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불규칙파 조건 하에서 투과성잠제 주변의 수면변동 및 유속장에 관한 3차원 수치모의
3D Numerical Simulation of Water Surface Variations and Velocity Fields around Permeable Submerged Breakwaters under Irregular Waves 원문보기

한국해안·해양공학회논문집 = Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, v.30 no.4, 2018년, pp.153 - 165  

이광호 (가톨릭관동대학교 에너지플랜트공학과) ,  배주현 (한국해양대학교 대학원 토목환경공학과) ,  안성욱 (한국해양대학교 대학원 토목환경공학과) ,  김도삼 (한국해양대학교 건설공학과)

초록

본 연구는 olaFlow을 이용하여 먼저 소스에 의한 불규칙파의 조파에서 목표주파수스펙트럼과 조파된 파랑의 주파수스펙트럼과의 비교 검토로부터 olaFlow의 타당성을 검증하였다. 이로부터 불규칙파랑 하 3차원투과성잠제를 대상으로 잠제 주변에서 형성되는 파고분포와 같은 수면변동의 특성과 설상사주의 주요외력으로 작용하는 평균유속, 연안류 및 난류운동에너지 등을 포함한 유속장의 특성을 수치적으로 검토하였다. 수치해석결과에 따르면 잠제 사이의 개구폭이 감소할수록 개구부 중앙에서는 자승평균평방근파고가 증가하지만 개구부 배후에서는 자승평균 평방근파고가 감소하며, 잠제의 개구폭이 넓을수록 강한 연안류가 형성됨과 동시에 수송유량이 증가되는 것을 확인할 수 있었다. 이로부터 잠제 배후에 형성되는 설상사주의 형성원인을 파악할 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, the performance of irregular wave field generation of olaFlow is first verified by comparing the frequency spectrum of the generated waves by the wave-source using olaFlow and the target wave. Based on the wave performance of irregular waves of olaFlow, the characteristics of the velo...

주제어

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문제 정의

  • (2017a, b)에서와 동일한 제원과 조건의 잠제, 수심 및 흐름을 적용하며, 입사파랑으로는 규칙파의 파고와 주기에 대응하는 유의파고와 유의주기의 불규칙파랑을 적용한다. 따라서, 불규칙파랑 및 설상사주의 형성조건 하에서 잠제의 개구폭과 입사파랑조건 등의 변화에 따른 잠제 주변에서 자승평균평방근파고인 Hrms의 분포와 같은 수면변동 특성과 평균유속(해빈류)의 분포 및 평균난류운동에너지의 분포 등과 같은 수리학적 특성을 검토함과 동시에 설상사주 형성과의 연관성을 규명한다.
  • 본 연구의 olaFlow에 의한 불규칙파의 조파성능을 검증하기 위하여 구조물이 설치되지 않은 수심 h = 10.1 m의 수치파동수조에서 유의파고 H1/3 = 3.0 m, 유의주기 T1/3 = 11.0 s를 목표로 불규칙파를 조파하였다. 적용한 스펙트럼은 식(12)에 제시한 Modified Bretschneider-Mitsuyasu 스펙트럼(Goda, 1988)이며, 150개의 성분파를 선형중첩하여 조파하였다.
  • 한편, 이에 연속하여 보다 현실적이고 산정된 결과의 실현장으로 적용성이라는 측면에서 불규칙파와 3차원잠제의 상호작용에 의해 특정되는 파동장의 변동특성 및 지형변동과의 관계 등을 기초적으로 논의·검토한다는 의미로 본 연구가 수행되었다.

가설 설정

  • 이하에서는 Mizutani et al.(1998)과 같은 기존의 수리실험과 잠제 천단 상에서 강제쇄파의 유도 및 수치계산에서 소요되는 계산시간 등을 참조하여 잠제의 형상, 제체의 매질 및 사빈의 매질 등을 가정하였다. 먼저, Fig.
  • 그리고, 잠제의 제체는 공극율 ∅ = 0.33, 중앙입경 D50 = 3.0 cm인 투과성매질로 구성되며, 잠제의 배후에 설치되는 사빈은 공극률이 ∅ = 0.3, 중앙입경이 D50 = 0.2 cm인 모래로 각각 가정되었다.
  • 5 m로 설정하였다. 또한, 개구폭 G를 3.0 m(CASES 1, 4), 2.5 m(CASES 2, 5), 2.0 m(CASES 3, 6)로 설정함에 따라 잠제 길이 Ls는 3.5 m(CASES 1, 4), 3.75 m(CASES 2, 5), 4.0 m(CASES 3, 6)로 각각 구성되며, 양측면방향으로 동일한 길이의 잠제가 설치되는 것으로 가정하였다. 이상과 같은 잠제 배치와 입사파랑 조건을 종합적으로 나타낸 것이 Table 1이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
3차원수치해석법 연구 방법은? (2017b)은 3차원수치파동수조에서 규칙파랑과 설상사주의 형성조건 하에 있는 투과성잠제를 대상으로 잠제 주변에서 형성되는 파고분포, 평균수위분포 및 유속의 변동특성 등을 3차원수치해석법으로 면밀히 평가하였다. 수치해석에는 olaFlow(Higuera et al.,2015) 모델을 적용하였으며, 적용한 olaFlow 모델의 타당성은 1) 투과성직립벽 주변에서 수위 및 파압변동을 수리모형실험과 수치해석으로부터 규명한 Lara et al.(2012)의 연구, 2) 직사각형불투과잠제 주변에서 규칙파의 수위변동과 유속변화를 수리실험으로부터 규명한 Kawasaki and Iwata(1999)의 연구에서 얻어진 실험결과 및 수치결과와의 비교 · 검토로부터 충분히 검증되었다.
잠제 주변의 파동장 및 잠제 배후에서 지형변동에 대한 연구의 현황은? 한편, 잠제 주변의 파동장 및 잠제 배후에서 지형변동에 관한 연구는 대부분 2차원잠제에 집중되어 있는 반면, 잠제의 3차원적인 영향과 그의 효과에 대해서는 충분한 연구가 수행되어 있지 않은 것은 현황이며, 특히 수치적인 관점에서는 3차원모델의 비싼 계산비용, 긴 계산시간 및 복잡한 물리과정 때문에 관련연구가 아직 매우 미진한 것으로 판단된다. 하여튼, 전편의 연구(Lee et al.
3차원수치파동수조에서 평가한 항목은? 본 연구의 전편에 해당하는 Lee et al.(2017b)은 3차원수치파동수조에서 규칙파랑과 설상사주의 형성조건 하에 있는 투과성잠제를 대상으로 잠제 주변에서 형성되는 파고분포, 평균수위분포 및 유속의 변동특성 등을 3차원수치해석법으로 면밀히 평가하였다. 수치해석에는 olaFlow(Higuera et al.
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참고문헌 (14)

  1. Billstein, M., Svensson, U. and Johansson, N. (1999). Development and validation of a numerical model of flow through embankment dams-comparisons with experimental data and analytical solutions. Transport in Porous Media, 35(3), 395-406. 

  2. Black, K.P. and Andrews, C.J. (2001). Sandy shoreline response to offshore obstacles Part 1: Salient and tombolo geometry and shape. J. Coastal Research, 82-93. 

  3. Goda, Y. (2000). Random seas and design of maritime structures, World Scientific Publishing, Singapore. 

  4. Goda, Y. (1988). Statistical variability of sea state parameters as a function of wave spectrum. Coastal Engineering in Japan, JSCE, 31(1), 39-52. 

  5. Higuera, P., Losada, I.J. and Lara, J.L. (2015). Three-dimensional numerical wave generation with moving boundaries. Coastal Engineering, 101, 35-47. 

  6. Jensen, B., Jacobsen, N.G. and Christensen, E.D. (2014). Investigations on the porous media equations and resistance coefficients for coastal structures. Coastal Engineering, 84, 56-72. 

  7. Kawasaki, K. and Iwata, K. (1999). Numerical analysis of wave breaking due to submerged breakwater in three-dimensional wave field. Proceedings of Coastal Engineering, ASCE, 853-866. 

  8. Lara, J.L., del Jesus, M. and Losada, I.J. (2012). Three-dimensional interaction of waves and porous coastal structures: Part II: Experimental validation. Coastal Engineering, 64, 26-46. 

  9. Lee, K.H., Bae, J.H., An, S.W. and Kim, D.S. (2017a). Characteristics of velocity fields variations around 3-dimensional permeable submerged breakwaters under the conditions of salient formation. Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, 29(6), 399-409 (in Korean). 

  10. Lee, K.H., Bae, J.H., An, S.W. and Kim, D.S. (2017b). Characteristics of water surface variations around 3-dimensional permeable submerged breakwaters under the conditions of salient formation. Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, 29(6), 335-349 (in Korean). 

  11. Lee, K.H., Bae, J.H., An, S.W., Kim, D.S. and Bae, K.S. (2016). Numerical analysis on wave characteristics around submerged breakwater in wave and current coexisting field by OLAFOAM. Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, 28(6), 332-349 (in Korean). 

  12. Mizutani, N., Mostafa, A.M. and Iwata, K. (1998). Nonlinear regular wave, submerged breakwater and seabed dynamic interaction. Coastal Engineering, 33(2), 177-202. 

  13. Ranasinghe, R., Larson, M. and Savioli, J. (2010). Shoreline response to a single shore-parallel submerged breakwater. Coastal Engineering, 57(11), 1006-1017. 

  14. Ranasinghe, R. and Turner, I.L. (2006). Shoreline response to submerged structures: a review. Coastal Engineering, 53(1), 65-79. 

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