olaFlow 모델에 의한 규칙파작용 하 혼성방파제-해저지반의 상호작용에 관한 수치시뮬레이션 Numerical Simulation of Interaction between Composite Breakwater and Seabed under Regular Wave Action by olaFlow Model원문보기
해안 항만구조물을 대표하는 혼성방파제의 설계에서 파랑하중에 의한 사석마운드 및 해저지반의 내부에서 과잉간극수압의 거동과 그에 따른 구조물의 파괴가 논의되어 왔고, 이를 수치시뮬레이션기법으로 규명하려는 시도가 있어왔다. 수치시뮬레이션에 관한 대부분의 연구에서는 선형 및 비선형의 해석법이 적용되었지만, 난류모델를 고려한 강비선형해석법이 적용된 사례는 거의 없었다. 본 연구에서는 VOF 법에 의한 쇄파현상과 LES 법에 의한 난류모델을 고려하는 고정도의 혼상류해석법인 olaFlow 모델을 적용하였으며, 규칙파-해저지반 및 규칙파-혼성방파제-해저지반의 상호작용해석에 관한 기존의 수치해석해 및 실험치와의 비교로부터 olaFlow 모델의 타당성을 입증하였다. 이로부터 혼성방파제의 케이슨과 사석마운드에서뿐만 아니라 해저지반의 내부에서 규칙파랑하중에 의한 수평파압, 과잉간극수압의 공간분포, 평균유속, 평균와도의 공간분포에 관한 특성 및 와도 크기의 평균분포와 평균난류 운동에너지와의 관계를 검토하였으며, 나아가 혼성방파제의 안정성을 논의하였다.
해안 항만구조물을 대표하는 혼성방파제의 설계에서 파랑하중에 의한 사석마운드 및 해저지반의 내부에서 과잉간극수압의 거동과 그에 따른 구조물의 파괴가 논의되어 왔고, 이를 수치시뮬레이션기법으로 규명하려는 시도가 있어왔다. 수치시뮬레이션에 관한 대부분의 연구에서는 선형 및 비선형의 해석법이 적용되었지만, 난류모델를 고려한 강비선형해석법이 적용된 사례는 거의 없었다. 본 연구에서는 VOF 법에 의한 쇄파현상과 LES 법에 의한 난류모델을 고려하는 고정도의 혼상류해석법인 olaFlow 모델을 적용하였으며, 규칙파-해저지반 및 규칙파-혼성방파제-해저지반의 상호작용해석에 관한 기존의 수치해석해 및 실험치와의 비교로부터 olaFlow 모델의 타당성을 입증하였다. 이로부터 혼성방파제의 케이슨과 사석마운드에서뿐만 아니라 해저지반의 내부에서 규칙파랑하중에 의한 수평파압, 과잉간극수압의 공간분포, 평균유속, 평균와도의 공간분포에 관한 특성 및 와도 크기의 평균분포와 평균난류 운동에너지와의 관계를 검토하였으며, 나아가 혼성방파제의 안정성을 논의하였다.
The behavior of wave-induced pore water pressure inside the rubble mound and seabed, and the resultant structure failure are investigated, which are used in design of the composite breakwater representing the coastal and harbor structures. Numerical simulation techniques have been widely used to ass...
The behavior of wave-induced pore water pressure inside the rubble mound and seabed, and the resultant structure failure are investigated, which are used in design of the composite breakwater representing the coastal and harbor structures. Numerical simulation techniques have been widely used to assess these behaviors through linear and nonlinear methods in many researches. While the combination of strongly nonlinear analytical method and turbulence model have not been applied yet, which can simulate these characteristics more accurately. In this study, olaFlow model considering the wave-breaking and turbulent phenomena is applied through VOF and LES methods, which gives more exact solution by using the multiphase flow analytical method. The verification of olaFlow model is demonstrated by comparing the experimental and numerical results for the interactions of regular waves-seabed and regular waves-composite breakwater-seabed. The characteristics of the spatial distributions of horizontal wave pressure, excess-pore-water pressure, mean flow velocity and mean vorticity on the upright caisson, and inside the rubble mound and seabed are discussed, as well as the relation between the mean distribution of vorticity size and mean turbulent kinetic energy. And the stability of composite breakwater are also discussed.
The behavior of wave-induced pore water pressure inside the rubble mound and seabed, and the resultant structure failure are investigated, which are used in design of the composite breakwater representing the coastal and harbor structures. Numerical simulation techniques have been widely used to assess these behaviors through linear and nonlinear methods in many researches. While the combination of strongly nonlinear analytical method and turbulence model have not been applied yet, which can simulate these characteristics more accurately. In this study, olaFlow model considering the wave-breaking and turbulent phenomena is applied through VOF and LES methods, which gives more exact solution by using the multiphase flow analytical method. The verification of olaFlow model is demonstrated by comparing the experimental and numerical results for the interactions of regular waves-seabed and regular waves-composite breakwater-seabed. The characteristics of the spatial distributions of horizontal wave pressure, excess-pore-water pressure, mean flow velocity and mean vorticity on the upright caisson, and inside the rubble mound and seabed are discussed, as well as the relation between the mean distribution of vorticity size and mean turbulent kinetic energy. And the stability of composite breakwater are also discussed.
(1999)의 수치 및 실험결과와 본 연구에서 적용하는 olaFlow 모델에 의한 수치해석 결과와의 비교 · 검토를 통하여 수치모델의 적용성을 입증한다.
유한 두께의 사질지반 상에 규칙파를 조파시켜 해저지반 내에서 깊이에 따른 진동과잉간극수압 변화를 측정한 Zhang et al.(2016)의 실험결과와 이와 동일한 조건 하에 해석적으로 검토한 Hsu and Jeng(1994)의 해석결과를 본 연구에서의 olaFlow(Higuera et al., 2018) 모델에 의한 수치해석결과와 각각 비교하여 olaFlow 모델의 타당성을 논의한다. 비교에 사용된 수치파동수로는 전술한 Fig.
이로부터 사질지반 상에 혼성방파제가 설치된 일정수심의 수치파동수로에서 파고 및 주기의 변화에 따른 혼성방파제 주변에서 과잉간극수압 및 평균유속과 평균와도의 공간분포에 관한 각 특성을 검토하고, 와도 크기의 평균분포와 평균난류운동에너지와의 관계를 평가한다. 또한, 혼성방파제의 안정성에 큰 영향을 미치는 사석마운드 저면 하에서 과잉간극수압 및 케이슨의 전면과 저면에 작용하는 수평파압과 과잉간극수압(양압력)의 변동특성을 검토한다.
이로부터 사질지반 상에 혼성방파제가 설치된 일정수심의 수치파동수로에서 파고 및 주기의 변화에 따른 혼성방파제 주변에서 과잉간극수압 및 평균유속과 평균와도의 공간분포에 관한 각 특성을 검토하고, 와도 크기의 평균분포와 평균난류운동에너지와의 관계를 평가한다.
이에 근거하여 규칙파작용 하 혼성방파제-해저지반의 비선형상호작용에 의한 혼성방파제 주변과 사석마운드 및 해저지반의 내부에서 최대과 잉간극수압분포, 평균유속, 평균와도, 와도의 평균크기, 평균난류운동에너지 및 사석마운드와 케이슨의 저면에서 최대과 잉간극수압, 그리고 케이슨의 전면에서 최대무차원수평파압의 변동특성을 검토하고, 혼성방파제의 안정성을 면밀히 검토 · 분석하였다.
대상 데이터
Fig. 8과 같은 일정수심 h = 0.4 m를 갖는 2차원파동장에 설치된 해저지반 상의 혼성방파제를 대상으로 수치파동수로를 구성하였다. 해저지반 두께는 d = 1.
(1978)은 규칙파동장 하 유한 두께의 사질지반을 대상으로 깊이에 따른 진동과잉간극수압, 유효응력 및 변위에 대한 각 변동진폭을 실험적으로 측정하였다. 본 연구에서 적용하는 olaFlow(Higuera et al., 2018) 모델의 타당성을 검증하기 위하여 실험과 동일한 Fig. 1의 수치파동수로를 구성하였으며, 여기서 일정수심은 h = 0.9 m, 해저지반 두께는 d = 0.5 m, 길이는 w = 10 m이다. 실험파랑조건은 입사파고 Hi = 10 cm에 대해 입사주기 Ti = 1.
, 2018) 모델에 의한 수치해석결과와 각각 비교하여 olaFlow 모델의 타당성을 논의한다. 비교에 사용된 수치파동수로는 전술한 Fig. 1과 같으며, 제원은 일정수심 h = 0.3 m, 해저지반 두께 d = 0.4 m, 길이 w =3m로 각각 구성되었다. 입사파고와 입사주기는 Hi = 4~12 cm, Ti = 1.
실험파랑조건은 입사파고 Hi = 10 cm에 대해 입사주기 Ti = 1.0, 1.5, 2.0, 2.6 s의 총 4케이스로 구성되었으며, 해저지반은 공극률이 φ = 0.3, 중앙입경이 D50 = 0.12 cm인 사질지반이고, 저항계수 α, β는 Burcharth and Christensen(1991)이 제시한 범위 내의 α =100, β = 2.0의 값이 적용되었다.
4 m를 갖는 2차원파동장에 설치된 해저지반 상의 혼성방파제를 대상으로 수치파동수로를 구성하였다. 해저지반 두께는 d = 1.0 m, 길이는 항외측 사석마운드우각부를 기준으로 항외측으로 20 m와 항내측으로 12 m로 설정하여 총 w = 32 m로 구성하였다. 격자크기는 Δx = Δz = 1 cm의 정방형계산격자를 이용하였으며, 바닥경계조건과 케이슨경계조건으로는 Neumann 조건인 ∂f/∂xi = 0를 적용하였다.
Table 2은 본 규칙파의 수치실험에서 적용한 입사파랑 조건을 나타내며, 수치조파에는 Stokes의 5차파를 적용하였다.
본 연구는 상기의 각 연구들이 가지는 한계점을 보완할 수 있는 수법으로 VOF(Volume Of Fluid) 법(Kissling et al., 2010)에 의한 쇄파해석을 포함한 강비선형해석에 LES(Large Eddy Simulation) 모델(Smagorinsky, 1963)에 의한 난류해석을 적용한 olaFlow(Higuera et al., 2018) 모델을 이용하였다. 이는 수치기법으로 유한체적법을 적용하며, 파동장과 해저지반을 동일한 격자를 구성할 수 있다.
본 연구에서 이용한 수치해석모델인 olaFlow(Higuera et al., 2018) 모델은 비혼합 · 비압축성의 혼상유체(액체 및 기체)를 해석하기 위하여 식(1)의 연속방정식과 식(2)의 VARANS 방정식을 유한체적법에 기초하여 이산화한다.
본 연구에서는 olaFlow(Higuera et al., 2018) 모델을 이용하여 규칙파 하 해저지반의 깊이에 따른 진동과잉간극수압 변화, 사질지반 상에 설치된 혼성방파제 주변에서 파랑변형과 사석마운드와 해저의 내부에서 진동과잉간극수압변동에 대한 기존 실험결과와의 비교 · 검토로부터 olaFlow(Higuera et al., 2018) 모델의 타당성을 검증하였다.
액체와 기체의 경계면은 계산격자 내에서 유체가 점유하는 체적을 나타내는 VOF 함수 F를 이용하는 VOF 법을 적용하며, VOF 법에서는 액체셀의 경우 F = 1, 기체셀의 경우 F = 0, 그리고 액체와 기체를 모두 포함하고 있는 경계셀의 경우는 0< F < 1의 값을 갖는다.
이 연구에는 난류모델로 k-ε 모델을 적용하였지만, 파동장과 해저지반을 따로 계산하여 접합하는 Hybrid 기법을 적용하였다.
성능/효과
(2) 최대무차원과잉간극수압은 케이슨 전면의 사석마운드부에서 가장 크게, 그리고 중복파의 배 위치에서도 크게 나타난다. 파형경사가 증가함에 따라 해저지반 내 과잉간극수압의 영향범위가 넓게 분포되고, 파형경사가 감소함에 따라 케이슨 전면의 사석마운드부와 중복파의 배 위치에서 크게 나타난다.
(3) 평균유속과 평균와도는 파형경사가 증가함에 따라 케이슨 전면 사석마운드 상 및 부근에서 순환셀이 발생되며, 사석마운드 항외측 경사면에서 강한 전단흐름이 발생된다. 이러한 순환셀과 전단흐름은 구조물의 안정성에 영향을 미칠 수 있다.
(4) 와도 크기의 평균분포와 평균난류에너지의 분포에서 난류에너지는 와도 크기에 직접적인 영향을 미치고, 케이슨 전면 사석마운드부, 사석마운드 전면 경사면 그리고 중복파의 마디에 해당하는 위치에서 크게 나타난다. 그리고, 파형경사의 증가에 따라 크게 발생되고, 파형경사의 감소에 따라 중복파의 마디위치에서 크게 발생하지만, 케이슨 전면 사석마운드부와 사석마운드 전면 경사면에서는 작아진다.
(5) 케이슨 및 사석마운드 저면에서 최대무차원과잉간극수압에서 본 연구의 검토범위 내 단주기 하에서는 파고의 증가에 따라 크게 나타나지만, 장주기 하에서는 역으로 파고의 감소에 따라 크게 나타난다. 최대무차원과잉간극수압의 수평방향 최대치의 크기와 발생위치는 파고보다는 주기의 영향을 상대적으로 크게 받는다.
결과를 살펴보면 동일한 입사주기에 대해 입사파고가 증가함에 따라 케이슨 전면 사석마운드부에서 반시계방향의 순환셀과 사석마운드 항외측 천단부에서 시계방향의 순환셀이 발생되며, 와도의 집중과 더불어 순환셀의 규모가 확대되는 것을 확인할 수 있다.
그리고, 동일한 입사주기에 대해 입사파고가 증가함에 따라 지반 내 pmax/ρgHi의 영향범위가 넓고, 동시에 깊게 분포하는 것을 알 수 있으며, 이는 파고의 증대에 따른 파랑의 수평 및 연직운동의 증가와 더불어 사석마운드 및 지반 내로 전달되는 파랑에너지의 증가로 인한 결과로 판단된다.
그림을 살펴보면 해저지반 내에서는 간극수의 흐름속도가 작고, 층류흐름이 지배적이기 때문에 와도성분이 거의 나타나지 않지만, 케이슨 전면 사석마운드 상에는 Fig. 11에서 서술된 케이슨 전면에 발생되는 순환셀과 전단흐름의 영향으로 와도성분이 크게 나타나고, 중복파의 마디 위치에 대응하는 X ≈ 23.2 m(CASES 1, 3, 5)와 23.7 m(CASES 11, 13, 15)에서도 수평유속의 발달로 와도성분이 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
한편, 동일한 파고에 대해 주기가 증가함에 따라 중복파의 마디 위치에 대응하는 지점에서 평균난류운동에너지가 크게 발생하지만, 케이슨 전면 사석마운드부 상 및 근방에서는 작아지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 케이슨 전면 사석마운드 상과 근방에서 파형경사가 증가함에 따라 평균난류운동에너지의 변화율이 커지는 경향을 나타낸다. 이러한 원인은 연직케이슨으로 인하여 수평운동성분보다 연직운동성분이 탁월해지고, 파형경사가 증가함에 따라 파랑의 비선형성이 크게 나타나기 때문인 것으로 판단되며, 이는 난류와 난류와도를 실험적으로 검토하여 난류에너지가 파랑의 비선형성분(난류성분)과 관련된다는 사실을 규명한 Chang and Park(2016)의 연구결과로부터도 유추될 수 있다.
입사파고와 입사주기는 Hi = 4~12 cm, Ti = 1.2~1.8 s의 범위에서 각각 수행되었지만, 본 연구에서는 Hi = 4 cm에 대한 Ti = 1.2, 1.5, 1.8 s의 경우와 Ti = 1.5 s에 대한 Hi = 4, 6, 8, 10 cm의 경우에 대해서만 수치계산을 수행하여 olaFlow 모델의 타당성을 입증한다.
전술한 Fig. 4와 같이 검토하면 수평방향 최대치의 크기와 발생위치는 파고보다는 주기의 영향을 상대적으로 크게 받으며, pmax/ρgHi의 차이는 파고가 감소할수록 입사주기의 변화에 보다 민감하다는 것을 확인할 수 있다.
7 m(CASES 11, 13, 15)에서 평균난류운동에너지가 집중되며, 파고의 증가 및 주기의 감소, 즉 파형경사가 증가함에 따라 크게 발생되는 경향을 나타낸다. 한편, 동일한 파고에 대해 주기가 증가함에 따라 중복파의 마디 위치에 대응하는 지점에서 평균난류운동에너지가 크게 발생하지만, 케이슨 전면 사석마운드부 상 및 근방에서는 작아지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 케이슨 전면 사석마운드 상과 근방에서 파형경사가 증가함에 따라 평균난류운동에너지의 변화율이 커지는 경향을 나타낸다.
이러한 대규모 순환셀 및 강한 전단흐름은 사석마운드부에서 사석 이동의 원인이 될 가능성이 있고, 이로 인한 케이슨의 침하파괴 혹은 전도파괴의 직접적인 요인으로 작용할 수도 있을 것으로 판단된다. 한편, 사석마운드 및 해저지반에서는 항내측으로의 흐름이 발생하고, 이러한 흐름은 케이슨 후면의 사석마운드 상에서 시계방향의 순환셀의 발생에 영향을 주며, 파고의 증가로 인한 전달파랑에너지의 증가로 순환셀의 규모가 커지는 것을 확인할 수 있다. 이는 전술한 바와 같이 케이슨 후면의 사석마운드에서도 사석 이동의 가능성을 나타낸다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
파랑에 의한 해저지반의 동적응답 특성은 무엇에 중요한 요소인가?
파랑에 의한 해저지반의 동적응답 특성은 해양구조물의 기초설계와 연안구조물의 안정성 평가에 있어서 중요한 요소이다. 특히, Zen et al.
Hybrid 기법의3단점을 보완하기 위해 Kim(2007)은 어떤 방법을 제안하였는가?
이러한 연구는 Hybrid 기법으로 파동장과 해저지반을 따로 계산하고 이를 결합하여 해석하여야하는 단점이 있을 뿐만 아니라 해저지반 내에서 간극수의 흐름을 정상류로 가정하고 있으므로 간극수의 비정상 흐름에 대한 특성 규명에는 제한이 있다. 한편, Hybrid 기법의 단점을 보완하기 위해 Kim(2007)은 파동장과 해저지반을 하나의 지배방정식으로 구성하고, 유한차분법을 적용한 직접 수치해석기법을 제안하였다. 이 기법은 쇄파현상을 포함한 강비선형해석을 수행할 수 있지만, 난류모델이 적용되지 않아 파동부와 사석마운드부 및 지반부에서 난류의 영향 및 그에 따른 특성을 평가할 수 없었다.
olaFlow 모델의 타당성 검증 실험에서 평균유속과 평균와도는 어떤 결과를 얻는가?
(1) 해저지반 내에서 간극수의 흐름은 중복파의 파곡 하에서는 상향으로, 파봉 하에서 하향으로 각각 주어진다. 또한, 케이슨 저면 사석마운드와 해저지반 내에서 흐름은 케이슨 전면이 파봉일 때 항내측으로, 파곡일 때 항외측으로 나타난다.
(2) 최대무차원과잉간극수압은 케이슨 전면의 사석마운드부에서 가장 크게, 그리고 중복파의 배 위치에서도 크게 나타난다. 파형경사가 증가함에 따라 해저지반 내 과잉간극수압의 영향범위가 넓게 분포되고, 파형경사가 감소함에 따라 케이슨 전면의 사석마운드부와 중복파의 배 위치에서 크게 나타난다.
(3) 평균유속과 평균와도는 파형경사가 증가함에 따라 케이슨 전면 사석마운드 상 및 부근에서 순환셀이 발생되며, 사석마운드 항외측 경사면에서 강한 전단흐름이 발생된다. 이러한 순환셀과 전단흐름은 구조물의 안정성에 영향을 미칠 수 있다.
(4) 와도 크기의 평균분포와 평균난류에너지의 분포에서 난류에너지는 와도 크기에 직접적인 영향을 미치고, 케이슨 전면 사석마운드부, 사석마운드 전면 경사면 그리고 중복파의 마디에 해당하는 위치에서 크게 나타난다. 그리고, 파형경사의 증가에 따라 크게 발생되고, 파형경사의 감소에 따라 중복파의 마디위치에서 크게 발생하지만, 케이슨 전면 사석마운드부와 사석마운드 전면 경사면에서는 작아진다.
(5) 케이슨 및 사석마운드 저면에서 최대무차원과잉간극수압에서 본 연구의 검토범위 내 단주기 하에서는 파고의 증가에 따라 크게 나타나지만, 장주기 하에서는 역으로 파고의 감소에 따라 크게 나타난다. 최대무차원과잉간극수압의 수평방향 최대치의 크기와 발생위치는 파고보다는 주기의 영향을 상대적으로 크게 받는다.
(6) 케이슨의 전면에 작용하는 최대무차원수평파압에 대해본 연구의 검토범위 내에서 정수면과 정수면 하에서는 Goda(2010)의 파압분포와 동일한 양상을 나타내지만, 정수면 상에서는 Goda(2010)의 경우와는 상이하게 비선형성분의 발달에 따른 비정수압분포를 나타내고, 이는 입사파의 파형경사가 클수록 커지고, 동시에 전면에서 처오름고도 높아진다.
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