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소규모 항만 구조물 주변에서 불규칙파에 대한 SWASH 모형의 반사 및 회절
Characteristic of Wave Diffraction and Reflection for Irregular Waves in SWASH Model Around Small Port Structures 원문보기

한국해안·해양공학회논문집 = Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, v.31 no.6, 2019년, pp.468 - 477  

권경환 (전남대학교 조선해양공학과) ,  박창욱 ((주)오셔닉 해양환경연구소) ,  박일흠 (전남대학교 조선해양공학과) ,  김종훈 ((주)오셔닉 해양환경연구소)

초록
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불규칙파에 의한 정온도 평가 시 주로 사용하는 Boussinesq 근사의 수치모형은 항의 개구부 폭이 약 30 m 내외의 좁은 마리나와 같은 소규모 항만에서는 격자 크기의 적용성 한계가 있고, 항 내로 진행하는 파의 회절에 대한 평가 시 정확한 정온도 평가가 어려울 수 있다. 본 연구에서는 정수면의 비정수압 항이 고려되어 해수면과 바닥층에서의 유속으로 계산하는 비선형 천수방정식 모형인 SWASH 모형(Zijlema and Stelling, 2005)을 사용하여 좁은 항의 개구부에서 정온도 평가의 적용성을 검토하였다. SWASH 모형은 구조물 및 지형에 입사하는 반사파 적용 시 수심과 공극율 계수 및 구조물 크기에 따라 부분 반사를 제어한다. 본 연구에서는 실제 구조물 단면 형태에 따른 구조물 전면에서의 반사파의 평가와 단면의 형태 및 구조물의 형태에 따라 반사율 적용성을 검토하였다. 항 내에 진입하는 회절 파랑에 의한 모델의 재현성을 평가하기 위해 구조물 직각 및 경사로 입사하는 영역을 구성하여 기존의 Goda et al.(1978)가 제시한 회절도 이론값과 비교하였다. 수심평균으로 계산된 단면 구조물 반사율 실험 결과는 Stelling and Ahrens(1981)이 제시한 반사율의 개략치와 유사한 반사율을 나타내며, 경계에서의 반사파의 제어와 구조물의 형상 및 지형에 따라 반사파가 잘 재현되는 것으로 판단된다. 회절도 검토 결과 파랑 진입 각도 및 회절파의 형태가 계산치가 이론값과 아주 유사하게 나타나지만, 경사 입사 및 직각 입사 모두 방향 집중도가 작은 경우 파고비가 0.5~0.6인 일부 구간에서 회절도가 저평가되는 것으로 나타났다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The numerical model of Boussinesq approximation, which is mainly used for evaluating the port calmness due to the irregular waves, has a limit of applicability of lattice size in ports such as marinas with narrow port openings of around 30m. The SWASH model controls the partial reflection according ...

주제어

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문제 정의

  • (1978)가 제시한 회절도와 SWASH 모형의 수치실험 결과를 평면적으로 비교하였다. 본 연구에서는 규모가 작은 항만에서의 SWASH 모형 적용성을 파악하기 위해 Goda의 회절도 중 방파제의 개구부 폭 대비 파장 비(B/L)가 작은 1.0 및 2.0인 계산 영역에서 이론값과 수치모형 실험 결과를 비교하였다. 수치 모의에 적용하는 불규칙파의 방향 집중도 파라미터는 Goda의 회절도에 사용된 Mituyasu형 방향집중함수 Smax = 10, 75와 유사한 방향분산계수 ms = 1.
  • SWASH 모형은 구조물 및 지형에 입사하는 반사파 적용 시 수심과 공극율 계수 및 구조물 크기에 따라 부분 반사를 제어한다. 본 연구에서는 실제 구조물 단면 형태에 따른 구조물 전면에서의 부분 반사 평가와 단면 및 구조물의 형태에 따라 반사율 적용성을 검토하였다.
  • 작은 격자의 해상도는 구조물 주변에서 수심 급변 구역을 생성하고 수심이 급변하는 구역에서 Boussinesq 근사의 수치모형은 정온도 수치모형 계산 시 적용성에 한계가 있고, 항 내로 진행하는 파의 회절에 대한 평가 시 정확한 정온도 평가가 어려울 수 있다. 본 연구에서는 정수면의 비정수압 항이 고려되어 해수면과 저면에서의 유속으로 계산하는 비선형 천수방정식 모형인 SWASH 모형(Zijlema and Stelling, 2005)을 사용하여 좁은 항의 개구부에서 정온도 평가의 적용성을 검토하였다.
  • 작은 격자의 해상도는 구조물 주변에서 1:1 이상의 수심 급변 구역을 생성하고 수심이 급변하는 구역에서 Boussinesq 근사의 수치모형은 항 내로 진행하는 파의 회절에 대한 평가 시 정확한 정온도 평가가 어려울 수 있다. 본 연구에서는 좁은 항의 개구부에서 정온도 평가 시 정수면의 비정수압 항이 고려되고 비선형 천수방정식 모형인 SWASH 모형(Zijlema and Stelling, 2005)의 항만 정온도 실험에 대한 적용성을 검토하였다. 반사파의 재현을 수심, porosity 구조물의 크기 및 높이로 반영하는 SWASH 모형에 대해 항 내 정온도 계산의 적합성을 반사율 및 항 내 회절실험을 통해 검토하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
비선형 천수방정식 모형인 SWASH 모형이란 무엇인가? 불규칙파에 의한 정온도 평가 시 주로 사용하는 Boussinesq 근사의 수치모형은 항의 개구부 폭이 약 30 m 내외의 좁은 마리나와 같은 소규모 항만에서는 격자 크기의 적용성 한계가 있고, 항 내로 진행하는 파의 회절에 대한 평가 시 정확한 정온도 평가가 어려울 수 있다. 본 연구에서는 정수면의 비정수압 항이 고려되어 해수면과 바닥층에서의 유속으로 계산하는 비선형 천수방정식 모형인 SWASH 모형(Zijlema and Stelling, 2005)을 사용하여 좁은 항의 개구부에서 정온도 평가의 적용성을 검토하였다. SWASH 모형은 구조물 및 지형에 입사하는 반사파 적용 시 수심과 공극율 계수 및 구조물 크기에 따라 부분 반사를 제어한다.
SWASH 모형은 Boussinesq-type의 파랑모형과 달리 어떤면에서 장점을 가지고 있는가? 쇄파되는 파와 도수의 유사성을 고려하여 쇄파에 의한 에너지소산을 계산하고 쇄파조건에서 비선형파의 특징을 잘 재현하고 정수압흐름의 계산이 비정수압의 압력을 무시함으로써 간단하게 계산할 수 있기 때문에 대규모의 조석과 폭풍해일과 같은 계산에 적절하다.
SWASH 모형의 특징은 무엇인가? 본 연구에서는 정수면의 비정수압 항이 고려되어 해수면과 바닥층에서의 유속으로 계산하는 비선형 천수방정식 모형인 SWASH 모형(Zijlema and Stelling, 2005)을 사용하여 좁은 항의 개구부에서 정온도 평가의 적용성을 검토하였다. SWASH 모형은 구조물 및 지형에 입사하는 반사파 적용 시 수심과 공극율 계수 및 구조물 크기에 따라 부분 반사를 제어한다. 본 연구에서는 실제 구조물 단면 형태에 따른 구조물 전면에서의 반사파의 평가와 단면의 형태 및 구조물의 형태에 따라 반사율 적용성을 검토하였다.
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참고문헌 (14)

  1. Deutsches hydrographisches institut (1973). Measurements of Wind-Wave Growth and Swell Decay during the Joint North Sea Wave Project (JONSWAP), Hamburg, Deutsche. 

  2. Goda, Y., Takayama, T. and Suzuki, Y. (1978). Diffraction diagrams for directional random waves. Proc. 16th International Conference Coastal Engineering, 628-650. 

  3. Goda, Y. (1999). A comparative review on the funtional forms of directional wave spectrum. Coastal Engineering Journal, 41(1), 1-20. 

  4. Lam, D.C.L. and Simpson, R.B. (1976). Centered differencing and the box scheme for diffusion convection problems. Journal of Computational Physics, 220(4), 486-500. 

  5. Lee, C.H., Cho, E.K. and Cho, Y.J. (2003). Behavior of extended boussinesq equations on variations of bottom topography. Journal of Korean Society of Civil Engineers, 23(6B), 607-613 (in Korean). 

  6. Madsen, P.A., Murray, R. and Sorensen, O.R. (1991). A new form of the Boussinesq equations with improved linear dispersion characteristics. Coastal Engineering, 15, 371-388. 

  7. Ministry of oceans and fisheries (2014). Harbor and fishing port design standard explanation (in Korean). 

  8. Nwogu, O.G. (1993). Altermative form of Boussinesq equation for nearshore wave propagation. J. Waterway. Port, Coastal and Ocean Engineering, 119, 618-638. 

  9. Nwogu, O.G. and Demirbilek, Z. (2001). BOUSS-2D: A Boussinesque wave model for coastal regions and harbors, CHL TR-01-25, Washington, DC. 

  10. Stelling, W.N. and Ahrens, J.P. (1981). Estimation of Wave Reflection and Energy Dissipation Coefficients for Beaches, Revetments, and Breakwaters. Technical paper. U.S. Army, Cops of Coastal engineering research center fort belvoir va, Washington, DC. 

  11. Stelling, G.S. and Duinmeijer, S.P.A. (2003). A staggered conservative scheme for every Froude number in rapidly varied shallow water flows. Int. J. Numer. Meth. Fluids, 43, 1329-1354. 

  12. Stelling, G. and Zijlema, M. (2003). An accurate and efficient finite difference algorithm for non-hydrostatic free-surface flow with application to wave propagation. Int. J. Numer. Meth. Fluids, 43, 1-23. 

  13. Zijlema, M. and Stelling, G.S. (2005). Further experiences with computing non - hydrostatic free surface flows involving water waves. Int. J. Numer. Meth. Fluids, 48, 169-197. 

  14. Zijlema, M. and Stelling, G.S. (2008). Efficient computation of surf zone waves using the nonlinear shallow water equations with non-hydrostatic pressure. Coastal Engineering, 55, 780-790. 

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