본 연구에서는 olaFlow 모델에 의한 혼상류수치해석법을 적용하여 2차원저천단구조물에 의한 파동장의 변동특성(전달율, 파고, 평균유속 및 평균난류운동에너지)을 수치적으로 평가한다. 또한, 기존의 수리실험결과와 비교하여 수치해석결과의 타당성을 검증한다. 도출된 수치해석결과 중에 평균유속은 구조물 항외측의 전면에서 반시계방향의 순환류셀을 형성하고, 항내측에서 항내로 향하는 강한 일방향흐름을 나타내며, 이들은 월파 등의 요소와 밀접한 관계를 가진다는 것 등을 알 수 있었다.
본 연구에서는 olaFlow 모델에 의한 혼상류수치해석법을 적용하여 2차원저천단구조물에 의한 파동장의 변동특성(전달율, 파고, 평균유속 및 평균난류운동에너지)을 수치적으로 평가한다. 또한, 기존의 수리실험결과와 비교하여 수치해석결과의 타당성을 검증한다. 도출된 수치해석결과 중에 평균유속은 구조물 항외측의 전면에서 반시계방향의 순환류셀을 형성하고, 항내측에서 항내로 향하는 강한 일방향흐름을 나타내며, 이들은 월파 등의 요소와 밀접한 관계를 가진다는 것 등을 알 수 있었다.
This study evaluates the variation characteristics of wave fields (transmission ratio, wave height, time-averaged velocity and time-averaged turbulent kinetic energy) for two-dimensional low-crested structure by olaFlow model based on the two-phases flow numerically. In addition, the present numeric...
This study evaluates the variation characteristics of wave fields (transmission ratio, wave height, time-averaged velocity and time-averaged turbulent kinetic energy) for two-dimensional low-crested structure by olaFlow model based on the two-phases flow numerically. In addition, the present numerical results are verified by comparing with the existing experimental results. The time-averaged velocity, one of various numerical results is formed counterclockwise circulating cell on the front of structure and is occurred strong uni-directional flow on onshore side. It is shown that these are closely related to the factors such as overtopping, etc.
This study evaluates the variation characteristics of wave fields (transmission ratio, wave height, time-averaged velocity and time-averaged turbulent kinetic energy) for two-dimensional low-crested structure by olaFlow model based on the two-phases flow numerically. In addition, the present numerical results are verified by comparing with the existing experimental results. The time-averaged velocity, one of various numerical results is formed counterclockwise circulating cell on the front of structure and is occurred strong uni-directional flow on onshore side. It is shown that these are closely related to the factors such as overtopping, etc.
본 연구는 olaFlow 모델(Higuera et al., 2018)을 이용하여 다공성매질에서 단파의 수위변동과 규칙파동장에서 PSB에 의한 파의 변형에 관한 기존의 수리실험결과와 비교·검토로부터 그 타당성을 검증하였다.
수치실험에서는 실험수조와 동일한 크기의 계산영역을 설정하고, Δx = Δz = 0.5 cm의 정방 격자를 이용하여 4초 동안 수치계산을 수행하였다.
(2019)을 참조하여 도출하였다. 여기서, TTP 층은 1:1.5의 경사와 0.1967 m의 두께를 가지며, 월파 시와 비월파 시를 상정하여 천단고를 Rc = 3 cm와 8 cm로 각각 구성하였다. 그리고, TTP 층의 공극률은 φ = 0.
이 때, 본 연구에서는 Fig. 5(c)에서 나타낸 3개의 파고계를 사용하여 LCS 전면의 2개의 파고계로부터 입사파스펙트럼과 반사파스펙트럼을 Goda & Suzuki(1976)의 2점법으로부터 분리·도출하고, 동시에 LCS 배후면에 설치된 1개의 파고계에서 얻어지는 전달파스펙트럼을 전술의 입사파스펙트럼으로 나누어 전달율을 추정하였다.
이 때, 수치해석에서의 바닥경계는 Slip 조건으로 적용되었고, 격자크기는 파의 진행방향으로 Δx = 0.75 cm, 연직으로 Δz = 0.75 cm의 정방격자로 각각 구성되었으며, 조파 시 정수면 상에 연직방향으로 5개 이상의 격자가 포함되도록 하였다.
이로부터 전달율과 공간파고, 평균유속의 공간분포 및 평균난류에너지의 공간분포에 대해 입사파고와 천단고의 변화에 따른 변동특징 등을 면밀히 논의·검토한다.
대상 데이터
LCS에 관한 파동장의 변동특성을 규명하기 위하여 적용한 본 수치해석의 2차원수치파동수로는 Fig. 5(a)와 같이 길이 12.5 m, 높이 0.4 m의 수로에 0.25 m의 일정수심으로 구성되었고, 수로 내에 LCS와 경사사빈을 설치하였다. 이 때, 수치해석에서의 바닥경계는 Slip 조건으로 적용되었고, 격자크기는 파의 진행방향으로 Δx = 0.
(2009)은 규칙파동장 하에서 PSB와 SB의 배후에 불투과경사면을 설치한 경우를 대상으로 SB 주변에서 2차원수위변동을 수리실험으로부터 계측하였다. 수리실험에 사용된 조파수조는 길이 30 m, 폭 0.6 m, 높이 0.8 m이며, 조파판에서 11.45 m 이격된 지점에서부터 1:30의 불투과경사면이 설치된다. 실험에 적용한 제원은 Ranasinghe et al.
11은 Table 1에 나타낸 전체케이스에 대해 LCS 주변에서 유속을 시간평균한 평균유속의 공간분포를 나타낸 결과이다. 시간평균에 적용된 파의 수는 정상상태에 도달한 것으로 판별된 5개의 파를 대상으로 하였다. 그림을 살펴보면 전반적으로 항외측인 LCS의 전면비탈면 앞에 반시계방향의 순환류셀이 현저히 형성되는 것과 항내측의 정수위 부근에서 항내측으로 향하는 일방향흐름이 강하게 발생하는 것을 확인할 수 있으며, 이는 LCS의 전면에서 세굴 혹은 항내측에 3차원 해빈류(연안류와 이안류)에 큰 영향을 미칠 것으로 판단된다(Lee et al.
한편, 계산량을 줄이기 위해 수조의 크기를 길이 21 m, 높이 0.42 m로 구성하였고, 격자크기는 조파지점으로부터 7.05~10.95 m 범위에서 Δx = Δz = 0.75 cm의 정방격자를 적용하고, 이 이외 영역에서는 Δx = 1.5 cm, Δz = 0.75 cm의 가변격자를 구성하였다.
데이터처리
4는 PSB 주변에서 수위변동에 관한 Ranasinghe et al.(2009)에 의한 수리실험결과와 olaFlow 모델(Higuera et al., 2018)에 의한 수치해석결과 비교한다. 먼저, SB의 천단부가 시작되는 위치에서부터 파형의 대칭성이 붕괴되는 비선형파가 강하게 발생되기 시작하고, 천단상을 진행하면서 고주파의 비선형성분이 발달되며, SB의 배후에서는 위상이 역전된 것과 같은 복잡한 파형에 대한 수리실험결과를 수치결과가 고정도로 예측하고 있음을 확인할 수 있다.
이론/모형
, 2018)의 기초방정식으로부터 시간발전에 따른 유속과 압력에 대한 물리량의 계산이 가능하고, 이러한 물리량을 바탕으로 Kissling et al.(2010)이 제안한 VOF 법을 이용하여 자유수면을 추적한다. 또한, olaFlow 모델에서는 여러 종류의 난류모델이 적용하며, 본 연구에서는 LES 모델(Ghosal et al.
5(b)는 본 연구에 사용되는 LCS의 단면형상에 대한 상세도이며, 단면형상은 Lee et al.(2019)을 참조하여 도출하였다. 여기서, TTP 층은 1:1.
Table 1은 본 수치해석에 적용한 규칙파랑의 제원, 구조물의 천단고, 구조물의 해안선으로부터 이격거리 및 월파 여부를 나타낸다. 계산은 LES에 의한 난류모델(Ghosal et al., 1995)을 적용하였으며, 안정적인 계산을 위해 Courant 상수를 0.1 이하가 되도록 설정하여 수치해석을 수행하였다.
(2010)이 제안한 VOF 법을 이용하여 자유수면을 추적한다. 또한, olaFlow 모델에서는 여러 종류의 난류모델이 적용하며, 본 연구에서는 LES 모델(Ghosal et al., 1995)을 적용하여 파동장을 해석하였다. olaFlow 모델의 수치해석기법에 대한 보다 자세한 사항은 Lee et al.
본 연구에서 적용한 olaFlow모델(Higuera et al., 2018)은 기본적으로 비압축성의 혼상유체에 적용이 가능하며, 다음의 식(1)과 (2)에 나타내는 연속방정식과 운동량보존방정식을 유한체적법으로 이산화한다.
본 연구에서는 LCS에 대한 파랑제어기능 및 파랑특성을 규명할 목적으로 고정도의 수치해석기법으로 알려진 olaFlow 모델(Higuera et al., 2018)을 적용한다. 먼저, olaFlow 모델(Higuera et al.
성능/효과
(1) 파고전달율은 전체적으로 Rc/Hi 가 적을수록 약간 증가하는 경향을 나타내지만, Rc/Hi > 0.5의 영역에서는 파고전달율의 변화가 거의 없다.
(2) 파고의 공간분포에서 LCS의 전·후면 항내·외측에서 천단고의 변화에 따른 파고의 차이는 적다.
(3) 평균유속은 구조물 항외측의 전면에 반시계방향의 순환류셀이 형성되고, 항내측에서 항내로 향하는 일방향흐름이 강하게 나타나며, 이러한 순환류셀의 강도 및 일방향흐름은 천단고의 높이와 이에 따른 월파여부 및 입파파고의 크기와 밀접한 관계를 가진다.
(4) 평균난류운동에너지는 유속이 큰 평균수위의 상면부근에서 구조물과 파와 상호작용에 의한 난류성분이 발달하는 케이슨 전면의 TTP 층 내, 케이슨의 천단부 및 케이슨의 배면에서 크게 나타난다. 특히, 케이슨의 배면에 나타나는 큰 평균난류운동에너지는 케이슨의 천단 상에서 강한 수평류가 항내로 하향돌입하면서 발생된다.
그러나, 전체적으로 olaFlow 모델에 의한 수치결과는 다공성매질의 전·후 및 내부영역에서 시·공간적으로 변동하는 수위변화를 고정도로 예측할 수 있음을 확인할 수 있다.
, 2018)에 의한 수치해석결과 비교한다. 먼저, SB의 천단부가 시작되는 위치에서부터 파형의 대칭성이 붕괴되는 비선형파가 강하게 발생되기 시작하고, 천단상을 진행하면서 고주파의 비선형성분이 발달되며, SB의 배후에서는 위상이 역전된 것과 같은 복잡한 파형에 대한 수리실험결과를 수치결과가 고정도로 예측하고 있음을 확인할 수 있다. 따라서, olaFlow 모델(Higuera et al.
, 2019). 여기서, 천단고의 높이에 관계없이 입사파고가 커질수록 LCS의 항외측에서 순환류셀의 강도 및 흐름속도가 커지고, 더불어 항내측의 정수위 부근에서 발생하는 일방향흐름도 커지는 것을 확인할 수 있다(각 그림에서 범례의 크기가 상이한 것에 유의바란다). 한편, 동일한 입사파고의 비월파 시는 천단고의 높이에 따라 항외측의 순환류셀 및 항내측의 일방향흐름이 거의 차이를 나타내지 않지만, 동일한 입사파고의 월파와 비월파 시는 비월파의 높은 천단고의 경우가 항외측의 순환류셀에서 보다 강한 강도를 나타내는 반면, 항내측의 일방향흐름의 크기는 감소하는 경향을 나타내다.
전반적으로, 무차원천단고의 변화에 따른 전달율의 변화는 크지 않으며, Rc/Hi ≤ 0.5의 범위에서는 무차원천단고가 적을수록 전달율이 약간 상승하는 경향을 나타내지만, Rc/Hi > 0.5의 범위에서는 무차원천단고의 영향이 거의 나타나지 않는다는 것을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
SB의 장점은?
여기서, SB는 해역경관의 유지라는 관점에서 장점을 가지지만, 이상파랑의 내습, 제체 배후에서의 수위상승 및 입사파랑조건에 부적합한 배치로 인한 비예측의 해빈류의 발생 등으로 사빈유실의 가능성을 항상 내포한다. 게다가, 광폭 SB 의 경우에 기존의 SB나 LCS보다 2~5배 정도로 천단폭을 넓게 설계하므로 파와 구조물과의 마찰 및 천단 상에서 쇄파에 따른 파에너지의 소산에 의해 소파효과를 상당히 높일 수 있지만, 광폭에 따른 과도한 공사비가 소요되는 비경제적인 요소가 지적되어 왔다.
잠제와 저천단구조물의 공통점과 차이점은?
해안선에서 이격되어 상대적으로 얕은 연안역에 설치되는 잠제(SB; Submerged Breakwater) 및 저천단구조물(LCS; Low-Crested Structure)은 해빈에 직접적으로 작용하는 파에너지를 저감시켜 주로 연안재해와 해빈침식 등을 방지할 목적으로 설치된다. 이러한 SB와 LCS는 해안선에 거의 평행 하게 설치된다는 측면에서 비슷한 형식을 취하지만, 제체의 천단이 수중에 잠기는(SB) 잠수심 혹은 수면 밖으로 돌출되는(LCS) 천단고에 따라 파랑전달율과 회절 등에서 큰 차이를 나타내고, 이로 인하여 해안선 변동 및 해저에서 침·퇴적의 변동양상이 매우 상이하게 나타난다.
잠제와 저천단구조물의 설치 목적은?
해안선에서 이격되어 상대적으로 얕은 연안역에 설치되는 잠제(SB; Submerged Breakwater) 및 저천단구조물(LCS; Low-Crested Structure)은 해빈에 직접적으로 작용하는 파에너지를 저감시켜 주로 연안재해와 해빈침식 등을 방지할 목적으로 설치된다. 이러한 SB와 LCS는 해안선에 거의 평행 하게 설치된다는 측면에서 비슷한 형식을 취하지만, 제체의 천단이 수중에 잠기는(SB) 잠수심 혹은 수면 밖으로 돌출되는(LCS) 천단고에 따라 파랑전달율과 회절 등에서 큰 차이를 나타내고, 이로 인하여 해안선 변동 및 해저에서 침·퇴적의 변동양상이 매우 상이하게 나타난다.
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