[논문]조위차 극복형 잠제의 파랑제어

이우동; 정연명; 허동수

doi:10.26748/ksoe.2019.081

조위차 극복형 잠제의 파랑제어
Wave Control by Tide-Adapting Submerged Breakwater 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.33 no.6, 2019년, pp.573 - 580

이우동 (국립경상대학교 해양토목공학과) , 정연명 (국립경상대학교 해양산업연구소) , 허동수 (국립경상대학교 해양토목공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

A submerged breakwater is a coastal structure built under water with excellent landscape. The depth of the crest of the breakwater should be maintained at more than a certain level in order for the submerged breakwater to control waves properly. This means that the effect of blocking waves deceases sharply at high tide in coastal areas with large tidal differences. In this study, we proposed a Tide-Adapting Submerged Breakwater (TA-SB) to overcome this problem, and then we conducted hydraulic model experiments to evaluate the performance of the TA-SB for controlling waves. The experimental results showed that the tapered wings attached to the crest of the TA-SB helped induce forced breaking waves. In particular, they were very effective in blocking waves and attenuating wave energy at high tide. In addition, the wave control performance of the proposed TA-SB was far superior to the Tide-Adapting Low-Crested Structure (TA-LCS) of the previous study.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

조위차가 큰 해역에서도 파랑제어 기능을 제대로 수행할 수 있는 조위차 극복형 잠제(TA-SB)를 본 연구에서 제안하였다. 그리고 수리모형실험의 영상자료로부터 잠제 마루 위에서의 강제 쇄파 메커니즘을 논의할 수 있었다.

가설 설정

다시 말해 TA-SB의 파랑차단 성능이 TA-LCS에 비해 다음 3 가지 면에서 우수하다고 판단된다. 첫째, TA-SB의 고정된 경사 날개가 강제 쇄파를 유도함으로써 가 작다. 둘째, 수심이 깊은 조건에서 가 더 작기 때문에 TA-SB는 고조위를 충분히 극복할 수 있다.

제안 방법

(1) TA-SB 및 일반 SB 주변의 파동장을 비교하여 TA-SB의강제 쇄파 유도과정을 분석하였다. TA-SB의 경사 날개로 인해 파랑의 비선형성 및 파형경사가 증가하여 쇄파가 용이해졌다.
본 연구에서는 Hur et al.(2019b)가 제안한 TA-LCS를 토대로 날개가 수면 밖으로 돌출되지 않는 형태의 TA-SB(Tide-adapting submerged breakwater)를 제안하고, 수리모형실험을 수행한다. 그리고 조위변화에 따른 TA-SB의 수리성능을 일반 잠제와 비교⋅ 검토한다.
(2019c)는 Hur et al.(2019b)에서 논의되지 않았던 TA-LCS의 파랑의 전달계수, 반사계수, 감쇠계수 등에 관한 수리특성을 면밀하게 조사하였다. 그러나 TA-LCS는 저마루 구조물임에도 날개 일부가 부력으로 인해 수면 밖으로 돌출될 뿐 아니라, 고조 위에서 파랑 차단성능이 일반 잠제에 비해 다소 떨어지는 것으로 나타났다.
(2019c)에서 제안한 조위차 극복형 저마루 구조물(TA-LCS)와 비교⋅분석한다.
다음으로 Hur et al.(2019c)의 TA-LCS의 수리성능과 TA-SB를 비교하여 개선된 수리성능을 평가한다. 나아가 수리실험결과에 기초하여 TA-SB의 파랑제어 메커니즘을 논의한다.
그리고 조위변화에 따른 TA-SB의 수리성능을 일반 잠제와 비교⋅ 검토한다.
(2019c)의 TA-LCS의 수리성능과 TA-SB를 비교하여 개선된 수리성능을 평가한다. 나아가 수리실험결과에 기초하여 TA-SB의 파랑제어 메커니즘을 논의한다.
나아가 실험수조에서 측정한 시간파형을 입⋅반사파 분리하여 파랑의 전달계수, 반사계수, 감쇠계수를 각각 산정한 후, TA-SB의 수리성능을 일반 SB, TA-LCS와 비교⋅분석하였다.
본 수리모형실험에서는 Table 1과 같이 초기수심과 입사파랑 조건을 조합하여 총 27가지를 고려한다. 실험조건은 크게 불투과성 사다리꼴 잠제(Submerged breakwater, SB)와 마루 위에 날개가 설치된 조위차 극복형 잠제(TA-SB)로 각각 구분된다.
본 연구에서 조위차 극복형 잠제의 파랑제어 기능을 길이 30m, 폭 0.4m, 높이 0.9m의 2차원 실험수조(Fig. 1) 실험을 통해 분석한다. 실험수조에서 안정적인 파랑 생성을 위해서는 일정 이상의 수심 유지가 요구된다.
실험수조에서 안정적인 파랑 생성을 위해서는 일정 이상의 수심 유지가 요구된다. 이를 위해 1∶10 경사, 30cm 높이의 불투과성 기초바닥을 설치하여 조파기 위치에서 57cm 이상의 수심을 확보하였다. 실험수조의 한쪽 끝에는 파랑반사를 최소화 목적으로 1∶7 경사의 투수층을 배치하였다.
이어서 파랑의 전달계수(), 반사계수(), 감쇠계수()를 비교⋅검토하여 TA-SB의 수리성능을 정량적으로 조사한다.
그리고 수심(h)은 외해를 기준으로 일반 SB는 27cm, TA-SB는 조위변화를 감안하여 32cm, 37cm를 각각 적용한다. 파랑조건은 규칙파를 대상으로 입사파고(H_i) 3cm, 5cm, 7cm 그리고 입사주기 (T_i) 1.2s, 1.5s, 1.8s를 조합하여 9가지를 구성한다.

대상 데이터

본 수리모형실험에서는 Table 1과 같이 초기수심과 입사파랑 조건을 조합하여 총 27가지를 고려한다. 실험조건은 크게 불투과성 사다리꼴 잠제(Submerged breakwater, SB)와 마루 위에 날개가 설치된 조위차 극복형 잠제(TA-SB)로 각각 구분된다. 그리고 수심(h)은 외해를 기준으로 일반 SB는 27cm, TA-SB는 조위변화를 감안하여 32cm, 37cm를 각각 적용한다.

이론/모형

잠제 전면에서 측정한 수면파형(CH. 2-5)을 Goda and Suzuki(1976)의 입⋅반사파 분리법을 이용하여 반사계수(KR), 잠제 배후에서 측정한 수면파형(CH. 6)으로 전달계수(Kt)를 다음과 같이 각각 산정한다.

성능/효과

(3) TA-SB의 파랑제어 효과는 고조위에서 두드러지게 나타났다. 이것은 고조위 조건에서 TA-SB의 경사 날개 위에서 강한 쇄파가 발생하기 때문이다.
(4) TA-SB를 기존 TA-LCS와 비교하면, 는 작고, 는 조금 크고, 는 크다. 이것은 날개가 파랑을 전달을 차단하는 TA-LCS보다 경사 날개가 강제 쇄파를 유도하는 TA-SB의 파랑 제어 성능이 탁월하기 때문이다.
(2019b)에서 논의되지 않았던 TA-LCS의 파랑의 전달계수, 반사계수, 감쇠계수 등에 관한 수리특성을 면밀하게 조사하였다. 그러나 TA-LCS는 저마루 구조물임에도 날개 일부가 부력으로 인해 수면 밖으로 돌출될 뿐 아니라, 고조 위에서 파랑 차단성능이 일반 잠제에 비해 다소 떨어지는 것으로 나타났다.
는 감소하였고, TA-SB의 파랑제어 성능은 일반 SB보다 우수하였다.
첫째, TA-SB의 고정된 경사 날개가 강제 쇄파를 유도함으로써 가 작다. 둘째, 수심이 깊은 조건에서 가 더 작기 때문에 TA-SB는 고조위를 충분히 극복할 수 있다. 셋째, TA-SB의 경향선 기울기가 완만함으로 배후 정온도 확보에 유리하다.
둘째, 수심이 깊은 조건에서 가 더 작기 때문에 TA-SB는 고조위를 충분히 극복할 수 있다. 셋째, TA-SB의 경향선 기울기가 완만함으로 배후 정온도 확보에 유리하다.
이상에 근거하여 TA-SB는 일반 SB에서 쇄파가 발생하지 않는 파랑조건에서도 강제쇄파가 유도되고, 쇄파가 발생하는 파랑조건에서는 더욱 강한 쇄파가 나타난다. 이로써 TA-SB는 조위 상승 시에 잠제가 가진 본연의 파랑제어 기능이 향상됨을 확인할 수 있다. 이어서 파랑의 전달계수(), 반사계수(), 감쇠계수()를 비교⋅검토하여 TA-SB의 수리성능을 정량적으로 조사한다.
이상에 근거하여 TA-SB는 일반 SB에서 쇄파가 발생하지 않는 파랑조건에서도 강제쇄파가 유도되고, 쇄파가 발생하는 파랑조건에서는 더욱 강한 쇄파가 나타난다. 이로써 TA-SB는 조위 상승 시에 잠제가 가진 본연의 파랑제어 기능이 향상됨을 확인할 수 있다.
이상의 실험결과에 근거하여 고조위에서 TA-SB의 수리성능이 일반 SB와 TA-LCS보다 우수하기 때문에 조위차를 충분히 극복할 수 있을 것으로 판단된다. 하지만 TA-SB를 조위차가 큰 해역에 설치하기 위해서는 수위변화에 따라 TA-SB의 경사 날개의 기울기를 자동 조절할 수 있는 별도 장치가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	저마루 구조물(Low-crested structure, LCS)중에서 잠제의 장점은?	저마루 구조물(Low-crested structure, LCS) 중에서 잠제는 일반 중력식 방파제와 달리 수면 아래에 위치하므로 경관이 좋고, 해수소통이 원활하다. 수중에 설치되는 잠제가 본연의 파랑제어 기능을 제대로 발휘하기 위해서는 해역의 파랑조건을 고려하여 일정 이상의 마루폭과 높이를 가져야 한다.
	잠제 수중설치의 파랑조건으로 일정 이상의 마루폭과 높이를 가져야 하는 이유는?	수중에 설치되는 잠제가 본연의 파랑제어 기능을 제대로 발휘하기 위해서는 해역의 파랑조건을 고려하여 일정 이상의 마루폭과 높이를 가져야 한다. 왜냐하면, 잠제는 외해에서 끊임없이 유입되는 풍파를 마루 위에서 강제 쇄파시킴으로써 파랑에너지가 소산되기 때문이다. 이에 많은 연구자들이 잠제의 파랑제어 효과를 분석할 목적으로 수리모형실험, 수치해석을 수행하였다(d'Angremond et al.
	TA-SB를 조위차가 큰 해역에 설치하기 위해서 필요한 장치는?	이상의 실험결과에 근거하여 고조위에서 TA-SB의 수리성능이 일반 SB와 TA-LCS보다 우수하기 때문에 조위차를 충분히 극복할 수 있을 것으로 판단된다. 하지만 TA-SB를 조위차가 큰 해역에 설치하기 위해서는 수위변화에 따라 TA-SB의 경사 날개의 기울기를 자동 조절할 수 있는 별도 장치가 필요하다. 또한 TA-SB의 경사 날개의 구조적 안정성도 충분히 검토되어야 한다.

참고문헌 (15)

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