[논문]유출유사제트류와 파랑의 상호작용 수치모의

최준우; 배재석; 윤성범

문제 정의

이 결과는 Yoon and Liu(1990)의 파랑전파의 반대방향으로 진행하는 유사제트류 는 파랑의 파고를 증가시키고 이는 다시 유사제트류를 강화시킨다는 결론과는 상충된다. 따라서 본 연구에서는 Yoon and Liu(1990)가 사용한 수치모형보다 발전된 형태를 가진 모형을 이용하여 두 상충되는 결론에 대한 원인을 파악하고 수리실험 에서 발생된 유사제트류의 퍼지는 현상에 대해 역 학적으로 분석한다. 이를 통하여 해안의 하구에서 발생하고 있는 파랑과 유사제트류의 상호작용에 따른 흐름변화를 규명하고자 한다.
수치실험을 통해 파랑-흐름 상호작용이 파랑과 반대방향으로 유출되는 유사제트류에 미치는 영향을 연구하였다. 파랑모형과 흐름모형을 결합하여 파랑과 유체흐름을 불규칙파의 경우에 대해 수치 모의하였다.
파랑모형과 흐름모형을 결합하여 파랑과 유체흐름을 불규칙파의 경우에 대해 수치 모의하였다. 이 수치실험을 통하여 마주오는 유사제트류에 의한 파랑굴절로 파집중현상이 발생하므로 변화되는 유사제트류의 양상을 예측하고 이 변화양상에 대한 역학적 분석을 시도하였다.
따라서 본 연구에서는 Yoon and Liu(1990)가 사용한 수치모형보다 발전된 형태를 가진 모형을 이용하여 두 상충되는 결론에 대한 원인을 파악하고 수리실험 에서 발생된 유사제트류의 퍼지는 현상에 대해 역 학적으로 분석한다. 이를 통하여 해안의 하구에서 발생하고 있는 파랑과 유사제트류의 상호작용에 따른 흐름변화를 규명하고자 한다.

가설 설정

파랑과 흐름의 상호작용을 모의하기 위해 파랑 모형과 흐름모형 각각을 부프로그램 (sub-program)으로 하는 주프로그램(main-prograHi)을작성하여 파랑정보와 흐름정보의 상호교환 (feedback)을 조절하게 하였다. 파고의 변화가 흐름변화에 비해 느리다는 가정 하에 10초 동안의 흐름계산 후 파랑계산을 1회 수행하는 형식을 취하였다. 결합모형을 위한 공간격자간격은 O.

제안 방법

유사제트류를 수치모의하기 위해 유입유속이 lOcin/s가 되도록 고정된 수위에 따른 유량을 그림과 같이 3m폭을 통하여 유입시켰다. 그리고 수조에 유입된 유량만큼을 매 계산시간마 다 전체수조에 걸쳐 일정수면변위를 감소시키므로 연속방정식을 만족시켰다.
4m의 일정수심을 갖는 수치수조를 구성하여 협대역 다방향 주파수 스펙트럼 불규칙파의 경우를 수치 모의하였다. 불규칙파 스펙트럼은 TMA 주파수분 포와 wrapped normal 방향분포함수를 이용하여 각각 유의파 파고에 해당하는 에너지를 81개의 주 파수 성분과 121개의 방향 성분으로 나누고 파라 미터는 y=20과 <7 = 10cm를 사용하여 구성하였다’ 또한 쇄파의 발생여부에 따라 7cm와 10cm의 유의 파고를 입력조건으로 800sec동안에 대한 실험이 수행되었다. 유사제트류를 수치모의하기 위해 유입유속이 lOcin/s가 되도록 고정된 수위에 따른 유량을 그림과 같이 3m폭을 통하여 유입시켰다.
불규칙파 스펙트럼은 TMA 주파수분 포와 wrapped normal 방향분포함수를 이용하여 각각 유의파 파고에 해당하는 에너지를 81개의 주 파수 성분과 121개의 방향 성분으로 나누고 파라 미터는 y=20과 <7 = 10cm를 사용하여 구성하였다’ 또한 쇄파의 발생여부에 따라 7cm와 10cm의 유의 파고를 입력조건으로 800sec동안에 대한 실험이 수행되었다. 유사제트류를 수치모의하기 위해 유입유속이 lOcin/s가 되도록 고정된 수위에 따른 유량을 그림과 같이 3m폭을 통하여 유입시켰다. 그리고 수조에 유입된 유량만큼을 매 계산시간마 다 전체수조에 걸쳐 일정수면변위를 감소시키므로 연속방정식을 만족시켰다.
또한, 유사제트류에 의해 증폭된 파고분포의 기울기가 유사제트류의 유출방향보다 유출방향 좌우로 더 급하므로 y방향 파랑잉여력이 더 우세하게 작용하여 유사제트류가 유출방향으로 더 발달하지 못하고 횡방향으로 퍼지게 하는 역할을 한다고 생각할 수 있다. 이를 확인하기 위해서 10cm 유의파 고의 경우에 대하여 인위적으로 X방향 파랑잉여력 은 고려하고 y방향 파랑잉여력은 무시하여 수치해 석을 실시하고 그 반대의 경우도 수치해석하여 그 결과를 Fig. 5에 도시하였다.
파랑과 흐름의 상호작용을 모의하기 위해 파랑 모형과 흐름모형 각각을 부프로그램 (sub-program)으로 하는 주프로그램(main-prograHi)을작성하여 파랑정보와 흐름정보의 상호교환 (feedback)을 조절하게 하였다. 파고의 변화가 흐름변화에 비해 느리다는 가정 하에 10초 동안의 흐름계산 후 파랑계산을 1회 수행하는 형식을 취하였다.
파랑과 흐름의 상호작용을 통한 파랑전파의 반 대방향으로 진행하는 유사제트류의 변화양상을 수 치실험하기 위해 Fig.l과 같은 경계조건과 0.4m의 일정수심을 갖는 수치수조를 구성하여 협대역 다방향 주파수 스펙트럼 불규칙파의 경우를 수치 모의하였다. 불규칙파 스펙트럼은 TMA 주파수분 포와 wrapped normal 방향분포함수를 이용하여 각각 유의파 파고에 해당하는 에너지를 81개의 주 파수 성분과 121개의 방향 성분으로 나누고 파라 미터는 y=20과 <7 = 10cm를 사용하여 구성하였다’ 또한 쇄파의 발생여부에 따라 7cm와 10cm의 유의 파고를 입력조건으로 800sec동안에 대한 실험이 수행되었다.
수치실험을 통해 파랑-흐름 상호작용이 파랑과 반대방향으로 유출되는 유사제트류에 미치는 영향을 연구하였다. 파랑모형과 흐름모형을 결합하여 파랑과 유체흐름을 불규칙파의 경우에 대해 수치 모의하였다. 이 수치실험을 통하여 마주오는 유사제트류에 의한 파랑굴절로 파집중현상이 발생하므로 변화되는 유사제트류의 양상을 예측하고 이 변화양상에 대한 역학적 분석을 시도하였다.
2에 나타내었다. 파랑이 없는 경우(A), 유의 파고가 7on인 경우(B), 유의파고가 10cm인 경 우(C)에 대하여 파고분포, 시간평균 유속벡터, 평균 수면 변위를 도시 하였다.

성능/효과

유사제트류가 파랑에만 영향을 준다면 상승된 파고의 분포는 유사제트류의 중심부를 따라 유사 제트류의 발달과 함께 길게 나타날 것이지만 파랑의 집중화에 따른 증가된 마찰저항 및 쇄파난류효 과 그리고 파랑잉여력의 작용으로 유사제트류는 횡방향으로 퍼지게 되고, 따라서 유사제트류의 중심부의 파랑집중화 현상으로 인한 파고상승의 효과도 줄어들어 유사제트류의 유출부 부근에만 남게됨을 알 수 있었다. 결론적으로 파랑과 흐름의 상호작용이 유사제트류의 발달양상 변화에 미치는 영향은 매우 중요함을 알 수 있다.
비록 파랑이 있는 경우에 증가된 마찰저항으로 파랑이 없는 경우에 비해 유사제트류가 약화되는 경향이 있지만, X방향 파랑 잉여력은 유사제트류를 강화시키고, y방향의 파랑 잉여력은 유사제트류를 약화시킨다는 사실을 확인 할 수 있었다. 본 논문에서 결과를 제시하지는 않았지만, x방향 파랑잉여력 가운데 dSxy/dy 항 역 시 유출 유사제트류의 발달을 방해하는 역할을 하므로(Yoon and Liu, 1990), 항의 잉여력만이 유사제트류의 진행방향으로 작용하여 유사제트류를 강화시키는 역할을 할뿐 나머지 잉여력들은 모두 유사제트류의 발달을 방해하는 역할을 한다는 것을 알 수 있었다.이러한 결과분석으로부터 Yoon and Liu(1990)의 수치모의 가운데 *방향으로 작용하는 파랑잉여 력을 무시하여 유사제트류가 마주오는 파랑에 의해 가속된다는 결론을 얻게 된 것으로 생각된다.
불규칙파 경우에 대하여 평균개념의 결합모형을 이용한 수치모의를 통하여 파랑진행방향의 반대방 향으로 유출되어 진행하는 유사제트류가 계속 발달하지 못하고 파랑의 집중화로 인한 영향에 의해 횡방향으로 퍼짐을 알 수 있었다. Fig.
그러나 X방 향 파랑잉여력만을 고려한 경우' 모든 파랑잉여응 력을 고려한 유의파고 10cm의 경우에 비해 유사 제트류가 강화되었고 그에 따른 파고분포도 길게 발달했음을 알 수 있다. 비록 파랑이 있는 경우에 증가된 마찰저항으로 파랑이 없는 경우에 비해 유사제트류가 약화되는 경향이 있지만, X방향 파랑 잉여력은 유사제트류를 강화시키고, y방향의 파랑 잉여력은 유사제트류를 약화시킨다는 사실을 확인 할 수 있었다. 본 논문에서 결과를 제시하지는 않았지만, x방향 파랑잉여력 가운데 dSxy/dy 항 역 시 유출 유사제트류의 발달을 방해하는 역할을 하므로(Yoon and Liu, 1990), 항의 잉여력만이 유사제트류의 진행방향으로 작용하여 유사제트류를 강화시키는 역할을 할뿐 나머지 잉여력들은 모두 유사제트류의 발달을 방해하는 역할을 한다는 것을 알 수 있었다.
유사제트류가 파랑에만 영향을 준다면 상승된 파고의 분포는 유사제트류의 중심부를 따라 유사 제트류의 발달과 함께 길게 나타날 것이지만 파랑의 집중화에 따른 증가된 마찰저항 및 쇄파난류효 과 그리고 파랑잉여력의 작용으로 유사제트류는 횡방향으로 퍼지게 되고, 따라서 유사제트류의 중심부의 파랑집중화 현상으로 인한 파고상승의 효과도 줄어들어 유사제트류의 유출부 부근에만 남게됨을 알 수 있었다. 결론적으로 파랑과 흐름의 상호작용이 유사제트류의 발달양상 변화에 미치는 영향은 매우 중요함을 알 수 있다.
본 논문에서 결과를 제시하지는 않았지만, x방향 파랑잉여력 가운데 dSxy/dy 항 역 시 유출 유사제트류의 발달을 방해하는 역할을 하므로(Yoon and Liu, 1990), 항의 잉여력만이 유사제트류의 진행방향으로 작용하여 유사제트류를 강화시키는 역할을 할뿐 나머지 잉여력들은 모두 유사제트류의 발달을 방해하는 역할을 한다는 것을 알 수 있었다.이러한 결과분석으로부터 Yoon and Liu(1990)의 수치모의 가운데 *방향으로 작용하는 파랑잉여 력을 무시하여 유사제트류가 마주오는 파랑에 의해 가속된다는 결론을 얻게 된 것으로 생각된다. 다시말해서, 파랑이 유사제트류 진행의 반대방향 으로 전파하는 경우, 유사제트류에 의해 증폭된 파랑의 잉여력항 dSo/dx는 유사제트류를 강화시 키는 역할을 하지만, 바닥마찰 및 쇄파난류저항뿐 만 아니라 항을 제외한 파랑잉여력은 모두 유사제트류의 발달을 방해하는 역할을 하여 유사 제트류를 횡방향으로 퍼지게함을 알 수 있다.

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