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제안 방법
- 피스톤 형식의 조파기를 이용하여 주기와 파고가 다른 규칙파를 60초 동안 조파하여 실험이 수행되었으며, 본 수치모의는 Table 1에 나타낸 2가지 파랑 조건에 대하여 이루어졌다. Fig. 1의 E01~E07에 보인 것처럼 조파수조의 종방향으로 7개의 파고계를 설치하여 각 위치에서의 시간에 따른 수면변위를 측정하였다. 바닥경사가 시작하기 전과 케이슨 모델 앞쪽에 설치된 파고계의 자료를 통해 목표한 파랑이 잘 조파되었는지 확인하였으며 모델 뒤쪽에 설치된 파고계의 자료를 통해 전달파고의 영향을 확인하였다.
- 기초사석 전면부에 피복된 70 g 테트라포드 영역은 n = 0.5, 중앙입 경 D50 = 0.025 m, 저항계수 α = 500, β = 2.0을 적용하였다.
- 본 연구에서는 수리실험에서 조파된 파랑조건을 이용해 추가적으로 Stokes 5차 이론 파랑에 대한 조파성능을 검증하였다. 또한, 케이슨 방파제 전면부가 피복되지 않은 조건과 테트라포드로 피복된 조건에 대해 케이슨 전면에 작용하는 파압 수치모의를 수행하여 수리실험 결과와 비교하고 검증하였다. 이로부터 waves2Foam의 파압 수치모의에 대한 타당성을 검증하고 케이슨 전면에 피복된 테트라포드 보강영 역의 특성을 다공성 매체로 구현할 수 있는 경험식의 최적 파라미터의 조합을 제시하였다.
- 1의 E01~E07에 보인 것처럼 조파수조의 종방향으로 7개의 파고계를 설치하여 각 위치에서의 시간에 따른 수면변위를 측정하였다. 바닥경사가 시작하기 전과 케이슨 모델 앞쪽에 설치된 파고계의 자료를 통해 목표한 파랑이 잘 조파되었는지 확인하였으며 모델 뒤쪽에 설치된 파고계의 자료를 통해 전달파고의 영향을 확인하였다.
- 본 연구에서는 waves2Foam을 적용하여 Stokes 5차 이론의 규칙파에 대한 조파성능을 검증하였으며 이를 근거로 케이슨 방파제에 대한 파압 수치모의를 진행하였다. 케이슨 전면이 미피복된 조건과 피복된 조건에서 규칙파가 작용할 때의 파압을 수리모형실험 결과와 비교하고 특히 테트라포드 피복 영역을 다공성매체로 구현하기 위한 최적 파라미터 조합에 대해 고찰하였다.
- 방파제의 수치해석에 중요한 파랑의 형상 및 구조물의 영향을 정확하게 재현하기 위해 파랑이 전파되는 수면부와 구조물 주변부의 격자는 더욱 조밀하게 구성하였다. 본 연구에서는 방파제의 기초사석과 중간 피복석 및 케이슨 전면에 피복된 테트라포드와 같은 투과성 영역을 표현하기 위해 다공성 매체(porous media)를 적용하였다. Fig.
- , 2012)은 계산영역에 임의로 수면변위를 부과하는 이완법(relaxation method)을 조파기법으로 사용하여 안정적인 조파 및 소파가 가능하며 최근 Conde(2019)에 의해서도 Stokes 2차 이론 파랑에 대한 성능이 검증된 바 있다. 본 연구에서는 수리실험에서 조파된 파랑조건을 이용해 추가적으로 Stokes 5차 이론 파랑에 대한 조파성능을 검증하였다. 또한, 케이슨 방파제 전면부가 피복되지 않은 조건과 테트라포드로 피복된 조건에 대해 케이슨 전면에 작용하는 파압 수치모의를 수행하여 수리실험 결과와 비교하고 검증하였다.
- 1에 보인 바와 같이 케이슨 모형은 조파기로부터 28 m 떨어진 평 탄부에 설치되었고, 케이슨 전면에 작용하는 파력을 계측하기 위해 파압계와 로드셀을 사용하였다. 이 중 본 연구에서는 파압계를 이용하여 계측된 파압을 수치모의 결과와 비교하였다. 파압계는 Fig.
- 또한, 케이슨 방파제 전면부가 피복되지 않은 조건과 테트라포드로 피복된 조건에 대해 케이슨 전면에 작용하는 파압 수치모의를 수행하여 수리실험 결과와 비교하고 검증하였다. 이로부터 waves2Foam의 파압 수치모의에 대한 타당성을 검증하고 케이슨 전면에 피복된 테트라포드 보강영 역의 특성을 다공성 매체로 구현할 수 있는 경험식의 최적 파라미터의 조합을 제시하였다. 이러한 결과는 waves2Foam을 이용하여 테트라포드 피복 영역을 포함하는 수치모의를 수행할 경우 폭넓게 활용 가능할 것으로 기대된다.
- 조파영역을 2파장(2λ)로 구성하고 반사파 영향을 최소화하기 위해 소파영역을 3파장(3λ)로 구성하였으며 Stokes 5차 이론의 규칙파를 조파하였다.
- 본 연구에서는 waves2Foam을 적용하여 Stokes 5차 이론의 규칙파에 대한 조파성능을 검증하였으며 이를 근거로 케이슨 방파제에 대한 파압 수치모의를 진행하였다. 케이슨 전면이 미피복된 조건과 피복된 조건에서 규칙파가 작용할 때의 파압을 수리모형실험 결과와 비교하고 특히 테트라포드 피복 영역을 다공성매체로 구현하기 위한 최적 파라미터 조합에 대해 고찰하였다. 미피복 조건의 경우 수치모의된 파압이 실험값과 매우 잘 일치하였다.
- 케이슨에 작용하는 파압 수치모의에 앞서 waves2Foam에 적용된 이완법의 조파성능을 Table 2에 제시된 파랑 조건에 대해 검증하였다. 이 파랑 조건은 수리실험에서 적용된 규칙파의 주기 하한 및 상한값에 대하여 파고는 가장 큰 조건에 해당한다.
- 7에 보인 순서도 절차에 따라 파라미터 보정 절차가 이루어졌다. 파라미터 보정은 케이슨 전면에 설치된 12개의 파압계에서의 실험 자료와 수치모델 결과의 비교를 통해 오차의 값이 최소가 되는 조합을 찾는 방식으로 이루어졌다. 초기에는 수리실험에 사용된 테트라포드의 제원을 이용해 공극률 n = 0.
- 피스톤 형식의 조파기를 이용하여 주기와 파고가 다른 규칙파를 60초 동안 조파하여 실험이 수행되었으며, 본 수치모의는 Table 1에 나타낸 2가지 파랑 조건에 대하여 이루어졌다. Fig.
이론/모형
- 본 연구에서는 조파구간에는 식(12)의 Engsig-Karup et al.(2006)가 제안한 3차 다항식을 적용하였으며, 소파구간에는 Fuhrman et al.(2006)가 제안한 식(13)의 지수함수 가중치(Exponential weight)을 적용하였다.
- (2006)가 제안한 3차 다항식을 적용하였으며, 소파구간에는 Fuhrman et al.(2006)가 제안한 식(13)의 지수함수 가중치(Exponential weight)을 적용하였다.
- waves2Foam은 조파 및 소파방법으로 이완법(relaxation method)를 사용한다. 이완법은 계산영역에 임의로 수면변위를 부과하는 방법으로 식(11)을 통해 계산된다.
- 식(5)의 Fp를 산정하기 위해 사용되는 계수 a와 b는 여러 연구자들에 의해 관계식이 제안되었다. 본 연구에서는 식(6)과 (7)에 나타난 van Gent (1995)가 제안한 식이 사용되었다.
- 본 연구에서는 최근 연안 및 해안공학분야에서도 활발히 사용되고 있는 OpenFOAM을 사용하여 수치 모의를 수행하였다. OpenFOAM(Open source Field Operation And Fluid Dynamics: CFD)은 C++ 언어를 기반으로 한 편미분방정식 솔버(solver) 개발용 클래스 라이브러리로 소스코드가 공개되어 있고 라이센스 비용이 들지 않는다는 점에서 큰 이점을 가지고 있다.
- 일반적인 계산의 경우 waveFoam, 계산영역 내에 다공성매체가 포함되는 경우 porousWaveFoam, 부유체와 같이 움직이는 격자를 고려해야 할 경우 waveDyMFoam을 각각 이용하여 계산을 수행한다. 본 연구에서는 케이슨제 바닥의 기초사석마운드, 중간피복석, 테트라포드 피복영역 등 다공성 매체를 고려하여 계산을 수행할 필요가 있으므로 porousWaveFoam 솔버가 이용되었다.
- 파랑의 조파 및 소파기능을 추가하여 개발된 OpenFOAM 라이브러리로는 waves2Foam(Jacobsen et al., 2012), olaFlow (Higuera et al., 2015), IHFOAM(Higuera et al., 2013) 등이 있으며, 본 연구에서는 조파방법으로 이완법(relaxation method)을 적용한 waves2Foam 라이브러리를 이용하여 계산이 수행되었다. waves2Foam 라이브러리는 파랑 수치모의시 계산 영역의 조건에 따라 3가지의 솔버를 제공한다.
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