기배열 후, 파동장모델(LES-WASS-2D)에서 산정된 유체력을 이용하여 운동방정식 조건하에 거동을 수치적으로 검토한다.
따라서 본 연구에서는 아직까지 수치해석에서 적용할 수 없었던 식생의 거동특성에 따른 파랑감쇠를 수치적으로 검토하기 위하여 식생대의 식생을 개별요소법(DEM)의 요소를 이용하여 재현하며, 식생-파랑의 상호작용에 따른 에너지감쇠는 파동장모델(LES-WASS-2D)을 이용한다. 이러한 수치해석방법 간에 양방향 연성해석기법을 개발하여 식생대의 거동을 고려한 파랑감쇠특성을 검토한다.
본 연구에서는 유체-식생 상호작용에 따른 식생대의 거동 및 파랑감쇠특성을 양방향 연성수치모델(LES-WASS-2D and DEM)을 이용하여 검토한다. 먼저, 해석 영역의 식생대 거동 특성에 따른 파랑감쇠특성을 검토하기위하여 비압축성 유체 운동의 연속방정식과 Porous media에도 적용이 가능하도록 수정된 Navier-Stokes 운동방정식을 기초방정식으로 하여, 식생대의 항력저항을 고려할 수 있는 LES-WASS-2D(Hur and Choi, 2008)를 이용하여 수행한다.
성능/효과
(2) 검증된 양방향 연성해석기법을 이용하여 식생의 거동 특성을 수치적으로 검토하였으며, 기존의 투과성매체로 적용하는 방식에서 탈피한 획기적인 수치해석방법으로 판단된다.
(3) 식생대의 파랑감쇠 특성은 입사파고(Hi)와 주기(Ti)변화에서는 미미하지만, 식생대의 제원에 따라 식생대의 높이(hv)가 길어질수록 약 3%, 식생대의 분포(Lv)가 늘어날수록 약 4%, 간격(Dv)이 좁아질수록 약 4% 효과적인 것을 확인하였다.
Fig. 10으로부터 식생대의 간격(Dv)이 좁아질수록 파랑에너지의 저감효과로 식생대의 배후에서 파고분포도가 작아지는 것을 확인할 수 있으며, 입사파고(Hi)와 비교하여 CASE2에서는 12%, CASE10에서는 8%로 파고가 감쇠하는 것을 확인할 수 있다.
Fig. 8로부터 식생대의 높이(hv)가 정수면에 근접할수록, 즉 식생대 상부의 수심이 작아질수록 파랑에너지의 저감효과로 식생대의 배후에서 파고분포도가 작아지는 것을 확인할 수 있으며, 입사파고(Hi)와 비교하여 CASE6에서는 9%, CASE7에서는 10%, CASE2에서는 12%로 파고가 감쇠하는 것을 확인할 수 있다.
Fig. 9로부터 식생대의 분포(Lv)가 늘어날수록 파랑에너지의 저감효과로 식생대의 배후에서 파고분포도가 작아지는 것을 확인할 수 있으며, 입사파고(Hi)와 비교하여 CASE8에서는 8%, CASE9에서는 9%, CASE2에서는 12%로 파고가 감쇠하는 것을 확인할 수 있다.
3으로부터 전파되는 파랑에 의해서 식생대의 식생들이 파랑의 진행방향으로 기울어지는 것을 확인할 수 있다. 또한 일정시간이 경과할 경우 식생의 부력과 장력 그리고 파랑에 의한 유체력의 평형상태가 이루어져 규칙파랑 작용 하에서는 일정한 궤적운동을 하게 되며, 개별요소법을 이용한 연성식생의 재현이 파랑의 작용에 따른 유체력으로부터 잘 반응하는 것을 확인할 수 있다. 이와 같은 식생의 거동특성에 의한 식생항력이 파랑에너지를 감소시켜 식생대를 통과하는 파랑의 에너지가 감소하는 것으로 판단되며, 후술하는 내용에서 다루기로 한다.
이상의 결과로부터 식생대의 파랑에너지 저감효과로는 입사파고(Hi)와 주기(Ti)변화에서는 미미하지만, 식생대의 높이(hv)가 길어질수록, 식생대의 분포(Lv)가 늘어날수록, 간격(Dv)이 좁아질수록 효과적인 것을 식생의 거동특성을 고려한 양방향 연성해석기법으로 확인할 수 있다.
7로부터 식생대를 통과하는 파랑이 식생의 저항에 의해 파고가 점점 작아지는 것을 확인할 수 있으며, 입사파고 (Hi)의 변화에 따른 무차원 파고분포는 거의 비슷한 경향을 보이며, 입사파고(Hi)와 비교하여 약 13~14%로 파고가 감쇠한다. 입사주기(Ti)의 변화에 따른 무차원 파고분포는 주기가 짧을수록 미소하지만 더욱 많은 파랑에너지가 감소하는 경향을 보이며, 입사파고(Hi)와 비교하여 약 13~14%로 파고가 감쇠하는 것을 확인할 수 있다.
후속연구
그동안 수치적으로 검토할 수 없었던 식생의 거동특성을 고려한 파랑감쇠특성을 개발한 양방향 연성해석기법을 이용하였으며, 향후 제한된 수리모형실험 조건에서가 아니라 다양한 실제해역을 대상로 파랑감쇠특성을 검토할 예정이다. 또한 기존의 중력식구조물과의 상호작용 및 지형변동특성을 적용하여 활용성이 우수한 연성 수치모델로 구축해 나갈 생각이다.
따라서 합리적인 식생의 물성치를 개별요소법(DEM)에 적용한다면 보다 우수한 결과를 도출할 수 있을 것으로 생각되며 이에 대해서는 향후 더욱 많은 검토가 필요할 것으로 판단된다.
그동안 수치적으로 검토할 수 없었던 식생의 거동특성을 고려한 파랑감쇠특성을 개발한 양방향 연성해석기법을 이용하였으며, 향후 제한된 수리모형실험 조건에서가 아니라 다양한 실제해역을 대상로 파랑감쇠특성을 검토할 예정이다. 또한 기존의 중력식구조물과의 상호작용 및 지형변동특성을 적용하여 활용성이 우수한 연성 수치모델로 구축해 나갈 생각이다.
또한 일정시간이 경과할 경우 식생의 부력과 장력 그리고 파랑에 의한 유체력의 평형상태가 이루어져 규칙파랑 작용 하에서는 일정한 궤적운동을 하게 되며, 개별요소법을 이용한 연성식생의 재현이 파랑의 작용에 따른 유체력으로부터 잘 반응하는 것을 확인할 수 있다. 이와 같은 식생의 거동특성에 의한 식생항력이 파랑에너지를 감소시켜 식생대를 통과하는 파랑의 에너지가 감소하는 것으로 판단되며, 후술하는 내용에서 다루기로 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
식생을 활용한 연안방재기술에 대한 연구의 특징은 무엇인가?
, 2016). 이러한 식생을 활용한 연구로는 식생의 거동특성으로 인하여 수리모형실험의 의존도가 매우 높은 편이나, 컴퓨터 및 수치해석방법의 발달로 수치해석을 통하여 검토되기도 한다.
개별요소법이란 무엇인가?
개별요소법은 암반과 지반을 암석 블록과 흙 입자의 집합체로 설정하여 경계조건 아래 각각 요소 간 전달되는 접촉력 및 합력을 산정하여 동역학적 거동을 수치적으로 해석하기 위한 기법이다. 이러한 토질분야에 적용되어 오던 개별요소법을 Cundall and Stract(1979)가 해안공학분야에서 대표적인 저질에 대해 적용하는 것을 제안하였다.
기존의 연안방재기술인 중력식 구조물에 의존하는 시스템에서 탈피한 유연한 방법으로 주목받은 기술은 무엇인가?
최근에 연안방재기술 검토를 위하여 친환경 및 친자연적인 식생을 활용한 연구들이 활발히 진행되고 있다. 식생을 활용한 연안방재기술은 기존의 중력식 구조물에 의존하는 시스템에서 탈피한 유연한 방법으로 주목받아 연구되고 있다(Tang et al., 2015; Maza et al.
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