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문제 정의
- 2차원 조파수조를 만들 때에는 수조의 제작 방법을 비롯하여 파도 발생장치의 성능 등을 신중하게 결정할 필요가 있는데 이 때 참고할 수 있는 자료 및 관련 정보가 충분하지 않은 편이다. 이러한 국내 상황을 고려하여 향후 우리나라에서 또 다른 조파수조가 만들어질 경우 참고자료로서 활용 가능할 뿐 아니라 해안공학 분야 연구자들이 조파수조의 기능 및 관련 기술을 이해하는데 도움이 될 수 있도록 새로 만들어진 2차원 조파수조의 주요 제원 및 기술적 특징을 본 논문에 기술하였다.
제안 방법
- 이렇게 함으로써 직경 250 mm 회류관을 개방할 경우 자연 회류가 이루어지며, 회류관이 폐쇄될 경우에는 소형 배관 시스템으로 인공적 회류를 발생시킬 수 있다. 소형 배관 시스템의 펌프 정격용량은 각각 1.58 m3 /min 및 2.0 m3 /min으로 차이를 두어 소요유량에 따라 2개의 펌프를 선택적으로 가동할 수 있도록 하였다. 이처럼 펌프의 정격 용량이 차이가 나는 점을 고려하여 소형 배관 시스템의 직경도 100 mm와 125 mm로 차이를 두었다.
- 유리판을 제외한 모든 부분은 공장에서 제작하여 운반한 뒤 현장에서 조립하였다. 수조의 길이가 50 m 이므로 한번에 운반할 수 없기 때문에 길이 10 m의 5개 부분으로 분할 제작한 후 대형 트럭 5대에 나누어 운반하여 각 부분을 서로 연결하여 조립하였다. 조립이 끝난 후에는 수조의 받침대를 수리실험동 바닥에 앵커로 고정하고 수준측량을 통해 수조의 바닥면 및 상부 높이가 균일하게 되도록 조절하였다.
- 만약 물이 심하게 오염되거나 혼탁해져 실험에 사용하기 적당하지 않다면 외부 오수(汚水)로 방류한다. 이처럼 실험에 사용되는 물을 순환하여 사용함으로 써 물 소비량은 많지 않으면서도 수리실험동에 설치된 2차원 조파수조와 3차원 조파수조의 실험 수질을 적절한 수준으로 관리할 수 있도록 설계하였다.
- 수조의 길이가 50 m 이므로 한번에 운반할 수 없기 때문에 길이 10 m의 5개 부분으로 분할 제작한 후 대형 트럭 5대에 나누어 운반하여 각 부분을 서로 연결하여 조립하였다. 조립이 끝난 후에는 수조의 받침대를 수리실험동 바닥에 앵커로 고정하고 수준측량을 통해 수조의 바닥면 및 상부 높이가 균일하게 되도록 조절하였다. 그 후 강화 유리판을 붙이고 실리콘으로 마감하였다.
- 조파기가 설치된 위치에 가까운 쪽의 수조 한쪽 끝으로부터의 수평 거리를 L(단위: m)이라고 정의한다면, 0 ≤ L < 10 의 구간은 수조의 높이를 1.6 m로 하였고, 20 ≤ L ≤ 50 구간은 1.25 m로 하였으며, 10 ≤ L < 20 구간은 수조의 높이가 1.6 m에서 1.25 m로 경사가 2단계로 완만하게 변하도록 만들었다.
- 2 m로 정하였다. 한편, 조파수조의 높이는 Fig. 1에 보인 것처럼 조파수조를 따라 일정한 것이 아니라 변하도록 제작하였다. 조파기가 설치된 위치에 가까운 쪽의 수조 한쪽 끝으로부터의 수평 거리를 L(단위: m)이라고 정의한다면, 0 ≤ L < 10 의 구간은 수조의 높이를 1.
대상 데이터
- 2차원 조파수조의 길이는 50 m, 폭은 1.2 m로 정하였다. 한편, 조파수조의 높이는 Fig.
- 수조의 바닥 및 내측벽은 길이 방향의 한 측벽만을 제외하고는 모두 스테인리스 철판으로 제작되었다. 길이 방향의 한측벽은 실험 중의 관찰뿐 아니라 조파판 전면과 후면 소파장치에서의 수리현상도 관찰이 가능하도록 측벽 전체(길이 50 m)가 강화유리판으로 제작되었다. 유리판을 제외한 모든 부분은 공장에서 제작하여 운반한 뒤 현장에서 조립하였다.
- 파도 발생장치는 스페인 VTI사에서 공급한 제품으로 조파판, 액추에이터(Actuator), 액추에이터 가이드, 조파판 지지대 및 트롤리로 구성된다. 조파판은 파도를 발생시키기 위해 앞뒤로 움직이는 연직 판으로 높이는 1.6 m, 폭은 1.18 m이다, 조파판은 스테인리스 스틸과 유리섬유 강화플라스틱(Glass fiber reinforced plastic: GFRP)으로 만들어졌고 무게는 85 kg이다. 액추에이터는 서보모터에 의해 동작하는 볼 스크류 타입의 시스템이며, 위치 센서를 통해 위치가 조절된다.
- 그 설치 위치는 파도 발생장치로부터 멀리 떨어진 조파수조의 오른쪽 끝이다. 파도 발생장치 전면 소파제는 Fig. 5에 보인 것처럼 다양한 공극률을 갖는 10장의 투과성 철판으로 구성된다. 철판은 아연도금을 한 뒤 두껍게 칠하여 부식을 방지하였다.
- 파도 발생장치는 스페인 VTI사에서 공급한 제품으로 조파판, 액추에이터(Actuator), 액추에이터 가이드, 조파판 지지대 및 트롤리로 구성된다. 조파판은 파도를 발생시키기 위해 앞뒤로 움직이는 연직 판으로 높이는 1.
이론/모형
- 첫 번째로 수조 바닥 자체에 경사 구간을 만들어 모형 설치 구간의 수심에 비해서 조파기 설치 위치의 수심을 더 깊게 하였다. 또한 국내에 도입된 적이 없는 VTI사의 피스톤 타입 파도 발생장치 및 조파 프로그램 AwaSys를 채택하였다. 마지막으로 실험 중 수위 및 유량을 가변적으로 조절할 수 있는 회류시스템을 갖췄다.
성능/효과
- 새로 구축된 2차원 조파수조를 설계하고 제작하는 과정에 서 몇몇 새로운 시도를 추구하였다. 첫 번째로 수조 바닥 자체에 경사 구간을 만들어 모형 설치 구간의 수심에 비해서 조파기 설치 위치의 수심을 더 깊게 하였다. 또한 국내에 도입된 적이 없는 VTI사의 피스톤 타입 파도 발생장치 및 조파 프로그램 AwaSys를 채택하였다.
후속연구
- 본 2차원 조파수조를 활용한 실험 과정에서 위에서 설명한 새로운 시도의 장점 및 단점이 드러날 경우 그에 관련된 내용을 논문 또는 학술발표 등으로 소개함으로써 본 조파수조의 성능 및 한계점을 여러 연구자들과 함께 공유할 계획이다. 또한 본 논문에 소개된 2차원 조파수조의 사양 및 기술적 특징을 참고로 하여 앞으로 국내에서 또 다른 2차원 조파수조가 구축된다면 더 훌륭하고 좋은 시설이 구축될 수 있기를 기대한다. 이를 통해 우리나라 해안공학 수리 실험 분야의 저변이 더욱 확대되고 관련 연구 및 산업 발전에 기여할 수 있게 되기를 희망한다.
- 이를 위해서는 구조물 앞쪽과 뒤쪽에서 수위 정보와 회류시스템의 유량 정보를 동시에 취득하는 자료취득(data acquisition) 장비가 필요하다. 또한 회류시스템에 설치된 펌프의 시동과 종료 및 펌프 회전수(RPM) 조절을 통한 유량 변경을 실시간으로 제어하는 전용 소프트웨어를 구성할 계획이다. 이러한 실시간 수위-유량 모니터링 시스템을 구축하게 되면 Lee et al.
- 새로 구축된 2차원 조파수조는 향후 해안공학 분야 기초 및 응용 연구에 필요한 수리실험에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 전망된다. 본 2차원 조파수조를 활용한 실험 과정에서 위에서 설명한 새로운 시도의 장점 및 단점이 드러날 경우 그에 관련된 내용을 논문 또는 학술발표 등으로 소개함으로써 본 조파수조의 성능 및 한계점을 여러 연구자들과 함께 공유할 계획이다. 또한 본 논문에 소개된 2차원 조파수조의 사양 및 기술적 특징을 참고로 하여 앞으로 국내에서 또 다른 2차원 조파수조가 구축된다면 더 훌륭하고 좋은 시설이 구축될 수 있기를 기대한다.
- 본 회류 시스템은 단면 조파수조를 이용한 실험 수행 시 수위와 유량이 관계를 가지는 모든 실험에서 활용이 가능하다. 특히 월파 또는 투과가 크게 발생하는 구조물의 수리실험을 수행할 경우 발생하는 구조물 뒤쪽의 인위적인 수위 상승을 해소하는데 매우 유용하게 사용될 수 있다.
- 새로 구축된 2차원 조파수조는 향후 해안공학 분야 기초 및 응용 연구에 필요한 수리실험에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 전망된다. 본 2차원 조파수조를 활용한 실험 과정에서 위에서 설명한 새로운 시도의 장점 및 단점이 드러날 경우 그에 관련된 내용을 논문 또는 학술발표 등으로 소개함으로써 본 조파수조의 성능 및 한계점을 여러 연구자들과 함께 공유할 계획이다.
- 2에는 제작이 완료된 2차원 조파수조의 사진을 제시하였다. 수조 상부의 레일 위에는 향후 관측기기 고정 및 이동을 위한 전용 대차를 제작하여 실험에 활용할 계획이다.
- 철판은 아연도금을 한 뒤 두껍게 칠하여 부식을 방지하였다. 이러한 형태의 소파제는 국내에서 적용 사례가 거의 없기 때문에 향후 여러 실험파 조건에 대해 엄밀하게 반사율 평가를 수행한 후 관련 결과를 별도로 소개할 예정이다.
- 향후에는 조파 실험 중 구조물 앞쪽과 뒤쪽의 평균수위 변화량과 회류 시스템의 유량을 실시간으로 계측하여 출력하는 수위-유량 모니터링 시스템을 구축할 예정이다. 이를 위해서는 구조물 앞쪽과 뒤쪽에서 수위 정보와 회류시스템의 유량 정보를 동시에 취득하는 자료취득(data acquisition) 장비가 필요하다.
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