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문제 정의
- 본 연구에서는 긴 상치를 갖는 구조물 주위에서의 쇄파와 연이어 발생하는 월파의 유속을 단면 수리모형실험을 통해 연구하고자 한다. 내습직전의 구조물 앞의 쇄파의 유속장은 PIV기법을 이용하여 측정하며, 내습이후의 구조물 근처에서의 기포를 연행한 지역은 BIV기법을 이용하여 측정한다.
제안 방법
- 내습직전의 구조물 앞의 쇄파의 유속장은 PIV기법을 이용하여 측정하며, 내습이후의 구조물 근처에서의 기포를 연행한 지역은 BIV기법을 이용하여 측정한다. 실험은 같은 조건하에 반복적으로 시행하여 얻어진 순간유속장은 위상평균을 하여 평균유속을 구하고 이를 차원분석하여 월파의 수평방향유속의 분포를 나타내는 경험식을 제시한다.
- 이 최대값은 월파의 전면속도(front velocity) 와거의 일치하며 파랑전면이 모형의 후면선단을 지나기 전까지 큰 감소를 보이지 않고 지속된다. 천 단위에서의 수평유속을 차원분석하여 수평유속과 거리와 시간사이에 자기상사성을 가지고 있음을 밝히고 이를 회귀분석하여 이 수평유속을 예측하는 경험식을 제시하였다.
대상 데이터
- Fig 4는 동일한 쇄파를 BIV기법으로 측정한 연행기포영역의 유속장을 보여주고 있다. BIV기법에 의해 측정된 화장은 Fig 1에 도시 되어있는 F0V2이다. Fig 4는 쇄파의 내습에 이 어 발생하는 구조물위에서의 월파의 진행 과정을 보여주고 있다.
- 먼저 모형구조물의 전면벽 부근의 기포연행이 상대적으로 작은 부분의 속도장은 PIV기법을 이용하여 측정하였다. 광원(light source)으로는 Nd:YAG laser를 사용하였으며, 화상기록장치로는 최대 8fps(frame per second), 1024xl280pixels의 해상도와 12bit의 분해능(dynamic range)을 갖는 CCD카메라를 사용하였다. 레이저를 이용한 PIV기법은 물과 공기의 다 위상 흐름에서 화상의 색 포화(saturation)로 인해 유속장을 얻기 어려워진다.
- 실험은 길이 35m, 폭 0.9m, 깊이 1.2m의 유리벽으로 제작된 2차원 단면수조에서 수행하였다. 아크릴로 제작되어진 구조물모형은 길이 0.
- (2005)에서 찾아볼 수 있다. 유체의 운동을 조명하기 위한 광원으로 약 2mm의 두께의 백색의 아크릴판과 600W의 보통 전구를 사용하였으며 분석에 사용되어지는 화상은 f/1.8로 고정된 105mm초점렌즈를 장착한 고속카메라로 기록하였다. 두 기법에 의해 측정된 화장(field of view, FOV)은 Fig 1에 각각 FOV1과 FOV2로 도시되어 있다.
데이터처리
- 15초). 그림 안의 무차원변수들 사이의 자기상사관계를 최소자승회귀법을 이용하여 회귀 분석하였으며 얻어진 회귀 공식은 아래와 같다.
- 쇄파에 의한 모형 주위에서의 월파과정 중 천단위에서의 월파에 영향을 주는 변수들의 관계를 이해하기 위하여 차원분석을 하였다. Fig 6은 무차원화된 단면수평유속 Uc/Um, 선단부터의 거리 x/Ct, 그리고 시간 "사이의 관계를 나타내며, 이 변수들 사이에서 자기 상사(self-similarity) 관계가 있음을 알 수 있다.
이론/모형
- 이와 같이 기포가 연행된 지역의 측정을 위하여 Ryu et al.(2005)에 의해 고안된 그림자기법(shadowgraphy)을 이용한 BIV기법을 이용하였다. BIV기법은 PIV기법과 유사한 유속측정법으로 전형적인 PIV기법에서 속도 측정을 위해 사용하였던 미세한 입자 대신에 기포나 물-공기의 경계에 생성되는 화상의 조직 (texture)을 이용한다.
- 통해 연구하고자 한다. 내습직전의 구조물 앞의 쇄파의 유속장은 PIV기법을 이용하여 측정하며, 내습이후의 구조물 근처에서의 기포를 연행한 지역은 BIV기법을 이용하여 측정한다. 실험은 같은 조건하에 반복적으로 시행하여 얻어진 순간유속장은 위상평균을 하여 평균유속을 구하고 이를 차원분석하여 월파의 수평방향유속의 분포를 나타내는 경험식을 제시한다.
- 본 연구에서는 쇄파의 연행기포영역과 이어 발생하는 처오름과 월파의 유속장을 얻기위하여 PIV기법과 BIV기법을 이용하였다. 먼저 모형구조물의 전면벽 부근의 기포연행이 상대적으로 작은 부분의 속도장은 PIV기법을 이용하여 측정하였다. 광원(light source)으로는 Nd:YAG laser를 사용하였으며, 화상기록장치로는 최대 8fps(frame per second), 1024xl280pixels의 해상도와 12bit의 분해능(dynamic range)을 갖는 CCD카메라를 사용하였다.
- 6m 의 지점에 수조의 바닥과 상단에 고정되었다 (Fig 1 참조). 본 실험에 사용된 쇄파는 다양한 주기를 갖는 파군으로부터 파랑집중(wave focusing)법을 이용하여 생성하였다. 0.
- 본 연구에서는 모형에 내습하는 권파와 그에 따른 월파의 유속장을 광학적 유속측정기법인 PIV기법과 BIV기법을 이용하여 측정하였다. 권파는 모형에 내습하기 전 위상속도의 1.
- 3Hz 사이의 주파수를 갖는 파로 이루어졌다. 본 연구에서는 쇄파의 연행기포영역과 이어 발생하는 처오름과 월파의 유속장을 얻기위하여 PIV기법과 BIV기법을 이용하였다. 먼저 모형구조물의 전면벽 부근의 기포연행이 상대적으로 작은 부분의 속도장은 PIV기법을 이용하여 측정하였다.
- 수리모형의 전면직립벽 앞에서의 유속장은 PIV기법을 이용하여 측정되었다. PIV기법에 의해 측정된 화장은 전술한 바와 같이 Fig 1의 F0V1에 해당되는 영역이다.
- 반면, 이러한 레이저를 이용한 전형적인 PIV기법의 유속측정은 기포의 크기나 밀도가 상대적으로 많은 지역에서는 속도를 거의 얻을 수 없음을 알 수 있다. 이에 대한 대안으로, 모형구조물의 전면과 상부에서의 쇄파에 의한 연행기포영역의 측정을 위하여 BIV기법을 이용하였다. Fig 4는 동일한 쇄파를 BIV기법으로 측정한 연행기포영역의 유속장을 보여주고 있다.
성능/효과
- Fig 2에 제시된 PIV 화상과 얻어진 유속벡터의 분포로부터 PIV기법은 기포가 없거나 기포의 밀도가 아주 작은 지역에서 성공적으로 유속을 측정할 수 있음을 알 수 있었다. 반면, 이러한 레이저를 이용한 전형적인 PIV기법의 유속측정은 기포의 크기나 밀도가 상대적으로 많은 지역에서는 속도를 거의 얻을 수 없음을 알 수 있다.
- 위의 결과로 부터 모형의 천단위에서 거동하는 월파의 유속은 거리와 시간의 함수로 나타낼 수 있다. 여기서, 최대수평유속 UM은 시간에 따른 변화가 거의 없으며 파랑전면의 유속과 유사하다는 Fig 5의 결과로부터 &과 전면속도의 평균값인 2.
후속연구
- 특히 월파의 유속은 원해구조물의 설계에 있어서 선박이나 platform의 상부장치에 작용할 수 있는 힘을 예상하는 데 유용하다. 반면, 해안구조물, 즉 방파제나 호안의 경우 이는 상부의 설치물에 대한 관점보다는 월파량의 정량적인 산정과 구조물 후면의 안전성 등의 연구에 이용될 수 있을 것이다. Schttrumpf and Oumeraci(2002)는 월파는 구조물의 후면 안전성에도 깊은 연관을 가지고 있으며 이러한 평균월파량은 후면의 쇄굴 등의 안정성에 직접적인 관계를 유추하기엔 제한적이라고 지적하고 월파속도의 연구의 필요성을 제기하였다.
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