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문제 정의
- (1) 본 연구에서는 수중발파에 의한 수면파를 생성하기 위하여 Le Méhauté and Wang(1996)의 경험식을 무반사 조파시스템에 적용하는 조파방법을 제안하였다.
- 본 연구에서는 수중발파에 의한 수면파의 발생 및 전파를 모의하기 위하여 3차원 수치파동수조(LES-WASS-3D Ver. 2.0; Lee and Hur, 2014a)를 개량하였다. 그 과정에서 수중발파에 의한 수면파를 생성을 위하여 발파수심과 장약량에 따라 파 제원을 추정할 수 있는 경험식을 수면파 조파에 이용하였다.
제안 방법
- (2) 3차원 수치파동수조에서 토도 제거를 위한 수중발파 시나리오별 수면파의 생성 및 전파를 모의하였다. 그 결과 단일/다중발파의 각 조건에서 장약량이 많을수록, 발파수심이 깊을수록 수면파동이 커졌다.
- 0; Lee and Hur, 2014a)를 개량하였다. 그 과정에서 수중발파에 의한 수면파를 생성을 위하여 발파수심과 장약량에 따라 파 제원을 추정할 수 있는 경험식을 수면파 조파에 이용하였다. 그리고 수치 파동수조에서 수중발파에 따른 수면파의 생성과 전파 과정에서의 최대수위분포를 비교⋅검증하였다.
- 그리고 Le Méhauté and Wang(1996)의 추정식을 무반사 조파시스템에 적용하는 방법을 제안한다.
- 수중발파 시나리오의 단계는 수심 -1m, -6m, -11m, -15m 순으로 진행한다. 그리고 단일발파(Scenario S1-S4)와 다중발파(Scenario M1-M4)로 구분하여 수중발파에 따른 수면파의 생성 및 전파를 모의한다. 다중발파에서 발파공의 간격은 5m이다.
- 그리고 모든 수치모의의 초기계산간격(Δt)을 1/100초로 설정하고, CFL(CourantFriedrichs-Lewy)조건을 만족하게 조절한다.
- 발파지점에 따른 수면파의 영향 검토는 수치 파동수조 검증에서 가장 큰 수면변동이 발생한 다중발파의 시나리오 4단계 조건(Scenario M4; 수심 -15m)에서 동서남북 가장 자리를 발파지점으로 한다(Table 4 참조). 그리고 부산신항만 컨테이너 터미널에서 미치는 영향을 정량적으로 검토하기 위하여 동서남북 직선거리가 가장 가까운 터미널의 4지점에서 시간파형을 측정한다(Table 5 참조).
- 그리고 비교⋅검증을 통해 수중발파에 따른 수면파의 생성 및 전파에 관한 수치파동수 조의 타당성 및 유효성을 확보하였다.
- 나아가 부산신항만의 토도 제거를 위한 수중발파 시나리오별 수면파의 발생과 전파에 관한 3차원 시뮬레이션을 수행하여 주변 컨테이너 및 다목적 터미널에 미치는 영향을 분석한다.
- 단계별 수중발파 시나리오는 Table 1과 같으며, 육상제거가 완료된 수심 -1m를 시작하여 수심 -6m, 수심 -11m 그리고 마지막으로 수심 -15m까지 Table 3과 같이 총 4단계로 나누어 수치 모의를 수행한다. 수중발파 시나리오별 장약량은 Table 1에서 기술한 바와 같다.
- 본 연구에서는 이 경험식에서 산정되는 수면파의 제원을 무반사 조파시스템에 적용하여 수면파의 생성과 전파를 모의한다.
- 본 연구에서는 토도 제거를 위한 수중발파 시나리오별 수면파의 생성 및 전파를 모의하기 위하여 Fig. 7에 나타낸 부산신항만의 전 해역을 수치파동수조의 계산영역으로 설정한다. Table 2에 나타낸 것과 같이 5.
- 수중폭파에 발생하는 수면파형은 크노이드파 형태를 가진다(Le Méhauté and Wang, 1996), 본 연구에서는 수중폭파에 의한 수면파는 단파임을 감안하여 크노이드파를 대신한 비주기성의 고립파를 적용한다.
- 그리고 수치 파동수조에서 수중발파에 따른 수면파의 생성과 전파 과정에서의 최대수위분포를 비교⋅검증하였다. 이 수치파동수조에 토도 제거를 위한 수중발파 시나리오를 적용하여 수면파 생성과 전파를 모의하였다. 이를 통해 얻어진 주요한 결과를 다음과 같이 기술한다.
데이터처리
- 그리고 수치 파동수조에서 수중발파에 따른 수면파의 생성과 전파 과정에서의 최대수위분포를 비교⋅검증하였다.
이론/모형
- (1991)과 Lilly(1992)의 동적 와동점성모델, 자유수면의 표면장력을 고려하기 위해 Brackbill et al.(1992)의 CSF(Continuum surface force)모델을 수치 파동수조에 각각 도입하였다.
- 이 과정에서 부산신항만 내의 경사지형은 Hur et al.(2008)의 경사면처리기법을 적용한다. 나머지 상세한 수치모의조건은 Table 2과 같다.
- 개경계 조건은 수치파동수조에서 생성된 에너지를 수조 밖으로 완벽하게 배출하기 위한 것으로 식 (16)처럼 Hinatsu(1992)의 개경계 처리법을 이용한다. 식 (16)에서 Ø는 유속과 같은 물리량을 말한다.
- (2016)이 다양한 고립파형을 조파할 수 있는 제안한 방법을 이용한다. 고립파의 수면파형은 Dean and Dalrymple(1991)의 근사이론을 이용하며, 시간파형과 수립자의 수평유속은 식 (12)-(13)과 같다.
- 그리고 수치파동수조 내의 장애물 또는 경계로부터 발생하는 반사파의 영향을 최소화하기 위하여 Ohyama and Nadaoka(1991)가 제안한 강도조절계수 (ζ)을 적용하여 안정적으로 수면파를 생성한다.
- 본 연구에서는 Navier-Stokes(N-S) 방정식에 기반의 단상류 수치모델 LES-WASS-3D Ver. 2.0(Lee and Hur, 2014a)을 이용한다. 그리고 Le Méhauté and Wang(1996)의 추정식을 무반사 조파시스템에 적용하는 방법을 제안한다.
- 본 연구에서는 수중발파에 의한 수면파의 3차원적 전파특성을 분석하기 위하여 LES-WASS-3D ver. 2.0(Lee and Hur, 2014a)을 이용한다. 이 3차원 수치파동수조는 PBM(Porous body model) 과 VOF(Volume of fluid)를 토대로 개량된 3-D N-S Solver의 강비선형 모델이다.
- 본 연구에서는 수중폭파에 의한 수면파형에 고립파 근사이론을 적용하며, Lee et al.(2016)이 다양한 고립파형을 조파할 수 있는 제안한 방법을 이용한다.
성능/효과
- (3) 수중발파지점이 각 컨테이너 터미널에 가까울수록 ηmax 가 커지는 경향을 나타내었다.
- (4) 본 연구에서 검토한 토도 제거를 위한 수중발파 시나리오에 따른 수면파는 가동 중인 부산신항만의 터미널에 미치는 영향이 크지 않음을 확인하였다.
- (2) 3차원 수치파동수조에서 토도 제거를 위한 수중발파 시나리오별 수면파의 생성 및 전파를 모의하였다. 그 결과 단일/다중발파의 각 조건에서 장약량이 많을수록, 발파수심이 깊을수록 수면파동이 커졌다. 또한 발파수심이 깊을수록 ηmax 가 크고, 파속이 증가하여 컨테이너 터미널 안벽에 도달하는 시간이 빨라졌다.
- 수중폭발에 의한 충격파, 압력강하에 의한 공동현상, 기포의 생성과 상승(팽창과 수축) 등의 복합적 상호작용 때문에 발생하는 수면파동을 CFD를 이용하여 직접 모의할 수 있지만, 광역에서의 전파과정까지 추정하는 것은 사실상 불가능하다. 따라서 수중발파에 의한 수면파가 주변 해역에 미치는 영향을 분석에는 본 연구처럼 장약량과 발파수심에 따른 수면파의 제원을 산정하여 수면파를 생성하는 것이 더 효과적이다. 향후, 부산신항만에서 토도 제거를 위해 진행하고 있는 수중발파 시의 수면변위 자료를 수집하여 수치파동수조에서 실제 조건을 적용한 모의결과와 비교⋅검토를 수행할 예정이다.
- 또한 발파수심이 깊을수록 ηmax 가 크고, 파속이 증가하여 컨테이너 터미널 안벽에 도달하는 시간이 빨라졌다.
- 또한 R지점에서 500m 지점까지 수면파가 전파되는 과정에서 최대수위가 높은 정확도로 일치한다. 이것은 본 연구에서 수치파 동수조가 발파에 의한 수면파 전파모의에 적합함을 보여준다.
- 이로써 본 연구에서 제안한 수중폭파에 의한 수면파의 생성 방법, 수치파동수조에서의 수면파 전파모의에 대한 타당성 및 유효성이 입증되었다.
후속연구
- 한편 Le Méhauté and Wang(1996)은 수중발파 시에 TNT(Trinitrotoluene) 장약량에 따른 최대수위, 수면파의 주기 등에 관한 경험식을 제안하였다. 이 경험식을 이용하여 수중폭발에 따른 수면파의 발생과 전파를 해석한다면, 전술한 이상류 또는 다상류 수치모델이 아닌 단상류 수치모델에서도 시뮬레이션이 가능할 것이다.
- 따라서 수중발파에 의한 수면파가 주변 해역에 미치는 영향을 분석에는 본 연구처럼 장약량과 발파수심에 따른 수면파의 제원을 산정하여 수면파를 생성하는 것이 더 효과적이다. 향후, 부산신항만에서 토도 제거를 위해 진행하고 있는 수중발파 시의 수면변위 자료를 수집하여 수치파동수조에서 실제 조건을 적용한 모의결과와 비교⋅검토를 수행할 예정이다.
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