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工學碩士 學位論文 3 차원불규칙파수치파동수조 (3D-NIT Model) 개발 그의 적용에 관한 연구 Development of Three-Dimensional Numerical Irregular wave Tank(3D-NIT), and Its Application. 指導敎授 2012 2 韓國海洋大學校 大學院 土木環境工學科

3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

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工學碩士 學位論文

3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의

개발 및 그의 적용에 관한 연구

Development of Three-Dimensional Numerical Irregular wave

Tank(3D-NIT) and Its Application

指導敎授 金 度 三

2012年 2月

韓國海洋大學校 大學院

土木環境工學科

白 東 珍

본 논문을 백동진의 공학석사 학위논문으로 인준함

위원장 공학박사 배 기 성 (印)

위 원 공학박사 김 태 곤 (印)

위 원 공학박사 김 도 삼 (印)

2012年 2月

한국해양대학교 대학원

토목환경공학과

백 동 진

i

Development of Three-Dimensional Numerical Irregular wave

Tank(3D-NIT) and Its Application

by

Dong Jin Baek

Department of Civil and Environmental Engineering

Graduate School

Korea Maritime University

ABSTRACT

To protect the main facilities of coastal stations from ocean waves in the open sea and make the sea calm down

breakwaters with various structural types of vertical breakwater inclined surface dyke and bottom-mounted

breakwater have been constructed in the costal stations and in recent years special breakwaters represented by the slit

caisson has mainly been constructed for hydrophilic consideration low reflection and harmony with surrounding In

the mean time sufficient strength which helps to withstand extreme environmental conditions is needed for the

structures continuously exposed to the action of external forces and on this high precision analysis is required in the

prediction of wave force acting on the structures and wave control by special breakwater However the method to

interpret wave action of 3-dimensional irregular wave in terms of 2-dimensional wave action can distort results of the

ii

wave action significantly Accordingly in most cases review on the dynamic behaviors according to wave action was

carried out through hydraulic model experiments which require a lot of time and costs In this study 3D-NIT(Three-

Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model in which regular wave as well as stable irregular wave can be

generated in 3-dimensional numerical irregular wave tank was proposed To verify validity the following steps need to

be conducted 1) comparative analysis between calculated waveforms and targeted waveforms at the wave generating

point 2) comparative analysis with the existing experimental values of overtopping volume calculated targeting shore

protection structures installed on a slope bed 3) comparison with the existing numerical and hydraulic experimental

results through application in the analysis on the wave deformation by structures and wave force acting on the vertical

cylindrical structures Based on the results characteristics of the breaking wave forces according to incident waves and

interval distance of structures were identified through application of 3D-NIT model in the analysis on the breaking

wave forces acting on the cylindrical structures installed on a slope bed and reflection and overtopping was reviewed

through application in the special breakwaters on the domestic fields Lastly analysis on the irregular air flow was

carried out in the internal wave chamber by calculating the air flow rate from the water level fluctuations within the air

room through application in OWC wave-force generation structures

iii

3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의

개발 및 그의 적용에 관한 연구

白 東 珍

韓國海洋大學校 大學院

土木環境工學科

요 약

외해에서 내습하는 파랑으로부터 연안역의 주요 시설물을 보호하고 해역을 정온화하기 위해 연안

역에 직립제 경사제 혼성제 등의 다양한 방파제를 건설하여 왔고 최근에는 주변경관과의 조화 친

수성 및 저반사의 목적 등으로 슬리트케이슨제로 대표되는 특수방파제가 많이 시공되고 있다 한편

해역에 설치된 구조물은 외력을 지속적으로 받으므로 극한의 파랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충

분한 강도를 구비할 필요성이 있고 이에 따라 특수방파제에 의한 파랑제어 및 구조물에 작용하는 파

력에 대한 고정도 해석이 요구된다 하지만 3차원적인 복잡한 형상을 갖는 방파제나 호안에 대한 3차

원적인 불규칙의 파랑작용을 2차원(단면)적인 파랑작용으로 근사 해석하는 방법은 실제의 파랑작용

iv

결과를 크게 왜곡할 수 있다 따라서 대부분의 경우 많은 시간과 경제적인 면이 요구되는 수리실험

을 통하여 파랑작용에 따른 거동을 검토하여 왔다 본 연구에서는 3차원수치파동수조에 규칙파뿐만

아니라 안정적인 불규칙파가 조파될 수 있는 새로운 조파시스템 3D-NIT(Three-Dimensional Numerical

Irregular wave Tank) model을 제안한다 그에 대한 타당성을 검증하기 위하여 조파지점에서의 계산파형

과 목포파형을 비교 middot 검토하고 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 기존의 월파량

의 실험치와 비교 middot 검토하여 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성을 평가하였다 또한 연직

원주구조물에 작용하는 파력 및 구조물에 의한 파랑변형의 해석에 적용하고 기존의 수치 및 수리실

험결과와 비교하여 3D-NIT model의 타당성을 검토하였다

이상의 결과를 기초로 본 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT)를 경사수심역에 설치된 원주구조

물에 작용하는 쇄파력의 해석에 적용하여 입사파고 구조물의 이격거리 등에 따른 작용쇄파력의 특성

을 규명하였고 더불어 국내현장의 특수방파제에 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 OWC

파력발전구조물에 적용하여 공기실내부의 수위변동으로부터 공기흐름속도를 산정하여 내부유수실에

서 불규칙공기흐름을 해석하였다

v

목 차

ABSTRACT i

요약 ⅲ

목차 v

LIST OF TABLES ⅷ

LIST OF FIGURES ⅸ

제 1 장 서론

11 연구의 배경 및 목적 1

12 연구의 구성 2

제 2 장 수치해석이론

21 개요 3

22 3차원수치파동수조의 기초방정식 4

23 난류모델 5

24 이류방정식 7

25 격자설정방법 7

26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파 7

27 난수의 발생방법 9

28 주파수의 선택방법 10

제 3 장 수치해석의 검증

31 개요 11

vi

32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증 11

33 월파량의 검토 14

34 월파현상의 재현 15

35 파력의 검증 17

제 4 장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용

41 개요 19

42 수치파동수조 19

43 주변파동장 20

44 파력 31

45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용 32

제 5 장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용

51 개요 41

52 O O O 서컨테이너안벽 46

521 수치파동수조 46

522 반사율 48

523 월파유량 49

53 O O O 신항만방파제 55

531 수치파동수조 55

532 반사율 57

533 월파유량 58

vii

제 6 장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용

61 개요 61

62수치파동수조 61

63공기실 내부에서의 수위변동 62

64공기흐름속도의 해석 63

제 7 장 결론

viii

LIST OF TABLES

Table 41 Condition of numerical analysis for circular cylinder 20

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater

and incident wave condition 49

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition 50

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater

and incident wave condition 57

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition 58

ix

LIST OF FIGURES

Fig 21 Schematic sketch of the numerical wave tank used in 3D-NIT 3

Fig 22 Random phase angle 10

Fig 31 Schematic sketch of numerical wave tank 12

Fig 32 Comparison of target and calculated wave profiles at wave source position 12

Fig 33 Definition sketch of 3D numerical wave tank for comparison of wave transformation 13

Fig 34 Comparison of spatial distribution of non-dimensional maximum water levels 14

Fig 35 Numerical setup for wave overtopping over vertical seawall on a sea bottom slope of 110 14

Fig 36 Comparison between experimental and numerical results for wave overtopping rate over

vertical seawall on a sea bottom slope of 110 ( 0 0 0017H L = ) 15

Fig 37 Spatial variation of irregular waves on a sea bottom slpoe of 110 ( 0 0 075 15ch H h H= = ) 16

Fig 38 Definition sketch for comparison of wave force acting on the circular cylinder 17

Fig 39 Comparison of non-dimensional maximum wave force acting on the circular cylinder 18

Fig 41 Definition sketch of 3D numerical wave tank for analysis of wavebreaking force acting on circular cylinder 20

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height 25

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder 30

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1 31

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2 32

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2 32

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height 39

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height 40

Fig 51 Type of specialized breakwater 45

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor 47

x

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater 48

Fig 54 Time variation of overtopping rate 50

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition 54

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor 56

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater 57

Fig 58 Time variation of overtopping rate 59

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = ) 60

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC 62

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber 63

Fig 63 Comparison of frequency spectrum 64

Fig 64 Elevation change at the structure location 65

Fig 65 Air velocity change at the structure location 65

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = ) 66

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity 67

1

1장 서론

11 연구의 배경 및 목적

외해에서 내습하는 파랑으로부터 연안역의 주요 시설물을 보호하고 해역을 정온화하기 위해 연안역에 직립

제 경사제 혼성제 등의 다양한 방파제를 건설하여 왔고 최근에는 주변경관과의 조화 친수성 및 저반사의 목적

등으로 슬리트케이슨제로 대표되는 특수방파제가 많이 시공되고 있다 한편 해역에 설치된 구조물은 외력을 지

속적으로 받으므로 극한의 파랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충분한 강도를 구비할 필요성이 있고 이에 따

라 특수방파제에 의한 파랑제어 및 구조물에 작용하는 파력에 대한 고정도 해석이 요구된다

구조물에 대한 파랑응답은 파랑과 구조물의 3차원적인 특성들로 인하여 복잡하게 나타나는 현상으로 내습

파랑에 의한 구조물의 정도 높은 평가를 위해서는 3차원구조물을 정확히 재현하고 이를 검토할 수 있는 3차원

불규칙수치파동수조의 개발이 필요하다 특히 3차원수치파동수조를 통하여 구조물을 검토하는 경우 구조물에

의한 주변파동장의 3차원적인 시 ∙ 공간변화를 상세히 검토할 수 있는 장점이 있으며 또한 구조물의 복잡한 형

상에 의한 파랑 상호간의 간섭현상까지도 검토할 수 있다 더불어 3차원수치파동수조에서는 구조물의 3차원적

인 특성에 따른 검토단면들에 대한 작용파압의 변화뿐만 아니라 구조물의 특성에 따른 파랑의 집중현상까지도

검토가 가능하다 그리고 파랑의 월파현상은 입사파랑조건에 따라 달라질 수 있지만 3차원구조물에 의한 파랑

집중현상에 의해서도 발생할 수 있다 이러한 부분들은 3차원수치파동수조를 통해서만 재현할 수 있고 3차원형

상의 구조물에 대한 대표단면만을 대상으로 하는 2차원수치해석(CDIT 2001)에서는 검토될 수 없는 사항들이다

한편 복잡한 구조물에 대한 실해역에 주어지는 불규칙파를 재현하기 위해서 지금까지의 수치해석기법으로는 2

차원수치해석을 통한 불규칙파의 해석이 주로 수행되어 왔고 3차원수치해석의 경우에는 규칙파에 대해서만 해

석이 이루어졌다 따라서 실제 해양에서의 파와 유사한 특성을 갖는 불규칙파에 대한 수치해석이 수행되지 않

아 불규칙파동장하에서 파랑과 구조물 사이의 3차원 수리특성을 규명하기 위해 막대한 시간과 경비가 소요되

는 수리모형실험이 실시되어 왔다

본 연구에서는 수리실험에 의존해 오던 3차원불규칙파와 구조물과의 상호작용에 의한 3차원 수리특성을 수

치적으로 접근 가능하고 복잡한 구조물에 대해서도 실해역에 주어지는 불규칙파의 재현이 가능한 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT(Three-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model의 개발 및 그의 적용성을 검토하는

것을 목적으로 향후 수리실험을 대신하여 구조물 주변파동장의 3차원적인 변동특성을 재현하여 그의 타당성을

검증하고 다양한 3차원특수방파제에 적용하여 내습파랑에 대한 구조물의 응답특성을 검토하고자 한다

2

12 연구의 구성

본 연구는 총 7장으로 구성되며 각 장의 내용은 다음과 같다

1) 제 1장에서는 본 연구의 배경 및 목적에 대하여 서술하고 연구의 구성에 대하여 간단히 기술한다

2) 제 2장에서는 3D-VOF법에 기초하여 자유수면을 추적하고 월파현상 및 고파랑에 대한 파랑특성을 예측

할 수 있는 수치모델로 규칙파뿐만 아니라 불규칙파에 대한 검토도 가능한 3차원불규칙파수치파동수조 3D-

NIT(Three-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model에 대한 이론적인 배경에 대해 기술한다

3) 제 3장에서는 3D-NIT model의 불규칙파의 조파성능 경사수심을 갖는 불규칙파동장에서 호안 배후로 전

달되는 월파량을 산정하여 실험결과와 비교 ∙ 검토하고 3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선

형간섭에 따른 연직원주구조물의 주변에서 파랑변형 및 연직원주구조물에 작용하는 파력특성에 관한 기존의

실험결과와 본 수치해석결과를 비교 ∙ 검토하여 본 연구에서 사용된 수치파동수조의 조파시스템의 타당성을 논

의한다

4) 제 4장에서는 충분한 폭을 갖는 3차원규칙파동장의 경사수역에서 동일한 파랑조건하에 원주구조물의 위

치변화에 따른 주변파동장과 적용파력 그리고 동일한 위치에서 상이한 입사파랑조건하에 연직원주구조물에 작

용하는 쇄파파력을 포함한 파력과 주변파동장의 변화특성을 고찰함으로써 본 3D-NIT model의 적용성을 검토한

5) 제 5장에서는 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 대하여 본 3D-NIT model을 적용하여 주변파동

장의 변화와 3차원월파량을 추정하여 통한 본 연구에서 제안하고 있는 3D-NIT model의 적용성을 논의한다

6) 제 6장에서는 본 연구의 3D-NIT model을 OWC파력발전구조물에서 수위변동을 통한 공기흐름속도의 해

석에 적용하여 입사파의 spectrum 공기실내의 파랑 spectrum 및 공기흐름속도에 관한 spectrum을 산출하고 더불

어 그의 특성을 규명함으로써 본 3D-NIT model의 적용성과 확장성을 살펴본다

7) 제 7장에서는 이상으로부터 도출된 중요한 사항을 요약하여 본 논문의 결론으로 한다

8) 끝으로 본 연구에서 참고하고 인용한 주요한 문헌을 수록한다

3

2장 수치해석이론

21 개요

비압축성의 점성유체에 대한 복잡한 자유수면을 효과적으로 수치모의할 수 있는 VOF법이 제안된 이후 자

유수면을 취급하는 많은 학문분야에서 이를 활용한 연구가 활발하게 진행되고 있다 특히 VOF법은 쇄파과정

및 쇄파후의 파형변형특성을 수치적으로 재현할 수 있어 해안공학분야에서도 VOF법을 활용한 수치모델이 많

이 사용되고 있다 VOF법은 단지 자유수면을 모의하는 기법이므로 해안공학분야에 적용시 파랑의 전달과 반사

를 정확하게 모의할 수 있는 효과적인 무반사조건을 포함한 경계조건과 수치조파방법을 결부시켜야 한다 이러

한 수치조파를 수치파동수조로 불리고 VOF법을 활용한 수치파동수조의 연구개발이 활발하게 이루어지고 있다

(沿岸開發技術硏究セソタ 2001 Van der Meer et al 1992 Troch P 1997 Hur and Mizutani 2003 Hur 2004 김 등 2001

2004 허 등 2005)

본 연구에서 적용하는 3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT (Three-Dimensional Numerical Irregular wave Tank)

model의 수치파동수조는 Fig 21(그림에서 0L 는 목표파의 파장 aL 는 부가감쇠영역의 길이 x y zD D D 는 수평

및 연직방향의 격자간격)에 보인 바와 같이 수치파동수조내에서 파의 재반사를 방지하기 위한 개경계처리기법

으로 해석영역의 양쪽에 부가감쇠영역을 두고 해석영역내에 조파를 위한 조파소스를 적용하고 있다

xD

yDz

D

Fig 21 Schematic sketch of the numerical wave tank used in 3D-NIT

4

22 3차원수치파동수조의 기초방정식

본 연구의 3D-NIT model은 기존의 2D-NIT(Two-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model의 계산수법을

3차원으로 확장한 것이며 자유표면해석모델에 VOF법을 난류해석에는 k e- 모델을 각각 적용하였고 기초방

정식은 3차원비압축성의 점성유체를 대상으로 한 연속식 및 Navier-Stokes방정식을 PBM (Porous Body Model)에

근거하여 확장한 다음의 식(21)~(24)로 주어진다

yx z

v

vu w Sx y z r

gg g gparapara para

+ + =para para para

(21)

2yx vz

v x e

y e z e v x x v u

vuuu wuu p ut x y z x x x

u v u w D u R Sy y x z z x

ll gll g nr

g n g n g g

parapara para igrave uumlpara para para paraaelig ouml+ + + = - + iacute yacuteccedil dividepara para para para para para paraegrave oslashicirc thornigrave uumlaelig ouml igrave uumlpara para para para para paraiuml iuml aelig ouml+ + + + - - +iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslashiuml iuml icirc thornegrave oslashicirc thorn

(22)

2

yx vzv x e

x e z e v y y v v

vvuv wvv p v ut x y z y x x y

v v w D v R Sy y z z y

ll gll g nr

g n g n g g

para igrave uumlaelig oumlpara parapara para para para paraiuml iuml+ + + = - + +iacute yacuteccedil dividepara para para para para para para paraiuml iumlegrave oslashicirc thornigrave uuml igrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para paraiuml iuml iuml iuml+ + + - - +iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para paraiuml iuml iuml iumlegrave oslash egrave oslashicirc thorn icirc thorn

(23)

2

yx vzv x e

y e z e v z z v w v

vwuw www p w ut x y z z x x z

w v w D w R S gy y z z z

ll gll g nr

g n g n g g g

parapara para igrave uumlpara para para para paraaelig ouml+ + + = - + +iacute yacuteccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslashicirc thornigrave uumlaelig ouml igrave uumlpara para para para paraiuml iuml aelig ouml+ + + - - + -iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para paraegrave oslashiuml iuml icirc thornegrave oslashicirc thorn

(24)

여기서 t 는 시간 x y 는 수평방향좌표 z 는 연직방향좌표 u v w는 x y z 방향의 유속성분 r 는 유체

밀도 p 는 압력 en 는 분자동점성계수 n 와 와점성계수 tn 의 합 g 는 중력가속도 vg 는 체적공극율

x y zg g g 는 x y z 방향의 면적공극율 x y zD D D 는 경계에서 반사파의 제어를 위해 설치한 스폰지층에서의

에너지감쇠계수 u v wS S S Sr 는 해석영역내의 조파를 위한 소스항 v x y zl l l l 는 구조물로부터 받는 관성

력효과를 나타낸 파라미터이고 식(25)와 같이 표현된다

5

(1 )(1 )(1 )

(1 )

v v v M

x x x M

y y y M

z z z M

CCCC

l g gl g gg g g

g g g

= + -

= + -

= + -

= + -

(25)

여기서 MC 은 관성력계수 x y zR R R 는 투과층(porous media)에서의 저항력이고 식(26)과 같이 주어진다

2 2 2

2 2 2

2 2 2

1 (1 )21 (1 )21 (1 )2

Dx x

Dy y

Dz z

CR u u v wx

CR v u v wy

CR w u v wz

g

g

g

= - + +D

= - + +D

= - + +D

(26)

여기서 DC 는 항력계수 x y zD D D 는 x y z 방향의 격자간격이다

본 연구에서는 이상의 이론에 근거한 3D-NIT model을 사용하여 규칙파 및 불규칙파의 해석을 수행한다 규

칙파 및 불규칙파의 해석에서 대상구조물이 불투과성인 경우에는 기초방정식에서 체적공극율 면적공극율 및

투과층내의 저항력을 무시하면 된다 그리고 계산에서는 양측면과 바닥에는 불투과경계조건을 적용하였다

23 난류모델

난류모델에는 실용성이 높고 여러 분야에서 사용되고 있는 고 Reynolds형의 k e- 모델을 채용하였다

k e- 모델에서는 유속의 변동량 u v w 을 사용하여 난류에너지 k 와 난류에너지일산함수 e 을 다음과 같

이 정의한다

2 2 21 ( )2

k u v w= + + (27)

2 22 2 2 2 2u v w w v uvx y z x y z

eigrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para para paraiuml iumlaelig ouml aelig ouml= + + + + +iacute yacuteccedil divide ccedil divideccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslash egrave oslashegrave oslash egrave oslashiuml iumlicirc thorn

(28)

따라서 k 와 e 은 이하에 나타내는 이류확산방정식을 풀어서 산정할 수 있다

6

yx z

v x k y k

z k v s v

vkuk wkk k kv vt x y z x x y y

kv Gz z

gg gg g g

g g g e

para igrave uumlaelig oumlpara para igrave uumlpara para para para paraiuml iumlaelig ouml+ + + = +iacute yacute iacute yacuteccedil divideccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslash iuml iumlicirc thorn egrave oslashicirc thornigrave uumlpara paraaelig ouml+ + -iacute yacuteccedil dividepara paraegrave oslashicirc thorn

(29)

2

1 2

yx zv x y

z v s v

vu w v vt x y z x x y y

v C G Cz z k k

e e

e

g eg e g ee e eg g g

e e eg g g

para igrave uumlaelig oumlpara para igrave uumlpara para para para paraiuml iumlaelig ouml+ + + = +iacute yacute iacute yacuteccedil divideccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslash iuml iumlicirc thorn egrave oslashicirc thornigrave uumlpara paraaelig ouml+ + -iacute yacuteccedil dividepara paraegrave oslashicirc thorn

(210)

2 22 2

2 2 2s tu v w w v uG vx y z x y z

igrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para para paraiuml iumlaelig ouml aelig ouml= + + + + +iacute yacuteccedil divide ccedil divideccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslash egrave oslashegrave oslash egrave oslashiuml iumlicirc thorn (211)

여기서 와동점성계수 및 확산계수는 다음과 같이 주어진다

2

t

C kv m

e= (212)

tk

k

vv vs

= + (213)

tvv vees

= + (214)

또한 위의 식에서 나타나는 1 2 kC C Cm es s 는 경험정수로 보통 009 100 130kCm es s= = =

1 2144 192C C= = 가 사용된다 그리고 k e- 모델에서 구한 난류효과는 Navier-Stokes방정식에서 동점성계

수 및 압력을 각각 다음의 식과 같이 취급함으로써 유속 및 압력에 반영된다

e tv v v= + (215)

23

p p kr= + (216)

7

24 이류방정식

3D-NIT model은 수면을 추적하기 위해 VOF법을 이용하고 있다 VOF함수 F는 일정 물리량인 유체의 체적율

로서 0leFle1의 범위를 가진다 여기서 F=1일 경우는 유체셀로 F=0일 경우는 기체셀로 0ltFlt1일 경우는 표면셀

로 각각 판단하여 자유수면을 추적하게 되며 다음의 이류방정식(217)에 의해 VOF함수가 이류된다

( )( ) ( )( ) yx zvFuF wFF Fqt x y z

ee ee parapara parapara+ + + =

para para para para (217)

25 격자설정 방법

3D-NIT model은 기초방정식을 유한차분법으로 차분근사하여 수치계산을 수행한다 그리고 계산영역을 크기

가 일정한 직사각형의 격자로 분할하고 셀 전체에 유체가 있는 경우를 유체셀 셀 전체에 기체가 있는 경우를

기체셀 셀내에 유체와 기체가 혼합되어 있는 경우를 표면셀 셀 전체에 구조물이 있는 경우를 구조물셀로 각각

정의한다 또한 셀 주위에는 직접 계산에 이용되지는 않지만 경계처리시에 필요한 가상셀을 둔다 격자를 설정

한 후에는 각 셀에서의 유속 u v w를 각각 셀 경계인 오른쪽과 위쪽에 위치시키고 압력 p 조파소스의 유량

밀도 q 및 VOF함수 F 를 각각 셀 중심에 위치하도록 하여 변수들을 엇갈리게 격자를 구성하는 엇갈린 격자

(staggerd mesh)를 적용한다

26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파

3D-NIT model은 규칙파뿐만 아니라 불규칙파에 대해서도 계산이 가능한 수치모델로 3D-NIT model을 이용하

여 불규칙파를 검토하는 경우에 조파지점에서의 수위변동 및 물입자속도(수평 및 연직유속)을 사용자가 독자적

으로 입력데이터로 작성할 필요가 있다 일반적으로 불규칙파랑은 선형이론으로부터 얻어진 규칙파의 중첩으로

조파되지만 해석시간이 증가됨에 따라 평균수위가 상승하는 문제가 발생하여 계산이 불가능하게 된다 따라서

불규칙파랑의 조파와 같은 장시간의 해석시간이 요구되는 경우에 평균수위의 상승으로 인하여 요구되는 100파

정도의 파수를 얻기까지는 무리가 있을 수 있고 결과가 얻어졌다고 하여도 신뢰성에 문제가 있다

본 연구에서는 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우에 문제로 지적되는 평균수위상승을 억

제하면서 안정적으로 불규칙파가 조파될 수 있는 시스템을 기술(Fujiwara 2005)한다 그리고 불규칙파의 파운동

을 디지털방식으로 작성하는 Goda방법에 따른 불규칙파의 조파방법도 간략히 기술한다 불규칙파의 조파방법

은 선형이론으로부터 얻어진 성분파의 주파수에 하나씩 순번을 붙여서 이를 무한급수의 합으로 고려하는 것이

다 조파지점에 있어서는 수면파형 η 수평 및 연직유속 (uw)의 시간적인 변동이 필요하게 되며 이들은 각각 식

8

(218)sim(220)로 주어진다

1( ) cos(2 )

M

m m mm

t a f th p e=

= -aring (218)

1

cosh ( )( ) 2 cos(2 )sinh

Mm

m m m mm m

k h zu z t f a f tk h

p p e=

+= -aring (219)

1

sinh ( )( ) 2 sin(2 )sinh

Mm

m m m mm m

k h zw z t f a f tk h

p p e=

+= -aring (220)

여기서 me 은 random한 위상각 mf 은 주파수 ma 은 진폭 mk 은 파수 M은 성분파의 수 h는 수심이다 단

연직좌표 z 는 정수면에서 상방향을 (+)로 취하고 me 및 mf 의 선택방법은 후술되며 진폭 ma 은 다음의 식

(221)로 정의된다

2 ( )ma S f f= D (221)

여기서 fD 는 주파수폭 ( )S f 는 파랑에너지밀도이며 불규칙파의 스펙트럼은 불규칙파를 모의하는 데에

널리 사용되고 있는 식(222)의 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970) 스펙트럼을 적용하였다

2 4 5 413 13 13( ) 0257 exp 103( )S f H T f T F- - -eacute ugrave= -euml ucirc (222)

여기서 13H 은 유의파고 13T 은 유의파주기를 각각 나타낸다 일반적으로 수치해석을 통해 불규칙파를 검

토하는 경우 해석시간이 증가됨에 따라 평균수위가 상승하는 문제가 있다(CDIT 2001) 본 연구에서는 평균수위

상승을 억제하는 방법으로 조파지점에서 수평유속을 산출할 때 각 성분파에 대응하는 Stokes파의 질량수송속도

(mass transport velocity)를 빼주는 방법을 적용한다(Fujiwara 2005) 즉 식(219)에서 질량수송속도를 뺀 수평유속은

식(223)과 같이 표현된다

1

cosh ( )( ) 2 cos(2 )sinh

Mm

mm m m mm m

k h zu z t f a f t Uk h

p p e=

igrave uuml+= - -iacute yacute

icirc thornaring (223)

여기서 Stokes파의 질량수송속도 mU 은 성분파를 나타내는 m 을 제외하여 나타내면 다음의 식(224)와 같이

9

주어진다

2

cosh 4 ( ) 12 sinh (2 )

mm m mm

m m m

H H h z LUT L h L

p p pp+

= (224)

여기서 mz 은 물입자의 평균위치를 나타낸다

27 난수의 발생방법

난수(random numbers)는 random한 현상을 다루는 수치해석에서 많이 사용되는 매우 중요한 부분이다 난수를

발생시키는 방법에는 물리적인 방법과 수식을 이용한 방법이 있으며 물리적인 방법으로 난수를 발생시킬 경우

에는 많은 시간이 소요되며 컴퓨터를 이용한 모의실험에는 사용할 수 없다는 단점이 있다 따라서 수치해석에

사용되는 난수는 수식을 이용하여 발생되며 이러한 방법을 이용한 대표적인 난수발생방법으로 중양제곱법

(mid-squar method) 합동법(congruential method) 그리고 시프트법(shift method) 등이 있다(조 등 1992)

본 연구에서는 합동법에 기초하여 난수를 발생시켰고 난수발생은 IMSL(International Mathematical and Statistical

Library)의 난수발생기(random number generator)를 이용하였으며 그 알고리즘음 다음과 같다(Compaq computer

corporation 2001)

먼저 임의정수 1X 은 seed number이며 mod( )Y b 는 Y 를 b 로 나눈 나머지를 나타낸다 이러한 계산이 임

의주기 동안 진행되면서 1X 은 2X 로 변환되고 연속된 정수 iX 를 산출하는 과정을 반복한다 0과 1사이에 할

당된 난수는 식(225)에 의해 얻어질 수 있으며 상수는 식(226)에 나타낸 특수한 값으로 주어진다

12i iR X q i= = (225)

36 357909 2 2 1a b q= = = - (226)

이러한 과정에서 임의정수 iX 가 352 을 초과할 경우 iX 는 정수 35(2 1)- 로 변환된 후 계산이 수행되며

식(225)로부터 구한 난수는 [01] 사이에 분포한다

이로부터 불규칙파의 각 성분파간의 위상각 me 은 Fig 22에 나타낸 바와 같이 [01] 사이에 분포하는 난수를

발생시킨 후 위상을 조정하기 위해 2p 를 곱하여 [02 ]p 사이에 분포하는 값을 취하는 것으로 하였다

28 주파수의 선택방법

불규칙파를 모의하기 위한 주파수 mf

의 성분파의 진폭이 거의 같도록

Mitsuyasu(Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼에

다음의 식(227)을 이용하여 주파수 mf

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - =

10

주파수 mf 의 선택방법에는 주파수스펙트럼을 등구간으로

하는 등에너지로 분할하는 방법 등이 있다 본 연구에서는

스펙트럼에 대해 등에너지로 스펙트럼을 분할할 수 있는 Goda(1985)

mf 을 선택하였다

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - =

Fig 22 Random phase angle

mf 등구간으로 분할하는 방법과 각각

연구에서는 Bretshneider-

Goda(1985)에 의해 제안된

mf

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - = (227)

11

3장 수치해석의 검증

31 개요

일본의 연안개발기술센터(沿岸開發技術硏究セソタ 2001)에서 개발한 수치파동수조 CADMAS-SURF와 같은

2차원규칙파에 대한 연구는 많이 수행되고 있지만 2차원불규칙파와 3차원불규칙파에 대한 연구는 찾아보기가

어렵다

최근 개발되고 있는 방파제 및 호안의 경우 구조물의 형상이 복잡한 특수방파제가 많이 적용되고 있다 하지

만 이러한 방파제를 2차원으로 적용 ∙ 계산하기에는 반사율 파압분포 및 월파량의 추정치가 실제의 3차원의 경

우와는 상이한 결과가 발생할 것으로 판단된다 따라서 본 연구에서는 3차원수치파동수조인 3D-NIT model의 조

파성능에 대해 먼저 검토한다 그리고 3D-NIT model을 이용하여 규칙파 및 불규칙파를 조파하고 眞田(1998)의

수리실험과 비교 ∙ 검토함으로써 결과의 타당성을 논의한다 또한 불규칙파동장에 경사수심역에 설치된 호안을

대상으로 호안 배후로 전달되는 월파량을 산정하고 이의 결과를 실험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를

검토하고 더불어 파력의 실험치( Chakrabarti 1975)와 비교 ∙ 검토함으로써 결과의 타당성을 논의한다

32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증

불규칙파의 조파성능을 검증하기 위하여 Fig 31과 같은 구조물이 설치되지 않은 수심 219h m= 의 3차원

수치파동수조(부가감쇠영역과 해석영역으로 구성되었으며 격자크기는 1 05 05x m y m z mD = D = D = 로 설

정)에서 유의파고 13 7H m= 유의주기 13 1225secT = 를 목표로 성분파 200개를 선형중첩하여 불규칙파를

조파하였다 그리고 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을 방지하기

위하여 설치된 부가감쇠영역의 길이 aL 는 목표파 파장 0L 의 2배 이상으로 하였다 Fig 32는 조파지점에서의

계산파형을 목표한 파형과 비교한 그림으로 장시간의 해석에도 평균수위상승은 크게 나타나지 않으며 목표한

파형과 비교하여 전체적으로 파형과 위상이 잘 일치하고 있음을 확인할 수 있다

12

Fig 31 Schematic sketch of numerical wave tank

Fig 32 Comparison of target and calculated wave profiles at wave source position

3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 따른 연직원주구조물주변의 파랑변형에 대

하여 해석해 및 2차오더의 회절산란포텐셜을 유도한 眞田(1998)의 수치해석결과 및 수리실험결과와 본 수치해

석결과를 비교ᆞ검토한다

Fig 33은 비교에 적용된 3차원수치파동수조 및 연직원주구조물의 제원을 나타내며 이때 수치파동수조의 수

심은 45h cm= 로 일정하며 입사파고 3H cm= 입사주기 01sect = 의 규칙파에 대하여 수치계산을 수행하

였다 그리고 수치계산에서는 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을

방지하기 위하여 부가감쇠영역을 설치하며(Hinatsu 1992) 부가감쇠영역의 길이는 입사파장 L 의 2배 이상으로

하였다

x축을 따른 y=0 y=25cm의 위치 및 연직원주구조물의 주위에서 무차원최대수면상승고 max2h ( maxh 는 최대수

위값)의 공간분포에 대하여 眞田(1998)의 수치해석해석결과 및 수리실험결과와 비교한 본 계산결과를 Fig 34에

각각 제시하였고 다음의 결과를 살펴보면 원주 전면의 표면에서 가장 큰 무차원최대수면상승고가 나타났고 이

는 원주구조물의 전면에서 구조물에 의해 반사되는 회절산란파와 입사파의 중첩으로 부분중복파가 형성된것으

로 판단된다 그리고 Fig 34 (a)와 (b)에서 본 연구의 수치해석결과가 眞田(1998)의 수리실험치를 전체적으로 잘

재현하고 있으며 그 정도는 매우 높은 것으로 판단된다

()

mh

13

(a) Plan view

(b) Side view

Fig 33 Definition sketch of 3D numerical wave tank for comparison of wave transformation

(a) y=0cm

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zoneWave source

Wave

x

y

O

Open boundary Open boundary

Wave

Calculation zone

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

Wave source

2L 2L

z

O

45

33

50 30

x

Unitcm

14

(b) y=25cm

Fig 34 Comparison of spatial distribution of non-dimensional maximum water levels

33 월파량의 검토

본 절에서는 앞서 검토한 결과를 바탕으로 호안 배후로 전달되는 파랑의 월파량을 산정하고 이의 결과를 실

험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를 검토한다

Fig 35는 본 연구에서 월파량 산정을 위하여 고려된 수치파동수조고 Fig 36은 Fig 35의 수치파동수조에서

호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화를 파라미터로하여 산정된 호안월파량을 Goda(1985)의 실험치와 비교한

결과이다 이 때 적용한 파 조건은 주기 0 1383secT = 파고

0 4H m= 를 목표로 설정하였다 그리고 월파량

산정에 이용한 불규칙파는 파가 안정적으로 판단되는 조파개시후 50sec에서부터 600sec 사이의 파이며 월파량

은 호안의 천단상부에 설치된 수평유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 시간평균하여 산정하였다(Goda

1985)

Fig 36의 결과를 살펴보면 호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화에 따른 월파량의 변화특성을 살펴보면 본

연구의 계산치는 실험치를 잘 재현하고 있을 뿐 아니라 산정된 월파량의 정도는 실험치와 비교하여 상당히 높

은 것으로 판단된다

Fig 35 Numerical setup for wave overtopping over vertical seawall on a sea bottom slope of 110

15

Fig 36 Comparison between experimental and numerical results for wave overtopping rate over vertical seawall on a sea bottom

slope of 110 ( 0 0 0017H L = )

34 월파현상의 재현

Fig 37은 Fig 36의 0 0 075 15ch H h H= = 의 경우에 대한 월파에 따른 주변파동장의 변화를 나타낸

일례이다 그림을 살펴보면 본 연구의 수치파동수조는 기대하는 불규칙파동장을 잘 재현하는 것으로 판단된다

그리고 경사수심역상에는 수심변동으로 인한 천수변형을 확인할 수 있으며 호안의 천단상에서는 호안월파로

인하여 배후면으로 낙하되는 빠른 유속이 관찰된다 따라서 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장의 재현

및 수심변동에 따른 천수변형 호안월파로 인한 배후면의 파동장교란 등에 대해 고정도의 결과도 기대할 수 있

고 따라서 향후 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장하에 복잡한 형태를 가진 특수방파제 등에 의한 주변

파동장의 3차원적인 응답해석 및 월파현상을 확인하는데도 충분히 이용 가능할 것으로 판단된다

16

Fig 37 Spatial variation of irregular waves on a sea bottom slpoe of 110 ( 0 0 075 15ch H h H= = )

17

35 파력의 검증

다음으로 연직원주구조물에 작용하는 파력특성에 대하여 116h a = (a는 연직원주구조물의 반경)

0232H a = 인 경우에 기존의 수리실험결과(Chakrabarti and Tam 1975) 및 수치해석결과(喜岡와 石田 1984 村

上 등 1993)와 본 연구의 수치해석결과를 비교ᆞ검토한다 Fig 38은 해석에 이용된 연직원주구조물의 제원을 나

타내며 무차원최대파력 2max ( 2)F ga Hr 에 대하여 기존의 수리실험 및 수치해석결과와 비교한 것을 Fig

39에 제시하였다 결과를 살펴보면 실험치가 주어져 있는 kagt07(k는 파수 k=2 L)의 범위에서는 본 연구의 수치

해석결과는 수리실험결과를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되며 실험치가 주어지지 않은 kalt05의 범위에서 村

上 등(1993)의 결과는 Stokes 2차파이론의 적용범위를 초과하므로 발산하고 있다 이는 kalt05의 범위는 DLlt02

인 항력이 지배적인 소형구조물의 영역으로 기존의 해석법으로 파력을 산정하는데는 과도한 계산시간으로 파

력산정에 다소 무리가 있으며 항력과 관성력을 동시에 고려할 수 있는 Navier-Stokes의 운동방정식에 근거한 본

연구의 수치해석결과가 타당한 것으로 판단된다

Fig 38 Definition sketch for comparison of wave force acting on the circular cylinder

x

y

zWave

h

a

18

Fig 39 Comparison of non-dimensional maximum wave force acting on the circular cylinder

이상의 3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 의한 파랑변형 및 구조물에 작용하

는 파력의 수치해석결과가 실험치를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되므로 본 연구의 타당성이 검증된다

0 05 1 15 2ka

0

1

2

3

4

5

6F m

axr

ga2 (

H2

)This studyExp(Chakrabarti amp Tam 1975)Cal(Shin 2008)Cal(Murakami et al 1993)Cal(Kioka and Ishida 1984)

19

4 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장

해석에 적용

41 개요

해역에 설치된 구조물은 파력 풍력 조류력 등의 외력을 지속적으로 받기 때문에 구조물의 경우 극한의 파

랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충분한 강도를 가지도록 설계할 필요가 있다 본 연구에서는 해역에서 쇄파

가 발생할 때 원주구조물에 작용하는 쇄파력과 파랑변형을 논의한다 쇄파에 대한 이론 및 실험적 연구는 오래

전부터 많은 연구자들에 의해서 수행되어 왔고 최근에는 과도수파생성법(조 등 2001)에 의한 쇄파현상의 재현

및 비선형파의 3차원수치해석법에 의한 연구가 수행되고 있다(신 2008) 본 논문에서는 3차원불규칙파수치파동

수조 3D-NIT model을 적용하여 쇄파가 발생할 경우에 쇄파가 구조물에 미치는 영향에 대하여 검토하고 이와

연계하여 구조물에 작용하는 쇄파력의 크기를 분석한다 그리고 쇄파전의 영역 쇄파영역 및 쇄파후의 영역에

각각 원주구조물이 설치된 경우에 작용파력과 파랑변형의 특성을 조사하여 3D-NIT model의 적용성을 검토한다

42 수치파동수조

Fig 41과 같은 수심 30h cm= 를 갖는 규칙파동장의 경사수심역에 설치된 원주구조물을 대상으로 파력을

산정하며 적용한 규칙파는 주기 14secT = 파고 23456H cm= 이다 Table 41은 본 연구에서 대상으로

하는 수치파동수조의 특성을 나타내며 여기서 D는 원주구조물의 직경을 d는 경사수심이 이후의 수심을 나타

내고 s는 경사수심 끝단부로부터의 이격거리이다

(a) front view

20

(b) top view Fig 41 Definition sketch of 3D numerical wave tank for analysis of wavebreaking force acting on circular cylinder

Table 41 Condition of numerical analysis for circular cylinder shape of structure slope T(s) H(cm) h(cm) D(cm) d(cm) s(cm)

circular

cylinder

case1 110 14 2 3 4

5 6 30 60 4 0

case2 110 14 4 30 60 4 0 20 40

60 80

43 주변파동장

Fig 42는 원주구조물이 경사수심 끝단부에 위치할 때 파고 23456H cm= 로 변환될 경우의 원주구조물

로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면분포 및 단면분포를 나타낸 것이다 여기

서 파고 23H cm= 인 경우에는 쇄파현상이 발생하지 않지만 4H cm= 인 경우에는 경사수심이 끝나는 지점

에서 쇄파가 발생된다 이것은 수심이 낮아지면서 천수효과로 인해 파고가 쇄파한계를 넘어 쇄파가 발생된 것

으로 판단된다 그리고 56H cm= 인 경우에는 파고가 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생되

는 현상이 나타났다 이는 파고가 높아짐으로 인하여 쇄파한계가 경사수심의 끝단부 이전에서 나타난 것으로

보여진다

Fig 43은 case1에서 쇄파력이 원주구조물에 가장 영향이 많이 미칠 것으로 판단되는 파고 4H cm= 의 경

우에 대하여 원주구조물이 경사수심 끝단부로부터 이격거리 020406080s cm= 로 변환될 경우에 원주구조

물로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면 및 단면적인 변화양상을 나타낸 것이다

여기서 이격거리가 멀어짐에 따라 쇄파후 파의 재생성 과정을 통하여 정상상태의 파랑으로 전이되며 구조물

의 위치에 따른 구조물 전면부에서 처오름이 쇄파대 부분에 구조물이 위치할 경우보다 이격거리가 멀어질수록

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

yx

Wave

DSlope=110

500cm

21

작아지는 것을 확인할 수 있다

(a) 2 14sec 0H cm T s cm= = =

22

(b) 3 14sec 0H cm T s cm= = =

23

(c) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

24

(d) 5 14sec 0H cm T s cm= = =

25

(e) 6 14sec 0H cm T s cm= = =

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height

26

(a) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

27

(b) 4 14sec 20H cm T s cm= = =

28

(c) 4 14sec 40H cm T s cm= = =

29

(d) 4 14sec 60H cm T s cm= = =

30

(e) 4 14sec 80H cm T s cm= = =

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder

31

44 파력

Fig 44는 Fig 41에서 정의된 경사수심의 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 지점에 있어서 파고

23456H cm= 로 변화시킨 경우에 파력의 변화를 나타낸 것이다 결과를 살펴보면 파고 234H cm= 까

지는 파력이 증가하지만 5cm 이상부터는 오히려 파력이 감소하는 것을 알 수 있다 이는 Fig 42의 주변파동장

에서 파고가 5cm 이상부터 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생하여 쇄파로 인한 파랑에너지가

많이 소산된 것으로 판단된다 이러한 결과로 파고가 더 커지더라도 쇄파가 발생하는 위치에 따라 낮은 파고에

서도 높은 파력이 작용할 수 있다는 것이 확인되었다 따라서 수심이 얕아지는 천해역에서 방파제나 기타 구조

물을 설계함에 있어 구조물 전면부에서 쇄파가 발생하지 않도록 주의를 기울일 필요가 있을 것으로 판단된다

Fig 45는 Fig 41 에서 정의된 경사수심 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 일 때 최대로 파력이 작용하는 파

고 4H cm= 에 대하여 구조물의 이격거리 020406080s cm= 로 변화시켜 구조물의 이격거리에 따른 쇄

파력의 크기를 검토한 결과이고 Fig 46은 Fig 45의 이격거리 04080s cm= 의 경우 파력의 시계열을 나타낸

것이다 결과를 살펴보면 구조물의 이격거리가 증가함에 따라 파력이 감소하는 것이 나타났다 하지만 이격거

리 20s cm= 이후에서는 파력의 감소가 줄어든다 이는 쇄파로 인해 어느 정도 에너지가 소산되고 난 이후에

파고가 정상상태에 전이된 결과에 기인하는 것으로 판단된다

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1

0 1 2 3 4 5 6 7 8time(sec)

-10

0

10

20

30

F(N

)

H=2cmH=3cmH=4cmH=5cmH=6cm

32

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2

45 3차원불규칙수치파동수조에 의한 고립파의 적용

본 절에서는 3D-NIT model의 고립파로 적용성에 대하여 검토한다 고립파와 구조물과의 상호간섭을

해석하기 위하여 Fig 41과 같은 3차원수치파동수조를 고려한다 해석영역내에서는 수치적으로 고립파

를 발생시키기 위한 조파소스(Brorsen amp Lasen 1987 김 등 2001)와 무반사조파시스템을 위한 에너지감쇠

영역이 고려되고 3차원파동장에서 고립파의 작용하에 작용파압을 검토하기 위하여 경사수심을 갖는 불

투과지반에 연직주상구조물이 설치된다 조파소스에서 조파강도는 다음의 식(41)로 주어진다

0 20 40 60 80s(cm)

4

8

12

16F(

N)

0 2 4 6 8time(sec)

-5

0

5

10

15

20

F(N

)

s=0cms=40cms=80cm

33

( ) = 2 (41)

여기서 는 발생파의 수평유속성분을 각각 나타내며 본 연구에서는 조파소스강도 로서 식(42)과

같이 Grimshaw(1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사이론에 의한 수평방향유속 를 적용한다(Fenton

1972)

= ℎ[ minus minus + ] (42)

여기서 및 는 다음과 같이 정의된다

= minus 14 + + 1 + ℎ 32 minus 94

= 1940 + 15 minus 65 + 1 + ℎ minus 32 minus 154 + 152

= 1 + ℎ minus 38 minus 4516 + 4516

그리고 는 물입자의 연직방향 평균위치를 나타내며 와 는 다음의 식과 같이 정의된다

= ℎ (43)

= sech (44)

여기서 ℎ는 수심 는 고립파의 입사파고를 나타내며 와 는 각각 다음의 식으로 주어진다

= 34 1 minus 58 + 71128 (45)

= minus ℎ (46)

34

여기서 는 고립파의 파속으로 고립파의 3차근사이론에 의하면 다음의 식과 같이 표현된다

= ℎ 1 + 12 minus 320 + 356 (47)

Ohyama amp Nadaoka(1991)는 수치파동수조내에서 구조물이 설치될 경우 조파소스의 위치에서 반사파

의 영향을 고려하여 조파소스지점에서 연직적분치가 반사파가 없는 경우와 분포형상이 상사되도록 다

음의 식을 고려하고 있다

= 2 + ℎ + ℎ (48)

여기서 와 는 각각 조파소스의 위치에서 수위변동과 조파소스에 의해 기대되는 수위변동이다

본 연구에서 는 다음의 식과 같은 고립파의 3차근사식을 적용하여 산정된다(Fenton 1972)

= ℎ 1 + + 58 minus 10180 (49)

여기서 는 다음의 식(410)과 같이 주어진다

= tanh minus ℎ (410)

이상의 관계식을 3D-NIT model에 적용하여 고립파를 수치조파한다 전술한 결과에서 최대파력이 작용하는

Fig 41에서 이격거리 0s cm= 인 경우에 고립파의 파고 23456iH cm= 일 때 주변파동장의 변화양상을

Fig 47(a)~(e)에 나타내었다 결과를 살펴보면 단주기규칙파에서의 결과와는 달리 파고의 증가에도 구조물 전면

부에서 쇄파가 발생하지 않았다 이는 상대적으로 긴 파장으로 인하여 Ursell수가 작아지기 때문으로 판단된다

그리고 구조물 전면부에서 고립파로 인한 급격한 처오름현상이 확인되고 연직주상구조물로 인한 회절현상을

약간 확인할 수 있지만 파장이 상대적으로 길기 때문에 회절파라미터가 작아져 결과적으로 단주기파랑보다 회

절현상이 작아진다

연직주상구조물의 전면부에 작용하는 파력분포를 Fig 48에 나타내었다 결과를 살펴보면 모두 정수면에서

최대파력이 작용하고 파고가 증가함에 따라 구조물에 작용하는 최대파력이 거의 선형적으로 증가하는 것을 알

수 있다 이는 기본적으로 규칙파와 달리 쇄파가 발생하지 않고 경사수심으로 인한 고립파의 파고변화가 크게

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 2: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

본 논문을 백동진의 공학석사 학위논문으로 인준함

위원장 공학박사 배 기 성 (印)

위 원 공학박사 김 태 곤 (印)

위 원 공학박사 김 도 삼 (印)

2012年 2月

한국해양대학교 대학원

토목환경공학과

백 동 진

i

Development of Three-Dimensional Numerical Irregular wave

Tank(3D-NIT) and Its Application

by

Dong Jin Baek

Department of Civil and Environmental Engineering

Graduate School

Korea Maritime University

ABSTRACT

To protect the main facilities of coastal stations from ocean waves in the open sea and make the sea calm down

breakwaters with various structural types of vertical breakwater inclined surface dyke and bottom-mounted

breakwater have been constructed in the costal stations and in recent years special breakwaters represented by the slit

caisson has mainly been constructed for hydrophilic consideration low reflection and harmony with surrounding In

the mean time sufficient strength which helps to withstand extreme environmental conditions is needed for the

structures continuously exposed to the action of external forces and on this high precision analysis is required in the

prediction of wave force acting on the structures and wave control by special breakwater However the method to

interpret wave action of 3-dimensional irregular wave in terms of 2-dimensional wave action can distort results of the

ii

wave action significantly Accordingly in most cases review on the dynamic behaviors according to wave action was

carried out through hydraulic model experiments which require a lot of time and costs In this study 3D-NIT(Three-

Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model in which regular wave as well as stable irregular wave can be

generated in 3-dimensional numerical irregular wave tank was proposed To verify validity the following steps need to

be conducted 1) comparative analysis between calculated waveforms and targeted waveforms at the wave generating

point 2) comparative analysis with the existing experimental values of overtopping volume calculated targeting shore

protection structures installed on a slope bed 3) comparison with the existing numerical and hydraulic experimental

results through application in the analysis on the wave deformation by structures and wave force acting on the vertical

cylindrical structures Based on the results characteristics of the breaking wave forces according to incident waves and

interval distance of structures were identified through application of 3D-NIT model in the analysis on the breaking

wave forces acting on the cylindrical structures installed on a slope bed and reflection and overtopping was reviewed

through application in the special breakwaters on the domestic fields Lastly analysis on the irregular air flow was

carried out in the internal wave chamber by calculating the air flow rate from the water level fluctuations within the air

room through application in OWC wave-force generation structures

iii

3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의

개발 및 그의 적용에 관한 연구

白 東 珍

韓國海洋大學校 大學院

土木環境工學科

요 약

외해에서 내습하는 파랑으로부터 연안역의 주요 시설물을 보호하고 해역을 정온화하기 위해 연안

역에 직립제 경사제 혼성제 등의 다양한 방파제를 건설하여 왔고 최근에는 주변경관과의 조화 친

수성 및 저반사의 목적 등으로 슬리트케이슨제로 대표되는 특수방파제가 많이 시공되고 있다 한편

해역에 설치된 구조물은 외력을 지속적으로 받으므로 극한의 파랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충

분한 강도를 구비할 필요성이 있고 이에 따라 특수방파제에 의한 파랑제어 및 구조물에 작용하는 파

력에 대한 고정도 해석이 요구된다 하지만 3차원적인 복잡한 형상을 갖는 방파제나 호안에 대한 3차

원적인 불규칙의 파랑작용을 2차원(단면)적인 파랑작용으로 근사 해석하는 방법은 실제의 파랑작용

iv

결과를 크게 왜곡할 수 있다 따라서 대부분의 경우 많은 시간과 경제적인 면이 요구되는 수리실험

을 통하여 파랑작용에 따른 거동을 검토하여 왔다 본 연구에서는 3차원수치파동수조에 규칙파뿐만

아니라 안정적인 불규칙파가 조파될 수 있는 새로운 조파시스템 3D-NIT(Three-Dimensional Numerical

Irregular wave Tank) model을 제안한다 그에 대한 타당성을 검증하기 위하여 조파지점에서의 계산파형

과 목포파형을 비교 middot 검토하고 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 기존의 월파량

의 실험치와 비교 middot 검토하여 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성을 평가하였다 또한 연직

원주구조물에 작용하는 파력 및 구조물에 의한 파랑변형의 해석에 적용하고 기존의 수치 및 수리실

험결과와 비교하여 3D-NIT model의 타당성을 검토하였다

이상의 결과를 기초로 본 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT)를 경사수심역에 설치된 원주구조

물에 작용하는 쇄파력의 해석에 적용하여 입사파고 구조물의 이격거리 등에 따른 작용쇄파력의 특성

을 규명하였고 더불어 국내현장의 특수방파제에 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 OWC

파력발전구조물에 적용하여 공기실내부의 수위변동으로부터 공기흐름속도를 산정하여 내부유수실에

서 불규칙공기흐름을 해석하였다

v

목 차

ABSTRACT i

요약 ⅲ

목차 v

LIST OF TABLES ⅷ

LIST OF FIGURES ⅸ

제 1 장 서론

11 연구의 배경 및 목적 1

12 연구의 구성 2

제 2 장 수치해석이론

21 개요 3

22 3차원수치파동수조의 기초방정식 4

23 난류모델 5

24 이류방정식 7

25 격자설정방법 7

26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파 7

27 난수의 발생방법 9

28 주파수의 선택방법 10

제 3 장 수치해석의 검증

31 개요 11

vi

32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증 11

33 월파량의 검토 14

34 월파현상의 재현 15

35 파력의 검증 17

제 4 장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용

41 개요 19

42 수치파동수조 19

43 주변파동장 20

44 파력 31

45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용 32

제 5 장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용

51 개요 41

52 O O O 서컨테이너안벽 46

521 수치파동수조 46

522 반사율 48

523 월파유량 49

53 O O O 신항만방파제 55

531 수치파동수조 55

532 반사율 57

533 월파유량 58

vii

제 6 장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용

61 개요 61

62수치파동수조 61

63공기실 내부에서의 수위변동 62

64공기흐름속도의 해석 63

제 7 장 결론

viii

LIST OF TABLES

Table 41 Condition of numerical analysis for circular cylinder 20

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater

and incident wave condition 49

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition 50

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater

and incident wave condition 57

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition 58

ix

LIST OF FIGURES

Fig 21 Schematic sketch of the numerical wave tank used in 3D-NIT 3

Fig 22 Random phase angle 10

Fig 31 Schematic sketch of numerical wave tank 12

Fig 32 Comparison of target and calculated wave profiles at wave source position 12

Fig 33 Definition sketch of 3D numerical wave tank for comparison of wave transformation 13

Fig 34 Comparison of spatial distribution of non-dimensional maximum water levels 14

Fig 35 Numerical setup for wave overtopping over vertical seawall on a sea bottom slope of 110 14

Fig 36 Comparison between experimental and numerical results for wave overtopping rate over

vertical seawall on a sea bottom slope of 110 ( 0 0 0017H L = ) 15

Fig 37 Spatial variation of irregular waves on a sea bottom slpoe of 110 ( 0 0 075 15ch H h H= = ) 16

Fig 38 Definition sketch for comparison of wave force acting on the circular cylinder 17

Fig 39 Comparison of non-dimensional maximum wave force acting on the circular cylinder 18

Fig 41 Definition sketch of 3D numerical wave tank for analysis of wavebreaking force acting on circular cylinder 20

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height 25

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder 30

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1 31

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2 32

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2 32

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height 39

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height 40

Fig 51 Type of specialized breakwater 45

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor 47

x

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater 48

Fig 54 Time variation of overtopping rate 50

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition 54

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor 56

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater 57

Fig 58 Time variation of overtopping rate 59

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = ) 60

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC 62

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber 63

Fig 63 Comparison of frequency spectrum 64

Fig 64 Elevation change at the structure location 65

Fig 65 Air velocity change at the structure location 65

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = ) 66

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity 67

1

1장 서론

11 연구의 배경 및 목적

외해에서 내습하는 파랑으로부터 연안역의 주요 시설물을 보호하고 해역을 정온화하기 위해 연안역에 직립

제 경사제 혼성제 등의 다양한 방파제를 건설하여 왔고 최근에는 주변경관과의 조화 친수성 및 저반사의 목적

등으로 슬리트케이슨제로 대표되는 특수방파제가 많이 시공되고 있다 한편 해역에 설치된 구조물은 외력을 지

속적으로 받으므로 극한의 파랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충분한 강도를 구비할 필요성이 있고 이에 따

라 특수방파제에 의한 파랑제어 및 구조물에 작용하는 파력에 대한 고정도 해석이 요구된다

구조물에 대한 파랑응답은 파랑과 구조물의 3차원적인 특성들로 인하여 복잡하게 나타나는 현상으로 내습

파랑에 의한 구조물의 정도 높은 평가를 위해서는 3차원구조물을 정확히 재현하고 이를 검토할 수 있는 3차원

불규칙수치파동수조의 개발이 필요하다 특히 3차원수치파동수조를 통하여 구조물을 검토하는 경우 구조물에

의한 주변파동장의 3차원적인 시 ∙ 공간변화를 상세히 검토할 수 있는 장점이 있으며 또한 구조물의 복잡한 형

상에 의한 파랑 상호간의 간섭현상까지도 검토할 수 있다 더불어 3차원수치파동수조에서는 구조물의 3차원적

인 특성에 따른 검토단면들에 대한 작용파압의 변화뿐만 아니라 구조물의 특성에 따른 파랑의 집중현상까지도

검토가 가능하다 그리고 파랑의 월파현상은 입사파랑조건에 따라 달라질 수 있지만 3차원구조물에 의한 파랑

집중현상에 의해서도 발생할 수 있다 이러한 부분들은 3차원수치파동수조를 통해서만 재현할 수 있고 3차원형

상의 구조물에 대한 대표단면만을 대상으로 하는 2차원수치해석(CDIT 2001)에서는 검토될 수 없는 사항들이다

한편 복잡한 구조물에 대한 실해역에 주어지는 불규칙파를 재현하기 위해서 지금까지의 수치해석기법으로는 2

차원수치해석을 통한 불규칙파의 해석이 주로 수행되어 왔고 3차원수치해석의 경우에는 규칙파에 대해서만 해

석이 이루어졌다 따라서 실제 해양에서의 파와 유사한 특성을 갖는 불규칙파에 대한 수치해석이 수행되지 않

아 불규칙파동장하에서 파랑과 구조물 사이의 3차원 수리특성을 규명하기 위해 막대한 시간과 경비가 소요되

는 수리모형실험이 실시되어 왔다

본 연구에서는 수리실험에 의존해 오던 3차원불규칙파와 구조물과의 상호작용에 의한 3차원 수리특성을 수

치적으로 접근 가능하고 복잡한 구조물에 대해서도 실해역에 주어지는 불규칙파의 재현이 가능한 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT(Three-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model의 개발 및 그의 적용성을 검토하는

것을 목적으로 향후 수리실험을 대신하여 구조물 주변파동장의 3차원적인 변동특성을 재현하여 그의 타당성을

검증하고 다양한 3차원특수방파제에 적용하여 내습파랑에 대한 구조물의 응답특성을 검토하고자 한다

2

12 연구의 구성

본 연구는 총 7장으로 구성되며 각 장의 내용은 다음과 같다

1) 제 1장에서는 본 연구의 배경 및 목적에 대하여 서술하고 연구의 구성에 대하여 간단히 기술한다

2) 제 2장에서는 3D-VOF법에 기초하여 자유수면을 추적하고 월파현상 및 고파랑에 대한 파랑특성을 예측

할 수 있는 수치모델로 규칙파뿐만 아니라 불규칙파에 대한 검토도 가능한 3차원불규칙파수치파동수조 3D-

NIT(Three-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model에 대한 이론적인 배경에 대해 기술한다

3) 제 3장에서는 3D-NIT model의 불규칙파의 조파성능 경사수심을 갖는 불규칙파동장에서 호안 배후로 전

달되는 월파량을 산정하여 실험결과와 비교 ∙ 검토하고 3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선

형간섭에 따른 연직원주구조물의 주변에서 파랑변형 및 연직원주구조물에 작용하는 파력특성에 관한 기존의

실험결과와 본 수치해석결과를 비교 ∙ 검토하여 본 연구에서 사용된 수치파동수조의 조파시스템의 타당성을 논

의한다

4) 제 4장에서는 충분한 폭을 갖는 3차원규칙파동장의 경사수역에서 동일한 파랑조건하에 원주구조물의 위

치변화에 따른 주변파동장과 적용파력 그리고 동일한 위치에서 상이한 입사파랑조건하에 연직원주구조물에 작

용하는 쇄파파력을 포함한 파력과 주변파동장의 변화특성을 고찰함으로써 본 3D-NIT model의 적용성을 검토한

5) 제 5장에서는 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 대하여 본 3D-NIT model을 적용하여 주변파동

장의 변화와 3차원월파량을 추정하여 통한 본 연구에서 제안하고 있는 3D-NIT model의 적용성을 논의한다

6) 제 6장에서는 본 연구의 3D-NIT model을 OWC파력발전구조물에서 수위변동을 통한 공기흐름속도의 해

석에 적용하여 입사파의 spectrum 공기실내의 파랑 spectrum 및 공기흐름속도에 관한 spectrum을 산출하고 더불

어 그의 특성을 규명함으로써 본 3D-NIT model의 적용성과 확장성을 살펴본다

7) 제 7장에서는 이상으로부터 도출된 중요한 사항을 요약하여 본 논문의 결론으로 한다

8) 끝으로 본 연구에서 참고하고 인용한 주요한 문헌을 수록한다

3

2장 수치해석이론

21 개요

비압축성의 점성유체에 대한 복잡한 자유수면을 효과적으로 수치모의할 수 있는 VOF법이 제안된 이후 자

유수면을 취급하는 많은 학문분야에서 이를 활용한 연구가 활발하게 진행되고 있다 특히 VOF법은 쇄파과정

및 쇄파후의 파형변형특성을 수치적으로 재현할 수 있어 해안공학분야에서도 VOF법을 활용한 수치모델이 많

이 사용되고 있다 VOF법은 단지 자유수면을 모의하는 기법이므로 해안공학분야에 적용시 파랑의 전달과 반사

를 정확하게 모의할 수 있는 효과적인 무반사조건을 포함한 경계조건과 수치조파방법을 결부시켜야 한다 이러

한 수치조파를 수치파동수조로 불리고 VOF법을 활용한 수치파동수조의 연구개발이 활발하게 이루어지고 있다

(沿岸開發技術硏究セソタ 2001 Van der Meer et al 1992 Troch P 1997 Hur and Mizutani 2003 Hur 2004 김 등 2001

2004 허 등 2005)

본 연구에서 적용하는 3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT (Three-Dimensional Numerical Irregular wave Tank)

model의 수치파동수조는 Fig 21(그림에서 0L 는 목표파의 파장 aL 는 부가감쇠영역의 길이 x y zD D D 는 수평

및 연직방향의 격자간격)에 보인 바와 같이 수치파동수조내에서 파의 재반사를 방지하기 위한 개경계처리기법

으로 해석영역의 양쪽에 부가감쇠영역을 두고 해석영역내에 조파를 위한 조파소스를 적용하고 있다

xD

yDz

D

Fig 21 Schematic sketch of the numerical wave tank used in 3D-NIT

4

22 3차원수치파동수조의 기초방정식

본 연구의 3D-NIT model은 기존의 2D-NIT(Two-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model의 계산수법을

3차원으로 확장한 것이며 자유표면해석모델에 VOF법을 난류해석에는 k e- 모델을 각각 적용하였고 기초방

정식은 3차원비압축성의 점성유체를 대상으로 한 연속식 및 Navier-Stokes방정식을 PBM (Porous Body Model)에

근거하여 확장한 다음의 식(21)~(24)로 주어진다

yx z

v

vu w Sx y z r

gg g gparapara para

+ + =para para para

(21)

2yx vz

v x e

y e z e v x x v u

vuuu wuu p ut x y z x x x

u v u w D u R Sy y x z z x

ll gll g nr

g n g n g g

parapara para igrave uumlpara para para paraaelig ouml+ + + = - + iacute yacuteccedil dividepara para para para para para paraegrave oslashicirc thornigrave uumlaelig ouml igrave uumlpara para para para para paraiuml iuml aelig ouml+ + + + - - +iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslashiuml iuml icirc thornegrave oslashicirc thorn

(22)

2

yx vzv x e

x e z e v y y v v

vvuv wvv p v ut x y z y x x y

v v w D v R Sy y z z y

ll gll g nr

g n g n g g

para igrave uumlaelig oumlpara parapara para para para paraiuml iuml+ + + = - + +iacute yacuteccedil dividepara para para para para para para paraiuml iumlegrave oslashicirc thornigrave uuml igrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para paraiuml iuml iuml iuml+ + + - - +iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para paraiuml iuml iuml iumlegrave oslash egrave oslashicirc thorn icirc thorn

(23)

2

yx vzv x e

y e z e v z z v w v

vwuw www p w ut x y z z x x z

w v w D w R S gy y z z z

ll gll g nr

g n g n g g g

parapara para igrave uumlpara para para para paraaelig ouml+ + + = - + +iacute yacuteccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslashicirc thornigrave uumlaelig ouml igrave uumlpara para para para paraiuml iuml aelig ouml+ + + - - + -iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para paraegrave oslashiuml iuml icirc thornegrave oslashicirc thorn

(24)

여기서 t 는 시간 x y 는 수평방향좌표 z 는 연직방향좌표 u v w는 x y z 방향의 유속성분 r 는 유체

밀도 p 는 압력 en 는 분자동점성계수 n 와 와점성계수 tn 의 합 g 는 중력가속도 vg 는 체적공극율

x y zg g g 는 x y z 방향의 면적공극율 x y zD D D 는 경계에서 반사파의 제어를 위해 설치한 스폰지층에서의

에너지감쇠계수 u v wS S S Sr 는 해석영역내의 조파를 위한 소스항 v x y zl l l l 는 구조물로부터 받는 관성

력효과를 나타낸 파라미터이고 식(25)와 같이 표현된다

5

(1 )(1 )(1 )

(1 )

v v v M

x x x M

y y y M

z z z M

CCCC

l g gl g gg g g

g g g

= + -

= + -

= + -

= + -

(25)

여기서 MC 은 관성력계수 x y zR R R 는 투과층(porous media)에서의 저항력이고 식(26)과 같이 주어진다

2 2 2

2 2 2

2 2 2

1 (1 )21 (1 )21 (1 )2

Dx x

Dy y

Dz z

CR u u v wx

CR v u v wy

CR w u v wz

g

g

g

= - + +D

= - + +D

= - + +D

(26)

여기서 DC 는 항력계수 x y zD D D 는 x y z 방향의 격자간격이다

본 연구에서는 이상의 이론에 근거한 3D-NIT model을 사용하여 규칙파 및 불규칙파의 해석을 수행한다 규

칙파 및 불규칙파의 해석에서 대상구조물이 불투과성인 경우에는 기초방정식에서 체적공극율 면적공극율 및

투과층내의 저항력을 무시하면 된다 그리고 계산에서는 양측면과 바닥에는 불투과경계조건을 적용하였다

23 난류모델

난류모델에는 실용성이 높고 여러 분야에서 사용되고 있는 고 Reynolds형의 k e- 모델을 채용하였다

k e- 모델에서는 유속의 변동량 u v w 을 사용하여 난류에너지 k 와 난류에너지일산함수 e 을 다음과 같

이 정의한다

2 2 21 ( )2

k u v w= + + (27)

2 22 2 2 2 2u v w w v uvx y z x y z

eigrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para para paraiuml iumlaelig ouml aelig ouml= + + + + +iacute yacuteccedil divide ccedil divideccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslash egrave oslashegrave oslash egrave oslashiuml iumlicirc thorn

(28)

따라서 k 와 e 은 이하에 나타내는 이류확산방정식을 풀어서 산정할 수 있다

6

yx z

v x k y k

z k v s v

vkuk wkk k kv vt x y z x x y y

kv Gz z

gg gg g g

g g g e

para igrave uumlaelig oumlpara para igrave uumlpara para para para paraiuml iumlaelig ouml+ + + = +iacute yacute iacute yacuteccedil divideccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslash iuml iumlicirc thorn egrave oslashicirc thornigrave uumlpara paraaelig ouml+ + -iacute yacuteccedil dividepara paraegrave oslashicirc thorn

(29)

2

1 2

yx zv x y

z v s v

vu w v vt x y z x x y y

v C G Cz z k k

e e

e

g eg e g ee e eg g g

e e eg g g

para igrave uumlaelig oumlpara para igrave uumlpara para para para paraiuml iumlaelig ouml+ + + = +iacute yacute iacute yacuteccedil divideccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslash iuml iumlicirc thorn egrave oslashicirc thornigrave uumlpara paraaelig ouml+ + -iacute yacuteccedil dividepara paraegrave oslashicirc thorn

(210)

2 22 2

2 2 2s tu v w w v uG vx y z x y z

igrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para para paraiuml iumlaelig ouml aelig ouml= + + + + +iacute yacuteccedil divide ccedil divideccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslash egrave oslashegrave oslash egrave oslashiuml iumlicirc thorn (211)

여기서 와동점성계수 및 확산계수는 다음과 같이 주어진다

2

t

C kv m

e= (212)

tk

k

vv vs

= + (213)

tvv vees

= + (214)

또한 위의 식에서 나타나는 1 2 kC C Cm es s 는 경험정수로 보통 009 100 130kCm es s= = =

1 2144 192C C= = 가 사용된다 그리고 k e- 모델에서 구한 난류효과는 Navier-Stokes방정식에서 동점성계

수 및 압력을 각각 다음의 식과 같이 취급함으로써 유속 및 압력에 반영된다

e tv v v= + (215)

23

p p kr= + (216)

7

24 이류방정식

3D-NIT model은 수면을 추적하기 위해 VOF법을 이용하고 있다 VOF함수 F는 일정 물리량인 유체의 체적율

로서 0leFle1의 범위를 가진다 여기서 F=1일 경우는 유체셀로 F=0일 경우는 기체셀로 0ltFlt1일 경우는 표면셀

로 각각 판단하여 자유수면을 추적하게 되며 다음의 이류방정식(217)에 의해 VOF함수가 이류된다

( )( ) ( )( ) yx zvFuF wFF Fqt x y z

ee ee parapara parapara+ + + =

para para para para (217)

25 격자설정 방법

3D-NIT model은 기초방정식을 유한차분법으로 차분근사하여 수치계산을 수행한다 그리고 계산영역을 크기

가 일정한 직사각형의 격자로 분할하고 셀 전체에 유체가 있는 경우를 유체셀 셀 전체에 기체가 있는 경우를

기체셀 셀내에 유체와 기체가 혼합되어 있는 경우를 표면셀 셀 전체에 구조물이 있는 경우를 구조물셀로 각각

정의한다 또한 셀 주위에는 직접 계산에 이용되지는 않지만 경계처리시에 필요한 가상셀을 둔다 격자를 설정

한 후에는 각 셀에서의 유속 u v w를 각각 셀 경계인 오른쪽과 위쪽에 위치시키고 압력 p 조파소스의 유량

밀도 q 및 VOF함수 F 를 각각 셀 중심에 위치하도록 하여 변수들을 엇갈리게 격자를 구성하는 엇갈린 격자

(staggerd mesh)를 적용한다

26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파

3D-NIT model은 규칙파뿐만 아니라 불규칙파에 대해서도 계산이 가능한 수치모델로 3D-NIT model을 이용하

여 불규칙파를 검토하는 경우에 조파지점에서의 수위변동 및 물입자속도(수평 및 연직유속)을 사용자가 독자적

으로 입력데이터로 작성할 필요가 있다 일반적으로 불규칙파랑은 선형이론으로부터 얻어진 규칙파의 중첩으로

조파되지만 해석시간이 증가됨에 따라 평균수위가 상승하는 문제가 발생하여 계산이 불가능하게 된다 따라서

불규칙파랑의 조파와 같은 장시간의 해석시간이 요구되는 경우에 평균수위의 상승으로 인하여 요구되는 100파

정도의 파수를 얻기까지는 무리가 있을 수 있고 결과가 얻어졌다고 하여도 신뢰성에 문제가 있다

본 연구에서는 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우에 문제로 지적되는 평균수위상승을 억

제하면서 안정적으로 불규칙파가 조파될 수 있는 시스템을 기술(Fujiwara 2005)한다 그리고 불규칙파의 파운동

을 디지털방식으로 작성하는 Goda방법에 따른 불규칙파의 조파방법도 간략히 기술한다 불규칙파의 조파방법

은 선형이론으로부터 얻어진 성분파의 주파수에 하나씩 순번을 붙여서 이를 무한급수의 합으로 고려하는 것이

다 조파지점에 있어서는 수면파형 η 수평 및 연직유속 (uw)의 시간적인 변동이 필요하게 되며 이들은 각각 식

8

(218)sim(220)로 주어진다

1( ) cos(2 )

M

m m mm

t a f th p e=

= -aring (218)

1

cosh ( )( ) 2 cos(2 )sinh

Mm

m m m mm m

k h zu z t f a f tk h

p p e=

+= -aring (219)

1

sinh ( )( ) 2 sin(2 )sinh

Mm

m m m mm m

k h zw z t f a f tk h

p p e=

+= -aring (220)

여기서 me 은 random한 위상각 mf 은 주파수 ma 은 진폭 mk 은 파수 M은 성분파의 수 h는 수심이다 단

연직좌표 z 는 정수면에서 상방향을 (+)로 취하고 me 및 mf 의 선택방법은 후술되며 진폭 ma 은 다음의 식

(221)로 정의된다

2 ( )ma S f f= D (221)

여기서 fD 는 주파수폭 ( )S f 는 파랑에너지밀도이며 불규칙파의 스펙트럼은 불규칙파를 모의하는 데에

널리 사용되고 있는 식(222)의 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970) 스펙트럼을 적용하였다

2 4 5 413 13 13( ) 0257 exp 103( )S f H T f T F- - -eacute ugrave= -euml ucirc (222)

여기서 13H 은 유의파고 13T 은 유의파주기를 각각 나타낸다 일반적으로 수치해석을 통해 불규칙파를 검

토하는 경우 해석시간이 증가됨에 따라 평균수위가 상승하는 문제가 있다(CDIT 2001) 본 연구에서는 평균수위

상승을 억제하는 방법으로 조파지점에서 수평유속을 산출할 때 각 성분파에 대응하는 Stokes파의 질량수송속도

(mass transport velocity)를 빼주는 방법을 적용한다(Fujiwara 2005) 즉 식(219)에서 질량수송속도를 뺀 수평유속은

식(223)과 같이 표현된다

1

cosh ( )( ) 2 cos(2 )sinh

Mm

mm m m mm m

k h zu z t f a f t Uk h

p p e=

igrave uuml+= - -iacute yacute

icirc thornaring (223)

여기서 Stokes파의 질량수송속도 mU 은 성분파를 나타내는 m 을 제외하여 나타내면 다음의 식(224)와 같이

9

주어진다

2

cosh 4 ( ) 12 sinh (2 )

mm m mm

m m m

H H h z LUT L h L

p p pp+

= (224)

여기서 mz 은 물입자의 평균위치를 나타낸다

27 난수의 발생방법

난수(random numbers)는 random한 현상을 다루는 수치해석에서 많이 사용되는 매우 중요한 부분이다 난수를

발생시키는 방법에는 물리적인 방법과 수식을 이용한 방법이 있으며 물리적인 방법으로 난수를 발생시킬 경우

에는 많은 시간이 소요되며 컴퓨터를 이용한 모의실험에는 사용할 수 없다는 단점이 있다 따라서 수치해석에

사용되는 난수는 수식을 이용하여 발생되며 이러한 방법을 이용한 대표적인 난수발생방법으로 중양제곱법

(mid-squar method) 합동법(congruential method) 그리고 시프트법(shift method) 등이 있다(조 등 1992)

본 연구에서는 합동법에 기초하여 난수를 발생시켰고 난수발생은 IMSL(International Mathematical and Statistical

Library)의 난수발생기(random number generator)를 이용하였으며 그 알고리즘음 다음과 같다(Compaq computer

corporation 2001)

먼저 임의정수 1X 은 seed number이며 mod( )Y b 는 Y 를 b 로 나눈 나머지를 나타낸다 이러한 계산이 임

의주기 동안 진행되면서 1X 은 2X 로 변환되고 연속된 정수 iX 를 산출하는 과정을 반복한다 0과 1사이에 할

당된 난수는 식(225)에 의해 얻어질 수 있으며 상수는 식(226)에 나타낸 특수한 값으로 주어진다

12i iR X q i= = (225)

36 357909 2 2 1a b q= = = - (226)

이러한 과정에서 임의정수 iX 가 352 을 초과할 경우 iX 는 정수 35(2 1)- 로 변환된 후 계산이 수행되며

식(225)로부터 구한 난수는 [01] 사이에 분포한다

이로부터 불규칙파의 각 성분파간의 위상각 me 은 Fig 22에 나타낸 바와 같이 [01] 사이에 분포하는 난수를

발생시킨 후 위상을 조정하기 위해 2p 를 곱하여 [02 ]p 사이에 분포하는 값을 취하는 것으로 하였다

28 주파수의 선택방법

불규칙파를 모의하기 위한 주파수 mf

의 성분파의 진폭이 거의 같도록

Mitsuyasu(Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼에

다음의 식(227)을 이용하여 주파수 mf

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - =

10

주파수 mf 의 선택방법에는 주파수스펙트럼을 등구간으로

하는 등에너지로 분할하는 방법 등이 있다 본 연구에서는

스펙트럼에 대해 등에너지로 스펙트럼을 분할할 수 있는 Goda(1985)

mf 을 선택하였다

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - =

Fig 22 Random phase angle

mf 등구간으로 분할하는 방법과 각각

연구에서는 Bretshneider-

Goda(1985)에 의해 제안된

mf

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - = (227)

11

3장 수치해석의 검증

31 개요

일본의 연안개발기술센터(沿岸開發技術硏究セソタ 2001)에서 개발한 수치파동수조 CADMAS-SURF와 같은

2차원규칙파에 대한 연구는 많이 수행되고 있지만 2차원불규칙파와 3차원불규칙파에 대한 연구는 찾아보기가

어렵다

최근 개발되고 있는 방파제 및 호안의 경우 구조물의 형상이 복잡한 특수방파제가 많이 적용되고 있다 하지

만 이러한 방파제를 2차원으로 적용 ∙ 계산하기에는 반사율 파압분포 및 월파량의 추정치가 실제의 3차원의 경

우와는 상이한 결과가 발생할 것으로 판단된다 따라서 본 연구에서는 3차원수치파동수조인 3D-NIT model의 조

파성능에 대해 먼저 검토한다 그리고 3D-NIT model을 이용하여 규칙파 및 불규칙파를 조파하고 眞田(1998)의

수리실험과 비교 ∙ 검토함으로써 결과의 타당성을 논의한다 또한 불규칙파동장에 경사수심역에 설치된 호안을

대상으로 호안 배후로 전달되는 월파량을 산정하고 이의 결과를 실험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를

검토하고 더불어 파력의 실험치( Chakrabarti 1975)와 비교 ∙ 검토함으로써 결과의 타당성을 논의한다

32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증

불규칙파의 조파성능을 검증하기 위하여 Fig 31과 같은 구조물이 설치되지 않은 수심 219h m= 의 3차원

수치파동수조(부가감쇠영역과 해석영역으로 구성되었으며 격자크기는 1 05 05x m y m z mD = D = D = 로 설

정)에서 유의파고 13 7H m= 유의주기 13 1225secT = 를 목표로 성분파 200개를 선형중첩하여 불규칙파를

조파하였다 그리고 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을 방지하기

위하여 설치된 부가감쇠영역의 길이 aL 는 목표파 파장 0L 의 2배 이상으로 하였다 Fig 32는 조파지점에서의

계산파형을 목표한 파형과 비교한 그림으로 장시간의 해석에도 평균수위상승은 크게 나타나지 않으며 목표한

파형과 비교하여 전체적으로 파형과 위상이 잘 일치하고 있음을 확인할 수 있다

12

Fig 31 Schematic sketch of numerical wave tank

Fig 32 Comparison of target and calculated wave profiles at wave source position

3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 따른 연직원주구조물주변의 파랑변형에 대

하여 해석해 및 2차오더의 회절산란포텐셜을 유도한 眞田(1998)의 수치해석결과 및 수리실험결과와 본 수치해

석결과를 비교ᆞ검토한다

Fig 33은 비교에 적용된 3차원수치파동수조 및 연직원주구조물의 제원을 나타내며 이때 수치파동수조의 수

심은 45h cm= 로 일정하며 입사파고 3H cm= 입사주기 01sect = 의 규칙파에 대하여 수치계산을 수행하

였다 그리고 수치계산에서는 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을

방지하기 위하여 부가감쇠영역을 설치하며(Hinatsu 1992) 부가감쇠영역의 길이는 입사파장 L 의 2배 이상으로

하였다

x축을 따른 y=0 y=25cm의 위치 및 연직원주구조물의 주위에서 무차원최대수면상승고 max2h ( maxh 는 최대수

위값)의 공간분포에 대하여 眞田(1998)의 수치해석해석결과 및 수리실험결과와 비교한 본 계산결과를 Fig 34에

각각 제시하였고 다음의 결과를 살펴보면 원주 전면의 표면에서 가장 큰 무차원최대수면상승고가 나타났고 이

는 원주구조물의 전면에서 구조물에 의해 반사되는 회절산란파와 입사파의 중첩으로 부분중복파가 형성된것으

로 판단된다 그리고 Fig 34 (a)와 (b)에서 본 연구의 수치해석결과가 眞田(1998)의 수리실험치를 전체적으로 잘

재현하고 있으며 그 정도는 매우 높은 것으로 판단된다

()

mh

13

(a) Plan view

(b) Side view

Fig 33 Definition sketch of 3D numerical wave tank for comparison of wave transformation

(a) y=0cm

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zoneWave source

Wave

x

y

O

Open boundary Open boundary

Wave

Calculation zone

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

Wave source

2L 2L

z

O

45

33

50 30

x

Unitcm

14

(b) y=25cm

Fig 34 Comparison of spatial distribution of non-dimensional maximum water levels

33 월파량의 검토

본 절에서는 앞서 검토한 결과를 바탕으로 호안 배후로 전달되는 파랑의 월파량을 산정하고 이의 결과를 실

험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를 검토한다

Fig 35는 본 연구에서 월파량 산정을 위하여 고려된 수치파동수조고 Fig 36은 Fig 35의 수치파동수조에서

호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화를 파라미터로하여 산정된 호안월파량을 Goda(1985)의 실험치와 비교한

결과이다 이 때 적용한 파 조건은 주기 0 1383secT = 파고

0 4H m= 를 목표로 설정하였다 그리고 월파량

산정에 이용한 불규칙파는 파가 안정적으로 판단되는 조파개시후 50sec에서부터 600sec 사이의 파이며 월파량

은 호안의 천단상부에 설치된 수평유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 시간평균하여 산정하였다(Goda

1985)

Fig 36의 결과를 살펴보면 호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화에 따른 월파량의 변화특성을 살펴보면 본

연구의 계산치는 실험치를 잘 재현하고 있을 뿐 아니라 산정된 월파량의 정도는 실험치와 비교하여 상당히 높

은 것으로 판단된다

Fig 35 Numerical setup for wave overtopping over vertical seawall on a sea bottom slope of 110

15

Fig 36 Comparison between experimental and numerical results for wave overtopping rate over vertical seawall on a sea bottom

slope of 110 ( 0 0 0017H L = )

34 월파현상의 재현

Fig 37은 Fig 36의 0 0 075 15ch H h H= = 의 경우에 대한 월파에 따른 주변파동장의 변화를 나타낸

일례이다 그림을 살펴보면 본 연구의 수치파동수조는 기대하는 불규칙파동장을 잘 재현하는 것으로 판단된다

그리고 경사수심역상에는 수심변동으로 인한 천수변형을 확인할 수 있으며 호안의 천단상에서는 호안월파로

인하여 배후면으로 낙하되는 빠른 유속이 관찰된다 따라서 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장의 재현

및 수심변동에 따른 천수변형 호안월파로 인한 배후면의 파동장교란 등에 대해 고정도의 결과도 기대할 수 있

고 따라서 향후 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장하에 복잡한 형태를 가진 특수방파제 등에 의한 주변

파동장의 3차원적인 응답해석 및 월파현상을 확인하는데도 충분히 이용 가능할 것으로 판단된다

16

Fig 37 Spatial variation of irregular waves on a sea bottom slpoe of 110 ( 0 0 075 15ch H h H= = )

17

35 파력의 검증

다음으로 연직원주구조물에 작용하는 파력특성에 대하여 116h a = (a는 연직원주구조물의 반경)

0232H a = 인 경우에 기존의 수리실험결과(Chakrabarti and Tam 1975) 및 수치해석결과(喜岡와 石田 1984 村

上 등 1993)와 본 연구의 수치해석결과를 비교ᆞ검토한다 Fig 38은 해석에 이용된 연직원주구조물의 제원을 나

타내며 무차원최대파력 2max ( 2)F ga Hr 에 대하여 기존의 수리실험 및 수치해석결과와 비교한 것을 Fig

39에 제시하였다 결과를 살펴보면 실험치가 주어져 있는 kagt07(k는 파수 k=2 L)의 범위에서는 본 연구의 수치

해석결과는 수리실험결과를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되며 실험치가 주어지지 않은 kalt05의 범위에서 村

上 등(1993)의 결과는 Stokes 2차파이론의 적용범위를 초과하므로 발산하고 있다 이는 kalt05의 범위는 DLlt02

인 항력이 지배적인 소형구조물의 영역으로 기존의 해석법으로 파력을 산정하는데는 과도한 계산시간으로 파

력산정에 다소 무리가 있으며 항력과 관성력을 동시에 고려할 수 있는 Navier-Stokes의 운동방정식에 근거한 본

연구의 수치해석결과가 타당한 것으로 판단된다

Fig 38 Definition sketch for comparison of wave force acting on the circular cylinder

x

y

zWave

h

a

18

Fig 39 Comparison of non-dimensional maximum wave force acting on the circular cylinder

이상의 3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 의한 파랑변형 및 구조물에 작용하

는 파력의 수치해석결과가 실험치를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되므로 본 연구의 타당성이 검증된다

0 05 1 15 2ka

0

1

2

3

4

5

6F m

axr

ga2 (

H2

)This studyExp(Chakrabarti amp Tam 1975)Cal(Shin 2008)Cal(Murakami et al 1993)Cal(Kioka and Ishida 1984)

19

4 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장

해석에 적용

41 개요

해역에 설치된 구조물은 파력 풍력 조류력 등의 외력을 지속적으로 받기 때문에 구조물의 경우 극한의 파

랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충분한 강도를 가지도록 설계할 필요가 있다 본 연구에서는 해역에서 쇄파

가 발생할 때 원주구조물에 작용하는 쇄파력과 파랑변형을 논의한다 쇄파에 대한 이론 및 실험적 연구는 오래

전부터 많은 연구자들에 의해서 수행되어 왔고 최근에는 과도수파생성법(조 등 2001)에 의한 쇄파현상의 재현

및 비선형파의 3차원수치해석법에 의한 연구가 수행되고 있다(신 2008) 본 논문에서는 3차원불규칙파수치파동

수조 3D-NIT model을 적용하여 쇄파가 발생할 경우에 쇄파가 구조물에 미치는 영향에 대하여 검토하고 이와

연계하여 구조물에 작용하는 쇄파력의 크기를 분석한다 그리고 쇄파전의 영역 쇄파영역 및 쇄파후의 영역에

각각 원주구조물이 설치된 경우에 작용파력과 파랑변형의 특성을 조사하여 3D-NIT model의 적용성을 검토한다

42 수치파동수조

Fig 41과 같은 수심 30h cm= 를 갖는 규칙파동장의 경사수심역에 설치된 원주구조물을 대상으로 파력을

산정하며 적용한 규칙파는 주기 14secT = 파고 23456H cm= 이다 Table 41은 본 연구에서 대상으로

하는 수치파동수조의 특성을 나타내며 여기서 D는 원주구조물의 직경을 d는 경사수심이 이후의 수심을 나타

내고 s는 경사수심 끝단부로부터의 이격거리이다

(a) front view

20

(b) top view Fig 41 Definition sketch of 3D numerical wave tank for analysis of wavebreaking force acting on circular cylinder

Table 41 Condition of numerical analysis for circular cylinder shape of structure slope T(s) H(cm) h(cm) D(cm) d(cm) s(cm)

circular

cylinder

case1 110 14 2 3 4

5 6 30 60 4 0

case2 110 14 4 30 60 4 0 20 40

60 80

43 주변파동장

Fig 42는 원주구조물이 경사수심 끝단부에 위치할 때 파고 23456H cm= 로 변환될 경우의 원주구조물

로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면분포 및 단면분포를 나타낸 것이다 여기

서 파고 23H cm= 인 경우에는 쇄파현상이 발생하지 않지만 4H cm= 인 경우에는 경사수심이 끝나는 지점

에서 쇄파가 발생된다 이것은 수심이 낮아지면서 천수효과로 인해 파고가 쇄파한계를 넘어 쇄파가 발생된 것

으로 판단된다 그리고 56H cm= 인 경우에는 파고가 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생되

는 현상이 나타났다 이는 파고가 높아짐으로 인하여 쇄파한계가 경사수심의 끝단부 이전에서 나타난 것으로

보여진다

Fig 43은 case1에서 쇄파력이 원주구조물에 가장 영향이 많이 미칠 것으로 판단되는 파고 4H cm= 의 경

우에 대하여 원주구조물이 경사수심 끝단부로부터 이격거리 020406080s cm= 로 변환될 경우에 원주구조

물로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면 및 단면적인 변화양상을 나타낸 것이다

여기서 이격거리가 멀어짐에 따라 쇄파후 파의 재생성 과정을 통하여 정상상태의 파랑으로 전이되며 구조물

의 위치에 따른 구조물 전면부에서 처오름이 쇄파대 부분에 구조물이 위치할 경우보다 이격거리가 멀어질수록

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

yx

Wave

DSlope=110

500cm

21

작아지는 것을 확인할 수 있다

(a) 2 14sec 0H cm T s cm= = =

22

(b) 3 14sec 0H cm T s cm= = =

23

(c) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

24

(d) 5 14sec 0H cm T s cm= = =

25

(e) 6 14sec 0H cm T s cm= = =

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height

26

(a) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

27

(b) 4 14sec 20H cm T s cm= = =

28

(c) 4 14sec 40H cm T s cm= = =

29

(d) 4 14sec 60H cm T s cm= = =

30

(e) 4 14sec 80H cm T s cm= = =

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder

31

44 파력

Fig 44는 Fig 41에서 정의된 경사수심의 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 지점에 있어서 파고

23456H cm= 로 변화시킨 경우에 파력의 변화를 나타낸 것이다 결과를 살펴보면 파고 234H cm= 까

지는 파력이 증가하지만 5cm 이상부터는 오히려 파력이 감소하는 것을 알 수 있다 이는 Fig 42의 주변파동장

에서 파고가 5cm 이상부터 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생하여 쇄파로 인한 파랑에너지가

많이 소산된 것으로 판단된다 이러한 결과로 파고가 더 커지더라도 쇄파가 발생하는 위치에 따라 낮은 파고에

서도 높은 파력이 작용할 수 있다는 것이 확인되었다 따라서 수심이 얕아지는 천해역에서 방파제나 기타 구조

물을 설계함에 있어 구조물 전면부에서 쇄파가 발생하지 않도록 주의를 기울일 필요가 있을 것으로 판단된다

Fig 45는 Fig 41 에서 정의된 경사수심 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 일 때 최대로 파력이 작용하는 파

고 4H cm= 에 대하여 구조물의 이격거리 020406080s cm= 로 변화시켜 구조물의 이격거리에 따른 쇄

파력의 크기를 검토한 결과이고 Fig 46은 Fig 45의 이격거리 04080s cm= 의 경우 파력의 시계열을 나타낸

것이다 결과를 살펴보면 구조물의 이격거리가 증가함에 따라 파력이 감소하는 것이 나타났다 하지만 이격거

리 20s cm= 이후에서는 파력의 감소가 줄어든다 이는 쇄파로 인해 어느 정도 에너지가 소산되고 난 이후에

파고가 정상상태에 전이된 결과에 기인하는 것으로 판단된다

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1

0 1 2 3 4 5 6 7 8time(sec)

-10

0

10

20

30

F(N

)

H=2cmH=3cmH=4cmH=5cmH=6cm

32

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2

45 3차원불규칙수치파동수조에 의한 고립파의 적용

본 절에서는 3D-NIT model의 고립파로 적용성에 대하여 검토한다 고립파와 구조물과의 상호간섭을

해석하기 위하여 Fig 41과 같은 3차원수치파동수조를 고려한다 해석영역내에서는 수치적으로 고립파

를 발생시키기 위한 조파소스(Brorsen amp Lasen 1987 김 등 2001)와 무반사조파시스템을 위한 에너지감쇠

영역이 고려되고 3차원파동장에서 고립파의 작용하에 작용파압을 검토하기 위하여 경사수심을 갖는 불

투과지반에 연직주상구조물이 설치된다 조파소스에서 조파강도는 다음의 식(41)로 주어진다

0 20 40 60 80s(cm)

4

8

12

16F(

N)

0 2 4 6 8time(sec)

-5

0

5

10

15

20

F(N

)

s=0cms=40cms=80cm

33

( ) = 2 (41)

여기서 는 발생파의 수평유속성분을 각각 나타내며 본 연구에서는 조파소스강도 로서 식(42)과

같이 Grimshaw(1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사이론에 의한 수평방향유속 를 적용한다(Fenton

1972)

= ℎ[ minus minus + ] (42)

여기서 및 는 다음과 같이 정의된다

= minus 14 + + 1 + ℎ 32 minus 94

= 1940 + 15 minus 65 + 1 + ℎ minus 32 minus 154 + 152

= 1 + ℎ minus 38 minus 4516 + 4516

그리고 는 물입자의 연직방향 평균위치를 나타내며 와 는 다음의 식과 같이 정의된다

= ℎ (43)

= sech (44)

여기서 ℎ는 수심 는 고립파의 입사파고를 나타내며 와 는 각각 다음의 식으로 주어진다

= 34 1 minus 58 + 71128 (45)

= minus ℎ (46)

34

여기서 는 고립파의 파속으로 고립파의 3차근사이론에 의하면 다음의 식과 같이 표현된다

= ℎ 1 + 12 minus 320 + 356 (47)

Ohyama amp Nadaoka(1991)는 수치파동수조내에서 구조물이 설치될 경우 조파소스의 위치에서 반사파

의 영향을 고려하여 조파소스지점에서 연직적분치가 반사파가 없는 경우와 분포형상이 상사되도록 다

음의 식을 고려하고 있다

= 2 + ℎ + ℎ (48)

여기서 와 는 각각 조파소스의 위치에서 수위변동과 조파소스에 의해 기대되는 수위변동이다

본 연구에서 는 다음의 식과 같은 고립파의 3차근사식을 적용하여 산정된다(Fenton 1972)

= ℎ 1 + + 58 minus 10180 (49)

여기서 는 다음의 식(410)과 같이 주어진다

= tanh minus ℎ (410)

이상의 관계식을 3D-NIT model에 적용하여 고립파를 수치조파한다 전술한 결과에서 최대파력이 작용하는

Fig 41에서 이격거리 0s cm= 인 경우에 고립파의 파고 23456iH cm= 일 때 주변파동장의 변화양상을

Fig 47(a)~(e)에 나타내었다 결과를 살펴보면 단주기규칙파에서의 결과와는 달리 파고의 증가에도 구조물 전면

부에서 쇄파가 발생하지 않았다 이는 상대적으로 긴 파장으로 인하여 Ursell수가 작아지기 때문으로 판단된다

그리고 구조물 전면부에서 고립파로 인한 급격한 처오름현상이 확인되고 연직주상구조물로 인한 회절현상을

약간 확인할 수 있지만 파장이 상대적으로 길기 때문에 회절파라미터가 작아져 결과적으로 단주기파랑보다 회

절현상이 작아진다

연직주상구조물의 전면부에 작용하는 파력분포를 Fig 48에 나타내었다 결과를 살펴보면 모두 정수면에서

최대파력이 작용하고 파고가 증가함에 따라 구조물에 작용하는 최대파력이 거의 선형적으로 증가하는 것을 알

수 있다 이는 기본적으로 규칙파와 달리 쇄파가 발생하지 않고 경사수심으로 인한 고립파의 파고변화가 크게

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 3: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

i

Development of Three-Dimensional Numerical Irregular wave

Tank(3D-NIT) and Its Application

by

Dong Jin Baek

Department of Civil and Environmental Engineering

Graduate School

Korea Maritime University

ABSTRACT

To protect the main facilities of coastal stations from ocean waves in the open sea and make the sea calm down

breakwaters with various structural types of vertical breakwater inclined surface dyke and bottom-mounted

breakwater have been constructed in the costal stations and in recent years special breakwaters represented by the slit

caisson has mainly been constructed for hydrophilic consideration low reflection and harmony with surrounding In

the mean time sufficient strength which helps to withstand extreme environmental conditions is needed for the

structures continuously exposed to the action of external forces and on this high precision analysis is required in the

prediction of wave force acting on the structures and wave control by special breakwater However the method to

interpret wave action of 3-dimensional irregular wave in terms of 2-dimensional wave action can distort results of the

ii

wave action significantly Accordingly in most cases review on the dynamic behaviors according to wave action was

carried out through hydraulic model experiments which require a lot of time and costs In this study 3D-NIT(Three-

Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model in which regular wave as well as stable irregular wave can be

generated in 3-dimensional numerical irregular wave tank was proposed To verify validity the following steps need to

be conducted 1) comparative analysis between calculated waveforms and targeted waveforms at the wave generating

point 2) comparative analysis with the existing experimental values of overtopping volume calculated targeting shore

protection structures installed on a slope bed 3) comparison with the existing numerical and hydraulic experimental

results through application in the analysis on the wave deformation by structures and wave force acting on the vertical

cylindrical structures Based on the results characteristics of the breaking wave forces according to incident waves and

interval distance of structures were identified through application of 3D-NIT model in the analysis on the breaking

wave forces acting on the cylindrical structures installed on a slope bed and reflection and overtopping was reviewed

through application in the special breakwaters on the domestic fields Lastly analysis on the irregular air flow was

carried out in the internal wave chamber by calculating the air flow rate from the water level fluctuations within the air

room through application in OWC wave-force generation structures

iii

3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의

개발 및 그의 적용에 관한 연구

白 東 珍

韓國海洋大學校 大學院

土木環境工學科

요 약

외해에서 내습하는 파랑으로부터 연안역의 주요 시설물을 보호하고 해역을 정온화하기 위해 연안

역에 직립제 경사제 혼성제 등의 다양한 방파제를 건설하여 왔고 최근에는 주변경관과의 조화 친

수성 및 저반사의 목적 등으로 슬리트케이슨제로 대표되는 특수방파제가 많이 시공되고 있다 한편

해역에 설치된 구조물은 외력을 지속적으로 받으므로 극한의 파랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충

분한 강도를 구비할 필요성이 있고 이에 따라 특수방파제에 의한 파랑제어 및 구조물에 작용하는 파

력에 대한 고정도 해석이 요구된다 하지만 3차원적인 복잡한 형상을 갖는 방파제나 호안에 대한 3차

원적인 불규칙의 파랑작용을 2차원(단면)적인 파랑작용으로 근사 해석하는 방법은 실제의 파랑작용

iv

결과를 크게 왜곡할 수 있다 따라서 대부분의 경우 많은 시간과 경제적인 면이 요구되는 수리실험

을 통하여 파랑작용에 따른 거동을 검토하여 왔다 본 연구에서는 3차원수치파동수조에 규칙파뿐만

아니라 안정적인 불규칙파가 조파될 수 있는 새로운 조파시스템 3D-NIT(Three-Dimensional Numerical

Irregular wave Tank) model을 제안한다 그에 대한 타당성을 검증하기 위하여 조파지점에서의 계산파형

과 목포파형을 비교 middot 검토하고 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 기존의 월파량

의 실험치와 비교 middot 검토하여 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성을 평가하였다 또한 연직

원주구조물에 작용하는 파력 및 구조물에 의한 파랑변형의 해석에 적용하고 기존의 수치 및 수리실

험결과와 비교하여 3D-NIT model의 타당성을 검토하였다

이상의 결과를 기초로 본 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT)를 경사수심역에 설치된 원주구조

물에 작용하는 쇄파력의 해석에 적용하여 입사파고 구조물의 이격거리 등에 따른 작용쇄파력의 특성

을 규명하였고 더불어 국내현장의 특수방파제에 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 OWC

파력발전구조물에 적용하여 공기실내부의 수위변동으로부터 공기흐름속도를 산정하여 내부유수실에

서 불규칙공기흐름을 해석하였다

v

목 차

ABSTRACT i

요약 ⅲ

목차 v

LIST OF TABLES ⅷ

LIST OF FIGURES ⅸ

제 1 장 서론

11 연구의 배경 및 목적 1

12 연구의 구성 2

제 2 장 수치해석이론

21 개요 3

22 3차원수치파동수조의 기초방정식 4

23 난류모델 5

24 이류방정식 7

25 격자설정방법 7

26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파 7

27 난수의 발생방법 9

28 주파수의 선택방법 10

제 3 장 수치해석의 검증

31 개요 11

vi

32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증 11

33 월파량의 검토 14

34 월파현상의 재현 15

35 파력의 검증 17

제 4 장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용

41 개요 19

42 수치파동수조 19

43 주변파동장 20

44 파력 31

45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용 32

제 5 장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용

51 개요 41

52 O O O 서컨테이너안벽 46

521 수치파동수조 46

522 반사율 48

523 월파유량 49

53 O O O 신항만방파제 55

531 수치파동수조 55

532 반사율 57

533 월파유량 58

vii

제 6 장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용

61 개요 61

62수치파동수조 61

63공기실 내부에서의 수위변동 62

64공기흐름속도의 해석 63

제 7 장 결론

viii

LIST OF TABLES

Table 41 Condition of numerical analysis for circular cylinder 20

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater

and incident wave condition 49

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition 50

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater

and incident wave condition 57

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition 58

ix

LIST OF FIGURES

Fig 21 Schematic sketch of the numerical wave tank used in 3D-NIT 3

Fig 22 Random phase angle 10

Fig 31 Schematic sketch of numerical wave tank 12

Fig 32 Comparison of target and calculated wave profiles at wave source position 12

Fig 33 Definition sketch of 3D numerical wave tank for comparison of wave transformation 13

Fig 34 Comparison of spatial distribution of non-dimensional maximum water levels 14

Fig 35 Numerical setup for wave overtopping over vertical seawall on a sea bottom slope of 110 14

Fig 36 Comparison between experimental and numerical results for wave overtopping rate over

vertical seawall on a sea bottom slope of 110 ( 0 0 0017H L = ) 15

Fig 37 Spatial variation of irregular waves on a sea bottom slpoe of 110 ( 0 0 075 15ch H h H= = ) 16

Fig 38 Definition sketch for comparison of wave force acting on the circular cylinder 17

Fig 39 Comparison of non-dimensional maximum wave force acting on the circular cylinder 18

Fig 41 Definition sketch of 3D numerical wave tank for analysis of wavebreaking force acting on circular cylinder 20

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height 25

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder 30

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1 31

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2 32

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2 32

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height 39

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height 40

Fig 51 Type of specialized breakwater 45

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor 47

x

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater 48

Fig 54 Time variation of overtopping rate 50

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition 54

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor 56

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater 57

Fig 58 Time variation of overtopping rate 59

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = ) 60

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC 62

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber 63

Fig 63 Comparison of frequency spectrum 64

Fig 64 Elevation change at the structure location 65

Fig 65 Air velocity change at the structure location 65

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = ) 66

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity 67

1

1장 서론

11 연구의 배경 및 목적

외해에서 내습하는 파랑으로부터 연안역의 주요 시설물을 보호하고 해역을 정온화하기 위해 연안역에 직립

제 경사제 혼성제 등의 다양한 방파제를 건설하여 왔고 최근에는 주변경관과의 조화 친수성 및 저반사의 목적

등으로 슬리트케이슨제로 대표되는 특수방파제가 많이 시공되고 있다 한편 해역에 설치된 구조물은 외력을 지

속적으로 받으므로 극한의 파랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충분한 강도를 구비할 필요성이 있고 이에 따

라 특수방파제에 의한 파랑제어 및 구조물에 작용하는 파력에 대한 고정도 해석이 요구된다

구조물에 대한 파랑응답은 파랑과 구조물의 3차원적인 특성들로 인하여 복잡하게 나타나는 현상으로 내습

파랑에 의한 구조물의 정도 높은 평가를 위해서는 3차원구조물을 정확히 재현하고 이를 검토할 수 있는 3차원

불규칙수치파동수조의 개발이 필요하다 특히 3차원수치파동수조를 통하여 구조물을 검토하는 경우 구조물에

의한 주변파동장의 3차원적인 시 ∙ 공간변화를 상세히 검토할 수 있는 장점이 있으며 또한 구조물의 복잡한 형

상에 의한 파랑 상호간의 간섭현상까지도 검토할 수 있다 더불어 3차원수치파동수조에서는 구조물의 3차원적

인 특성에 따른 검토단면들에 대한 작용파압의 변화뿐만 아니라 구조물의 특성에 따른 파랑의 집중현상까지도

검토가 가능하다 그리고 파랑의 월파현상은 입사파랑조건에 따라 달라질 수 있지만 3차원구조물에 의한 파랑

집중현상에 의해서도 발생할 수 있다 이러한 부분들은 3차원수치파동수조를 통해서만 재현할 수 있고 3차원형

상의 구조물에 대한 대표단면만을 대상으로 하는 2차원수치해석(CDIT 2001)에서는 검토될 수 없는 사항들이다

한편 복잡한 구조물에 대한 실해역에 주어지는 불규칙파를 재현하기 위해서 지금까지의 수치해석기법으로는 2

차원수치해석을 통한 불규칙파의 해석이 주로 수행되어 왔고 3차원수치해석의 경우에는 규칙파에 대해서만 해

석이 이루어졌다 따라서 실제 해양에서의 파와 유사한 특성을 갖는 불규칙파에 대한 수치해석이 수행되지 않

아 불규칙파동장하에서 파랑과 구조물 사이의 3차원 수리특성을 규명하기 위해 막대한 시간과 경비가 소요되

는 수리모형실험이 실시되어 왔다

본 연구에서는 수리실험에 의존해 오던 3차원불규칙파와 구조물과의 상호작용에 의한 3차원 수리특성을 수

치적으로 접근 가능하고 복잡한 구조물에 대해서도 실해역에 주어지는 불규칙파의 재현이 가능한 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT(Three-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model의 개발 및 그의 적용성을 검토하는

것을 목적으로 향후 수리실험을 대신하여 구조물 주변파동장의 3차원적인 변동특성을 재현하여 그의 타당성을

검증하고 다양한 3차원특수방파제에 적용하여 내습파랑에 대한 구조물의 응답특성을 검토하고자 한다

2

12 연구의 구성

본 연구는 총 7장으로 구성되며 각 장의 내용은 다음과 같다

1) 제 1장에서는 본 연구의 배경 및 목적에 대하여 서술하고 연구의 구성에 대하여 간단히 기술한다

2) 제 2장에서는 3D-VOF법에 기초하여 자유수면을 추적하고 월파현상 및 고파랑에 대한 파랑특성을 예측

할 수 있는 수치모델로 규칙파뿐만 아니라 불규칙파에 대한 검토도 가능한 3차원불규칙파수치파동수조 3D-

NIT(Three-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model에 대한 이론적인 배경에 대해 기술한다

3) 제 3장에서는 3D-NIT model의 불규칙파의 조파성능 경사수심을 갖는 불규칙파동장에서 호안 배후로 전

달되는 월파량을 산정하여 실험결과와 비교 ∙ 검토하고 3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선

형간섭에 따른 연직원주구조물의 주변에서 파랑변형 및 연직원주구조물에 작용하는 파력특성에 관한 기존의

실험결과와 본 수치해석결과를 비교 ∙ 검토하여 본 연구에서 사용된 수치파동수조의 조파시스템의 타당성을 논

의한다

4) 제 4장에서는 충분한 폭을 갖는 3차원규칙파동장의 경사수역에서 동일한 파랑조건하에 원주구조물의 위

치변화에 따른 주변파동장과 적용파력 그리고 동일한 위치에서 상이한 입사파랑조건하에 연직원주구조물에 작

용하는 쇄파파력을 포함한 파력과 주변파동장의 변화특성을 고찰함으로써 본 3D-NIT model의 적용성을 검토한

5) 제 5장에서는 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 대하여 본 3D-NIT model을 적용하여 주변파동

장의 변화와 3차원월파량을 추정하여 통한 본 연구에서 제안하고 있는 3D-NIT model의 적용성을 논의한다

6) 제 6장에서는 본 연구의 3D-NIT model을 OWC파력발전구조물에서 수위변동을 통한 공기흐름속도의 해

석에 적용하여 입사파의 spectrum 공기실내의 파랑 spectrum 및 공기흐름속도에 관한 spectrum을 산출하고 더불

어 그의 특성을 규명함으로써 본 3D-NIT model의 적용성과 확장성을 살펴본다

7) 제 7장에서는 이상으로부터 도출된 중요한 사항을 요약하여 본 논문의 결론으로 한다

8) 끝으로 본 연구에서 참고하고 인용한 주요한 문헌을 수록한다

3

2장 수치해석이론

21 개요

비압축성의 점성유체에 대한 복잡한 자유수면을 효과적으로 수치모의할 수 있는 VOF법이 제안된 이후 자

유수면을 취급하는 많은 학문분야에서 이를 활용한 연구가 활발하게 진행되고 있다 특히 VOF법은 쇄파과정

및 쇄파후의 파형변형특성을 수치적으로 재현할 수 있어 해안공학분야에서도 VOF법을 활용한 수치모델이 많

이 사용되고 있다 VOF법은 단지 자유수면을 모의하는 기법이므로 해안공학분야에 적용시 파랑의 전달과 반사

를 정확하게 모의할 수 있는 효과적인 무반사조건을 포함한 경계조건과 수치조파방법을 결부시켜야 한다 이러

한 수치조파를 수치파동수조로 불리고 VOF법을 활용한 수치파동수조의 연구개발이 활발하게 이루어지고 있다

(沿岸開發技術硏究セソタ 2001 Van der Meer et al 1992 Troch P 1997 Hur and Mizutani 2003 Hur 2004 김 등 2001

2004 허 등 2005)

본 연구에서 적용하는 3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT (Three-Dimensional Numerical Irregular wave Tank)

model의 수치파동수조는 Fig 21(그림에서 0L 는 목표파의 파장 aL 는 부가감쇠영역의 길이 x y zD D D 는 수평

및 연직방향의 격자간격)에 보인 바와 같이 수치파동수조내에서 파의 재반사를 방지하기 위한 개경계처리기법

으로 해석영역의 양쪽에 부가감쇠영역을 두고 해석영역내에 조파를 위한 조파소스를 적용하고 있다

xD

yDz

D

Fig 21 Schematic sketch of the numerical wave tank used in 3D-NIT

4

22 3차원수치파동수조의 기초방정식

본 연구의 3D-NIT model은 기존의 2D-NIT(Two-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model의 계산수법을

3차원으로 확장한 것이며 자유표면해석모델에 VOF법을 난류해석에는 k e- 모델을 각각 적용하였고 기초방

정식은 3차원비압축성의 점성유체를 대상으로 한 연속식 및 Navier-Stokes방정식을 PBM (Porous Body Model)에

근거하여 확장한 다음의 식(21)~(24)로 주어진다

yx z

v

vu w Sx y z r

gg g gparapara para

+ + =para para para

(21)

2yx vz

v x e

y e z e v x x v u

vuuu wuu p ut x y z x x x

u v u w D u R Sy y x z z x

ll gll g nr

g n g n g g

parapara para igrave uumlpara para para paraaelig ouml+ + + = - + iacute yacuteccedil dividepara para para para para para paraegrave oslashicirc thornigrave uumlaelig ouml igrave uumlpara para para para para paraiuml iuml aelig ouml+ + + + - - +iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslashiuml iuml icirc thornegrave oslashicirc thorn

(22)

2

yx vzv x e

x e z e v y y v v

vvuv wvv p v ut x y z y x x y

v v w D v R Sy y z z y

ll gll g nr

g n g n g g

para igrave uumlaelig oumlpara parapara para para para paraiuml iuml+ + + = - + +iacute yacuteccedil dividepara para para para para para para paraiuml iumlegrave oslashicirc thornigrave uuml igrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para paraiuml iuml iuml iuml+ + + - - +iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para paraiuml iuml iuml iumlegrave oslash egrave oslashicirc thorn icirc thorn

(23)

2

yx vzv x e

y e z e v z z v w v

vwuw www p w ut x y z z x x z

w v w D w R S gy y z z z

ll gll g nr

g n g n g g g

parapara para igrave uumlpara para para para paraaelig ouml+ + + = - + +iacute yacuteccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslashicirc thornigrave uumlaelig ouml igrave uumlpara para para para paraiuml iuml aelig ouml+ + + - - + -iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para paraegrave oslashiuml iuml icirc thornegrave oslashicirc thorn

(24)

여기서 t 는 시간 x y 는 수평방향좌표 z 는 연직방향좌표 u v w는 x y z 방향의 유속성분 r 는 유체

밀도 p 는 압력 en 는 분자동점성계수 n 와 와점성계수 tn 의 합 g 는 중력가속도 vg 는 체적공극율

x y zg g g 는 x y z 방향의 면적공극율 x y zD D D 는 경계에서 반사파의 제어를 위해 설치한 스폰지층에서의

에너지감쇠계수 u v wS S S Sr 는 해석영역내의 조파를 위한 소스항 v x y zl l l l 는 구조물로부터 받는 관성

력효과를 나타낸 파라미터이고 식(25)와 같이 표현된다

5

(1 )(1 )(1 )

(1 )

v v v M

x x x M

y y y M

z z z M

CCCC

l g gl g gg g g

g g g

= + -

= + -

= + -

= + -

(25)

여기서 MC 은 관성력계수 x y zR R R 는 투과층(porous media)에서의 저항력이고 식(26)과 같이 주어진다

2 2 2

2 2 2

2 2 2

1 (1 )21 (1 )21 (1 )2

Dx x

Dy y

Dz z

CR u u v wx

CR v u v wy

CR w u v wz

g

g

g

= - + +D

= - + +D

= - + +D

(26)

여기서 DC 는 항력계수 x y zD D D 는 x y z 방향의 격자간격이다

본 연구에서는 이상의 이론에 근거한 3D-NIT model을 사용하여 규칙파 및 불규칙파의 해석을 수행한다 규

칙파 및 불규칙파의 해석에서 대상구조물이 불투과성인 경우에는 기초방정식에서 체적공극율 면적공극율 및

투과층내의 저항력을 무시하면 된다 그리고 계산에서는 양측면과 바닥에는 불투과경계조건을 적용하였다

23 난류모델

난류모델에는 실용성이 높고 여러 분야에서 사용되고 있는 고 Reynolds형의 k e- 모델을 채용하였다

k e- 모델에서는 유속의 변동량 u v w 을 사용하여 난류에너지 k 와 난류에너지일산함수 e 을 다음과 같

이 정의한다

2 2 21 ( )2

k u v w= + + (27)

2 22 2 2 2 2u v w w v uvx y z x y z

eigrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para para paraiuml iumlaelig ouml aelig ouml= + + + + +iacute yacuteccedil divide ccedil divideccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslash egrave oslashegrave oslash egrave oslashiuml iumlicirc thorn

(28)

따라서 k 와 e 은 이하에 나타내는 이류확산방정식을 풀어서 산정할 수 있다

6

yx z

v x k y k

z k v s v

vkuk wkk k kv vt x y z x x y y

kv Gz z

gg gg g g

g g g e

para igrave uumlaelig oumlpara para igrave uumlpara para para para paraiuml iumlaelig ouml+ + + = +iacute yacute iacute yacuteccedil divideccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslash iuml iumlicirc thorn egrave oslashicirc thornigrave uumlpara paraaelig ouml+ + -iacute yacuteccedil dividepara paraegrave oslashicirc thorn

(29)

2

1 2

yx zv x y

z v s v

vu w v vt x y z x x y y

v C G Cz z k k

e e

e

g eg e g ee e eg g g

e e eg g g

para igrave uumlaelig oumlpara para igrave uumlpara para para para paraiuml iumlaelig ouml+ + + = +iacute yacute iacute yacuteccedil divideccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslash iuml iumlicirc thorn egrave oslashicirc thornigrave uumlpara paraaelig ouml+ + -iacute yacuteccedil dividepara paraegrave oslashicirc thorn

(210)

2 22 2

2 2 2s tu v w w v uG vx y z x y z

igrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para para paraiuml iumlaelig ouml aelig ouml= + + + + +iacute yacuteccedil divide ccedil divideccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslash egrave oslashegrave oslash egrave oslashiuml iumlicirc thorn (211)

여기서 와동점성계수 및 확산계수는 다음과 같이 주어진다

2

t

C kv m

e= (212)

tk

k

vv vs

= + (213)

tvv vees

= + (214)

또한 위의 식에서 나타나는 1 2 kC C Cm es s 는 경험정수로 보통 009 100 130kCm es s= = =

1 2144 192C C= = 가 사용된다 그리고 k e- 모델에서 구한 난류효과는 Navier-Stokes방정식에서 동점성계

수 및 압력을 각각 다음의 식과 같이 취급함으로써 유속 및 압력에 반영된다

e tv v v= + (215)

23

p p kr= + (216)

7

24 이류방정식

3D-NIT model은 수면을 추적하기 위해 VOF법을 이용하고 있다 VOF함수 F는 일정 물리량인 유체의 체적율

로서 0leFle1의 범위를 가진다 여기서 F=1일 경우는 유체셀로 F=0일 경우는 기체셀로 0ltFlt1일 경우는 표면셀

로 각각 판단하여 자유수면을 추적하게 되며 다음의 이류방정식(217)에 의해 VOF함수가 이류된다

( )( ) ( )( ) yx zvFuF wFF Fqt x y z

ee ee parapara parapara+ + + =

para para para para (217)

25 격자설정 방법

3D-NIT model은 기초방정식을 유한차분법으로 차분근사하여 수치계산을 수행한다 그리고 계산영역을 크기

가 일정한 직사각형의 격자로 분할하고 셀 전체에 유체가 있는 경우를 유체셀 셀 전체에 기체가 있는 경우를

기체셀 셀내에 유체와 기체가 혼합되어 있는 경우를 표면셀 셀 전체에 구조물이 있는 경우를 구조물셀로 각각

정의한다 또한 셀 주위에는 직접 계산에 이용되지는 않지만 경계처리시에 필요한 가상셀을 둔다 격자를 설정

한 후에는 각 셀에서의 유속 u v w를 각각 셀 경계인 오른쪽과 위쪽에 위치시키고 압력 p 조파소스의 유량

밀도 q 및 VOF함수 F 를 각각 셀 중심에 위치하도록 하여 변수들을 엇갈리게 격자를 구성하는 엇갈린 격자

(staggerd mesh)를 적용한다

26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파

3D-NIT model은 규칙파뿐만 아니라 불규칙파에 대해서도 계산이 가능한 수치모델로 3D-NIT model을 이용하

여 불규칙파를 검토하는 경우에 조파지점에서의 수위변동 및 물입자속도(수평 및 연직유속)을 사용자가 독자적

으로 입력데이터로 작성할 필요가 있다 일반적으로 불규칙파랑은 선형이론으로부터 얻어진 규칙파의 중첩으로

조파되지만 해석시간이 증가됨에 따라 평균수위가 상승하는 문제가 발생하여 계산이 불가능하게 된다 따라서

불규칙파랑의 조파와 같은 장시간의 해석시간이 요구되는 경우에 평균수위의 상승으로 인하여 요구되는 100파

정도의 파수를 얻기까지는 무리가 있을 수 있고 결과가 얻어졌다고 하여도 신뢰성에 문제가 있다

본 연구에서는 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우에 문제로 지적되는 평균수위상승을 억

제하면서 안정적으로 불규칙파가 조파될 수 있는 시스템을 기술(Fujiwara 2005)한다 그리고 불규칙파의 파운동

을 디지털방식으로 작성하는 Goda방법에 따른 불규칙파의 조파방법도 간략히 기술한다 불규칙파의 조파방법

은 선형이론으로부터 얻어진 성분파의 주파수에 하나씩 순번을 붙여서 이를 무한급수의 합으로 고려하는 것이

다 조파지점에 있어서는 수면파형 η 수평 및 연직유속 (uw)의 시간적인 변동이 필요하게 되며 이들은 각각 식

8

(218)sim(220)로 주어진다

1( ) cos(2 )

M

m m mm

t a f th p e=

= -aring (218)

1

cosh ( )( ) 2 cos(2 )sinh

Mm

m m m mm m

k h zu z t f a f tk h

p p e=

+= -aring (219)

1

sinh ( )( ) 2 sin(2 )sinh

Mm

m m m mm m

k h zw z t f a f tk h

p p e=

+= -aring (220)

여기서 me 은 random한 위상각 mf 은 주파수 ma 은 진폭 mk 은 파수 M은 성분파의 수 h는 수심이다 단

연직좌표 z 는 정수면에서 상방향을 (+)로 취하고 me 및 mf 의 선택방법은 후술되며 진폭 ma 은 다음의 식

(221)로 정의된다

2 ( )ma S f f= D (221)

여기서 fD 는 주파수폭 ( )S f 는 파랑에너지밀도이며 불규칙파의 스펙트럼은 불규칙파를 모의하는 데에

널리 사용되고 있는 식(222)의 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970) 스펙트럼을 적용하였다

2 4 5 413 13 13( ) 0257 exp 103( )S f H T f T F- - -eacute ugrave= -euml ucirc (222)

여기서 13H 은 유의파고 13T 은 유의파주기를 각각 나타낸다 일반적으로 수치해석을 통해 불규칙파를 검

토하는 경우 해석시간이 증가됨에 따라 평균수위가 상승하는 문제가 있다(CDIT 2001) 본 연구에서는 평균수위

상승을 억제하는 방법으로 조파지점에서 수평유속을 산출할 때 각 성분파에 대응하는 Stokes파의 질량수송속도

(mass transport velocity)를 빼주는 방법을 적용한다(Fujiwara 2005) 즉 식(219)에서 질량수송속도를 뺀 수평유속은

식(223)과 같이 표현된다

1

cosh ( )( ) 2 cos(2 )sinh

Mm

mm m m mm m

k h zu z t f a f t Uk h

p p e=

igrave uuml+= - -iacute yacute

icirc thornaring (223)

여기서 Stokes파의 질량수송속도 mU 은 성분파를 나타내는 m 을 제외하여 나타내면 다음의 식(224)와 같이

9

주어진다

2

cosh 4 ( ) 12 sinh (2 )

mm m mm

m m m

H H h z LUT L h L

p p pp+

= (224)

여기서 mz 은 물입자의 평균위치를 나타낸다

27 난수의 발생방법

난수(random numbers)는 random한 현상을 다루는 수치해석에서 많이 사용되는 매우 중요한 부분이다 난수를

발생시키는 방법에는 물리적인 방법과 수식을 이용한 방법이 있으며 물리적인 방법으로 난수를 발생시킬 경우

에는 많은 시간이 소요되며 컴퓨터를 이용한 모의실험에는 사용할 수 없다는 단점이 있다 따라서 수치해석에

사용되는 난수는 수식을 이용하여 발생되며 이러한 방법을 이용한 대표적인 난수발생방법으로 중양제곱법

(mid-squar method) 합동법(congruential method) 그리고 시프트법(shift method) 등이 있다(조 등 1992)

본 연구에서는 합동법에 기초하여 난수를 발생시켰고 난수발생은 IMSL(International Mathematical and Statistical

Library)의 난수발생기(random number generator)를 이용하였으며 그 알고리즘음 다음과 같다(Compaq computer

corporation 2001)

먼저 임의정수 1X 은 seed number이며 mod( )Y b 는 Y 를 b 로 나눈 나머지를 나타낸다 이러한 계산이 임

의주기 동안 진행되면서 1X 은 2X 로 변환되고 연속된 정수 iX 를 산출하는 과정을 반복한다 0과 1사이에 할

당된 난수는 식(225)에 의해 얻어질 수 있으며 상수는 식(226)에 나타낸 특수한 값으로 주어진다

12i iR X q i= = (225)

36 357909 2 2 1a b q= = = - (226)

이러한 과정에서 임의정수 iX 가 352 을 초과할 경우 iX 는 정수 35(2 1)- 로 변환된 후 계산이 수행되며

식(225)로부터 구한 난수는 [01] 사이에 분포한다

이로부터 불규칙파의 각 성분파간의 위상각 me 은 Fig 22에 나타낸 바와 같이 [01] 사이에 분포하는 난수를

발생시킨 후 위상을 조정하기 위해 2p 를 곱하여 [02 ]p 사이에 분포하는 값을 취하는 것으로 하였다

28 주파수의 선택방법

불규칙파를 모의하기 위한 주파수 mf

의 성분파의 진폭이 거의 같도록

Mitsuyasu(Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼에

다음의 식(227)을 이용하여 주파수 mf

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - =

10

주파수 mf 의 선택방법에는 주파수스펙트럼을 등구간으로

하는 등에너지로 분할하는 방법 등이 있다 본 연구에서는

스펙트럼에 대해 등에너지로 스펙트럼을 분할할 수 있는 Goda(1985)

mf 을 선택하였다

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - =

Fig 22 Random phase angle

mf 등구간으로 분할하는 방법과 각각

연구에서는 Bretshneider-

Goda(1985)에 의해 제안된

mf

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - = (227)

11

3장 수치해석의 검증

31 개요

일본의 연안개발기술센터(沿岸開發技術硏究セソタ 2001)에서 개발한 수치파동수조 CADMAS-SURF와 같은

2차원규칙파에 대한 연구는 많이 수행되고 있지만 2차원불규칙파와 3차원불규칙파에 대한 연구는 찾아보기가

어렵다

최근 개발되고 있는 방파제 및 호안의 경우 구조물의 형상이 복잡한 특수방파제가 많이 적용되고 있다 하지

만 이러한 방파제를 2차원으로 적용 ∙ 계산하기에는 반사율 파압분포 및 월파량의 추정치가 실제의 3차원의 경

우와는 상이한 결과가 발생할 것으로 판단된다 따라서 본 연구에서는 3차원수치파동수조인 3D-NIT model의 조

파성능에 대해 먼저 검토한다 그리고 3D-NIT model을 이용하여 규칙파 및 불규칙파를 조파하고 眞田(1998)의

수리실험과 비교 ∙ 검토함으로써 결과의 타당성을 논의한다 또한 불규칙파동장에 경사수심역에 설치된 호안을

대상으로 호안 배후로 전달되는 월파량을 산정하고 이의 결과를 실험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를

검토하고 더불어 파력의 실험치( Chakrabarti 1975)와 비교 ∙ 검토함으로써 결과의 타당성을 논의한다

32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증

불규칙파의 조파성능을 검증하기 위하여 Fig 31과 같은 구조물이 설치되지 않은 수심 219h m= 의 3차원

수치파동수조(부가감쇠영역과 해석영역으로 구성되었으며 격자크기는 1 05 05x m y m z mD = D = D = 로 설

정)에서 유의파고 13 7H m= 유의주기 13 1225secT = 를 목표로 성분파 200개를 선형중첩하여 불규칙파를

조파하였다 그리고 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을 방지하기

위하여 설치된 부가감쇠영역의 길이 aL 는 목표파 파장 0L 의 2배 이상으로 하였다 Fig 32는 조파지점에서의

계산파형을 목표한 파형과 비교한 그림으로 장시간의 해석에도 평균수위상승은 크게 나타나지 않으며 목표한

파형과 비교하여 전체적으로 파형과 위상이 잘 일치하고 있음을 확인할 수 있다

12

Fig 31 Schematic sketch of numerical wave tank

Fig 32 Comparison of target and calculated wave profiles at wave source position

3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 따른 연직원주구조물주변의 파랑변형에 대

하여 해석해 및 2차오더의 회절산란포텐셜을 유도한 眞田(1998)의 수치해석결과 및 수리실험결과와 본 수치해

석결과를 비교ᆞ검토한다

Fig 33은 비교에 적용된 3차원수치파동수조 및 연직원주구조물의 제원을 나타내며 이때 수치파동수조의 수

심은 45h cm= 로 일정하며 입사파고 3H cm= 입사주기 01sect = 의 규칙파에 대하여 수치계산을 수행하

였다 그리고 수치계산에서는 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을

방지하기 위하여 부가감쇠영역을 설치하며(Hinatsu 1992) 부가감쇠영역의 길이는 입사파장 L 의 2배 이상으로

하였다

x축을 따른 y=0 y=25cm의 위치 및 연직원주구조물의 주위에서 무차원최대수면상승고 max2h ( maxh 는 최대수

위값)의 공간분포에 대하여 眞田(1998)의 수치해석해석결과 및 수리실험결과와 비교한 본 계산결과를 Fig 34에

각각 제시하였고 다음의 결과를 살펴보면 원주 전면의 표면에서 가장 큰 무차원최대수면상승고가 나타났고 이

는 원주구조물의 전면에서 구조물에 의해 반사되는 회절산란파와 입사파의 중첩으로 부분중복파가 형성된것으

로 판단된다 그리고 Fig 34 (a)와 (b)에서 본 연구의 수치해석결과가 眞田(1998)의 수리실험치를 전체적으로 잘

재현하고 있으며 그 정도는 매우 높은 것으로 판단된다

()

mh

13

(a) Plan view

(b) Side view

Fig 33 Definition sketch of 3D numerical wave tank for comparison of wave transformation

(a) y=0cm

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zoneWave source

Wave

x

y

O

Open boundary Open boundary

Wave

Calculation zone

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

Wave source

2L 2L

z

O

45

33

50 30

x

Unitcm

14

(b) y=25cm

Fig 34 Comparison of spatial distribution of non-dimensional maximum water levels

33 월파량의 검토

본 절에서는 앞서 검토한 결과를 바탕으로 호안 배후로 전달되는 파랑의 월파량을 산정하고 이의 결과를 실

험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를 검토한다

Fig 35는 본 연구에서 월파량 산정을 위하여 고려된 수치파동수조고 Fig 36은 Fig 35의 수치파동수조에서

호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화를 파라미터로하여 산정된 호안월파량을 Goda(1985)의 실험치와 비교한

결과이다 이 때 적용한 파 조건은 주기 0 1383secT = 파고

0 4H m= 를 목표로 설정하였다 그리고 월파량

산정에 이용한 불규칙파는 파가 안정적으로 판단되는 조파개시후 50sec에서부터 600sec 사이의 파이며 월파량

은 호안의 천단상부에 설치된 수평유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 시간평균하여 산정하였다(Goda

1985)

Fig 36의 결과를 살펴보면 호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화에 따른 월파량의 변화특성을 살펴보면 본

연구의 계산치는 실험치를 잘 재현하고 있을 뿐 아니라 산정된 월파량의 정도는 실험치와 비교하여 상당히 높

은 것으로 판단된다

Fig 35 Numerical setup for wave overtopping over vertical seawall on a sea bottom slope of 110

15

Fig 36 Comparison between experimental and numerical results for wave overtopping rate over vertical seawall on a sea bottom

slope of 110 ( 0 0 0017H L = )

34 월파현상의 재현

Fig 37은 Fig 36의 0 0 075 15ch H h H= = 의 경우에 대한 월파에 따른 주변파동장의 변화를 나타낸

일례이다 그림을 살펴보면 본 연구의 수치파동수조는 기대하는 불규칙파동장을 잘 재현하는 것으로 판단된다

그리고 경사수심역상에는 수심변동으로 인한 천수변형을 확인할 수 있으며 호안의 천단상에서는 호안월파로

인하여 배후면으로 낙하되는 빠른 유속이 관찰된다 따라서 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장의 재현

및 수심변동에 따른 천수변형 호안월파로 인한 배후면의 파동장교란 등에 대해 고정도의 결과도 기대할 수 있

고 따라서 향후 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장하에 복잡한 형태를 가진 특수방파제 등에 의한 주변

파동장의 3차원적인 응답해석 및 월파현상을 확인하는데도 충분히 이용 가능할 것으로 판단된다

16

Fig 37 Spatial variation of irregular waves on a sea bottom slpoe of 110 ( 0 0 075 15ch H h H= = )

17

35 파력의 검증

다음으로 연직원주구조물에 작용하는 파력특성에 대하여 116h a = (a는 연직원주구조물의 반경)

0232H a = 인 경우에 기존의 수리실험결과(Chakrabarti and Tam 1975) 및 수치해석결과(喜岡와 石田 1984 村

上 등 1993)와 본 연구의 수치해석결과를 비교ᆞ검토한다 Fig 38은 해석에 이용된 연직원주구조물의 제원을 나

타내며 무차원최대파력 2max ( 2)F ga Hr 에 대하여 기존의 수리실험 및 수치해석결과와 비교한 것을 Fig

39에 제시하였다 결과를 살펴보면 실험치가 주어져 있는 kagt07(k는 파수 k=2 L)의 범위에서는 본 연구의 수치

해석결과는 수리실험결과를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되며 실험치가 주어지지 않은 kalt05의 범위에서 村

上 등(1993)의 결과는 Stokes 2차파이론의 적용범위를 초과하므로 발산하고 있다 이는 kalt05의 범위는 DLlt02

인 항력이 지배적인 소형구조물의 영역으로 기존의 해석법으로 파력을 산정하는데는 과도한 계산시간으로 파

력산정에 다소 무리가 있으며 항력과 관성력을 동시에 고려할 수 있는 Navier-Stokes의 운동방정식에 근거한 본

연구의 수치해석결과가 타당한 것으로 판단된다

Fig 38 Definition sketch for comparison of wave force acting on the circular cylinder

x

y

zWave

h

a

18

Fig 39 Comparison of non-dimensional maximum wave force acting on the circular cylinder

이상의 3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 의한 파랑변형 및 구조물에 작용하

는 파력의 수치해석결과가 실험치를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되므로 본 연구의 타당성이 검증된다

0 05 1 15 2ka

0

1

2

3

4

5

6F m

axr

ga2 (

H2

)This studyExp(Chakrabarti amp Tam 1975)Cal(Shin 2008)Cal(Murakami et al 1993)Cal(Kioka and Ishida 1984)

19

4 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장

해석에 적용

41 개요

해역에 설치된 구조물은 파력 풍력 조류력 등의 외력을 지속적으로 받기 때문에 구조물의 경우 극한의 파

랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충분한 강도를 가지도록 설계할 필요가 있다 본 연구에서는 해역에서 쇄파

가 발생할 때 원주구조물에 작용하는 쇄파력과 파랑변형을 논의한다 쇄파에 대한 이론 및 실험적 연구는 오래

전부터 많은 연구자들에 의해서 수행되어 왔고 최근에는 과도수파생성법(조 등 2001)에 의한 쇄파현상의 재현

및 비선형파의 3차원수치해석법에 의한 연구가 수행되고 있다(신 2008) 본 논문에서는 3차원불규칙파수치파동

수조 3D-NIT model을 적용하여 쇄파가 발생할 경우에 쇄파가 구조물에 미치는 영향에 대하여 검토하고 이와

연계하여 구조물에 작용하는 쇄파력의 크기를 분석한다 그리고 쇄파전의 영역 쇄파영역 및 쇄파후의 영역에

각각 원주구조물이 설치된 경우에 작용파력과 파랑변형의 특성을 조사하여 3D-NIT model의 적용성을 검토한다

42 수치파동수조

Fig 41과 같은 수심 30h cm= 를 갖는 규칙파동장의 경사수심역에 설치된 원주구조물을 대상으로 파력을

산정하며 적용한 규칙파는 주기 14secT = 파고 23456H cm= 이다 Table 41은 본 연구에서 대상으로

하는 수치파동수조의 특성을 나타내며 여기서 D는 원주구조물의 직경을 d는 경사수심이 이후의 수심을 나타

내고 s는 경사수심 끝단부로부터의 이격거리이다

(a) front view

20

(b) top view Fig 41 Definition sketch of 3D numerical wave tank for analysis of wavebreaking force acting on circular cylinder

Table 41 Condition of numerical analysis for circular cylinder shape of structure slope T(s) H(cm) h(cm) D(cm) d(cm) s(cm)

circular

cylinder

case1 110 14 2 3 4

5 6 30 60 4 0

case2 110 14 4 30 60 4 0 20 40

60 80

43 주변파동장

Fig 42는 원주구조물이 경사수심 끝단부에 위치할 때 파고 23456H cm= 로 변환될 경우의 원주구조물

로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면분포 및 단면분포를 나타낸 것이다 여기

서 파고 23H cm= 인 경우에는 쇄파현상이 발생하지 않지만 4H cm= 인 경우에는 경사수심이 끝나는 지점

에서 쇄파가 발생된다 이것은 수심이 낮아지면서 천수효과로 인해 파고가 쇄파한계를 넘어 쇄파가 발생된 것

으로 판단된다 그리고 56H cm= 인 경우에는 파고가 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생되

는 현상이 나타났다 이는 파고가 높아짐으로 인하여 쇄파한계가 경사수심의 끝단부 이전에서 나타난 것으로

보여진다

Fig 43은 case1에서 쇄파력이 원주구조물에 가장 영향이 많이 미칠 것으로 판단되는 파고 4H cm= 의 경

우에 대하여 원주구조물이 경사수심 끝단부로부터 이격거리 020406080s cm= 로 변환될 경우에 원주구조

물로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면 및 단면적인 변화양상을 나타낸 것이다

여기서 이격거리가 멀어짐에 따라 쇄파후 파의 재생성 과정을 통하여 정상상태의 파랑으로 전이되며 구조물

의 위치에 따른 구조물 전면부에서 처오름이 쇄파대 부분에 구조물이 위치할 경우보다 이격거리가 멀어질수록

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

yx

Wave

DSlope=110

500cm

21

작아지는 것을 확인할 수 있다

(a) 2 14sec 0H cm T s cm= = =

22

(b) 3 14sec 0H cm T s cm= = =

23

(c) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

24

(d) 5 14sec 0H cm T s cm= = =

25

(e) 6 14sec 0H cm T s cm= = =

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height

26

(a) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

27

(b) 4 14sec 20H cm T s cm= = =

28

(c) 4 14sec 40H cm T s cm= = =

29

(d) 4 14sec 60H cm T s cm= = =

30

(e) 4 14sec 80H cm T s cm= = =

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder

31

44 파력

Fig 44는 Fig 41에서 정의된 경사수심의 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 지점에 있어서 파고

23456H cm= 로 변화시킨 경우에 파력의 변화를 나타낸 것이다 결과를 살펴보면 파고 234H cm= 까

지는 파력이 증가하지만 5cm 이상부터는 오히려 파력이 감소하는 것을 알 수 있다 이는 Fig 42의 주변파동장

에서 파고가 5cm 이상부터 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생하여 쇄파로 인한 파랑에너지가

많이 소산된 것으로 판단된다 이러한 결과로 파고가 더 커지더라도 쇄파가 발생하는 위치에 따라 낮은 파고에

서도 높은 파력이 작용할 수 있다는 것이 확인되었다 따라서 수심이 얕아지는 천해역에서 방파제나 기타 구조

물을 설계함에 있어 구조물 전면부에서 쇄파가 발생하지 않도록 주의를 기울일 필요가 있을 것으로 판단된다

Fig 45는 Fig 41 에서 정의된 경사수심 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 일 때 최대로 파력이 작용하는 파

고 4H cm= 에 대하여 구조물의 이격거리 020406080s cm= 로 변화시켜 구조물의 이격거리에 따른 쇄

파력의 크기를 검토한 결과이고 Fig 46은 Fig 45의 이격거리 04080s cm= 의 경우 파력의 시계열을 나타낸

것이다 결과를 살펴보면 구조물의 이격거리가 증가함에 따라 파력이 감소하는 것이 나타났다 하지만 이격거

리 20s cm= 이후에서는 파력의 감소가 줄어든다 이는 쇄파로 인해 어느 정도 에너지가 소산되고 난 이후에

파고가 정상상태에 전이된 결과에 기인하는 것으로 판단된다

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1

0 1 2 3 4 5 6 7 8time(sec)

-10

0

10

20

30

F(N

)

H=2cmH=3cmH=4cmH=5cmH=6cm

32

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2

45 3차원불규칙수치파동수조에 의한 고립파의 적용

본 절에서는 3D-NIT model의 고립파로 적용성에 대하여 검토한다 고립파와 구조물과의 상호간섭을

해석하기 위하여 Fig 41과 같은 3차원수치파동수조를 고려한다 해석영역내에서는 수치적으로 고립파

를 발생시키기 위한 조파소스(Brorsen amp Lasen 1987 김 등 2001)와 무반사조파시스템을 위한 에너지감쇠

영역이 고려되고 3차원파동장에서 고립파의 작용하에 작용파압을 검토하기 위하여 경사수심을 갖는 불

투과지반에 연직주상구조물이 설치된다 조파소스에서 조파강도는 다음의 식(41)로 주어진다

0 20 40 60 80s(cm)

4

8

12

16F(

N)

0 2 4 6 8time(sec)

-5

0

5

10

15

20

F(N

)

s=0cms=40cms=80cm

33

( ) = 2 (41)

여기서 는 발생파의 수평유속성분을 각각 나타내며 본 연구에서는 조파소스강도 로서 식(42)과

같이 Grimshaw(1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사이론에 의한 수평방향유속 를 적용한다(Fenton

1972)

= ℎ[ minus minus + ] (42)

여기서 및 는 다음과 같이 정의된다

= minus 14 + + 1 + ℎ 32 minus 94

= 1940 + 15 minus 65 + 1 + ℎ minus 32 minus 154 + 152

= 1 + ℎ minus 38 minus 4516 + 4516

그리고 는 물입자의 연직방향 평균위치를 나타내며 와 는 다음의 식과 같이 정의된다

= ℎ (43)

= sech (44)

여기서 ℎ는 수심 는 고립파의 입사파고를 나타내며 와 는 각각 다음의 식으로 주어진다

= 34 1 minus 58 + 71128 (45)

= minus ℎ (46)

34

여기서 는 고립파의 파속으로 고립파의 3차근사이론에 의하면 다음의 식과 같이 표현된다

= ℎ 1 + 12 minus 320 + 356 (47)

Ohyama amp Nadaoka(1991)는 수치파동수조내에서 구조물이 설치될 경우 조파소스의 위치에서 반사파

의 영향을 고려하여 조파소스지점에서 연직적분치가 반사파가 없는 경우와 분포형상이 상사되도록 다

음의 식을 고려하고 있다

= 2 + ℎ + ℎ (48)

여기서 와 는 각각 조파소스의 위치에서 수위변동과 조파소스에 의해 기대되는 수위변동이다

본 연구에서 는 다음의 식과 같은 고립파의 3차근사식을 적용하여 산정된다(Fenton 1972)

= ℎ 1 + + 58 minus 10180 (49)

여기서 는 다음의 식(410)과 같이 주어진다

= tanh minus ℎ (410)

이상의 관계식을 3D-NIT model에 적용하여 고립파를 수치조파한다 전술한 결과에서 최대파력이 작용하는

Fig 41에서 이격거리 0s cm= 인 경우에 고립파의 파고 23456iH cm= 일 때 주변파동장의 변화양상을

Fig 47(a)~(e)에 나타내었다 결과를 살펴보면 단주기규칙파에서의 결과와는 달리 파고의 증가에도 구조물 전면

부에서 쇄파가 발생하지 않았다 이는 상대적으로 긴 파장으로 인하여 Ursell수가 작아지기 때문으로 판단된다

그리고 구조물 전면부에서 고립파로 인한 급격한 처오름현상이 확인되고 연직주상구조물로 인한 회절현상을

약간 확인할 수 있지만 파장이 상대적으로 길기 때문에 회절파라미터가 작아져 결과적으로 단주기파랑보다 회

절현상이 작아진다

연직주상구조물의 전면부에 작용하는 파력분포를 Fig 48에 나타내었다 결과를 살펴보면 모두 정수면에서

최대파력이 작용하고 파고가 증가함에 따라 구조물에 작용하는 최대파력이 거의 선형적으로 증가하는 것을 알

수 있다 이는 기본적으로 규칙파와 달리 쇄파가 발생하지 않고 경사수심으로 인한 고립파의 파고변화가 크게

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 4: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

ii

wave action significantly Accordingly in most cases review on the dynamic behaviors according to wave action was

carried out through hydraulic model experiments which require a lot of time and costs In this study 3D-NIT(Three-

Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model in which regular wave as well as stable irregular wave can be

generated in 3-dimensional numerical irregular wave tank was proposed To verify validity the following steps need to

be conducted 1) comparative analysis between calculated waveforms and targeted waveforms at the wave generating

point 2) comparative analysis with the existing experimental values of overtopping volume calculated targeting shore

protection structures installed on a slope bed 3) comparison with the existing numerical and hydraulic experimental

results through application in the analysis on the wave deformation by structures and wave force acting on the vertical

cylindrical structures Based on the results characteristics of the breaking wave forces according to incident waves and

interval distance of structures were identified through application of 3D-NIT model in the analysis on the breaking

wave forces acting on the cylindrical structures installed on a slope bed and reflection and overtopping was reviewed

through application in the special breakwaters on the domestic fields Lastly analysis on the irregular air flow was

carried out in the internal wave chamber by calculating the air flow rate from the water level fluctuations within the air

room through application in OWC wave-force generation structures

iii

3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의

개발 및 그의 적용에 관한 연구

白 東 珍

韓國海洋大學校 大學院

土木環境工學科

요 약

외해에서 내습하는 파랑으로부터 연안역의 주요 시설물을 보호하고 해역을 정온화하기 위해 연안

역에 직립제 경사제 혼성제 등의 다양한 방파제를 건설하여 왔고 최근에는 주변경관과의 조화 친

수성 및 저반사의 목적 등으로 슬리트케이슨제로 대표되는 특수방파제가 많이 시공되고 있다 한편

해역에 설치된 구조물은 외력을 지속적으로 받으므로 극한의 파랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충

분한 강도를 구비할 필요성이 있고 이에 따라 특수방파제에 의한 파랑제어 및 구조물에 작용하는 파

력에 대한 고정도 해석이 요구된다 하지만 3차원적인 복잡한 형상을 갖는 방파제나 호안에 대한 3차

원적인 불규칙의 파랑작용을 2차원(단면)적인 파랑작용으로 근사 해석하는 방법은 실제의 파랑작용

iv

결과를 크게 왜곡할 수 있다 따라서 대부분의 경우 많은 시간과 경제적인 면이 요구되는 수리실험

을 통하여 파랑작용에 따른 거동을 검토하여 왔다 본 연구에서는 3차원수치파동수조에 규칙파뿐만

아니라 안정적인 불규칙파가 조파될 수 있는 새로운 조파시스템 3D-NIT(Three-Dimensional Numerical

Irregular wave Tank) model을 제안한다 그에 대한 타당성을 검증하기 위하여 조파지점에서의 계산파형

과 목포파형을 비교 middot 검토하고 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 기존의 월파량

의 실험치와 비교 middot 검토하여 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성을 평가하였다 또한 연직

원주구조물에 작용하는 파력 및 구조물에 의한 파랑변형의 해석에 적용하고 기존의 수치 및 수리실

험결과와 비교하여 3D-NIT model의 타당성을 검토하였다

이상의 결과를 기초로 본 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT)를 경사수심역에 설치된 원주구조

물에 작용하는 쇄파력의 해석에 적용하여 입사파고 구조물의 이격거리 등에 따른 작용쇄파력의 특성

을 규명하였고 더불어 국내현장의 특수방파제에 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 OWC

파력발전구조물에 적용하여 공기실내부의 수위변동으로부터 공기흐름속도를 산정하여 내부유수실에

서 불규칙공기흐름을 해석하였다

v

목 차

ABSTRACT i

요약 ⅲ

목차 v

LIST OF TABLES ⅷ

LIST OF FIGURES ⅸ

제 1 장 서론

11 연구의 배경 및 목적 1

12 연구의 구성 2

제 2 장 수치해석이론

21 개요 3

22 3차원수치파동수조의 기초방정식 4

23 난류모델 5

24 이류방정식 7

25 격자설정방법 7

26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파 7

27 난수의 발생방법 9

28 주파수의 선택방법 10

제 3 장 수치해석의 검증

31 개요 11

vi

32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증 11

33 월파량의 검토 14

34 월파현상의 재현 15

35 파력의 검증 17

제 4 장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용

41 개요 19

42 수치파동수조 19

43 주변파동장 20

44 파력 31

45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용 32

제 5 장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용

51 개요 41

52 O O O 서컨테이너안벽 46

521 수치파동수조 46

522 반사율 48

523 월파유량 49

53 O O O 신항만방파제 55

531 수치파동수조 55

532 반사율 57

533 월파유량 58

vii

제 6 장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용

61 개요 61

62수치파동수조 61

63공기실 내부에서의 수위변동 62

64공기흐름속도의 해석 63

제 7 장 결론

viii

LIST OF TABLES

Table 41 Condition of numerical analysis for circular cylinder 20

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater

and incident wave condition 49

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition 50

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater

and incident wave condition 57

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition 58

ix

LIST OF FIGURES

Fig 21 Schematic sketch of the numerical wave tank used in 3D-NIT 3

Fig 22 Random phase angle 10

Fig 31 Schematic sketch of numerical wave tank 12

Fig 32 Comparison of target and calculated wave profiles at wave source position 12

Fig 33 Definition sketch of 3D numerical wave tank for comparison of wave transformation 13

Fig 34 Comparison of spatial distribution of non-dimensional maximum water levels 14

Fig 35 Numerical setup for wave overtopping over vertical seawall on a sea bottom slope of 110 14

Fig 36 Comparison between experimental and numerical results for wave overtopping rate over

vertical seawall on a sea bottom slope of 110 ( 0 0 0017H L = ) 15

Fig 37 Spatial variation of irregular waves on a sea bottom slpoe of 110 ( 0 0 075 15ch H h H= = ) 16

Fig 38 Definition sketch for comparison of wave force acting on the circular cylinder 17

Fig 39 Comparison of non-dimensional maximum wave force acting on the circular cylinder 18

Fig 41 Definition sketch of 3D numerical wave tank for analysis of wavebreaking force acting on circular cylinder 20

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height 25

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder 30

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1 31

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2 32

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2 32

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height 39

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height 40

Fig 51 Type of specialized breakwater 45

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor 47

x

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater 48

Fig 54 Time variation of overtopping rate 50

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition 54

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor 56

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater 57

Fig 58 Time variation of overtopping rate 59

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = ) 60

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC 62

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber 63

Fig 63 Comparison of frequency spectrum 64

Fig 64 Elevation change at the structure location 65

Fig 65 Air velocity change at the structure location 65

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = ) 66

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity 67

1

1장 서론

11 연구의 배경 및 목적

외해에서 내습하는 파랑으로부터 연안역의 주요 시설물을 보호하고 해역을 정온화하기 위해 연안역에 직립

제 경사제 혼성제 등의 다양한 방파제를 건설하여 왔고 최근에는 주변경관과의 조화 친수성 및 저반사의 목적

등으로 슬리트케이슨제로 대표되는 특수방파제가 많이 시공되고 있다 한편 해역에 설치된 구조물은 외력을 지

속적으로 받으므로 극한의 파랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충분한 강도를 구비할 필요성이 있고 이에 따

라 특수방파제에 의한 파랑제어 및 구조물에 작용하는 파력에 대한 고정도 해석이 요구된다

구조물에 대한 파랑응답은 파랑과 구조물의 3차원적인 특성들로 인하여 복잡하게 나타나는 현상으로 내습

파랑에 의한 구조물의 정도 높은 평가를 위해서는 3차원구조물을 정확히 재현하고 이를 검토할 수 있는 3차원

불규칙수치파동수조의 개발이 필요하다 특히 3차원수치파동수조를 통하여 구조물을 검토하는 경우 구조물에

의한 주변파동장의 3차원적인 시 ∙ 공간변화를 상세히 검토할 수 있는 장점이 있으며 또한 구조물의 복잡한 형

상에 의한 파랑 상호간의 간섭현상까지도 검토할 수 있다 더불어 3차원수치파동수조에서는 구조물의 3차원적

인 특성에 따른 검토단면들에 대한 작용파압의 변화뿐만 아니라 구조물의 특성에 따른 파랑의 집중현상까지도

검토가 가능하다 그리고 파랑의 월파현상은 입사파랑조건에 따라 달라질 수 있지만 3차원구조물에 의한 파랑

집중현상에 의해서도 발생할 수 있다 이러한 부분들은 3차원수치파동수조를 통해서만 재현할 수 있고 3차원형

상의 구조물에 대한 대표단면만을 대상으로 하는 2차원수치해석(CDIT 2001)에서는 검토될 수 없는 사항들이다

한편 복잡한 구조물에 대한 실해역에 주어지는 불규칙파를 재현하기 위해서 지금까지의 수치해석기법으로는 2

차원수치해석을 통한 불규칙파의 해석이 주로 수행되어 왔고 3차원수치해석의 경우에는 규칙파에 대해서만 해

석이 이루어졌다 따라서 실제 해양에서의 파와 유사한 특성을 갖는 불규칙파에 대한 수치해석이 수행되지 않

아 불규칙파동장하에서 파랑과 구조물 사이의 3차원 수리특성을 규명하기 위해 막대한 시간과 경비가 소요되

는 수리모형실험이 실시되어 왔다

본 연구에서는 수리실험에 의존해 오던 3차원불규칙파와 구조물과의 상호작용에 의한 3차원 수리특성을 수

치적으로 접근 가능하고 복잡한 구조물에 대해서도 실해역에 주어지는 불규칙파의 재현이 가능한 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT(Three-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model의 개발 및 그의 적용성을 검토하는

것을 목적으로 향후 수리실험을 대신하여 구조물 주변파동장의 3차원적인 변동특성을 재현하여 그의 타당성을

검증하고 다양한 3차원특수방파제에 적용하여 내습파랑에 대한 구조물의 응답특성을 검토하고자 한다

2

12 연구의 구성

본 연구는 총 7장으로 구성되며 각 장의 내용은 다음과 같다

1) 제 1장에서는 본 연구의 배경 및 목적에 대하여 서술하고 연구의 구성에 대하여 간단히 기술한다

2) 제 2장에서는 3D-VOF법에 기초하여 자유수면을 추적하고 월파현상 및 고파랑에 대한 파랑특성을 예측

할 수 있는 수치모델로 규칙파뿐만 아니라 불규칙파에 대한 검토도 가능한 3차원불규칙파수치파동수조 3D-

NIT(Three-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model에 대한 이론적인 배경에 대해 기술한다

3) 제 3장에서는 3D-NIT model의 불규칙파의 조파성능 경사수심을 갖는 불규칙파동장에서 호안 배후로 전

달되는 월파량을 산정하여 실험결과와 비교 ∙ 검토하고 3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선

형간섭에 따른 연직원주구조물의 주변에서 파랑변형 및 연직원주구조물에 작용하는 파력특성에 관한 기존의

실험결과와 본 수치해석결과를 비교 ∙ 검토하여 본 연구에서 사용된 수치파동수조의 조파시스템의 타당성을 논

의한다

4) 제 4장에서는 충분한 폭을 갖는 3차원규칙파동장의 경사수역에서 동일한 파랑조건하에 원주구조물의 위

치변화에 따른 주변파동장과 적용파력 그리고 동일한 위치에서 상이한 입사파랑조건하에 연직원주구조물에 작

용하는 쇄파파력을 포함한 파력과 주변파동장의 변화특성을 고찰함으로써 본 3D-NIT model의 적용성을 검토한

5) 제 5장에서는 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 대하여 본 3D-NIT model을 적용하여 주변파동

장의 변화와 3차원월파량을 추정하여 통한 본 연구에서 제안하고 있는 3D-NIT model의 적용성을 논의한다

6) 제 6장에서는 본 연구의 3D-NIT model을 OWC파력발전구조물에서 수위변동을 통한 공기흐름속도의 해

석에 적용하여 입사파의 spectrum 공기실내의 파랑 spectrum 및 공기흐름속도에 관한 spectrum을 산출하고 더불

어 그의 특성을 규명함으로써 본 3D-NIT model의 적용성과 확장성을 살펴본다

7) 제 7장에서는 이상으로부터 도출된 중요한 사항을 요약하여 본 논문의 결론으로 한다

8) 끝으로 본 연구에서 참고하고 인용한 주요한 문헌을 수록한다

3

2장 수치해석이론

21 개요

비압축성의 점성유체에 대한 복잡한 자유수면을 효과적으로 수치모의할 수 있는 VOF법이 제안된 이후 자

유수면을 취급하는 많은 학문분야에서 이를 활용한 연구가 활발하게 진행되고 있다 특히 VOF법은 쇄파과정

및 쇄파후의 파형변형특성을 수치적으로 재현할 수 있어 해안공학분야에서도 VOF법을 활용한 수치모델이 많

이 사용되고 있다 VOF법은 단지 자유수면을 모의하는 기법이므로 해안공학분야에 적용시 파랑의 전달과 반사

를 정확하게 모의할 수 있는 효과적인 무반사조건을 포함한 경계조건과 수치조파방법을 결부시켜야 한다 이러

한 수치조파를 수치파동수조로 불리고 VOF법을 활용한 수치파동수조의 연구개발이 활발하게 이루어지고 있다

(沿岸開發技術硏究セソタ 2001 Van der Meer et al 1992 Troch P 1997 Hur and Mizutani 2003 Hur 2004 김 등 2001

2004 허 등 2005)

본 연구에서 적용하는 3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT (Three-Dimensional Numerical Irregular wave Tank)

model의 수치파동수조는 Fig 21(그림에서 0L 는 목표파의 파장 aL 는 부가감쇠영역의 길이 x y zD D D 는 수평

및 연직방향의 격자간격)에 보인 바와 같이 수치파동수조내에서 파의 재반사를 방지하기 위한 개경계처리기법

으로 해석영역의 양쪽에 부가감쇠영역을 두고 해석영역내에 조파를 위한 조파소스를 적용하고 있다

xD

yDz

D

Fig 21 Schematic sketch of the numerical wave tank used in 3D-NIT

4

22 3차원수치파동수조의 기초방정식

본 연구의 3D-NIT model은 기존의 2D-NIT(Two-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model의 계산수법을

3차원으로 확장한 것이며 자유표면해석모델에 VOF법을 난류해석에는 k e- 모델을 각각 적용하였고 기초방

정식은 3차원비압축성의 점성유체를 대상으로 한 연속식 및 Navier-Stokes방정식을 PBM (Porous Body Model)에

근거하여 확장한 다음의 식(21)~(24)로 주어진다

yx z

v

vu w Sx y z r

gg g gparapara para

+ + =para para para

(21)

2yx vz

v x e

y e z e v x x v u

vuuu wuu p ut x y z x x x

u v u w D u R Sy y x z z x

ll gll g nr

g n g n g g

parapara para igrave uumlpara para para paraaelig ouml+ + + = - + iacute yacuteccedil dividepara para para para para para paraegrave oslashicirc thornigrave uumlaelig ouml igrave uumlpara para para para para paraiuml iuml aelig ouml+ + + + - - +iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslashiuml iuml icirc thornegrave oslashicirc thorn

(22)

2

yx vzv x e

x e z e v y y v v

vvuv wvv p v ut x y z y x x y

v v w D v R Sy y z z y

ll gll g nr

g n g n g g

para igrave uumlaelig oumlpara parapara para para para paraiuml iuml+ + + = - + +iacute yacuteccedil dividepara para para para para para para paraiuml iumlegrave oslashicirc thornigrave uuml igrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para paraiuml iuml iuml iuml+ + + - - +iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para paraiuml iuml iuml iumlegrave oslash egrave oslashicirc thorn icirc thorn

(23)

2

yx vzv x e

y e z e v z z v w v

vwuw www p w ut x y z z x x z

w v w D w R S gy y z z z

ll gll g nr

g n g n g g g

parapara para igrave uumlpara para para para paraaelig ouml+ + + = - + +iacute yacuteccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslashicirc thornigrave uumlaelig ouml igrave uumlpara para para para paraiuml iuml aelig ouml+ + + - - + -iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para paraegrave oslashiuml iuml icirc thornegrave oslashicirc thorn

(24)

여기서 t 는 시간 x y 는 수평방향좌표 z 는 연직방향좌표 u v w는 x y z 방향의 유속성분 r 는 유체

밀도 p 는 압력 en 는 분자동점성계수 n 와 와점성계수 tn 의 합 g 는 중력가속도 vg 는 체적공극율

x y zg g g 는 x y z 방향의 면적공극율 x y zD D D 는 경계에서 반사파의 제어를 위해 설치한 스폰지층에서의

에너지감쇠계수 u v wS S S Sr 는 해석영역내의 조파를 위한 소스항 v x y zl l l l 는 구조물로부터 받는 관성

력효과를 나타낸 파라미터이고 식(25)와 같이 표현된다

5

(1 )(1 )(1 )

(1 )

v v v M

x x x M

y y y M

z z z M

CCCC

l g gl g gg g g

g g g

= + -

= + -

= + -

= + -

(25)

여기서 MC 은 관성력계수 x y zR R R 는 투과층(porous media)에서의 저항력이고 식(26)과 같이 주어진다

2 2 2

2 2 2

2 2 2

1 (1 )21 (1 )21 (1 )2

Dx x

Dy y

Dz z

CR u u v wx

CR v u v wy

CR w u v wz

g

g

g

= - + +D

= - + +D

= - + +D

(26)

여기서 DC 는 항력계수 x y zD D D 는 x y z 방향의 격자간격이다

본 연구에서는 이상의 이론에 근거한 3D-NIT model을 사용하여 규칙파 및 불규칙파의 해석을 수행한다 규

칙파 및 불규칙파의 해석에서 대상구조물이 불투과성인 경우에는 기초방정식에서 체적공극율 면적공극율 및

투과층내의 저항력을 무시하면 된다 그리고 계산에서는 양측면과 바닥에는 불투과경계조건을 적용하였다

23 난류모델

난류모델에는 실용성이 높고 여러 분야에서 사용되고 있는 고 Reynolds형의 k e- 모델을 채용하였다

k e- 모델에서는 유속의 변동량 u v w 을 사용하여 난류에너지 k 와 난류에너지일산함수 e 을 다음과 같

이 정의한다

2 2 21 ( )2

k u v w= + + (27)

2 22 2 2 2 2u v w w v uvx y z x y z

eigrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para para paraiuml iumlaelig ouml aelig ouml= + + + + +iacute yacuteccedil divide ccedil divideccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslash egrave oslashegrave oslash egrave oslashiuml iumlicirc thorn

(28)

따라서 k 와 e 은 이하에 나타내는 이류확산방정식을 풀어서 산정할 수 있다

6

yx z

v x k y k

z k v s v

vkuk wkk k kv vt x y z x x y y

kv Gz z

gg gg g g

g g g e

para igrave uumlaelig oumlpara para igrave uumlpara para para para paraiuml iumlaelig ouml+ + + = +iacute yacute iacute yacuteccedil divideccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslash iuml iumlicirc thorn egrave oslashicirc thornigrave uumlpara paraaelig ouml+ + -iacute yacuteccedil dividepara paraegrave oslashicirc thorn

(29)

2

1 2

yx zv x y

z v s v

vu w v vt x y z x x y y

v C G Cz z k k

e e

e

g eg e g ee e eg g g

e e eg g g

para igrave uumlaelig oumlpara para igrave uumlpara para para para paraiuml iumlaelig ouml+ + + = +iacute yacute iacute yacuteccedil divideccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslash iuml iumlicirc thorn egrave oslashicirc thornigrave uumlpara paraaelig ouml+ + -iacute yacuteccedil dividepara paraegrave oslashicirc thorn

(210)

2 22 2

2 2 2s tu v w w v uG vx y z x y z

igrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para para paraiuml iumlaelig ouml aelig ouml= + + + + +iacute yacuteccedil divide ccedil divideccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslash egrave oslashegrave oslash egrave oslashiuml iumlicirc thorn (211)

여기서 와동점성계수 및 확산계수는 다음과 같이 주어진다

2

t

C kv m

e= (212)

tk

k

vv vs

= + (213)

tvv vees

= + (214)

또한 위의 식에서 나타나는 1 2 kC C Cm es s 는 경험정수로 보통 009 100 130kCm es s= = =

1 2144 192C C= = 가 사용된다 그리고 k e- 모델에서 구한 난류효과는 Navier-Stokes방정식에서 동점성계

수 및 압력을 각각 다음의 식과 같이 취급함으로써 유속 및 압력에 반영된다

e tv v v= + (215)

23

p p kr= + (216)

7

24 이류방정식

3D-NIT model은 수면을 추적하기 위해 VOF법을 이용하고 있다 VOF함수 F는 일정 물리량인 유체의 체적율

로서 0leFle1의 범위를 가진다 여기서 F=1일 경우는 유체셀로 F=0일 경우는 기체셀로 0ltFlt1일 경우는 표면셀

로 각각 판단하여 자유수면을 추적하게 되며 다음의 이류방정식(217)에 의해 VOF함수가 이류된다

( )( ) ( )( ) yx zvFuF wFF Fqt x y z

ee ee parapara parapara+ + + =

para para para para (217)

25 격자설정 방법

3D-NIT model은 기초방정식을 유한차분법으로 차분근사하여 수치계산을 수행한다 그리고 계산영역을 크기

가 일정한 직사각형의 격자로 분할하고 셀 전체에 유체가 있는 경우를 유체셀 셀 전체에 기체가 있는 경우를

기체셀 셀내에 유체와 기체가 혼합되어 있는 경우를 표면셀 셀 전체에 구조물이 있는 경우를 구조물셀로 각각

정의한다 또한 셀 주위에는 직접 계산에 이용되지는 않지만 경계처리시에 필요한 가상셀을 둔다 격자를 설정

한 후에는 각 셀에서의 유속 u v w를 각각 셀 경계인 오른쪽과 위쪽에 위치시키고 압력 p 조파소스의 유량

밀도 q 및 VOF함수 F 를 각각 셀 중심에 위치하도록 하여 변수들을 엇갈리게 격자를 구성하는 엇갈린 격자

(staggerd mesh)를 적용한다

26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파

3D-NIT model은 규칙파뿐만 아니라 불규칙파에 대해서도 계산이 가능한 수치모델로 3D-NIT model을 이용하

여 불규칙파를 검토하는 경우에 조파지점에서의 수위변동 및 물입자속도(수평 및 연직유속)을 사용자가 독자적

으로 입력데이터로 작성할 필요가 있다 일반적으로 불규칙파랑은 선형이론으로부터 얻어진 규칙파의 중첩으로

조파되지만 해석시간이 증가됨에 따라 평균수위가 상승하는 문제가 발생하여 계산이 불가능하게 된다 따라서

불규칙파랑의 조파와 같은 장시간의 해석시간이 요구되는 경우에 평균수위의 상승으로 인하여 요구되는 100파

정도의 파수를 얻기까지는 무리가 있을 수 있고 결과가 얻어졌다고 하여도 신뢰성에 문제가 있다

본 연구에서는 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우에 문제로 지적되는 평균수위상승을 억

제하면서 안정적으로 불규칙파가 조파될 수 있는 시스템을 기술(Fujiwara 2005)한다 그리고 불규칙파의 파운동

을 디지털방식으로 작성하는 Goda방법에 따른 불규칙파의 조파방법도 간략히 기술한다 불규칙파의 조파방법

은 선형이론으로부터 얻어진 성분파의 주파수에 하나씩 순번을 붙여서 이를 무한급수의 합으로 고려하는 것이

다 조파지점에 있어서는 수면파형 η 수평 및 연직유속 (uw)의 시간적인 변동이 필요하게 되며 이들은 각각 식

8

(218)sim(220)로 주어진다

1( ) cos(2 )

M

m m mm

t a f th p e=

= -aring (218)

1

cosh ( )( ) 2 cos(2 )sinh

Mm

m m m mm m

k h zu z t f a f tk h

p p e=

+= -aring (219)

1

sinh ( )( ) 2 sin(2 )sinh

Mm

m m m mm m

k h zw z t f a f tk h

p p e=

+= -aring (220)

여기서 me 은 random한 위상각 mf 은 주파수 ma 은 진폭 mk 은 파수 M은 성분파의 수 h는 수심이다 단

연직좌표 z 는 정수면에서 상방향을 (+)로 취하고 me 및 mf 의 선택방법은 후술되며 진폭 ma 은 다음의 식

(221)로 정의된다

2 ( )ma S f f= D (221)

여기서 fD 는 주파수폭 ( )S f 는 파랑에너지밀도이며 불규칙파의 스펙트럼은 불규칙파를 모의하는 데에

널리 사용되고 있는 식(222)의 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970) 스펙트럼을 적용하였다

2 4 5 413 13 13( ) 0257 exp 103( )S f H T f T F- - -eacute ugrave= -euml ucirc (222)

여기서 13H 은 유의파고 13T 은 유의파주기를 각각 나타낸다 일반적으로 수치해석을 통해 불규칙파를 검

토하는 경우 해석시간이 증가됨에 따라 평균수위가 상승하는 문제가 있다(CDIT 2001) 본 연구에서는 평균수위

상승을 억제하는 방법으로 조파지점에서 수평유속을 산출할 때 각 성분파에 대응하는 Stokes파의 질량수송속도

(mass transport velocity)를 빼주는 방법을 적용한다(Fujiwara 2005) 즉 식(219)에서 질량수송속도를 뺀 수평유속은

식(223)과 같이 표현된다

1

cosh ( )( ) 2 cos(2 )sinh

Mm

mm m m mm m

k h zu z t f a f t Uk h

p p e=

igrave uuml+= - -iacute yacute

icirc thornaring (223)

여기서 Stokes파의 질량수송속도 mU 은 성분파를 나타내는 m 을 제외하여 나타내면 다음의 식(224)와 같이

9

주어진다

2

cosh 4 ( ) 12 sinh (2 )

mm m mm

m m m

H H h z LUT L h L

p p pp+

= (224)

여기서 mz 은 물입자의 평균위치를 나타낸다

27 난수의 발생방법

난수(random numbers)는 random한 현상을 다루는 수치해석에서 많이 사용되는 매우 중요한 부분이다 난수를

발생시키는 방법에는 물리적인 방법과 수식을 이용한 방법이 있으며 물리적인 방법으로 난수를 발생시킬 경우

에는 많은 시간이 소요되며 컴퓨터를 이용한 모의실험에는 사용할 수 없다는 단점이 있다 따라서 수치해석에

사용되는 난수는 수식을 이용하여 발생되며 이러한 방법을 이용한 대표적인 난수발생방법으로 중양제곱법

(mid-squar method) 합동법(congruential method) 그리고 시프트법(shift method) 등이 있다(조 등 1992)

본 연구에서는 합동법에 기초하여 난수를 발생시켰고 난수발생은 IMSL(International Mathematical and Statistical

Library)의 난수발생기(random number generator)를 이용하였으며 그 알고리즘음 다음과 같다(Compaq computer

corporation 2001)

먼저 임의정수 1X 은 seed number이며 mod( )Y b 는 Y 를 b 로 나눈 나머지를 나타낸다 이러한 계산이 임

의주기 동안 진행되면서 1X 은 2X 로 변환되고 연속된 정수 iX 를 산출하는 과정을 반복한다 0과 1사이에 할

당된 난수는 식(225)에 의해 얻어질 수 있으며 상수는 식(226)에 나타낸 특수한 값으로 주어진다

12i iR X q i= = (225)

36 357909 2 2 1a b q= = = - (226)

이러한 과정에서 임의정수 iX 가 352 을 초과할 경우 iX 는 정수 35(2 1)- 로 변환된 후 계산이 수행되며

식(225)로부터 구한 난수는 [01] 사이에 분포한다

이로부터 불규칙파의 각 성분파간의 위상각 me 은 Fig 22에 나타낸 바와 같이 [01] 사이에 분포하는 난수를

발생시킨 후 위상을 조정하기 위해 2p 를 곱하여 [02 ]p 사이에 분포하는 값을 취하는 것으로 하였다

28 주파수의 선택방법

불규칙파를 모의하기 위한 주파수 mf

의 성분파의 진폭이 거의 같도록

Mitsuyasu(Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼에

다음의 식(227)을 이용하여 주파수 mf

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - =

10

주파수 mf 의 선택방법에는 주파수스펙트럼을 등구간으로

하는 등에너지로 분할하는 방법 등이 있다 본 연구에서는

스펙트럼에 대해 등에너지로 스펙트럼을 분할할 수 있는 Goda(1985)

mf 을 선택하였다

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - =

Fig 22 Random phase angle

mf 등구간으로 분할하는 방법과 각각

연구에서는 Bretshneider-

Goda(1985)에 의해 제안된

mf

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - = (227)

11

3장 수치해석의 검증

31 개요

일본의 연안개발기술센터(沿岸開發技術硏究セソタ 2001)에서 개발한 수치파동수조 CADMAS-SURF와 같은

2차원규칙파에 대한 연구는 많이 수행되고 있지만 2차원불규칙파와 3차원불규칙파에 대한 연구는 찾아보기가

어렵다

최근 개발되고 있는 방파제 및 호안의 경우 구조물의 형상이 복잡한 특수방파제가 많이 적용되고 있다 하지

만 이러한 방파제를 2차원으로 적용 ∙ 계산하기에는 반사율 파압분포 및 월파량의 추정치가 실제의 3차원의 경

우와는 상이한 결과가 발생할 것으로 판단된다 따라서 본 연구에서는 3차원수치파동수조인 3D-NIT model의 조

파성능에 대해 먼저 검토한다 그리고 3D-NIT model을 이용하여 규칙파 및 불규칙파를 조파하고 眞田(1998)의

수리실험과 비교 ∙ 검토함으로써 결과의 타당성을 논의한다 또한 불규칙파동장에 경사수심역에 설치된 호안을

대상으로 호안 배후로 전달되는 월파량을 산정하고 이의 결과를 실험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를

검토하고 더불어 파력의 실험치( Chakrabarti 1975)와 비교 ∙ 검토함으로써 결과의 타당성을 논의한다

32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증

불규칙파의 조파성능을 검증하기 위하여 Fig 31과 같은 구조물이 설치되지 않은 수심 219h m= 의 3차원

수치파동수조(부가감쇠영역과 해석영역으로 구성되었으며 격자크기는 1 05 05x m y m z mD = D = D = 로 설

정)에서 유의파고 13 7H m= 유의주기 13 1225secT = 를 목표로 성분파 200개를 선형중첩하여 불규칙파를

조파하였다 그리고 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을 방지하기

위하여 설치된 부가감쇠영역의 길이 aL 는 목표파 파장 0L 의 2배 이상으로 하였다 Fig 32는 조파지점에서의

계산파형을 목표한 파형과 비교한 그림으로 장시간의 해석에도 평균수위상승은 크게 나타나지 않으며 목표한

파형과 비교하여 전체적으로 파형과 위상이 잘 일치하고 있음을 확인할 수 있다

12

Fig 31 Schematic sketch of numerical wave tank

Fig 32 Comparison of target and calculated wave profiles at wave source position

3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 따른 연직원주구조물주변의 파랑변형에 대

하여 해석해 및 2차오더의 회절산란포텐셜을 유도한 眞田(1998)의 수치해석결과 및 수리실험결과와 본 수치해

석결과를 비교ᆞ검토한다

Fig 33은 비교에 적용된 3차원수치파동수조 및 연직원주구조물의 제원을 나타내며 이때 수치파동수조의 수

심은 45h cm= 로 일정하며 입사파고 3H cm= 입사주기 01sect = 의 규칙파에 대하여 수치계산을 수행하

였다 그리고 수치계산에서는 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을

방지하기 위하여 부가감쇠영역을 설치하며(Hinatsu 1992) 부가감쇠영역의 길이는 입사파장 L 의 2배 이상으로

하였다

x축을 따른 y=0 y=25cm의 위치 및 연직원주구조물의 주위에서 무차원최대수면상승고 max2h ( maxh 는 최대수

위값)의 공간분포에 대하여 眞田(1998)의 수치해석해석결과 및 수리실험결과와 비교한 본 계산결과를 Fig 34에

각각 제시하였고 다음의 결과를 살펴보면 원주 전면의 표면에서 가장 큰 무차원최대수면상승고가 나타났고 이

는 원주구조물의 전면에서 구조물에 의해 반사되는 회절산란파와 입사파의 중첩으로 부분중복파가 형성된것으

로 판단된다 그리고 Fig 34 (a)와 (b)에서 본 연구의 수치해석결과가 眞田(1998)의 수리실험치를 전체적으로 잘

재현하고 있으며 그 정도는 매우 높은 것으로 판단된다

()

mh

13

(a) Plan view

(b) Side view

Fig 33 Definition sketch of 3D numerical wave tank for comparison of wave transformation

(a) y=0cm

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zoneWave source

Wave

x

y

O

Open boundary Open boundary

Wave

Calculation zone

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

Wave source

2L 2L

z

O

45

33

50 30

x

Unitcm

14

(b) y=25cm

Fig 34 Comparison of spatial distribution of non-dimensional maximum water levels

33 월파량의 검토

본 절에서는 앞서 검토한 결과를 바탕으로 호안 배후로 전달되는 파랑의 월파량을 산정하고 이의 결과를 실

험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를 검토한다

Fig 35는 본 연구에서 월파량 산정을 위하여 고려된 수치파동수조고 Fig 36은 Fig 35의 수치파동수조에서

호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화를 파라미터로하여 산정된 호안월파량을 Goda(1985)의 실험치와 비교한

결과이다 이 때 적용한 파 조건은 주기 0 1383secT = 파고

0 4H m= 를 목표로 설정하였다 그리고 월파량

산정에 이용한 불규칙파는 파가 안정적으로 판단되는 조파개시후 50sec에서부터 600sec 사이의 파이며 월파량

은 호안의 천단상부에 설치된 수평유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 시간평균하여 산정하였다(Goda

1985)

Fig 36의 결과를 살펴보면 호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화에 따른 월파량의 변화특성을 살펴보면 본

연구의 계산치는 실험치를 잘 재현하고 있을 뿐 아니라 산정된 월파량의 정도는 실험치와 비교하여 상당히 높

은 것으로 판단된다

Fig 35 Numerical setup for wave overtopping over vertical seawall on a sea bottom slope of 110

15

Fig 36 Comparison between experimental and numerical results for wave overtopping rate over vertical seawall on a sea bottom

slope of 110 ( 0 0 0017H L = )

34 월파현상의 재현

Fig 37은 Fig 36의 0 0 075 15ch H h H= = 의 경우에 대한 월파에 따른 주변파동장의 변화를 나타낸

일례이다 그림을 살펴보면 본 연구의 수치파동수조는 기대하는 불규칙파동장을 잘 재현하는 것으로 판단된다

그리고 경사수심역상에는 수심변동으로 인한 천수변형을 확인할 수 있으며 호안의 천단상에서는 호안월파로

인하여 배후면으로 낙하되는 빠른 유속이 관찰된다 따라서 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장의 재현

및 수심변동에 따른 천수변형 호안월파로 인한 배후면의 파동장교란 등에 대해 고정도의 결과도 기대할 수 있

고 따라서 향후 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장하에 복잡한 형태를 가진 특수방파제 등에 의한 주변

파동장의 3차원적인 응답해석 및 월파현상을 확인하는데도 충분히 이용 가능할 것으로 판단된다

16

Fig 37 Spatial variation of irregular waves on a sea bottom slpoe of 110 ( 0 0 075 15ch H h H= = )

17

35 파력의 검증

다음으로 연직원주구조물에 작용하는 파력특성에 대하여 116h a = (a는 연직원주구조물의 반경)

0232H a = 인 경우에 기존의 수리실험결과(Chakrabarti and Tam 1975) 및 수치해석결과(喜岡와 石田 1984 村

上 등 1993)와 본 연구의 수치해석결과를 비교ᆞ검토한다 Fig 38은 해석에 이용된 연직원주구조물의 제원을 나

타내며 무차원최대파력 2max ( 2)F ga Hr 에 대하여 기존의 수리실험 및 수치해석결과와 비교한 것을 Fig

39에 제시하였다 결과를 살펴보면 실험치가 주어져 있는 kagt07(k는 파수 k=2 L)의 범위에서는 본 연구의 수치

해석결과는 수리실험결과를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되며 실험치가 주어지지 않은 kalt05의 범위에서 村

上 등(1993)의 결과는 Stokes 2차파이론의 적용범위를 초과하므로 발산하고 있다 이는 kalt05의 범위는 DLlt02

인 항력이 지배적인 소형구조물의 영역으로 기존의 해석법으로 파력을 산정하는데는 과도한 계산시간으로 파

력산정에 다소 무리가 있으며 항력과 관성력을 동시에 고려할 수 있는 Navier-Stokes의 운동방정식에 근거한 본

연구의 수치해석결과가 타당한 것으로 판단된다

Fig 38 Definition sketch for comparison of wave force acting on the circular cylinder

x

y

zWave

h

a

18

Fig 39 Comparison of non-dimensional maximum wave force acting on the circular cylinder

이상의 3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 의한 파랑변형 및 구조물에 작용하

는 파력의 수치해석결과가 실험치를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되므로 본 연구의 타당성이 검증된다

0 05 1 15 2ka

0

1

2

3

4

5

6F m

axr

ga2 (

H2

)This studyExp(Chakrabarti amp Tam 1975)Cal(Shin 2008)Cal(Murakami et al 1993)Cal(Kioka and Ishida 1984)

19

4 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장

해석에 적용

41 개요

해역에 설치된 구조물은 파력 풍력 조류력 등의 외력을 지속적으로 받기 때문에 구조물의 경우 극한의 파

랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충분한 강도를 가지도록 설계할 필요가 있다 본 연구에서는 해역에서 쇄파

가 발생할 때 원주구조물에 작용하는 쇄파력과 파랑변형을 논의한다 쇄파에 대한 이론 및 실험적 연구는 오래

전부터 많은 연구자들에 의해서 수행되어 왔고 최근에는 과도수파생성법(조 등 2001)에 의한 쇄파현상의 재현

및 비선형파의 3차원수치해석법에 의한 연구가 수행되고 있다(신 2008) 본 논문에서는 3차원불규칙파수치파동

수조 3D-NIT model을 적용하여 쇄파가 발생할 경우에 쇄파가 구조물에 미치는 영향에 대하여 검토하고 이와

연계하여 구조물에 작용하는 쇄파력의 크기를 분석한다 그리고 쇄파전의 영역 쇄파영역 및 쇄파후의 영역에

각각 원주구조물이 설치된 경우에 작용파력과 파랑변형의 특성을 조사하여 3D-NIT model의 적용성을 검토한다

42 수치파동수조

Fig 41과 같은 수심 30h cm= 를 갖는 규칙파동장의 경사수심역에 설치된 원주구조물을 대상으로 파력을

산정하며 적용한 규칙파는 주기 14secT = 파고 23456H cm= 이다 Table 41은 본 연구에서 대상으로

하는 수치파동수조의 특성을 나타내며 여기서 D는 원주구조물의 직경을 d는 경사수심이 이후의 수심을 나타

내고 s는 경사수심 끝단부로부터의 이격거리이다

(a) front view

20

(b) top view Fig 41 Definition sketch of 3D numerical wave tank for analysis of wavebreaking force acting on circular cylinder

Table 41 Condition of numerical analysis for circular cylinder shape of structure slope T(s) H(cm) h(cm) D(cm) d(cm) s(cm)

circular

cylinder

case1 110 14 2 3 4

5 6 30 60 4 0

case2 110 14 4 30 60 4 0 20 40

60 80

43 주변파동장

Fig 42는 원주구조물이 경사수심 끝단부에 위치할 때 파고 23456H cm= 로 변환될 경우의 원주구조물

로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면분포 및 단면분포를 나타낸 것이다 여기

서 파고 23H cm= 인 경우에는 쇄파현상이 발생하지 않지만 4H cm= 인 경우에는 경사수심이 끝나는 지점

에서 쇄파가 발생된다 이것은 수심이 낮아지면서 천수효과로 인해 파고가 쇄파한계를 넘어 쇄파가 발생된 것

으로 판단된다 그리고 56H cm= 인 경우에는 파고가 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생되

는 현상이 나타났다 이는 파고가 높아짐으로 인하여 쇄파한계가 경사수심의 끝단부 이전에서 나타난 것으로

보여진다

Fig 43은 case1에서 쇄파력이 원주구조물에 가장 영향이 많이 미칠 것으로 판단되는 파고 4H cm= 의 경

우에 대하여 원주구조물이 경사수심 끝단부로부터 이격거리 020406080s cm= 로 변환될 경우에 원주구조

물로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면 및 단면적인 변화양상을 나타낸 것이다

여기서 이격거리가 멀어짐에 따라 쇄파후 파의 재생성 과정을 통하여 정상상태의 파랑으로 전이되며 구조물

의 위치에 따른 구조물 전면부에서 처오름이 쇄파대 부분에 구조물이 위치할 경우보다 이격거리가 멀어질수록

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

yx

Wave

DSlope=110

500cm

21

작아지는 것을 확인할 수 있다

(a) 2 14sec 0H cm T s cm= = =

22

(b) 3 14sec 0H cm T s cm= = =

23

(c) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

24

(d) 5 14sec 0H cm T s cm= = =

25

(e) 6 14sec 0H cm T s cm= = =

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height

26

(a) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

27

(b) 4 14sec 20H cm T s cm= = =

28

(c) 4 14sec 40H cm T s cm= = =

29

(d) 4 14sec 60H cm T s cm= = =

30

(e) 4 14sec 80H cm T s cm= = =

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder

31

44 파력

Fig 44는 Fig 41에서 정의된 경사수심의 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 지점에 있어서 파고

23456H cm= 로 변화시킨 경우에 파력의 변화를 나타낸 것이다 결과를 살펴보면 파고 234H cm= 까

지는 파력이 증가하지만 5cm 이상부터는 오히려 파력이 감소하는 것을 알 수 있다 이는 Fig 42의 주변파동장

에서 파고가 5cm 이상부터 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생하여 쇄파로 인한 파랑에너지가

많이 소산된 것으로 판단된다 이러한 결과로 파고가 더 커지더라도 쇄파가 발생하는 위치에 따라 낮은 파고에

서도 높은 파력이 작용할 수 있다는 것이 확인되었다 따라서 수심이 얕아지는 천해역에서 방파제나 기타 구조

물을 설계함에 있어 구조물 전면부에서 쇄파가 발생하지 않도록 주의를 기울일 필요가 있을 것으로 판단된다

Fig 45는 Fig 41 에서 정의된 경사수심 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 일 때 최대로 파력이 작용하는 파

고 4H cm= 에 대하여 구조물의 이격거리 020406080s cm= 로 변화시켜 구조물의 이격거리에 따른 쇄

파력의 크기를 검토한 결과이고 Fig 46은 Fig 45의 이격거리 04080s cm= 의 경우 파력의 시계열을 나타낸

것이다 결과를 살펴보면 구조물의 이격거리가 증가함에 따라 파력이 감소하는 것이 나타났다 하지만 이격거

리 20s cm= 이후에서는 파력의 감소가 줄어든다 이는 쇄파로 인해 어느 정도 에너지가 소산되고 난 이후에

파고가 정상상태에 전이된 결과에 기인하는 것으로 판단된다

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1

0 1 2 3 4 5 6 7 8time(sec)

-10

0

10

20

30

F(N

)

H=2cmH=3cmH=4cmH=5cmH=6cm

32

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2

45 3차원불규칙수치파동수조에 의한 고립파의 적용

본 절에서는 3D-NIT model의 고립파로 적용성에 대하여 검토한다 고립파와 구조물과의 상호간섭을

해석하기 위하여 Fig 41과 같은 3차원수치파동수조를 고려한다 해석영역내에서는 수치적으로 고립파

를 발생시키기 위한 조파소스(Brorsen amp Lasen 1987 김 등 2001)와 무반사조파시스템을 위한 에너지감쇠

영역이 고려되고 3차원파동장에서 고립파의 작용하에 작용파압을 검토하기 위하여 경사수심을 갖는 불

투과지반에 연직주상구조물이 설치된다 조파소스에서 조파강도는 다음의 식(41)로 주어진다

0 20 40 60 80s(cm)

4

8

12

16F(

N)

0 2 4 6 8time(sec)

-5

0

5

10

15

20

F(N

)

s=0cms=40cms=80cm

33

( ) = 2 (41)

여기서 는 발생파의 수평유속성분을 각각 나타내며 본 연구에서는 조파소스강도 로서 식(42)과

같이 Grimshaw(1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사이론에 의한 수평방향유속 를 적용한다(Fenton

1972)

= ℎ[ minus minus + ] (42)

여기서 및 는 다음과 같이 정의된다

= minus 14 + + 1 + ℎ 32 minus 94

= 1940 + 15 minus 65 + 1 + ℎ minus 32 minus 154 + 152

= 1 + ℎ minus 38 minus 4516 + 4516

그리고 는 물입자의 연직방향 평균위치를 나타내며 와 는 다음의 식과 같이 정의된다

= ℎ (43)

= sech (44)

여기서 ℎ는 수심 는 고립파의 입사파고를 나타내며 와 는 각각 다음의 식으로 주어진다

= 34 1 minus 58 + 71128 (45)

= minus ℎ (46)

34

여기서 는 고립파의 파속으로 고립파의 3차근사이론에 의하면 다음의 식과 같이 표현된다

= ℎ 1 + 12 minus 320 + 356 (47)

Ohyama amp Nadaoka(1991)는 수치파동수조내에서 구조물이 설치될 경우 조파소스의 위치에서 반사파

의 영향을 고려하여 조파소스지점에서 연직적분치가 반사파가 없는 경우와 분포형상이 상사되도록 다

음의 식을 고려하고 있다

= 2 + ℎ + ℎ (48)

여기서 와 는 각각 조파소스의 위치에서 수위변동과 조파소스에 의해 기대되는 수위변동이다

본 연구에서 는 다음의 식과 같은 고립파의 3차근사식을 적용하여 산정된다(Fenton 1972)

= ℎ 1 + + 58 minus 10180 (49)

여기서 는 다음의 식(410)과 같이 주어진다

= tanh minus ℎ (410)

이상의 관계식을 3D-NIT model에 적용하여 고립파를 수치조파한다 전술한 결과에서 최대파력이 작용하는

Fig 41에서 이격거리 0s cm= 인 경우에 고립파의 파고 23456iH cm= 일 때 주변파동장의 변화양상을

Fig 47(a)~(e)에 나타내었다 결과를 살펴보면 단주기규칙파에서의 결과와는 달리 파고의 증가에도 구조물 전면

부에서 쇄파가 발생하지 않았다 이는 상대적으로 긴 파장으로 인하여 Ursell수가 작아지기 때문으로 판단된다

그리고 구조물 전면부에서 고립파로 인한 급격한 처오름현상이 확인되고 연직주상구조물로 인한 회절현상을

약간 확인할 수 있지만 파장이 상대적으로 길기 때문에 회절파라미터가 작아져 결과적으로 단주기파랑보다 회

절현상이 작아진다

연직주상구조물의 전면부에 작용하는 파력분포를 Fig 48에 나타내었다 결과를 살펴보면 모두 정수면에서

최대파력이 작용하고 파고가 증가함에 따라 구조물에 작용하는 최대파력이 거의 선형적으로 증가하는 것을 알

수 있다 이는 기본적으로 규칙파와 달리 쇄파가 발생하지 않고 경사수심으로 인한 고립파의 파고변화가 크게

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 5: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

iii

3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의

개발 및 그의 적용에 관한 연구

白 東 珍

韓國海洋大學校 大學院

土木環境工學科

요 약

외해에서 내습하는 파랑으로부터 연안역의 주요 시설물을 보호하고 해역을 정온화하기 위해 연안

역에 직립제 경사제 혼성제 등의 다양한 방파제를 건설하여 왔고 최근에는 주변경관과의 조화 친

수성 및 저반사의 목적 등으로 슬리트케이슨제로 대표되는 특수방파제가 많이 시공되고 있다 한편

해역에 설치된 구조물은 외력을 지속적으로 받으므로 극한의 파랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충

분한 강도를 구비할 필요성이 있고 이에 따라 특수방파제에 의한 파랑제어 및 구조물에 작용하는 파

력에 대한 고정도 해석이 요구된다 하지만 3차원적인 복잡한 형상을 갖는 방파제나 호안에 대한 3차

원적인 불규칙의 파랑작용을 2차원(단면)적인 파랑작용으로 근사 해석하는 방법은 실제의 파랑작용

iv

결과를 크게 왜곡할 수 있다 따라서 대부분의 경우 많은 시간과 경제적인 면이 요구되는 수리실험

을 통하여 파랑작용에 따른 거동을 검토하여 왔다 본 연구에서는 3차원수치파동수조에 규칙파뿐만

아니라 안정적인 불규칙파가 조파될 수 있는 새로운 조파시스템 3D-NIT(Three-Dimensional Numerical

Irregular wave Tank) model을 제안한다 그에 대한 타당성을 검증하기 위하여 조파지점에서의 계산파형

과 목포파형을 비교 middot 검토하고 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 기존의 월파량

의 실험치와 비교 middot 검토하여 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성을 평가하였다 또한 연직

원주구조물에 작용하는 파력 및 구조물에 의한 파랑변형의 해석에 적용하고 기존의 수치 및 수리실

험결과와 비교하여 3D-NIT model의 타당성을 검토하였다

이상의 결과를 기초로 본 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT)를 경사수심역에 설치된 원주구조

물에 작용하는 쇄파력의 해석에 적용하여 입사파고 구조물의 이격거리 등에 따른 작용쇄파력의 특성

을 규명하였고 더불어 국내현장의 특수방파제에 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 OWC

파력발전구조물에 적용하여 공기실내부의 수위변동으로부터 공기흐름속도를 산정하여 내부유수실에

서 불규칙공기흐름을 해석하였다

v

목 차

ABSTRACT i

요약 ⅲ

목차 v

LIST OF TABLES ⅷ

LIST OF FIGURES ⅸ

제 1 장 서론

11 연구의 배경 및 목적 1

12 연구의 구성 2

제 2 장 수치해석이론

21 개요 3

22 3차원수치파동수조의 기초방정식 4

23 난류모델 5

24 이류방정식 7

25 격자설정방법 7

26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파 7

27 난수의 발생방법 9

28 주파수의 선택방법 10

제 3 장 수치해석의 검증

31 개요 11

vi

32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증 11

33 월파량의 검토 14

34 월파현상의 재현 15

35 파력의 검증 17

제 4 장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용

41 개요 19

42 수치파동수조 19

43 주변파동장 20

44 파력 31

45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용 32

제 5 장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용

51 개요 41

52 O O O 서컨테이너안벽 46

521 수치파동수조 46

522 반사율 48

523 월파유량 49

53 O O O 신항만방파제 55

531 수치파동수조 55

532 반사율 57

533 월파유량 58

vii

제 6 장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용

61 개요 61

62수치파동수조 61

63공기실 내부에서의 수위변동 62

64공기흐름속도의 해석 63

제 7 장 결론

viii

LIST OF TABLES

Table 41 Condition of numerical analysis for circular cylinder 20

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater

and incident wave condition 49

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition 50

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater

and incident wave condition 57

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition 58

ix

LIST OF FIGURES

Fig 21 Schematic sketch of the numerical wave tank used in 3D-NIT 3

Fig 22 Random phase angle 10

Fig 31 Schematic sketch of numerical wave tank 12

Fig 32 Comparison of target and calculated wave profiles at wave source position 12

Fig 33 Definition sketch of 3D numerical wave tank for comparison of wave transformation 13

Fig 34 Comparison of spatial distribution of non-dimensional maximum water levels 14

Fig 35 Numerical setup for wave overtopping over vertical seawall on a sea bottom slope of 110 14

Fig 36 Comparison between experimental and numerical results for wave overtopping rate over

vertical seawall on a sea bottom slope of 110 ( 0 0 0017H L = ) 15

Fig 37 Spatial variation of irregular waves on a sea bottom slpoe of 110 ( 0 0 075 15ch H h H= = ) 16

Fig 38 Definition sketch for comparison of wave force acting on the circular cylinder 17

Fig 39 Comparison of non-dimensional maximum wave force acting on the circular cylinder 18

Fig 41 Definition sketch of 3D numerical wave tank for analysis of wavebreaking force acting on circular cylinder 20

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height 25

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder 30

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1 31

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2 32

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2 32

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height 39

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height 40

Fig 51 Type of specialized breakwater 45

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor 47

x

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater 48

Fig 54 Time variation of overtopping rate 50

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition 54

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor 56

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater 57

Fig 58 Time variation of overtopping rate 59

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = ) 60

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC 62

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber 63

Fig 63 Comparison of frequency spectrum 64

Fig 64 Elevation change at the structure location 65

Fig 65 Air velocity change at the structure location 65

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = ) 66

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity 67

1

1장 서론

11 연구의 배경 및 목적

외해에서 내습하는 파랑으로부터 연안역의 주요 시설물을 보호하고 해역을 정온화하기 위해 연안역에 직립

제 경사제 혼성제 등의 다양한 방파제를 건설하여 왔고 최근에는 주변경관과의 조화 친수성 및 저반사의 목적

등으로 슬리트케이슨제로 대표되는 특수방파제가 많이 시공되고 있다 한편 해역에 설치된 구조물은 외력을 지

속적으로 받으므로 극한의 파랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충분한 강도를 구비할 필요성이 있고 이에 따

라 특수방파제에 의한 파랑제어 및 구조물에 작용하는 파력에 대한 고정도 해석이 요구된다

구조물에 대한 파랑응답은 파랑과 구조물의 3차원적인 특성들로 인하여 복잡하게 나타나는 현상으로 내습

파랑에 의한 구조물의 정도 높은 평가를 위해서는 3차원구조물을 정확히 재현하고 이를 검토할 수 있는 3차원

불규칙수치파동수조의 개발이 필요하다 특히 3차원수치파동수조를 통하여 구조물을 검토하는 경우 구조물에

의한 주변파동장의 3차원적인 시 ∙ 공간변화를 상세히 검토할 수 있는 장점이 있으며 또한 구조물의 복잡한 형

상에 의한 파랑 상호간의 간섭현상까지도 검토할 수 있다 더불어 3차원수치파동수조에서는 구조물의 3차원적

인 특성에 따른 검토단면들에 대한 작용파압의 변화뿐만 아니라 구조물의 특성에 따른 파랑의 집중현상까지도

검토가 가능하다 그리고 파랑의 월파현상은 입사파랑조건에 따라 달라질 수 있지만 3차원구조물에 의한 파랑

집중현상에 의해서도 발생할 수 있다 이러한 부분들은 3차원수치파동수조를 통해서만 재현할 수 있고 3차원형

상의 구조물에 대한 대표단면만을 대상으로 하는 2차원수치해석(CDIT 2001)에서는 검토될 수 없는 사항들이다

한편 복잡한 구조물에 대한 실해역에 주어지는 불규칙파를 재현하기 위해서 지금까지의 수치해석기법으로는 2

차원수치해석을 통한 불규칙파의 해석이 주로 수행되어 왔고 3차원수치해석의 경우에는 규칙파에 대해서만 해

석이 이루어졌다 따라서 실제 해양에서의 파와 유사한 특성을 갖는 불규칙파에 대한 수치해석이 수행되지 않

아 불규칙파동장하에서 파랑과 구조물 사이의 3차원 수리특성을 규명하기 위해 막대한 시간과 경비가 소요되

는 수리모형실험이 실시되어 왔다

본 연구에서는 수리실험에 의존해 오던 3차원불규칙파와 구조물과의 상호작용에 의한 3차원 수리특성을 수

치적으로 접근 가능하고 복잡한 구조물에 대해서도 실해역에 주어지는 불규칙파의 재현이 가능한 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT(Three-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model의 개발 및 그의 적용성을 검토하는

것을 목적으로 향후 수리실험을 대신하여 구조물 주변파동장의 3차원적인 변동특성을 재현하여 그의 타당성을

검증하고 다양한 3차원특수방파제에 적용하여 내습파랑에 대한 구조물의 응답특성을 검토하고자 한다

2

12 연구의 구성

본 연구는 총 7장으로 구성되며 각 장의 내용은 다음과 같다

1) 제 1장에서는 본 연구의 배경 및 목적에 대하여 서술하고 연구의 구성에 대하여 간단히 기술한다

2) 제 2장에서는 3D-VOF법에 기초하여 자유수면을 추적하고 월파현상 및 고파랑에 대한 파랑특성을 예측

할 수 있는 수치모델로 규칙파뿐만 아니라 불규칙파에 대한 검토도 가능한 3차원불규칙파수치파동수조 3D-

NIT(Three-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model에 대한 이론적인 배경에 대해 기술한다

3) 제 3장에서는 3D-NIT model의 불규칙파의 조파성능 경사수심을 갖는 불규칙파동장에서 호안 배후로 전

달되는 월파량을 산정하여 실험결과와 비교 ∙ 검토하고 3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선

형간섭에 따른 연직원주구조물의 주변에서 파랑변형 및 연직원주구조물에 작용하는 파력특성에 관한 기존의

실험결과와 본 수치해석결과를 비교 ∙ 검토하여 본 연구에서 사용된 수치파동수조의 조파시스템의 타당성을 논

의한다

4) 제 4장에서는 충분한 폭을 갖는 3차원규칙파동장의 경사수역에서 동일한 파랑조건하에 원주구조물의 위

치변화에 따른 주변파동장과 적용파력 그리고 동일한 위치에서 상이한 입사파랑조건하에 연직원주구조물에 작

용하는 쇄파파력을 포함한 파력과 주변파동장의 변화특성을 고찰함으로써 본 3D-NIT model의 적용성을 검토한

5) 제 5장에서는 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 대하여 본 3D-NIT model을 적용하여 주변파동

장의 변화와 3차원월파량을 추정하여 통한 본 연구에서 제안하고 있는 3D-NIT model의 적용성을 논의한다

6) 제 6장에서는 본 연구의 3D-NIT model을 OWC파력발전구조물에서 수위변동을 통한 공기흐름속도의 해

석에 적용하여 입사파의 spectrum 공기실내의 파랑 spectrum 및 공기흐름속도에 관한 spectrum을 산출하고 더불

어 그의 특성을 규명함으로써 본 3D-NIT model의 적용성과 확장성을 살펴본다

7) 제 7장에서는 이상으로부터 도출된 중요한 사항을 요약하여 본 논문의 결론으로 한다

8) 끝으로 본 연구에서 참고하고 인용한 주요한 문헌을 수록한다

3

2장 수치해석이론

21 개요

비압축성의 점성유체에 대한 복잡한 자유수면을 효과적으로 수치모의할 수 있는 VOF법이 제안된 이후 자

유수면을 취급하는 많은 학문분야에서 이를 활용한 연구가 활발하게 진행되고 있다 특히 VOF법은 쇄파과정

및 쇄파후의 파형변형특성을 수치적으로 재현할 수 있어 해안공학분야에서도 VOF법을 활용한 수치모델이 많

이 사용되고 있다 VOF법은 단지 자유수면을 모의하는 기법이므로 해안공학분야에 적용시 파랑의 전달과 반사

를 정확하게 모의할 수 있는 효과적인 무반사조건을 포함한 경계조건과 수치조파방법을 결부시켜야 한다 이러

한 수치조파를 수치파동수조로 불리고 VOF법을 활용한 수치파동수조의 연구개발이 활발하게 이루어지고 있다

(沿岸開發技術硏究セソタ 2001 Van der Meer et al 1992 Troch P 1997 Hur and Mizutani 2003 Hur 2004 김 등 2001

2004 허 등 2005)

본 연구에서 적용하는 3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT (Three-Dimensional Numerical Irregular wave Tank)

model의 수치파동수조는 Fig 21(그림에서 0L 는 목표파의 파장 aL 는 부가감쇠영역의 길이 x y zD D D 는 수평

및 연직방향의 격자간격)에 보인 바와 같이 수치파동수조내에서 파의 재반사를 방지하기 위한 개경계처리기법

으로 해석영역의 양쪽에 부가감쇠영역을 두고 해석영역내에 조파를 위한 조파소스를 적용하고 있다

xD

yDz

D

Fig 21 Schematic sketch of the numerical wave tank used in 3D-NIT

4

22 3차원수치파동수조의 기초방정식

본 연구의 3D-NIT model은 기존의 2D-NIT(Two-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model의 계산수법을

3차원으로 확장한 것이며 자유표면해석모델에 VOF법을 난류해석에는 k e- 모델을 각각 적용하였고 기초방

정식은 3차원비압축성의 점성유체를 대상으로 한 연속식 및 Navier-Stokes방정식을 PBM (Porous Body Model)에

근거하여 확장한 다음의 식(21)~(24)로 주어진다

yx z

v

vu w Sx y z r

gg g gparapara para

+ + =para para para

(21)

2yx vz

v x e

y e z e v x x v u

vuuu wuu p ut x y z x x x

u v u w D u R Sy y x z z x

ll gll g nr

g n g n g g

parapara para igrave uumlpara para para paraaelig ouml+ + + = - + iacute yacuteccedil dividepara para para para para para paraegrave oslashicirc thornigrave uumlaelig ouml igrave uumlpara para para para para paraiuml iuml aelig ouml+ + + + - - +iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslashiuml iuml icirc thornegrave oslashicirc thorn

(22)

2

yx vzv x e

x e z e v y y v v

vvuv wvv p v ut x y z y x x y

v v w D v R Sy y z z y

ll gll g nr

g n g n g g

para igrave uumlaelig oumlpara parapara para para para paraiuml iuml+ + + = - + +iacute yacuteccedil dividepara para para para para para para paraiuml iumlegrave oslashicirc thornigrave uuml igrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para paraiuml iuml iuml iuml+ + + - - +iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para paraiuml iuml iuml iumlegrave oslash egrave oslashicirc thorn icirc thorn

(23)

2

yx vzv x e

y e z e v z z v w v

vwuw www p w ut x y z z x x z

w v w D w R S gy y z z z

ll gll g nr

g n g n g g g

parapara para igrave uumlpara para para para paraaelig ouml+ + + = - + +iacute yacuteccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslashicirc thornigrave uumlaelig ouml igrave uumlpara para para para paraiuml iuml aelig ouml+ + + - - + -iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para paraegrave oslashiuml iuml icirc thornegrave oslashicirc thorn

(24)

여기서 t 는 시간 x y 는 수평방향좌표 z 는 연직방향좌표 u v w는 x y z 방향의 유속성분 r 는 유체

밀도 p 는 압력 en 는 분자동점성계수 n 와 와점성계수 tn 의 합 g 는 중력가속도 vg 는 체적공극율

x y zg g g 는 x y z 방향의 면적공극율 x y zD D D 는 경계에서 반사파의 제어를 위해 설치한 스폰지층에서의

에너지감쇠계수 u v wS S S Sr 는 해석영역내의 조파를 위한 소스항 v x y zl l l l 는 구조물로부터 받는 관성

력효과를 나타낸 파라미터이고 식(25)와 같이 표현된다

5

(1 )(1 )(1 )

(1 )

v v v M

x x x M

y y y M

z z z M

CCCC

l g gl g gg g g

g g g

= + -

= + -

= + -

= + -

(25)

여기서 MC 은 관성력계수 x y zR R R 는 투과층(porous media)에서의 저항력이고 식(26)과 같이 주어진다

2 2 2

2 2 2

2 2 2

1 (1 )21 (1 )21 (1 )2

Dx x

Dy y

Dz z

CR u u v wx

CR v u v wy

CR w u v wz

g

g

g

= - + +D

= - + +D

= - + +D

(26)

여기서 DC 는 항력계수 x y zD D D 는 x y z 방향의 격자간격이다

본 연구에서는 이상의 이론에 근거한 3D-NIT model을 사용하여 규칙파 및 불규칙파의 해석을 수행한다 규

칙파 및 불규칙파의 해석에서 대상구조물이 불투과성인 경우에는 기초방정식에서 체적공극율 면적공극율 및

투과층내의 저항력을 무시하면 된다 그리고 계산에서는 양측면과 바닥에는 불투과경계조건을 적용하였다

23 난류모델

난류모델에는 실용성이 높고 여러 분야에서 사용되고 있는 고 Reynolds형의 k e- 모델을 채용하였다

k e- 모델에서는 유속의 변동량 u v w 을 사용하여 난류에너지 k 와 난류에너지일산함수 e 을 다음과 같

이 정의한다

2 2 21 ( )2

k u v w= + + (27)

2 22 2 2 2 2u v w w v uvx y z x y z

eigrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para para paraiuml iumlaelig ouml aelig ouml= + + + + +iacute yacuteccedil divide ccedil divideccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslash egrave oslashegrave oslash egrave oslashiuml iumlicirc thorn

(28)

따라서 k 와 e 은 이하에 나타내는 이류확산방정식을 풀어서 산정할 수 있다

6

yx z

v x k y k

z k v s v

vkuk wkk k kv vt x y z x x y y

kv Gz z

gg gg g g

g g g e

para igrave uumlaelig oumlpara para igrave uumlpara para para para paraiuml iumlaelig ouml+ + + = +iacute yacute iacute yacuteccedil divideccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslash iuml iumlicirc thorn egrave oslashicirc thornigrave uumlpara paraaelig ouml+ + -iacute yacuteccedil dividepara paraegrave oslashicirc thorn

(29)

2

1 2

yx zv x y

z v s v

vu w v vt x y z x x y y

v C G Cz z k k

e e

e

g eg e g ee e eg g g

e e eg g g

para igrave uumlaelig oumlpara para igrave uumlpara para para para paraiuml iumlaelig ouml+ + + = +iacute yacute iacute yacuteccedil divideccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslash iuml iumlicirc thorn egrave oslashicirc thornigrave uumlpara paraaelig ouml+ + -iacute yacuteccedil dividepara paraegrave oslashicirc thorn

(210)

2 22 2

2 2 2s tu v w w v uG vx y z x y z

igrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para para paraiuml iumlaelig ouml aelig ouml= + + + + +iacute yacuteccedil divide ccedil divideccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslash egrave oslashegrave oslash egrave oslashiuml iumlicirc thorn (211)

여기서 와동점성계수 및 확산계수는 다음과 같이 주어진다

2

t

C kv m

e= (212)

tk

k

vv vs

= + (213)

tvv vees

= + (214)

또한 위의 식에서 나타나는 1 2 kC C Cm es s 는 경험정수로 보통 009 100 130kCm es s= = =

1 2144 192C C= = 가 사용된다 그리고 k e- 모델에서 구한 난류효과는 Navier-Stokes방정식에서 동점성계

수 및 압력을 각각 다음의 식과 같이 취급함으로써 유속 및 압력에 반영된다

e tv v v= + (215)

23

p p kr= + (216)

7

24 이류방정식

3D-NIT model은 수면을 추적하기 위해 VOF법을 이용하고 있다 VOF함수 F는 일정 물리량인 유체의 체적율

로서 0leFle1의 범위를 가진다 여기서 F=1일 경우는 유체셀로 F=0일 경우는 기체셀로 0ltFlt1일 경우는 표면셀

로 각각 판단하여 자유수면을 추적하게 되며 다음의 이류방정식(217)에 의해 VOF함수가 이류된다

( )( ) ( )( ) yx zvFuF wFF Fqt x y z

ee ee parapara parapara+ + + =

para para para para (217)

25 격자설정 방법

3D-NIT model은 기초방정식을 유한차분법으로 차분근사하여 수치계산을 수행한다 그리고 계산영역을 크기

가 일정한 직사각형의 격자로 분할하고 셀 전체에 유체가 있는 경우를 유체셀 셀 전체에 기체가 있는 경우를

기체셀 셀내에 유체와 기체가 혼합되어 있는 경우를 표면셀 셀 전체에 구조물이 있는 경우를 구조물셀로 각각

정의한다 또한 셀 주위에는 직접 계산에 이용되지는 않지만 경계처리시에 필요한 가상셀을 둔다 격자를 설정

한 후에는 각 셀에서의 유속 u v w를 각각 셀 경계인 오른쪽과 위쪽에 위치시키고 압력 p 조파소스의 유량

밀도 q 및 VOF함수 F 를 각각 셀 중심에 위치하도록 하여 변수들을 엇갈리게 격자를 구성하는 엇갈린 격자

(staggerd mesh)를 적용한다

26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파

3D-NIT model은 규칙파뿐만 아니라 불규칙파에 대해서도 계산이 가능한 수치모델로 3D-NIT model을 이용하

여 불규칙파를 검토하는 경우에 조파지점에서의 수위변동 및 물입자속도(수평 및 연직유속)을 사용자가 독자적

으로 입력데이터로 작성할 필요가 있다 일반적으로 불규칙파랑은 선형이론으로부터 얻어진 규칙파의 중첩으로

조파되지만 해석시간이 증가됨에 따라 평균수위가 상승하는 문제가 발생하여 계산이 불가능하게 된다 따라서

불규칙파랑의 조파와 같은 장시간의 해석시간이 요구되는 경우에 평균수위의 상승으로 인하여 요구되는 100파

정도의 파수를 얻기까지는 무리가 있을 수 있고 결과가 얻어졌다고 하여도 신뢰성에 문제가 있다

본 연구에서는 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우에 문제로 지적되는 평균수위상승을 억

제하면서 안정적으로 불규칙파가 조파될 수 있는 시스템을 기술(Fujiwara 2005)한다 그리고 불규칙파의 파운동

을 디지털방식으로 작성하는 Goda방법에 따른 불규칙파의 조파방법도 간략히 기술한다 불규칙파의 조파방법

은 선형이론으로부터 얻어진 성분파의 주파수에 하나씩 순번을 붙여서 이를 무한급수의 합으로 고려하는 것이

다 조파지점에 있어서는 수면파형 η 수평 및 연직유속 (uw)의 시간적인 변동이 필요하게 되며 이들은 각각 식

8

(218)sim(220)로 주어진다

1( ) cos(2 )

M

m m mm

t a f th p e=

= -aring (218)

1

cosh ( )( ) 2 cos(2 )sinh

Mm

m m m mm m

k h zu z t f a f tk h

p p e=

+= -aring (219)

1

sinh ( )( ) 2 sin(2 )sinh

Mm

m m m mm m

k h zw z t f a f tk h

p p e=

+= -aring (220)

여기서 me 은 random한 위상각 mf 은 주파수 ma 은 진폭 mk 은 파수 M은 성분파의 수 h는 수심이다 단

연직좌표 z 는 정수면에서 상방향을 (+)로 취하고 me 및 mf 의 선택방법은 후술되며 진폭 ma 은 다음의 식

(221)로 정의된다

2 ( )ma S f f= D (221)

여기서 fD 는 주파수폭 ( )S f 는 파랑에너지밀도이며 불규칙파의 스펙트럼은 불규칙파를 모의하는 데에

널리 사용되고 있는 식(222)의 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970) 스펙트럼을 적용하였다

2 4 5 413 13 13( ) 0257 exp 103( )S f H T f T F- - -eacute ugrave= -euml ucirc (222)

여기서 13H 은 유의파고 13T 은 유의파주기를 각각 나타낸다 일반적으로 수치해석을 통해 불규칙파를 검

토하는 경우 해석시간이 증가됨에 따라 평균수위가 상승하는 문제가 있다(CDIT 2001) 본 연구에서는 평균수위

상승을 억제하는 방법으로 조파지점에서 수평유속을 산출할 때 각 성분파에 대응하는 Stokes파의 질량수송속도

(mass transport velocity)를 빼주는 방법을 적용한다(Fujiwara 2005) 즉 식(219)에서 질량수송속도를 뺀 수평유속은

식(223)과 같이 표현된다

1

cosh ( )( ) 2 cos(2 )sinh

Mm

mm m m mm m

k h zu z t f a f t Uk h

p p e=

igrave uuml+= - -iacute yacute

icirc thornaring (223)

여기서 Stokes파의 질량수송속도 mU 은 성분파를 나타내는 m 을 제외하여 나타내면 다음의 식(224)와 같이

9

주어진다

2

cosh 4 ( ) 12 sinh (2 )

mm m mm

m m m

H H h z LUT L h L

p p pp+

= (224)

여기서 mz 은 물입자의 평균위치를 나타낸다

27 난수의 발생방법

난수(random numbers)는 random한 현상을 다루는 수치해석에서 많이 사용되는 매우 중요한 부분이다 난수를

발생시키는 방법에는 물리적인 방법과 수식을 이용한 방법이 있으며 물리적인 방법으로 난수를 발생시킬 경우

에는 많은 시간이 소요되며 컴퓨터를 이용한 모의실험에는 사용할 수 없다는 단점이 있다 따라서 수치해석에

사용되는 난수는 수식을 이용하여 발생되며 이러한 방법을 이용한 대표적인 난수발생방법으로 중양제곱법

(mid-squar method) 합동법(congruential method) 그리고 시프트법(shift method) 등이 있다(조 등 1992)

본 연구에서는 합동법에 기초하여 난수를 발생시켰고 난수발생은 IMSL(International Mathematical and Statistical

Library)의 난수발생기(random number generator)를 이용하였으며 그 알고리즘음 다음과 같다(Compaq computer

corporation 2001)

먼저 임의정수 1X 은 seed number이며 mod( )Y b 는 Y 를 b 로 나눈 나머지를 나타낸다 이러한 계산이 임

의주기 동안 진행되면서 1X 은 2X 로 변환되고 연속된 정수 iX 를 산출하는 과정을 반복한다 0과 1사이에 할

당된 난수는 식(225)에 의해 얻어질 수 있으며 상수는 식(226)에 나타낸 특수한 값으로 주어진다

12i iR X q i= = (225)

36 357909 2 2 1a b q= = = - (226)

이러한 과정에서 임의정수 iX 가 352 을 초과할 경우 iX 는 정수 35(2 1)- 로 변환된 후 계산이 수행되며

식(225)로부터 구한 난수는 [01] 사이에 분포한다

이로부터 불규칙파의 각 성분파간의 위상각 me 은 Fig 22에 나타낸 바와 같이 [01] 사이에 분포하는 난수를

발생시킨 후 위상을 조정하기 위해 2p 를 곱하여 [02 ]p 사이에 분포하는 값을 취하는 것으로 하였다

28 주파수의 선택방법

불규칙파를 모의하기 위한 주파수 mf

의 성분파의 진폭이 거의 같도록

Mitsuyasu(Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼에

다음의 식(227)을 이용하여 주파수 mf

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - =

10

주파수 mf 의 선택방법에는 주파수스펙트럼을 등구간으로

하는 등에너지로 분할하는 방법 등이 있다 본 연구에서는

스펙트럼에 대해 등에너지로 스펙트럼을 분할할 수 있는 Goda(1985)

mf 을 선택하였다

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - =

Fig 22 Random phase angle

mf 등구간으로 분할하는 방법과 각각

연구에서는 Bretshneider-

Goda(1985)에 의해 제안된

mf

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - = (227)

11

3장 수치해석의 검증

31 개요

일본의 연안개발기술센터(沿岸開發技術硏究セソタ 2001)에서 개발한 수치파동수조 CADMAS-SURF와 같은

2차원규칙파에 대한 연구는 많이 수행되고 있지만 2차원불규칙파와 3차원불규칙파에 대한 연구는 찾아보기가

어렵다

최근 개발되고 있는 방파제 및 호안의 경우 구조물의 형상이 복잡한 특수방파제가 많이 적용되고 있다 하지

만 이러한 방파제를 2차원으로 적용 ∙ 계산하기에는 반사율 파압분포 및 월파량의 추정치가 실제의 3차원의 경

우와는 상이한 결과가 발생할 것으로 판단된다 따라서 본 연구에서는 3차원수치파동수조인 3D-NIT model의 조

파성능에 대해 먼저 검토한다 그리고 3D-NIT model을 이용하여 규칙파 및 불규칙파를 조파하고 眞田(1998)의

수리실험과 비교 ∙ 검토함으로써 결과의 타당성을 논의한다 또한 불규칙파동장에 경사수심역에 설치된 호안을

대상으로 호안 배후로 전달되는 월파량을 산정하고 이의 결과를 실험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를

검토하고 더불어 파력의 실험치( Chakrabarti 1975)와 비교 ∙ 검토함으로써 결과의 타당성을 논의한다

32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증

불규칙파의 조파성능을 검증하기 위하여 Fig 31과 같은 구조물이 설치되지 않은 수심 219h m= 의 3차원

수치파동수조(부가감쇠영역과 해석영역으로 구성되었으며 격자크기는 1 05 05x m y m z mD = D = D = 로 설

정)에서 유의파고 13 7H m= 유의주기 13 1225secT = 를 목표로 성분파 200개를 선형중첩하여 불규칙파를

조파하였다 그리고 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을 방지하기

위하여 설치된 부가감쇠영역의 길이 aL 는 목표파 파장 0L 의 2배 이상으로 하였다 Fig 32는 조파지점에서의

계산파형을 목표한 파형과 비교한 그림으로 장시간의 해석에도 평균수위상승은 크게 나타나지 않으며 목표한

파형과 비교하여 전체적으로 파형과 위상이 잘 일치하고 있음을 확인할 수 있다

12

Fig 31 Schematic sketch of numerical wave tank

Fig 32 Comparison of target and calculated wave profiles at wave source position

3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 따른 연직원주구조물주변의 파랑변형에 대

하여 해석해 및 2차오더의 회절산란포텐셜을 유도한 眞田(1998)의 수치해석결과 및 수리실험결과와 본 수치해

석결과를 비교ᆞ검토한다

Fig 33은 비교에 적용된 3차원수치파동수조 및 연직원주구조물의 제원을 나타내며 이때 수치파동수조의 수

심은 45h cm= 로 일정하며 입사파고 3H cm= 입사주기 01sect = 의 규칙파에 대하여 수치계산을 수행하

였다 그리고 수치계산에서는 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을

방지하기 위하여 부가감쇠영역을 설치하며(Hinatsu 1992) 부가감쇠영역의 길이는 입사파장 L 의 2배 이상으로

하였다

x축을 따른 y=0 y=25cm의 위치 및 연직원주구조물의 주위에서 무차원최대수면상승고 max2h ( maxh 는 최대수

위값)의 공간분포에 대하여 眞田(1998)의 수치해석해석결과 및 수리실험결과와 비교한 본 계산결과를 Fig 34에

각각 제시하였고 다음의 결과를 살펴보면 원주 전면의 표면에서 가장 큰 무차원최대수면상승고가 나타났고 이

는 원주구조물의 전면에서 구조물에 의해 반사되는 회절산란파와 입사파의 중첩으로 부분중복파가 형성된것으

로 판단된다 그리고 Fig 34 (a)와 (b)에서 본 연구의 수치해석결과가 眞田(1998)의 수리실험치를 전체적으로 잘

재현하고 있으며 그 정도는 매우 높은 것으로 판단된다

()

mh

13

(a) Plan view

(b) Side view

Fig 33 Definition sketch of 3D numerical wave tank for comparison of wave transformation

(a) y=0cm

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zoneWave source

Wave

x

y

O

Open boundary Open boundary

Wave

Calculation zone

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

Wave source

2L 2L

z

O

45

33

50 30

x

Unitcm

14

(b) y=25cm

Fig 34 Comparison of spatial distribution of non-dimensional maximum water levels

33 월파량의 검토

본 절에서는 앞서 검토한 결과를 바탕으로 호안 배후로 전달되는 파랑의 월파량을 산정하고 이의 결과를 실

험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를 검토한다

Fig 35는 본 연구에서 월파량 산정을 위하여 고려된 수치파동수조고 Fig 36은 Fig 35의 수치파동수조에서

호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화를 파라미터로하여 산정된 호안월파량을 Goda(1985)의 실험치와 비교한

결과이다 이 때 적용한 파 조건은 주기 0 1383secT = 파고

0 4H m= 를 목표로 설정하였다 그리고 월파량

산정에 이용한 불규칙파는 파가 안정적으로 판단되는 조파개시후 50sec에서부터 600sec 사이의 파이며 월파량

은 호안의 천단상부에 설치된 수평유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 시간평균하여 산정하였다(Goda

1985)

Fig 36의 결과를 살펴보면 호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화에 따른 월파량의 변화특성을 살펴보면 본

연구의 계산치는 실험치를 잘 재현하고 있을 뿐 아니라 산정된 월파량의 정도는 실험치와 비교하여 상당히 높

은 것으로 판단된다

Fig 35 Numerical setup for wave overtopping over vertical seawall on a sea bottom slope of 110

15

Fig 36 Comparison between experimental and numerical results for wave overtopping rate over vertical seawall on a sea bottom

slope of 110 ( 0 0 0017H L = )

34 월파현상의 재현

Fig 37은 Fig 36의 0 0 075 15ch H h H= = 의 경우에 대한 월파에 따른 주변파동장의 변화를 나타낸

일례이다 그림을 살펴보면 본 연구의 수치파동수조는 기대하는 불규칙파동장을 잘 재현하는 것으로 판단된다

그리고 경사수심역상에는 수심변동으로 인한 천수변형을 확인할 수 있으며 호안의 천단상에서는 호안월파로

인하여 배후면으로 낙하되는 빠른 유속이 관찰된다 따라서 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장의 재현

및 수심변동에 따른 천수변형 호안월파로 인한 배후면의 파동장교란 등에 대해 고정도의 결과도 기대할 수 있

고 따라서 향후 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장하에 복잡한 형태를 가진 특수방파제 등에 의한 주변

파동장의 3차원적인 응답해석 및 월파현상을 확인하는데도 충분히 이용 가능할 것으로 판단된다

16

Fig 37 Spatial variation of irregular waves on a sea bottom slpoe of 110 ( 0 0 075 15ch H h H= = )

17

35 파력의 검증

다음으로 연직원주구조물에 작용하는 파력특성에 대하여 116h a = (a는 연직원주구조물의 반경)

0232H a = 인 경우에 기존의 수리실험결과(Chakrabarti and Tam 1975) 및 수치해석결과(喜岡와 石田 1984 村

上 등 1993)와 본 연구의 수치해석결과를 비교ᆞ검토한다 Fig 38은 해석에 이용된 연직원주구조물의 제원을 나

타내며 무차원최대파력 2max ( 2)F ga Hr 에 대하여 기존의 수리실험 및 수치해석결과와 비교한 것을 Fig

39에 제시하였다 결과를 살펴보면 실험치가 주어져 있는 kagt07(k는 파수 k=2 L)의 범위에서는 본 연구의 수치

해석결과는 수리실험결과를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되며 실험치가 주어지지 않은 kalt05의 범위에서 村

上 등(1993)의 결과는 Stokes 2차파이론의 적용범위를 초과하므로 발산하고 있다 이는 kalt05의 범위는 DLlt02

인 항력이 지배적인 소형구조물의 영역으로 기존의 해석법으로 파력을 산정하는데는 과도한 계산시간으로 파

력산정에 다소 무리가 있으며 항력과 관성력을 동시에 고려할 수 있는 Navier-Stokes의 운동방정식에 근거한 본

연구의 수치해석결과가 타당한 것으로 판단된다

Fig 38 Definition sketch for comparison of wave force acting on the circular cylinder

x

y

zWave

h

a

18

Fig 39 Comparison of non-dimensional maximum wave force acting on the circular cylinder

이상의 3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 의한 파랑변형 및 구조물에 작용하

는 파력의 수치해석결과가 실험치를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되므로 본 연구의 타당성이 검증된다

0 05 1 15 2ka

0

1

2

3

4

5

6F m

axr

ga2 (

H2

)This studyExp(Chakrabarti amp Tam 1975)Cal(Shin 2008)Cal(Murakami et al 1993)Cal(Kioka and Ishida 1984)

19

4 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장

해석에 적용

41 개요

해역에 설치된 구조물은 파력 풍력 조류력 등의 외력을 지속적으로 받기 때문에 구조물의 경우 극한의 파

랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충분한 강도를 가지도록 설계할 필요가 있다 본 연구에서는 해역에서 쇄파

가 발생할 때 원주구조물에 작용하는 쇄파력과 파랑변형을 논의한다 쇄파에 대한 이론 및 실험적 연구는 오래

전부터 많은 연구자들에 의해서 수행되어 왔고 최근에는 과도수파생성법(조 등 2001)에 의한 쇄파현상의 재현

및 비선형파의 3차원수치해석법에 의한 연구가 수행되고 있다(신 2008) 본 논문에서는 3차원불규칙파수치파동

수조 3D-NIT model을 적용하여 쇄파가 발생할 경우에 쇄파가 구조물에 미치는 영향에 대하여 검토하고 이와

연계하여 구조물에 작용하는 쇄파력의 크기를 분석한다 그리고 쇄파전의 영역 쇄파영역 및 쇄파후의 영역에

각각 원주구조물이 설치된 경우에 작용파력과 파랑변형의 특성을 조사하여 3D-NIT model의 적용성을 검토한다

42 수치파동수조

Fig 41과 같은 수심 30h cm= 를 갖는 규칙파동장의 경사수심역에 설치된 원주구조물을 대상으로 파력을

산정하며 적용한 규칙파는 주기 14secT = 파고 23456H cm= 이다 Table 41은 본 연구에서 대상으로

하는 수치파동수조의 특성을 나타내며 여기서 D는 원주구조물의 직경을 d는 경사수심이 이후의 수심을 나타

내고 s는 경사수심 끝단부로부터의 이격거리이다

(a) front view

20

(b) top view Fig 41 Definition sketch of 3D numerical wave tank for analysis of wavebreaking force acting on circular cylinder

Table 41 Condition of numerical analysis for circular cylinder shape of structure slope T(s) H(cm) h(cm) D(cm) d(cm) s(cm)

circular

cylinder

case1 110 14 2 3 4

5 6 30 60 4 0

case2 110 14 4 30 60 4 0 20 40

60 80

43 주변파동장

Fig 42는 원주구조물이 경사수심 끝단부에 위치할 때 파고 23456H cm= 로 변환될 경우의 원주구조물

로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면분포 및 단면분포를 나타낸 것이다 여기

서 파고 23H cm= 인 경우에는 쇄파현상이 발생하지 않지만 4H cm= 인 경우에는 경사수심이 끝나는 지점

에서 쇄파가 발생된다 이것은 수심이 낮아지면서 천수효과로 인해 파고가 쇄파한계를 넘어 쇄파가 발생된 것

으로 판단된다 그리고 56H cm= 인 경우에는 파고가 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생되

는 현상이 나타났다 이는 파고가 높아짐으로 인하여 쇄파한계가 경사수심의 끝단부 이전에서 나타난 것으로

보여진다

Fig 43은 case1에서 쇄파력이 원주구조물에 가장 영향이 많이 미칠 것으로 판단되는 파고 4H cm= 의 경

우에 대하여 원주구조물이 경사수심 끝단부로부터 이격거리 020406080s cm= 로 변환될 경우에 원주구조

물로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면 및 단면적인 변화양상을 나타낸 것이다

여기서 이격거리가 멀어짐에 따라 쇄파후 파의 재생성 과정을 통하여 정상상태의 파랑으로 전이되며 구조물

의 위치에 따른 구조물 전면부에서 처오름이 쇄파대 부분에 구조물이 위치할 경우보다 이격거리가 멀어질수록

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

yx

Wave

DSlope=110

500cm

21

작아지는 것을 확인할 수 있다

(a) 2 14sec 0H cm T s cm= = =

22

(b) 3 14sec 0H cm T s cm= = =

23

(c) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

24

(d) 5 14sec 0H cm T s cm= = =

25

(e) 6 14sec 0H cm T s cm= = =

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height

26

(a) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

27

(b) 4 14sec 20H cm T s cm= = =

28

(c) 4 14sec 40H cm T s cm= = =

29

(d) 4 14sec 60H cm T s cm= = =

30

(e) 4 14sec 80H cm T s cm= = =

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder

31

44 파력

Fig 44는 Fig 41에서 정의된 경사수심의 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 지점에 있어서 파고

23456H cm= 로 변화시킨 경우에 파력의 변화를 나타낸 것이다 결과를 살펴보면 파고 234H cm= 까

지는 파력이 증가하지만 5cm 이상부터는 오히려 파력이 감소하는 것을 알 수 있다 이는 Fig 42의 주변파동장

에서 파고가 5cm 이상부터 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생하여 쇄파로 인한 파랑에너지가

많이 소산된 것으로 판단된다 이러한 결과로 파고가 더 커지더라도 쇄파가 발생하는 위치에 따라 낮은 파고에

서도 높은 파력이 작용할 수 있다는 것이 확인되었다 따라서 수심이 얕아지는 천해역에서 방파제나 기타 구조

물을 설계함에 있어 구조물 전면부에서 쇄파가 발생하지 않도록 주의를 기울일 필요가 있을 것으로 판단된다

Fig 45는 Fig 41 에서 정의된 경사수심 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 일 때 최대로 파력이 작용하는 파

고 4H cm= 에 대하여 구조물의 이격거리 020406080s cm= 로 변화시켜 구조물의 이격거리에 따른 쇄

파력의 크기를 검토한 결과이고 Fig 46은 Fig 45의 이격거리 04080s cm= 의 경우 파력의 시계열을 나타낸

것이다 결과를 살펴보면 구조물의 이격거리가 증가함에 따라 파력이 감소하는 것이 나타났다 하지만 이격거

리 20s cm= 이후에서는 파력의 감소가 줄어든다 이는 쇄파로 인해 어느 정도 에너지가 소산되고 난 이후에

파고가 정상상태에 전이된 결과에 기인하는 것으로 판단된다

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1

0 1 2 3 4 5 6 7 8time(sec)

-10

0

10

20

30

F(N

)

H=2cmH=3cmH=4cmH=5cmH=6cm

32

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2

45 3차원불규칙수치파동수조에 의한 고립파의 적용

본 절에서는 3D-NIT model의 고립파로 적용성에 대하여 검토한다 고립파와 구조물과의 상호간섭을

해석하기 위하여 Fig 41과 같은 3차원수치파동수조를 고려한다 해석영역내에서는 수치적으로 고립파

를 발생시키기 위한 조파소스(Brorsen amp Lasen 1987 김 등 2001)와 무반사조파시스템을 위한 에너지감쇠

영역이 고려되고 3차원파동장에서 고립파의 작용하에 작용파압을 검토하기 위하여 경사수심을 갖는 불

투과지반에 연직주상구조물이 설치된다 조파소스에서 조파강도는 다음의 식(41)로 주어진다

0 20 40 60 80s(cm)

4

8

12

16F(

N)

0 2 4 6 8time(sec)

-5

0

5

10

15

20

F(N

)

s=0cms=40cms=80cm

33

( ) = 2 (41)

여기서 는 발생파의 수평유속성분을 각각 나타내며 본 연구에서는 조파소스강도 로서 식(42)과

같이 Grimshaw(1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사이론에 의한 수평방향유속 를 적용한다(Fenton

1972)

= ℎ[ minus minus + ] (42)

여기서 및 는 다음과 같이 정의된다

= minus 14 + + 1 + ℎ 32 minus 94

= 1940 + 15 minus 65 + 1 + ℎ minus 32 minus 154 + 152

= 1 + ℎ minus 38 minus 4516 + 4516

그리고 는 물입자의 연직방향 평균위치를 나타내며 와 는 다음의 식과 같이 정의된다

= ℎ (43)

= sech (44)

여기서 ℎ는 수심 는 고립파의 입사파고를 나타내며 와 는 각각 다음의 식으로 주어진다

= 34 1 minus 58 + 71128 (45)

= minus ℎ (46)

34

여기서 는 고립파의 파속으로 고립파의 3차근사이론에 의하면 다음의 식과 같이 표현된다

= ℎ 1 + 12 minus 320 + 356 (47)

Ohyama amp Nadaoka(1991)는 수치파동수조내에서 구조물이 설치될 경우 조파소스의 위치에서 반사파

의 영향을 고려하여 조파소스지점에서 연직적분치가 반사파가 없는 경우와 분포형상이 상사되도록 다

음의 식을 고려하고 있다

= 2 + ℎ + ℎ (48)

여기서 와 는 각각 조파소스의 위치에서 수위변동과 조파소스에 의해 기대되는 수위변동이다

본 연구에서 는 다음의 식과 같은 고립파의 3차근사식을 적용하여 산정된다(Fenton 1972)

= ℎ 1 + + 58 minus 10180 (49)

여기서 는 다음의 식(410)과 같이 주어진다

= tanh minus ℎ (410)

이상의 관계식을 3D-NIT model에 적용하여 고립파를 수치조파한다 전술한 결과에서 최대파력이 작용하는

Fig 41에서 이격거리 0s cm= 인 경우에 고립파의 파고 23456iH cm= 일 때 주변파동장의 변화양상을

Fig 47(a)~(e)에 나타내었다 결과를 살펴보면 단주기규칙파에서의 결과와는 달리 파고의 증가에도 구조물 전면

부에서 쇄파가 발생하지 않았다 이는 상대적으로 긴 파장으로 인하여 Ursell수가 작아지기 때문으로 판단된다

그리고 구조물 전면부에서 고립파로 인한 급격한 처오름현상이 확인되고 연직주상구조물로 인한 회절현상을

약간 확인할 수 있지만 파장이 상대적으로 길기 때문에 회절파라미터가 작아져 결과적으로 단주기파랑보다 회

절현상이 작아진다

연직주상구조물의 전면부에 작용하는 파력분포를 Fig 48에 나타내었다 결과를 살펴보면 모두 정수면에서

최대파력이 작용하고 파고가 증가함에 따라 구조물에 작용하는 최대파력이 거의 선형적으로 증가하는 것을 알

수 있다 이는 기본적으로 규칙파와 달리 쇄파가 발생하지 않고 경사수심으로 인한 고립파의 파고변화가 크게

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

lt참고문헌gt

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 6: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

iv

결과를 크게 왜곡할 수 있다 따라서 대부분의 경우 많은 시간과 경제적인 면이 요구되는 수리실험

을 통하여 파랑작용에 따른 거동을 검토하여 왔다 본 연구에서는 3차원수치파동수조에 규칙파뿐만

아니라 안정적인 불규칙파가 조파될 수 있는 새로운 조파시스템 3D-NIT(Three-Dimensional Numerical

Irregular wave Tank) model을 제안한다 그에 대한 타당성을 검증하기 위하여 조파지점에서의 계산파형

과 목포파형을 비교 middot 검토하고 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 기존의 월파량

의 실험치와 비교 middot 검토하여 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성을 평가하였다 또한 연직

원주구조물에 작용하는 파력 및 구조물에 의한 파랑변형의 해석에 적용하고 기존의 수치 및 수리실

험결과와 비교하여 3D-NIT model의 타당성을 검토하였다

이상의 결과를 기초로 본 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT)를 경사수심역에 설치된 원주구조

물에 작용하는 쇄파력의 해석에 적용하여 입사파고 구조물의 이격거리 등에 따른 작용쇄파력의 특성

을 규명하였고 더불어 국내현장의 특수방파제에 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 OWC

파력발전구조물에 적용하여 공기실내부의 수위변동으로부터 공기흐름속도를 산정하여 내부유수실에

서 불규칙공기흐름을 해석하였다

v

목 차

ABSTRACT i

요약 ⅲ

목차 v

LIST OF TABLES ⅷ

LIST OF FIGURES ⅸ

제 1 장 서론

11 연구의 배경 및 목적 1

12 연구의 구성 2

제 2 장 수치해석이론

21 개요 3

22 3차원수치파동수조의 기초방정식 4

23 난류모델 5

24 이류방정식 7

25 격자설정방법 7

26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파 7

27 난수의 발생방법 9

28 주파수의 선택방법 10

제 3 장 수치해석의 검증

31 개요 11

vi

32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증 11

33 월파량의 검토 14

34 월파현상의 재현 15

35 파력의 검증 17

제 4 장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용

41 개요 19

42 수치파동수조 19

43 주변파동장 20

44 파력 31

45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용 32

제 5 장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용

51 개요 41

52 O O O 서컨테이너안벽 46

521 수치파동수조 46

522 반사율 48

523 월파유량 49

53 O O O 신항만방파제 55

531 수치파동수조 55

532 반사율 57

533 월파유량 58

vii

제 6 장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용

61 개요 61

62수치파동수조 61

63공기실 내부에서의 수위변동 62

64공기흐름속도의 해석 63

제 7 장 결론

viii

LIST OF TABLES

Table 41 Condition of numerical analysis for circular cylinder 20

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater

and incident wave condition 49

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition 50

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater

and incident wave condition 57

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition 58

ix

LIST OF FIGURES

Fig 21 Schematic sketch of the numerical wave tank used in 3D-NIT 3

Fig 22 Random phase angle 10

Fig 31 Schematic sketch of numerical wave tank 12

Fig 32 Comparison of target and calculated wave profiles at wave source position 12

Fig 33 Definition sketch of 3D numerical wave tank for comparison of wave transformation 13

Fig 34 Comparison of spatial distribution of non-dimensional maximum water levels 14

Fig 35 Numerical setup for wave overtopping over vertical seawall on a sea bottom slope of 110 14

Fig 36 Comparison between experimental and numerical results for wave overtopping rate over

vertical seawall on a sea bottom slope of 110 ( 0 0 0017H L = ) 15

Fig 37 Spatial variation of irregular waves on a sea bottom slpoe of 110 ( 0 0 075 15ch H h H= = ) 16

Fig 38 Definition sketch for comparison of wave force acting on the circular cylinder 17

Fig 39 Comparison of non-dimensional maximum wave force acting on the circular cylinder 18

Fig 41 Definition sketch of 3D numerical wave tank for analysis of wavebreaking force acting on circular cylinder 20

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height 25

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder 30

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1 31

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2 32

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2 32

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height 39

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height 40

Fig 51 Type of specialized breakwater 45

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor 47

x

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater 48

Fig 54 Time variation of overtopping rate 50

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition 54

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor 56

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater 57

Fig 58 Time variation of overtopping rate 59

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = ) 60

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC 62

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber 63

Fig 63 Comparison of frequency spectrum 64

Fig 64 Elevation change at the structure location 65

Fig 65 Air velocity change at the structure location 65

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = ) 66

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity 67

1

1장 서론

11 연구의 배경 및 목적

외해에서 내습하는 파랑으로부터 연안역의 주요 시설물을 보호하고 해역을 정온화하기 위해 연안역에 직립

제 경사제 혼성제 등의 다양한 방파제를 건설하여 왔고 최근에는 주변경관과의 조화 친수성 및 저반사의 목적

등으로 슬리트케이슨제로 대표되는 특수방파제가 많이 시공되고 있다 한편 해역에 설치된 구조물은 외력을 지

속적으로 받으므로 극한의 파랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충분한 강도를 구비할 필요성이 있고 이에 따

라 특수방파제에 의한 파랑제어 및 구조물에 작용하는 파력에 대한 고정도 해석이 요구된다

구조물에 대한 파랑응답은 파랑과 구조물의 3차원적인 특성들로 인하여 복잡하게 나타나는 현상으로 내습

파랑에 의한 구조물의 정도 높은 평가를 위해서는 3차원구조물을 정확히 재현하고 이를 검토할 수 있는 3차원

불규칙수치파동수조의 개발이 필요하다 특히 3차원수치파동수조를 통하여 구조물을 검토하는 경우 구조물에

의한 주변파동장의 3차원적인 시 ∙ 공간변화를 상세히 검토할 수 있는 장점이 있으며 또한 구조물의 복잡한 형

상에 의한 파랑 상호간의 간섭현상까지도 검토할 수 있다 더불어 3차원수치파동수조에서는 구조물의 3차원적

인 특성에 따른 검토단면들에 대한 작용파압의 변화뿐만 아니라 구조물의 특성에 따른 파랑의 집중현상까지도

검토가 가능하다 그리고 파랑의 월파현상은 입사파랑조건에 따라 달라질 수 있지만 3차원구조물에 의한 파랑

집중현상에 의해서도 발생할 수 있다 이러한 부분들은 3차원수치파동수조를 통해서만 재현할 수 있고 3차원형

상의 구조물에 대한 대표단면만을 대상으로 하는 2차원수치해석(CDIT 2001)에서는 검토될 수 없는 사항들이다

한편 복잡한 구조물에 대한 실해역에 주어지는 불규칙파를 재현하기 위해서 지금까지의 수치해석기법으로는 2

차원수치해석을 통한 불규칙파의 해석이 주로 수행되어 왔고 3차원수치해석의 경우에는 규칙파에 대해서만 해

석이 이루어졌다 따라서 실제 해양에서의 파와 유사한 특성을 갖는 불규칙파에 대한 수치해석이 수행되지 않

아 불규칙파동장하에서 파랑과 구조물 사이의 3차원 수리특성을 규명하기 위해 막대한 시간과 경비가 소요되

는 수리모형실험이 실시되어 왔다

본 연구에서는 수리실험에 의존해 오던 3차원불규칙파와 구조물과의 상호작용에 의한 3차원 수리특성을 수

치적으로 접근 가능하고 복잡한 구조물에 대해서도 실해역에 주어지는 불규칙파의 재현이 가능한 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT(Three-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model의 개발 및 그의 적용성을 검토하는

것을 목적으로 향후 수리실험을 대신하여 구조물 주변파동장의 3차원적인 변동특성을 재현하여 그의 타당성을

검증하고 다양한 3차원특수방파제에 적용하여 내습파랑에 대한 구조물의 응답특성을 검토하고자 한다

2

12 연구의 구성

본 연구는 총 7장으로 구성되며 각 장의 내용은 다음과 같다

1) 제 1장에서는 본 연구의 배경 및 목적에 대하여 서술하고 연구의 구성에 대하여 간단히 기술한다

2) 제 2장에서는 3D-VOF법에 기초하여 자유수면을 추적하고 월파현상 및 고파랑에 대한 파랑특성을 예측

할 수 있는 수치모델로 규칙파뿐만 아니라 불규칙파에 대한 검토도 가능한 3차원불규칙파수치파동수조 3D-

NIT(Three-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model에 대한 이론적인 배경에 대해 기술한다

3) 제 3장에서는 3D-NIT model의 불규칙파의 조파성능 경사수심을 갖는 불규칙파동장에서 호안 배후로 전

달되는 월파량을 산정하여 실험결과와 비교 ∙ 검토하고 3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선

형간섭에 따른 연직원주구조물의 주변에서 파랑변형 및 연직원주구조물에 작용하는 파력특성에 관한 기존의

실험결과와 본 수치해석결과를 비교 ∙ 검토하여 본 연구에서 사용된 수치파동수조의 조파시스템의 타당성을 논

의한다

4) 제 4장에서는 충분한 폭을 갖는 3차원규칙파동장의 경사수역에서 동일한 파랑조건하에 원주구조물의 위

치변화에 따른 주변파동장과 적용파력 그리고 동일한 위치에서 상이한 입사파랑조건하에 연직원주구조물에 작

용하는 쇄파파력을 포함한 파력과 주변파동장의 변화특성을 고찰함으로써 본 3D-NIT model의 적용성을 검토한

5) 제 5장에서는 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 대하여 본 3D-NIT model을 적용하여 주변파동

장의 변화와 3차원월파량을 추정하여 통한 본 연구에서 제안하고 있는 3D-NIT model의 적용성을 논의한다

6) 제 6장에서는 본 연구의 3D-NIT model을 OWC파력발전구조물에서 수위변동을 통한 공기흐름속도의 해

석에 적용하여 입사파의 spectrum 공기실내의 파랑 spectrum 및 공기흐름속도에 관한 spectrum을 산출하고 더불

어 그의 특성을 규명함으로써 본 3D-NIT model의 적용성과 확장성을 살펴본다

7) 제 7장에서는 이상으로부터 도출된 중요한 사항을 요약하여 본 논문의 결론으로 한다

8) 끝으로 본 연구에서 참고하고 인용한 주요한 문헌을 수록한다

3

2장 수치해석이론

21 개요

비압축성의 점성유체에 대한 복잡한 자유수면을 효과적으로 수치모의할 수 있는 VOF법이 제안된 이후 자

유수면을 취급하는 많은 학문분야에서 이를 활용한 연구가 활발하게 진행되고 있다 특히 VOF법은 쇄파과정

및 쇄파후의 파형변형특성을 수치적으로 재현할 수 있어 해안공학분야에서도 VOF법을 활용한 수치모델이 많

이 사용되고 있다 VOF법은 단지 자유수면을 모의하는 기법이므로 해안공학분야에 적용시 파랑의 전달과 반사

를 정확하게 모의할 수 있는 효과적인 무반사조건을 포함한 경계조건과 수치조파방법을 결부시켜야 한다 이러

한 수치조파를 수치파동수조로 불리고 VOF법을 활용한 수치파동수조의 연구개발이 활발하게 이루어지고 있다

(沿岸開發技術硏究セソタ 2001 Van der Meer et al 1992 Troch P 1997 Hur and Mizutani 2003 Hur 2004 김 등 2001

2004 허 등 2005)

본 연구에서 적용하는 3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT (Three-Dimensional Numerical Irregular wave Tank)

model의 수치파동수조는 Fig 21(그림에서 0L 는 목표파의 파장 aL 는 부가감쇠영역의 길이 x y zD D D 는 수평

및 연직방향의 격자간격)에 보인 바와 같이 수치파동수조내에서 파의 재반사를 방지하기 위한 개경계처리기법

으로 해석영역의 양쪽에 부가감쇠영역을 두고 해석영역내에 조파를 위한 조파소스를 적용하고 있다

xD

yDz

D

Fig 21 Schematic sketch of the numerical wave tank used in 3D-NIT

4

22 3차원수치파동수조의 기초방정식

본 연구의 3D-NIT model은 기존의 2D-NIT(Two-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model의 계산수법을

3차원으로 확장한 것이며 자유표면해석모델에 VOF법을 난류해석에는 k e- 모델을 각각 적용하였고 기초방

정식은 3차원비압축성의 점성유체를 대상으로 한 연속식 및 Navier-Stokes방정식을 PBM (Porous Body Model)에

근거하여 확장한 다음의 식(21)~(24)로 주어진다

yx z

v

vu w Sx y z r

gg g gparapara para

+ + =para para para

(21)

2yx vz

v x e

y e z e v x x v u

vuuu wuu p ut x y z x x x

u v u w D u R Sy y x z z x

ll gll g nr

g n g n g g

parapara para igrave uumlpara para para paraaelig ouml+ + + = - + iacute yacuteccedil dividepara para para para para para paraegrave oslashicirc thornigrave uumlaelig ouml igrave uumlpara para para para para paraiuml iuml aelig ouml+ + + + - - +iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslashiuml iuml icirc thornegrave oslashicirc thorn

(22)

2

yx vzv x e

x e z e v y y v v

vvuv wvv p v ut x y z y x x y

v v w D v R Sy y z z y

ll gll g nr

g n g n g g

para igrave uumlaelig oumlpara parapara para para para paraiuml iuml+ + + = - + +iacute yacuteccedil dividepara para para para para para para paraiuml iumlegrave oslashicirc thornigrave uuml igrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para paraiuml iuml iuml iuml+ + + - - +iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para paraiuml iuml iuml iumlegrave oslash egrave oslashicirc thorn icirc thorn

(23)

2

yx vzv x e

y e z e v z z v w v

vwuw www p w ut x y z z x x z

w v w D w R S gy y z z z

ll gll g nr

g n g n g g g

parapara para igrave uumlpara para para para paraaelig ouml+ + + = - + +iacute yacuteccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslashicirc thornigrave uumlaelig ouml igrave uumlpara para para para paraiuml iuml aelig ouml+ + + - - + -iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para paraegrave oslashiuml iuml icirc thornegrave oslashicirc thorn

(24)

여기서 t 는 시간 x y 는 수평방향좌표 z 는 연직방향좌표 u v w는 x y z 방향의 유속성분 r 는 유체

밀도 p 는 압력 en 는 분자동점성계수 n 와 와점성계수 tn 의 합 g 는 중력가속도 vg 는 체적공극율

x y zg g g 는 x y z 방향의 면적공극율 x y zD D D 는 경계에서 반사파의 제어를 위해 설치한 스폰지층에서의

에너지감쇠계수 u v wS S S Sr 는 해석영역내의 조파를 위한 소스항 v x y zl l l l 는 구조물로부터 받는 관성

력효과를 나타낸 파라미터이고 식(25)와 같이 표현된다

5

(1 )(1 )(1 )

(1 )

v v v M

x x x M

y y y M

z z z M

CCCC

l g gl g gg g g

g g g

= + -

= + -

= + -

= + -

(25)

여기서 MC 은 관성력계수 x y zR R R 는 투과층(porous media)에서의 저항력이고 식(26)과 같이 주어진다

2 2 2

2 2 2

2 2 2

1 (1 )21 (1 )21 (1 )2

Dx x

Dy y

Dz z

CR u u v wx

CR v u v wy

CR w u v wz

g

g

g

= - + +D

= - + +D

= - + +D

(26)

여기서 DC 는 항력계수 x y zD D D 는 x y z 방향의 격자간격이다

본 연구에서는 이상의 이론에 근거한 3D-NIT model을 사용하여 규칙파 및 불규칙파의 해석을 수행한다 규

칙파 및 불규칙파의 해석에서 대상구조물이 불투과성인 경우에는 기초방정식에서 체적공극율 면적공극율 및

투과층내의 저항력을 무시하면 된다 그리고 계산에서는 양측면과 바닥에는 불투과경계조건을 적용하였다

23 난류모델

난류모델에는 실용성이 높고 여러 분야에서 사용되고 있는 고 Reynolds형의 k e- 모델을 채용하였다

k e- 모델에서는 유속의 변동량 u v w 을 사용하여 난류에너지 k 와 난류에너지일산함수 e 을 다음과 같

이 정의한다

2 2 21 ( )2

k u v w= + + (27)

2 22 2 2 2 2u v w w v uvx y z x y z

eigrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para para paraiuml iumlaelig ouml aelig ouml= + + + + +iacute yacuteccedil divide ccedil divideccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslash egrave oslashegrave oslash egrave oslashiuml iumlicirc thorn

(28)

따라서 k 와 e 은 이하에 나타내는 이류확산방정식을 풀어서 산정할 수 있다

6

yx z

v x k y k

z k v s v

vkuk wkk k kv vt x y z x x y y

kv Gz z

gg gg g g

g g g e

para igrave uumlaelig oumlpara para igrave uumlpara para para para paraiuml iumlaelig ouml+ + + = +iacute yacute iacute yacuteccedil divideccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslash iuml iumlicirc thorn egrave oslashicirc thornigrave uumlpara paraaelig ouml+ + -iacute yacuteccedil dividepara paraegrave oslashicirc thorn

(29)

2

1 2

yx zv x y

z v s v

vu w v vt x y z x x y y

v C G Cz z k k

e e

e

g eg e g ee e eg g g

e e eg g g

para igrave uumlaelig oumlpara para igrave uumlpara para para para paraiuml iumlaelig ouml+ + + = +iacute yacute iacute yacuteccedil divideccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslash iuml iumlicirc thorn egrave oslashicirc thornigrave uumlpara paraaelig ouml+ + -iacute yacuteccedil dividepara paraegrave oslashicirc thorn

(210)

2 22 2

2 2 2s tu v w w v uG vx y z x y z

igrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para para paraiuml iumlaelig ouml aelig ouml= + + + + +iacute yacuteccedil divide ccedil divideccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslash egrave oslashegrave oslash egrave oslashiuml iumlicirc thorn (211)

여기서 와동점성계수 및 확산계수는 다음과 같이 주어진다

2

t

C kv m

e= (212)

tk

k

vv vs

= + (213)

tvv vees

= + (214)

또한 위의 식에서 나타나는 1 2 kC C Cm es s 는 경험정수로 보통 009 100 130kCm es s= = =

1 2144 192C C= = 가 사용된다 그리고 k e- 모델에서 구한 난류효과는 Navier-Stokes방정식에서 동점성계

수 및 압력을 각각 다음의 식과 같이 취급함으로써 유속 및 압력에 반영된다

e tv v v= + (215)

23

p p kr= + (216)

7

24 이류방정식

3D-NIT model은 수면을 추적하기 위해 VOF법을 이용하고 있다 VOF함수 F는 일정 물리량인 유체의 체적율

로서 0leFle1의 범위를 가진다 여기서 F=1일 경우는 유체셀로 F=0일 경우는 기체셀로 0ltFlt1일 경우는 표면셀

로 각각 판단하여 자유수면을 추적하게 되며 다음의 이류방정식(217)에 의해 VOF함수가 이류된다

( )( ) ( )( ) yx zvFuF wFF Fqt x y z

ee ee parapara parapara+ + + =

para para para para (217)

25 격자설정 방법

3D-NIT model은 기초방정식을 유한차분법으로 차분근사하여 수치계산을 수행한다 그리고 계산영역을 크기

가 일정한 직사각형의 격자로 분할하고 셀 전체에 유체가 있는 경우를 유체셀 셀 전체에 기체가 있는 경우를

기체셀 셀내에 유체와 기체가 혼합되어 있는 경우를 표면셀 셀 전체에 구조물이 있는 경우를 구조물셀로 각각

정의한다 또한 셀 주위에는 직접 계산에 이용되지는 않지만 경계처리시에 필요한 가상셀을 둔다 격자를 설정

한 후에는 각 셀에서의 유속 u v w를 각각 셀 경계인 오른쪽과 위쪽에 위치시키고 압력 p 조파소스의 유량

밀도 q 및 VOF함수 F 를 각각 셀 중심에 위치하도록 하여 변수들을 엇갈리게 격자를 구성하는 엇갈린 격자

(staggerd mesh)를 적용한다

26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파

3D-NIT model은 규칙파뿐만 아니라 불규칙파에 대해서도 계산이 가능한 수치모델로 3D-NIT model을 이용하

여 불규칙파를 검토하는 경우에 조파지점에서의 수위변동 및 물입자속도(수평 및 연직유속)을 사용자가 독자적

으로 입력데이터로 작성할 필요가 있다 일반적으로 불규칙파랑은 선형이론으로부터 얻어진 규칙파의 중첩으로

조파되지만 해석시간이 증가됨에 따라 평균수위가 상승하는 문제가 발생하여 계산이 불가능하게 된다 따라서

불규칙파랑의 조파와 같은 장시간의 해석시간이 요구되는 경우에 평균수위의 상승으로 인하여 요구되는 100파

정도의 파수를 얻기까지는 무리가 있을 수 있고 결과가 얻어졌다고 하여도 신뢰성에 문제가 있다

본 연구에서는 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우에 문제로 지적되는 평균수위상승을 억

제하면서 안정적으로 불규칙파가 조파될 수 있는 시스템을 기술(Fujiwara 2005)한다 그리고 불규칙파의 파운동

을 디지털방식으로 작성하는 Goda방법에 따른 불규칙파의 조파방법도 간략히 기술한다 불규칙파의 조파방법

은 선형이론으로부터 얻어진 성분파의 주파수에 하나씩 순번을 붙여서 이를 무한급수의 합으로 고려하는 것이

다 조파지점에 있어서는 수면파형 η 수평 및 연직유속 (uw)의 시간적인 변동이 필요하게 되며 이들은 각각 식

8

(218)sim(220)로 주어진다

1( ) cos(2 )

M

m m mm

t a f th p e=

= -aring (218)

1

cosh ( )( ) 2 cos(2 )sinh

Mm

m m m mm m

k h zu z t f a f tk h

p p e=

+= -aring (219)

1

sinh ( )( ) 2 sin(2 )sinh

Mm

m m m mm m

k h zw z t f a f tk h

p p e=

+= -aring (220)

여기서 me 은 random한 위상각 mf 은 주파수 ma 은 진폭 mk 은 파수 M은 성분파의 수 h는 수심이다 단

연직좌표 z 는 정수면에서 상방향을 (+)로 취하고 me 및 mf 의 선택방법은 후술되며 진폭 ma 은 다음의 식

(221)로 정의된다

2 ( )ma S f f= D (221)

여기서 fD 는 주파수폭 ( )S f 는 파랑에너지밀도이며 불규칙파의 스펙트럼은 불규칙파를 모의하는 데에

널리 사용되고 있는 식(222)의 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970) 스펙트럼을 적용하였다

2 4 5 413 13 13( ) 0257 exp 103( )S f H T f T F- - -eacute ugrave= -euml ucirc (222)

여기서 13H 은 유의파고 13T 은 유의파주기를 각각 나타낸다 일반적으로 수치해석을 통해 불규칙파를 검

토하는 경우 해석시간이 증가됨에 따라 평균수위가 상승하는 문제가 있다(CDIT 2001) 본 연구에서는 평균수위

상승을 억제하는 방법으로 조파지점에서 수평유속을 산출할 때 각 성분파에 대응하는 Stokes파의 질량수송속도

(mass transport velocity)를 빼주는 방법을 적용한다(Fujiwara 2005) 즉 식(219)에서 질량수송속도를 뺀 수평유속은

식(223)과 같이 표현된다

1

cosh ( )( ) 2 cos(2 )sinh

Mm

mm m m mm m

k h zu z t f a f t Uk h

p p e=

igrave uuml+= - -iacute yacute

icirc thornaring (223)

여기서 Stokes파의 질량수송속도 mU 은 성분파를 나타내는 m 을 제외하여 나타내면 다음의 식(224)와 같이

9

주어진다

2

cosh 4 ( ) 12 sinh (2 )

mm m mm

m m m

H H h z LUT L h L

p p pp+

= (224)

여기서 mz 은 물입자의 평균위치를 나타낸다

27 난수의 발생방법

난수(random numbers)는 random한 현상을 다루는 수치해석에서 많이 사용되는 매우 중요한 부분이다 난수를

발생시키는 방법에는 물리적인 방법과 수식을 이용한 방법이 있으며 물리적인 방법으로 난수를 발생시킬 경우

에는 많은 시간이 소요되며 컴퓨터를 이용한 모의실험에는 사용할 수 없다는 단점이 있다 따라서 수치해석에

사용되는 난수는 수식을 이용하여 발생되며 이러한 방법을 이용한 대표적인 난수발생방법으로 중양제곱법

(mid-squar method) 합동법(congruential method) 그리고 시프트법(shift method) 등이 있다(조 등 1992)

본 연구에서는 합동법에 기초하여 난수를 발생시켰고 난수발생은 IMSL(International Mathematical and Statistical

Library)의 난수발생기(random number generator)를 이용하였으며 그 알고리즘음 다음과 같다(Compaq computer

corporation 2001)

먼저 임의정수 1X 은 seed number이며 mod( )Y b 는 Y 를 b 로 나눈 나머지를 나타낸다 이러한 계산이 임

의주기 동안 진행되면서 1X 은 2X 로 변환되고 연속된 정수 iX 를 산출하는 과정을 반복한다 0과 1사이에 할

당된 난수는 식(225)에 의해 얻어질 수 있으며 상수는 식(226)에 나타낸 특수한 값으로 주어진다

12i iR X q i= = (225)

36 357909 2 2 1a b q= = = - (226)

이러한 과정에서 임의정수 iX 가 352 을 초과할 경우 iX 는 정수 35(2 1)- 로 변환된 후 계산이 수행되며

식(225)로부터 구한 난수는 [01] 사이에 분포한다

이로부터 불규칙파의 각 성분파간의 위상각 me 은 Fig 22에 나타낸 바와 같이 [01] 사이에 분포하는 난수를

발생시킨 후 위상을 조정하기 위해 2p 를 곱하여 [02 ]p 사이에 분포하는 값을 취하는 것으로 하였다

28 주파수의 선택방법

불규칙파를 모의하기 위한 주파수 mf

의 성분파의 진폭이 거의 같도록

Mitsuyasu(Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼에

다음의 식(227)을 이용하여 주파수 mf

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - =

10

주파수 mf 의 선택방법에는 주파수스펙트럼을 등구간으로

하는 등에너지로 분할하는 방법 등이 있다 본 연구에서는

스펙트럼에 대해 등에너지로 스펙트럼을 분할할 수 있는 Goda(1985)

mf 을 선택하였다

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - =

Fig 22 Random phase angle

mf 등구간으로 분할하는 방법과 각각

연구에서는 Bretshneider-

Goda(1985)에 의해 제안된

mf

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - = (227)

11

3장 수치해석의 검증

31 개요

일본의 연안개발기술센터(沿岸開發技術硏究セソタ 2001)에서 개발한 수치파동수조 CADMAS-SURF와 같은

2차원규칙파에 대한 연구는 많이 수행되고 있지만 2차원불규칙파와 3차원불규칙파에 대한 연구는 찾아보기가

어렵다

최근 개발되고 있는 방파제 및 호안의 경우 구조물의 형상이 복잡한 특수방파제가 많이 적용되고 있다 하지

만 이러한 방파제를 2차원으로 적용 ∙ 계산하기에는 반사율 파압분포 및 월파량의 추정치가 실제의 3차원의 경

우와는 상이한 결과가 발생할 것으로 판단된다 따라서 본 연구에서는 3차원수치파동수조인 3D-NIT model의 조

파성능에 대해 먼저 검토한다 그리고 3D-NIT model을 이용하여 규칙파 및 불규칙파를 조파하고 眞田(1998)의

수리실험과 비교 ∙ 검토함으로써 결과의 타당성을 논의한다 또한 불규칙파동장에 경사수심역에 설치된 호안을

대상으로 호안 배후로 전달되는 월파량을 산정하고 이의 결과를 실험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를

검토하고 더불어 파력의 실험치( Chakrabarti 1975)와 비교 ∙ 검토함으로써 결과의 타당성을 논의한다

32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증

불규칙파의 조파성능을 검증하기 위하여 Fig 31과 같은 구조물이 설치되지 않은 수심 219h m= 의 3차원

수치파동수조(부가감쇠영역과 해석영역으로 구성되었으며 격자크기는 1 05 05x m y m z mD = D = D = 로 설

정)에서 유의파고 13 7H m= 유의주기 13 1225secT = 를 목표로 성분파 200개를 선형중첩하여 불규칙파를

조파하였다 그리고 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을 방지하기

위하여 설치된 부가감쇠영역의 길이 aL 는 목표파 파장 0L 의 2배 이상으로 하였다 Fig 32는 조파지점에서의

계산파형을 목표한 파형과 비교한 그림으로 장시간의 해석에도 평균수위상승은 크게 나타나지 않으며 목표한

파형과 비교하여 전체적으로 파형과 위상이 잘 일치하고 있음을 확인할 수 있다

12

Fig 31 Schematic sketch of numerical wave tank

Fig 32 Comparison of target and calculated wave profiles at wave source position

3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 따른 연직원주구조물주변의 파랑변형에 대

하여 해석해 및 2차오더의 회절산란포텐셜을 유도한 眞田(1998)의 수치해석결과 및 수리실험결과와 본 수치해

석결과를 비교ᆞ검토한다

Fig 33은 비교에 적용된 3차원수치파동수조 및 연직원주구조물의 제원을 나타내며 이때 수치파동수조의 수

심은 45h cm= 로 일정하며 입사파고 3H cm= 입사주기 01sect = 의 규칙파에 대하여 수치계산을 수행하

였다 그리고 수치계산에서는 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을

방지하기 위하여 부가감쇠영역을 설치하며(Hinatsu 1992) 부가감쇠영역의 길이는 입사파장 L 의 2배 이상으로

하였다

x축을 따른 y=0 y=25cm의 위치 및 연직원주구조물의 주위에서 무차원최대수면상승고 max2h ( maxh 는 최대수

위값)의 공간분포에 대하여 眞田(1998)의 수치해석해석결과 및 수리실험결과와 비교한 본 계산결과를 Fig 34에

각각 제시하였고 다음의 결과를 살펴보면 원주 전면의 표면에서 가장 큰 무차원최대수면상승고가 나타났고 이

는 원주구조물의 전면에서 구조물에 의해 반사되는 회절산란파와 입사파의 중첩으로 부분중복파가 형성된것으

로 판단된다 그리고 Fig 34 (a)와 (b)에서 본 연구의 수치해석결과가 眞田(1998)의 수리실험치를 전체적으로 잘

재현하고 있으며 그 정도는 매우 높은 것으로 판단된다

()

mh

13

(a) Plan view

(b) Side view

Fig 33 Definition sketch of 3D numerical wave tank for comparison of wave transformation

(a) y=0cm

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zoneWave source

Wave

x

y

O

Open boundary Open boundary

Wave

Calculation zone

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

Wave source

2L 2L

z

O

45

33

50 30

x

Unitcm

14

(b) y=25cm

Fig 34 Comparison of spatial distribution of non-dimensional maximum water levels

33 월파량의 검토

본 절에서는 앞서 검토한 결과를 바탕으로 호안 배후로 전달되는 파랑의 월파량을 산정하고 이의 결과를 실

험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를 검토한다

Fig 35는 본 연구에서 월파량 산정을 위하여 고려된 수치파동수조고 Fig 36은 Fig 35의 수치파동수조에서

호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화를 파라미터로하여 산정된 호안월파량을 Goda(1985)의 실험치와 비교한

결과이다 이 때 적용한 파 조건은 주기 0 1383secT = 파고

0 4H m= 를 목표로 설정하였다 그리고 월파량

산정에 이용한 불규칙파는 파가 안정적으로 판단되는 조파개시후 50sec에서부터 600sec 사이의 파이며 월파량

은 호안의 천단상부에 설치된 수평유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 시간평균하여 산정하였다(Goda

1985)

Fig 36의 결과를 살펴보면 호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화에 따른 월파량의 변화특성을 살펴보면 본

연구의 계산치는 실험치를 잘 재현하고 있을 뿐 아니라 산정된 월파량의 정도는 실험치와 비교하여 상당히 높

은 것으로 판단된다

Fig 35 Numerical setup for wave overtopping over vertical seawall on a sea bottom slope of 110

15

Fig 36 Comparison between experimental and numerical results for wave overtopping rate over vertical seawall on a sea bottom

slope of 110 ( 0 0 0017H L = )

34 월파현상의 재현

Fig 37은 Fig 36의 0 0 075 15ch H h H= = 의 경우에 대한 월파에 따른 주변파동장의 변화를 나타낸

일례이다 그림을 살펴보면 본 연구의 수치파동수조는 기대하는 불규칙파동장을 잘 재현하는 것으로 판단된다

그리고 경사수심역상에는 수심변동으로 인한 천수변형을 확인할 수 있으며 호안의 천단상에서는 호안월파로

인하여 배후면으로 낙하되는 빠른 유속이 관찰된다 따라서 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장의 재현

및 수심변동에 따른 천수변형 호안월파로 인한 배후면의 파동장교란 등에 대해 고정도의 결과도 기대할 수 있

고 따라서 향후 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장하에 복잡한 형태를 가진 특수방파제 등에 의한 주변

파동장의 3차원적인 응답해석 및 월파현상을 확인하는데도 충분히 이용 가능할 것으로 판단된다

16

Fig 37 Spatial variation of irregular waves on a sea bottom slpoe of 110 ( 0 0 075 15ch H h H= = )

17

35 파력의 검증

다음으로 연직원주구조물에 작용하는 파력특성에 대하여 116h a = (a는 연직원주구조물의 반경)

0232H a = 인 경우에 기존의 수리실험결과(Chakrabarti and Tam 1975) 및 수치해석결과(喜岡와 石田 1984 村

上 등 1993)와 본 연구의 수치해석결과를 비교ᆞ검토한다 Fig 38은 해석에 이용된 연직원주구조물의 제원을 나

타내며 무차원최대파력 2max ( 2)F ga Hr 에 대하여 기존의 수리실험 및 수치해석결과와 비교한 것을 Fig

39에 제시하였다 결과를 살펴보면 실험치가 주어져 있는 kagt07(k는 파수 k=2 L)의 범위에서는 본 연구의 수치

해석결과는 수리실험결과를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되며 실험치가 주어지지 않은 kalt05의 범위에서 村

上 등(1993)의 결과는 Stokes 2차파이론의 적용범위를 초과하므로 발산하고 있다 이는 kalt05의 범위는 DLlt02

인 항력이 지배적인 소형구조물의 영역으로 기존의 해석법으로 파력을 산정하는데는 과도한 계산시간으로 파

력산정에 다소 무리가 있으며 항력과 관성력을 동시에 고려할 수 있는 Navier-Stokes의 운동방정식에 근거한 본

연구의 수치해석결과가 타당한 것으로 판단된다

Fig 38 Definition sketch for comparison of wave force acting on the circular cylinder

x

y

zWave

h

a

18

Fig 39 Comparison of non-dimensional maximum wave force acting on the circular cylinder

이상의 3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 의한 파랑변형 및 구조물에 작용하

는 파력의 수치해석결과가 실험치를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되므로 본 연구의 타당성이 검증된다

0 05 1 15 2ka

0

1

2

3

4

5

6F m

axr

ga2 (

H2

)This studyExp(Chakrabarti amp Tam 1975)Cal(Shin 2008)Cal(Murakami et al 1993)Cal(Kioka and Ishida 1984)

19

4 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장

해석에 적용

41 개요

해역에 설치된 구조물은 파력 풍력 조류력 등의 외력을 지속적으로 받기 때문에 구조물의 경우 극한의 파

랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충분한 강도를 가지도록 설계할 필요가 있다 본 연구에서는 해역에서 쇄파

가 발생할 때 원주구조물에 작용하는 쇄파력과 파랑변형을 논의한다 쇄파에 대한 이론 및 실험적 연구는 오래

전부터 많은 연구자들에 의해서 수행되어 왔고 최근에는 과도수파생성법(조 등 2001)에 의한 쇄파현상의 재현

및 비선형파의 3차원수치해석법에 의한 연구가 수행되고 있다(신 2008) 본 논문에서는 3차원불규칙파수치파동

수조 3D-NIT model을 적용하여 쇄파가 발생할 경우에 쇄파가 구조물에 미치는 영향에 대하여 검토하고 이와

연계하여 구조물에 작용하는 쇄파력의 크기를 분석한다 그리고 쇄파전의 영역 쇄파영역 및 쇄파후의 영역에

각각 원주구조물이 설치된 경우에 작용파력과 파랑변형의 특성을 조사하여 3D-NIT model의 적용성을 검토한다

42 수치파동수조

Fig 41과 같은 수심 30h cm= 를 갖는 규칙파동장의 경사수심역에 설치된 원주구조물을 대상으로 파력을

산정하며 적용한 규칙파는 주기 14secT = 파고 23456H cm= 이다 Table 41은 본 연구에서 대상으로

하는 수치파동수조의 특성을 나타내며 여기서 D는 원주구조물의 직경을 d는 경사수심이 이후의 수심을 나타

내고 s는 경사수심 끝단부로부터의 이격거리이다

(a) front view

20

(b) top view Fig 41 Definition sketch of 3D numerical wave tank for analysis of wavebreaking force acting on circular cylinder

Table 41 Condition of numerical analysis for circular cylinder shape of structure slope T(s) H(cm) h(cm) D(cm) d(cm) s(cm)

circular

cylinder

case1 110 14 2 3 4

5 6 30 60 4 0

case2 110 14 4 30 60 4 0 20 40

60 80

43 주변파동장

Fig 42는 원주구조물이 경사수심 끝단부에 위치할 때 파고 23456H cm= 로 변환될 경우의 원주구조물

로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면분포 및 단면분포를 나타낸 것이다 여기

서 파고 23H cm= 인 경우에는 쇄파현상이 발생하지 않지만 4H cm= 인 경우에는 경사수심이 끝나는 지점

에서 쇄파가 발생된다 이것은 수심이 낮아지면서 천수효과로 인해 파고가 쇄파한계를 넘어 쇄파가 발생된 것

으로 판단된다 그리고 56H cm= 인 경우에는 파고가 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생되

는 현상이 나타났다 이는 파고가 높아짐으로 인하여 쇄파한계가 경사수심의 끝단부 이전에서 나타난 것으로

보여진다

Fig 43은 case1에서 쇄파력이 원주구조물에 가장 영향이 많이 미칠 것으로 판단되는 파고 4H cm= 의 경

우에 대하여 원주구조물이 경사수심 끝단부로부터 이격거리 020406080s cm= 로 변환될 경우에 원주구조

물로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면 및 단면적인 변화양상을 나타낸 것이다

여기서 이격거리가 멀어짐에 따라 쇄파후 파의 재생성 과정을 통하여 정상상태의 파랑으로 전이되며 구조물

의 위치에 따른 구조물 전면부에서 처오름이 쇄파대 부분에 구조물이 위치할 경우보다 이격거리가 멀어질수록

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

yx

Wave

DSlope=110

500cm

21

작아지는 것을 확인할 수 있다

(a) 2 14sec 0H cm T s cm= = =

22

(b) 3 14sec 0H cm T s cm= = =

23

(c) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

24

(d) 5 14sec 0H cm T s cm= = =

25

(e) 6 14sec 0H cm T s cm= = =

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height

26

(a) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

27

(b) 4 14sec 20H cm T s cm= = =

28

(c) 4 14sec 40H cm T s cm= = =

29

(d) 4 14sec 60H cm T s cm= = =

30

(e) 4 14sec 80H cm T s cm= = =

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder

31

44 파력

Fig 44는 Fig 41에서 정의된 경사수심의 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 지점에 있어서 파고

23456H cm= 로 변화시킨 경우에 파력의 변화를 나타낸 것이다 결과를 살펴보면 파고 234H cm= 까

지는 파력이 증가하지만 5cm 이상부터는 오히려 파력이 감소하는 것을 알 수 있다 이는 Fig 42의 주변파동장

에서 파고가 5cm 이상부터 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생하여 쇄파로 인한 파랑에너지가

많이 소산된 것으로 판단된다 이러한 결과로 파고가 더 커지더라도 쇄파가 발생하는 위치에 따라 낮은 파고에

서도 높은 파력이 작용할 수 있다는 것이 확인되었다 따라서 수심이 얕아지는 천해역에서 방파제나 기타 구조

물을 설계함에 있어 구조물 전면부에서 쇄파가 발생하지 않도록 주의를 기울일 필요가 있을 것으로 판단된다

Fig 45는 Fig 41 에서 정의된 경사수심 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 일 때 최대로 파력이 작용하는 파

고 4H cm= 에 대하여 구조물의 이격거리 020406080s cm= 로 변화시켜 구조물의 이격거리에 따른 쇄

파력의 크기를 검토한 결과이고 Fig 46은 Fig 45의 이격거리 04080s cm= 의 경우 파력의 시계열을 나타낸

것이다 결과를 살펴보면 구조물의 이격거리가 증가함에 따라 파력이 감소하는 것이 나타났다 하지만 이격거

리 20s cm= 이후에서는 파력의 감소가 줄어든다 이는 쇄파로 인해 어느 정도 에너지가 소산되고 난 이후에

파고가 정상상태에 전이된 결과에 기인하는 것으로 판단된다

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1

0 1 2 3 4 5 6 7 8time(sec)

-10

0

10

20

30

F(N

)

H=2cmH=3cmH=4cmH=5cmH=6cm

32

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2

45 3차원불규칙수치파동수조에 의한 고립파의 적용

본 절에서는 3D-NIT model의 고립파로 적용성에 대하여 검토한다 고립파와 구조물과의 상호간섭을

해석하기 위하여 Fig 41과 같은 3차원수치파동수조를 고려한다 해석영역내에서는 수치적으로 고립파

를 발생시키기 위한 조파소스(Brorsen amp Lasen 1987 김 등 2001)와 무반사조파시스템을 위한 에너지감쇠

영역이 고려되고 3차원파동장에서 고립파의 작용하에 작용파압을 검토하기 위하여 경사수심을 갖는 불

투과지반에 연직주상구조물이 설치된다 조파소스에서 조파강도는 다음의 식(41)로 주어진다

0 20 40 60 80s(cm)

4

8

12

16F(

N)

0 2 4 6 8time(sec)

-5

0

5

10

15

20

F(N

)

s=0cms=40cms=80cm

33

( ) = 2 (41)

여기서 는 발생파의 수평유속성분을 각각 나타내며 본 연구에서는 조파소스강도 로서 식(42)과

같이 Grimshaw(1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사이론에 의한 수평방향유속 를 적용한다(Fenton

1972)

= ℎ[ minus minus + ] (42)

여기서 및 는 다음과 같이 정의된다

= minus 14 + + 1 + ℎ 32 minus 94

= 1940 + 15 minus 65 + 1 + ℎ minus 32 minus 154 + 152

= 1 + ℎ minus 38 minus 4516 + 4516

그리고 는 물입자의 연직방향 평균위치를 나타내며 와 는 다음의 식과 같이 정의된다

= ℎ (43)

= sech (44)

여기서 ℎ는 수심 는 고립파의 입사파고를 나타내며 와 는 각각 다음의 식으로 주어진다

= 34 1 minus 58 + 71128 (45)

= minus ℎ (46)

34

여기서 는 고립파의 파속으로 고립파의 3차근사이론에 의하면 다음의 식과 같이 표현된다

= ℎ 1 + 12 minus 320 + 356 (47)

Ohyama amp Nadaoka(1991)는 수치파동수조내에서 구조물이 설치될 경우 조파소스의 위치에서 반사파

의 영향을 고려하여 조파소스지점에서 연직적분치가 반사파가 없는 경우와 분포형상이 상사되도록 다

음의 식을 고려하고 있다

= 2 + ℎ + ℎ (48)

여기서 와 는 각각 조파소스의 위치에서 수위변동과 조파소스에 의해 기대되는 수위변동이다

본 연구에서 는 다음의 식과 같은 고립파의 3차근사식을 적용하여 산정된다(Fenton 1972)

= ℎ 1 + + 58 minus 10180 (49)

여기서 는 다음의 식(410)과 같이 주어진다

= tanh minus ℎ (410)

이상의 관계식을 3D-NIT model에 적용하여 고립파를 수치조파한다 전술한 결과에서 최대파력이 작용하는

Fig 41에서 이격거리 0s cm= 인 경우에 고립파의 파고 23456iH cm= 일 때 주변파동장의 변화양상을

Fig 47(a)~(e)에 나타내었다 결과를 살펴보면 단주기규칙파에서의 결과와는 달리 파고의 증가에도 구조물 전면

부에서 쇄파가 발생하지 않았다 이는 상대적으로 긴 파장으로 인하여 Ursell수가 작아지기 때문으로 판단된다

그리고 구조물 전면부에서 고립파로 인한 급격한 처오름현상이 확인되고 연직주상구조물로 인한 회절현상을

약간 확인할 수 있지만 파장이 상대적으로 길기 때문에 회절파라미터가 작아져 결과적으로 단주기파랑보다 회

절현상이 작아진다

연직주상구조물의 전면부에 작용하는 파력분포를 Fig 48에 나타내었다 결과를 살펴보면 모두 정수면에서

최대파력이 작용하고 파고가 증가함에 따라 구조물에 작용하는 최대파력이 거의 선형적으로 증가하는 것을 알

수 있다 이는 기본적으로 규칙파와 달리 쇄파가 발생하지 않고 경사수심으로 인한 고립파의 파고변화가 크게

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 7: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

v

목 차

ABSTRACT i

요약 ⅲ

목차 v

LIST OF TABLES ⅷ

LIST OF FIGURES ⅸ

제 1 장 서론

11 연구의 배경 및 목적 1

12 연구의 구성 2

제 2 장 수치해석이론

21 개요 3

22 3차원수치파동수조의 기초방정식 4

23 난류모델 5

24 이류방정식 7

25 격자설정방법 7

26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파 7

27 난수의 발생방법 9

28 주파수의 선택방법 10

제 3 장 수치해석의 검증

31 개요 11

vi

32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증 11

33 월파량의 검토 14

34 월파현상의 재현 15

35 파력의 검증 17

제 4 장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용

41 개요 19

42 수치파동수조 19

43 주변파동장 20

44 파력 31

45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용 32

제 5 장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용

51 개요 41

52 O O O 서컨테이너안벽 46

521 수치파동수조 46

522 반사율 48

523 월파유량 49

53 O O O 신항만방파제 55

531 수치파동수조 55

532 반사율 57

533 월파유량 58

vii

제 6 장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용

61 개요 61

62수치파동수조 61

63공기실 내부에서의 수위변동 62

64공기흐름속도의 해석 63

제 7 장 결론

viii

LIST OF TABLES

Table 41 Condition of numerical analysis for circular cylinder 20

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater

and incident wave condition 49

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition 50

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater

and incident wave condition 57

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition 58

ix

LIST OF FIGURES

Fig 21 Schematic sketch of the numerical wave tank used in 3D-NIT 3

Fig 22 Random phase angle 10

Fig 31 Schematic sketch of numerical wave tank 12

Fig 32 Comparison of target and calculated wave profiles at wave source position 12

Fig 33 Definition sketch of 3D numerical wave tank for comparison of wave transformation 13

Fig 34 Comparison of spatial distribution of non-dimensional maximum water levels 14

Fig 35 Numerical setup for wave overtopping over vertical seawall on a sea bottom slope of 110 14

Fig 36 Comparison between experimental and numerical results for wave overtopping rate over

vertical seawall on a sea bottom slope of 110 ( 0 0 0017H L = ) 15

Fig 37 Spatial variation of irregular waves on a sea bottom slpoe of 110 ( 0 0 075 15ch H h H= = ) 16

Fig 38 Definition sketch for comparison of wave force acting on the circular cylinder 17

Fig 39 Comparison of non-dimensional maximum wave force acting on the circular cylinder 18

Fig 41 Definition sketch of 3D numerical wave tank for analysis of wavebreaking force acting on circular cylinder 20

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height 25

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder 30

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1 31

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2 32

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2 32

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height 39

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height 40

Fig 51 Type of specialized breakwater 45

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor 47

x

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater 48

Fig 54 Time variation of overtopping rate 50

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition 54

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor 56

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater 57

Fig 58 Time variation of overtopping rate 59

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = ) 60

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC 62

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber 63

Fig 63 Comparison of frequency spectrum 64

Fig 64 Elevation change at the structure location 65

Fig 65 Air velocity change at the structure location 65

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = ) 66

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity 67

1

1장 서론

11 연구의 배경 및 목적

외해에서 내습하는 파랑으로부터 연안역의 주요 시설물을 보호하고 해역을 정온화하기 위해 연안역에 직립

제 경사제 혼성제 등의 다양한 방파제를 건설하여 왔고 최근에는 주변경관과의 조화 친수성 및 저반사의 목적

등으로 슬리트케이슨제로 대표되는 특수방파제가 많이 시공되고 있다 한편 해역에 설치된 구조물은 외력을 지

속적으로 받으므로 극한의 파랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충분한 강도를 구비할 필요성이 있고 이에 따

라 특수방파제에 의한 파랑제어 및 구조물에 작용하는 파력에 대한 고정도 해석이 요구된다

구조물에 대한 파랑응답은 파랑과 구조물의 3차원적인 특성들로 인하여 복잡하게 나타나는 현상으로 내습

파랑에 의한 구조물의 정도 높은 평가를 위해서는 3차원구조물을 정확히 재현하고 이를 검토할 수 있는 3차원

불규칙수치파동수조의 개발이 필요하다 특히 3차원수치파동수조를 통하여 구조물을 검토하는 경우 구조물에

의한 주변파동장의 3차원적인 시 ∙ 공간변화를 상세히 검토할 수 있는 장점이 있으며 또한 구조물의 복잡한 형

상에 의한 파랑 상호간의 간섭현상까지도 검토할 수 있다 더불어 3차원수치파동수조에서는 구조물의 3차원적

인 특성에 따른 검토단면들에 대한 작용파압의 변화뿐만 아니라 구조물의 특성에 따른 파랑의 집중현상까지도

검토가 가능하다 그리고 파랑의 월파현상은 입사파랑조건에 따라 달라질 수 있지만 3차원구조물에 의한 파랑

집중현상에 의해서도 발생할 수 있다 이러한 부분들은 3차원수치파동수조를 통해서만 재현할 수 있고 3차원형

상의 구조물에 대한 대표단면만을 대상으로 하는 2차원수치해석(CDIT 2001)에서는 검토될 수 없는 사항들이다

한편 복잡한 구조물에 대한 실해역에 주어지는 불규칙파를 재현하기 위해서 지금까지의 수치해석기법으로는 2

차원수치해석을 통한 불규칙파의 해석이 주로 수행되어 왔고 3차원수치해석의 경우에는 규칙파에 대해서만 해

석이 이루어졌다 따라서 실제 해양에서의 파와 유사한 특성을 갖는 불규칙파에 대한 수치해석이 수행되지 않

아 불규칙파동장하에서 파랑과 구조물 사이의 3차원 수리특성을 규명하기 위해 막대한 시간과 경비가 소요되

는 수리모형실험이 실시되어 왔다

본 연구에서는 수리실험에 의존해 오던 3차원불규칙파와 구조물과의 상호작용에 의한 3차원 수리특성을 수

치적으로 접근 가능하고 복잡한 구조물에 대해서도 실해역에 주어지는 불규칙파의 재현이 가능한 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT(Three-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model의 개발 및 그의 적용성을 검토하는

것을 목적으로 향후 수리실험을 대신하여 구조물 주변파동장의 3차원적인 변동특성을 재현하여 그의 타당성을

검증하고 다양한 3차원특수방파제에 적용하여 내습파랑에 대한 구조물의 응답특성을 검토하고자 한다

2

12 연구의 구성

본 연구는 총 7장으로 구성되며 각 장의 내용은 다음과 같다

1) 제 1장에서는 본 연구의 배경 및 목적에 대하여 서술하고 연구의 구성에 대하여 간단히 기술한다

2) 제 2장에서는 3D-VOF법에 기초하여 자유수면을 추적하고 월파현상 및 고파랑에 대한 파랑특성을 예측

할 수 있는 수치모델로 규칙파뿐만 아니라 불규칙파에 대한 검토도 가능한 3차원불규칙파수치파동수조 3D-

NIT(Three-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model에 대한 이론적인 배경에 대해 기술한다

3) 제 3장에서는 3D-NIT model의 불규칙파의 조파성능 경사수심을 갖는 불규칙파동장에서 호안 배후로 전

달되는 월파량을 산정하여 실험결과와 비교 ∙ 검토하고 3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선

형간섭에 따른 연직원주구조물의 주변에서 파랑변형 및 연직원주구조물에 작용하는 파력특성에 관한 기존의

실험결과와 본 수치해석결과를 비교 ∙ 검토하여 본 연구에서 사용된 수치파동수조의 조파시스템의 타당성을 논

의한다

4) 제 4장에서는 충분한 폭을 갖는 3차원규칙파동장의 경사수역에서 동일한 파랑조건하에 원주구조물의 위

치변화에 따른 주변파동장과 적용파력 그리고 동일한 위치에서 상이한 입사파랑조건하에 연직원주구조물에 작

용하는 쇄파파력을 포함한 파력과 주변파동장의 변화특성을 고찰함으로써 본 3D-NIT model의 적용성을 검토한

5) 제 5장에서는 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 대하여 본 3D-NIT model을 적용하여 주변파동

장의 변화와 3차원월파량을 추정하여 통한 본 연구에서 제안하고 있는 3D-NIT model의 적용성을 논의한다

6) 제 6장에서는 본 연구의 3D-NIT model을 OWC파력발전구조물에서 수위변동을 통한 공기흐름속도의 해

석에 적용하여 입사파의 spectrum 공기실내의 파랑 spectrum 및 공기흐름속도에 관한 spectrum을 산출하고 더불

어 그의 특성을 규명함으로써 본 3D-NIT model의 적용성과 확장성을 살펴본다

7) 제 7장에서는 이상으로부터 도출된 중요한 사항을 요약하여 본 논문의 결론으로 한다

8) 끝으로 본 연구에서 참고하고 인용한 주요한 문헌을 수록한다

3

2장 수치해석이론

21 개요

비압축성의 점성유체에 대한 복잡한 자유수면을 효과적으로 수치모의할 수 있는 VOF법이 제안된 이후 자

유수면을 취급하는 많은 학문분야에서 이를 활용한 연구가 활발하게 진행되고 있다 특히 VOF법은 쇄파과정

및 쇄파후의 파형변형특성을 수치적으로 재현할 수 있어 해안공학분야에서도 VOF법을 활용한 수치모델이 많

이 사용되고 있다 VOF법은 단지 자유수면을 모의하는 기법이므로 해안공학분야에 적용시 파랑의 전달과 반사

를 정확하게 모의할 수 있는 효과적인 무반사조건을 포함한 경계조건과 수치조파방법을 결부시켜야 한다 이러

한 수치조파를 수치파동수조로 불리고 VOF법을 활용한 수치파동수조의 연구개발이 활발하게 이루어지고 있다

(沿岸開發技術硏究セソタ 2001 Van der Meer et al 1992 Troch P 1997 Hur and Mizutani 2003 Hur 2004 김 등 2001

2004 허 등 2005)

본 연구에서 적용하는 3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT (Three-Dimensional Numerical Irregular wave Tank)

model의 수치파동수조는 Fig 21(그림에서 0L 는 목표파의 파장 aL 는 부가감쇠영역의 길이 x y zD D D 는 수평

및 연직방향의 격자간격)에 보인 바와 같이 수치파동수조내에서 파의 재반사를 방지하기 위한 개경계처리기법

으로 해석영역의 양쪽에 부가감쇠영역을 두고 해석영역내에 조파를 위한 조파소스를 적용하고 있다

xD

yDz

D

Fig 21 Schematic sketch of the numerical wave tank used in 3D-NIT

4

22 3차원수치파동수조의 기초방정식

본 연구의 3D-NIT model은 기존의 2D-NIT(Two-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model의 계산수법을

3차원으로 확장한 것이며 자유표면해석모델에 VOF법을 난류해석에는 k e- 모델을 각각 적용하였고 기초방

정식은 3차원비압축성의 점성유체를 대상으로 한 연속식 및 Navier-Stokes방정식을 PBM (Porous Body Model)에

근거하여 확장한 다음의 식(21)~(24)로 주어진다

yx z

v

vu w Sx y z r

gg g gparapara para

+ + =para para para

(21)

2yx vz

v x e

y e z e v x x v u

vuuu wuu p ut x y z x x x

u v u w D u R Sy y x z z x

ll gll g nr

g n g n g g

parapara para igrave uumlpara para para paraaelig ouml+ + + = - + iacute yacuteccedil dividepara para para para para para paraegrave oslashicirc thornigrave uumlaelig ouml igrave uumlpara para para para para paraiuml iuml aelig ouml+ + + + - - +iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslashiuml iuml icirc thornegrave oslashicirc thorn

(22)

2

yx vzv x e

x e z e v y y v v

vvuv wvv p v ut x y z y x x y

v v w D v R Sy y z z y

ll gll g nr

g n g n g g

para igrave uumlaelig oumlpara parapara para para para paraiuml iuml+ + + = - + +iacute yacuteccedil dividepara para para para para para para paraiuml iumlegrave oslashicirc thornigrave uuml igrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para paraiuml iuml iuml iuml+ + + - - +iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para paraiuml iuml iuml iumlegrave oslash egrave oslashicirc thorn icirc thorn

(23)

2

yx vzv x e

y e z e v z z v w v

vwuw www p w ut x y z z x x z

w v w D w R S gy y z z z

ll gll g nr

g n g n g g g

parapara para igrave uumlpara para para para paraaelig ouml+ + + = - + +iacute yacuteccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslashicirc thornigrave uumlaelig ouml igrave uumlpara para para para paraiuml iuml aelig ouml+ + + - - + -iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para paraegrave oslashiuml iuml icirc thornegrave oslashicirc thorn

(24)

여기서 t 는 시간 x y 는 수평방향좌표 z 는 연직방향좌표 u v w는 x y z 방향의 유속성분 r 는 유체

밀도 p 는 압력 en 는 분자동점성계수 n 와 와점성계수 tn 의 합 g 는 중력가속도 vg 는 체적공극율

x y zg g g 는 x y z 방향의 면적공극율 x y zD D D 는 경계에서 반사파의 제어를 위해 설치한 스폰지층에서의

에너지감쇠계수 u v wS S S Sr 는 해석영역내의 조파를 위한 소스항 v x y zl l l l 는 구조물로부터 받는 관성

력효과를 나타낸 파라미터이고 식(25)와 같이 표현된다

5

(1 )(1 )(1 )

(1 )

v v v M

x x x M

y y y M

z z z M

CCCC

l g gl g gg g g

g g g

= + -

= + -

= + -

= + -

(25)

여기서 MC 은 관성력계수 x y zR R R 는 투과층(porous media)에서의 저항력이고 식(26)과 같이 주어진다

2 2 2

2 2 2

2 2 2

1 (1 )21 (1 )21 (1 )2

Dx x

Dy y

Dz z

CR u u v wx

CR v u v wy

CR w u v wz

g

g

g

= - + +D

= - + +D

= - + +D

(26)

여기서 DC 는 항력계수 x y zD D D 는 x y z 방향의 격자간격이다

본 연구에서는 이상의 이론에 근거한 3D-NIT model을 사용하여 규칙파 및 불규칙파의 해석을 수행한다 규

칙파 및 불규칙파의 해석에서 대상구조물이 불투과성인 경우에는 기초방정식에서 체적공극율 면적공극율 및

투과층내의 저항력을 무시하면 된다 그리고 계산에서는 양측면과 바닥에는 불투과경계조건을 적용하였다

23 난류모델

난류모델에는 실용성이 높고 여러 분야에서 사용되고 있는 고 Reynolds형의 k e- 모델을 채용하였다

k e- 모델에서는 유속의 변동량 u v w 을 사용하여 난류에너지 k 와 난류에너지일산함수 e 을 다음과 같

이 정의한다

2 2 21 ( )2

k u v w= + + (27)

2 22 2 2 2 2u v w w v uvx y z x y z

eigrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para para paraiuml iumlaelig ouml aelig ouml= + + + + +iacute yacuteccedil divide ccedil divideccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslash egrave oslashegrave oslash egrave oslashiuml iumlicirc thorn

(28)

따라서 k 와 e 은 이하에 나타내는 이류확산방정식을 풀어서 산정할 수 있다

6

yx z

v x k y k

z k v s v

vkuk wkk k kv vt x y z x x y y

kv Gz z

gg gg g g

g g g e

para igrave uumlaelig oumlpara para igrave uumlpara para para para paraiuml iumlaelig ouml+ + + = +iacute yacute iacute yacuteccedil divideccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslash iuml iumlicirc thorn egrave oslashicirc thornigrave uumlpara paraaelig ouml+ + -iacute yacuteccedil dividepara paraegrave oslashicirc thorn

(29)

2

1 2

yx zv x y

z v s v

vu w v vt x y z x x y y

v C G Cz z k k

e e

e

g eg e g ee e eg g g

e e eg g g

para igrave uumlaelig oumlpara para igrave uumlpara para para para paraiuml iumlaelig ouml+ + + = +iacute yacute iacute yacuteccedil divideccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslash iuml iumlicirc thorn egrave oslashicirc thornigrave uumlpara paraaelig ouml+ + -iacute yacuteccedil dividepara paraegrave oslashicirc thorn

(210)

2 22 2

2 2 2s tu v w w v uG vx y z x y z

igrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para para paraiuml iumlaelig ouml aelig ouml= + + + + +iacute yacuteccedil divide ccedil divideccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslash egrave oslashegrave oslash egrave oslashiuml iumlicirc thorn (211)

여기서 와동점성계수 및 확산계수는 다음과 같이 주어진다

2

t

C kv m

e= (212)

tk

k

vv vs

= + (213)

tvv vees

= + (214)

또한 위의 식에서 나타나는 1 2 kC C Cm es s 는 경험정수로 보통 009 100 130kCm es s= = =

1 2144 192C C= = 가 사용된다 그리고 k e- 모델에서 구한 난류효과는 Navier-Stokes방정식에서 동점성계

수 및 압력을 각각 다음의 식과 같이 취급함으로써 유속 및 압력에 반영된다

e tv v v= + (215)

23

p p kr= + (216)

7

24 이류방정식

3D-NIT model은 수면을 추적하기 위해 VOF법을 이용하고 있다 VOF함수 F는 일정 물리량인 유체의 체적율

로서 0leFle1의 범위를 가진다 여기서 F=1일 경우는 유체셀로 F=0일 경우는 기체셀로 0ltFlt1일 경우는 표면셀

로 각각 판단하여 자유수면을 추적하게 되며 다음의 이류방정식(217)에 의해 VOF함수가 이류된다

( )( ) ( )( ) yx zvFuF wFF Fqt x y z

ee ee parapara parapara+ + + =

para para para para (217)

25 격자설정 방법

3D-NIT model은 기초방정식을 유한차분법으로 차분근사하여 수치계산을 수행한다 그리고 계산영역을 크기

가 일정한 직사각형의 격자로 분할하고 셀 전체에 유체가 있는 경우를 유체셀 셀 전체에 기체가 있는 경우를

기체셀 셀내에 유체와 기체가 혼합되어 있는 경우를 표면셀 셀 전체에 구조물이 있는 경우를 구조물셀로 각각

정의한다 또한 셀 주위에는 직접 계산에 이용되지는 않지만 경계처리시에 필요한 가상셀을 둔다 격자를 설정

한 후에는 각 셀에서의 유속 u v w를 각각 셀 경계인 오른쪽과 위쪽에 위치시키고 압력 p 조파소스의 유량

밀도 q 및 VOF함수 F 를 각각 셀 중심에 위치하도록 하여 변수들을 엇갈리게 격자를 구성하는 엇갈린 격자

(staggerd mesh)를 적용한다

26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파

3D-NIT model은 규칙파뿐만 아니라 불규칙파에 대해서도 계산이 가능한 수치모델로 3D-NIT model을 이용하

여 불규칙파를 검토하는 경우에 조파지점에서의 수위변동 및 물입자속도(수평 및 연직유속)을 사용자가 독자적

으로 입력데이터로 작성할 필요가 있다 일반적으로 불규칙파랑은 선형이론으로부터 얻어진 규칙파의 중첩으로

조파되지만 해석시간이 증가됨에 따라 평균수위가 상승하는 문제가 발생하여 계산이 불가능하게 된다 따라서

불규칙파랑의 조파와 같은 장시간의 해석시간이 요구되는 경우에 평균수위의 상승으로 인하여 요구되는 100파

정도의 파수를 얻기까지는 무리가 있을 수 있고 결과가 얻어졌다고 하여도 신뢰성에 문제가 있다

본 연구에서는 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우에 문제로 지적되는 평균수위상승을 억

제하면서 안정적으로 불규칙파가 조파될 수 있는 시스템을 기술(Fujiwara 2005)한다 그리고 불규칙파의 파운동

을 디지털방식으로 작성하는 Goda방법에 따른 불규칙파의 조파방법도 간략히 기술한다 불규칙파의 조파방법

은 선형이론으로부터 얻어진 성분파의 주파수에 하나씩 순번을 붙여서 이를 무한급수의 합으로 고려하는 것이

다 조파지점에 있어서는 수면파형 η 수평 및 연직유속 (uw)의 시간적인 변동이 필요하게 되며 이들은 각각 식

8

(218)sim(220)로 주어진다

1( ) cos(2 )

M

m m mm

t a f th p e=

= -aring (218)

1

cosh ( )( ) 2 cos(2 )sinh

Mm

m m m mm m

k h zu z t f a f tk h

p p e=

+= -aring (219)

1

sinh ( )( ) 2 sin(2 )sinh

Mm

m m m mm m

k h zw z t f a f tk h

p p e=

+= -aring (220)

여기서 me 은 random한 위상각 mf 은 주파수 ma 은 진폭 mk 은 파수 M은 성분파의 수 h는 수심이다 단

연직좌표 z 는 정수면에서 상방향을 (+)로 취하고 me 및 mf 의 선택방법은 후술되며 진폭 ma 은 다음의 식

(221)로 정의된다

2 ( )ma S f f= D (221)

여기서 fD 는 주파수폭 ( )S f 는 파랑에너지밀도이며 불규칙파의 스펙트럼은 불규칙파를 모의하는 데에

널리 사용되고 있는 식(222)의 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970) 스펙트럼을 적용하였다

2 4 5 413 13 13( ) 0257 exp 103( )S f H T f T F- - -eacute ugrave= -euml ucirc (222)

여기서 13H 은 유의파고 13T 은 유의파주기를 각각 나타낸다 일반적으로 수치해석을 통해 불규칙파를 검

토하는 경우 해석시간이 증가됨에 따라 평균수위가 상승하는 문제가 있다(CDIT 2001) 본 연구에서는 평균수위

상승을 억제하는 방법으로 조파지점에서 수평유속을 산출할 때 각 성분파에 대응하는 Stokes파의 질량수송속도

(mass transport velocity)를 빼주는 방법을 적용한다(Fujiwara 2005) 즉 식(219)에서 질량수송속도를 뺀 수평유속은

식(223)과 같이 표현된다

1

cosh ( )( ) 2 cos(2 )sinh

Mm

mm m m mm m

k h zu z t f a f t Uk h

p p e=

igrave uuml+= - -iacute yacute

icirc thornaring (223)

여기서 Stokes파의 질량수송속도 mU 은 성분파를 나타내는 m 을 제외하여 나타내면 다음의 식(224)와 같이

9

주어진다

2

cosh 4 ( ) 12 sinh (2 )

mm m mm

m m m

H H h z LUT L h L

p p pp+

= (224)

여기서 mz 은 물입자의 평균위치를 나타낸다

27 난수의 발생방법

난수(random numbers)는 random한 현상을 다루는 수치해석에서 많이 사용되는 매우 중요한 부분이다 난수를

발생시키는 방법에는 물리적인 방법과 수식을 이용한 방법이 있으며 물리적인 방법으로 난수를 발생시킬 경우

에는 많은 시간이 소요되며 컴퓨터를 이용한 모의실험에는 사용할 수 없다는 단점이 있다 따라서 수치해석에

사용되는 난수는 수식을 이용하여 발생되며 이러한 방법을 이용한 대표적인 난수발생방법으로 중양제곱법

(mid-squar method) 합동법(congruential method) 그리고 시프트법(shift method) 등이 있다(조 등 1992)

본 연구에서는 합동법에 기초하여 난수를 발생시켰고 난수발생은 IMSL(International Mathematical and Statistical

Library)의 난수발생기(random number generator)를 이용하였으며 그 알고리즘음 다음과 같다(Compaq computer

corporation 2001)

먼저 임의정수 1X 은 seed number이며 mod( )Y b 는 Y 를 b 로 나눈 나머지를 나타낸다 이러한 계산이 임

의주기 동안 진행되면서 1X 은 2X 로 변환되고 연속된 정수 iX 를 산출하는 과정을 반복한다 0과 1사이에 할

당된 난수는 식(225)에 의해 얻어질 수 있으며 상수는 식(226)에 나타낸 특수한 값으로 주어진다

12i iR X q i= = (225)

36 357909 2 2 1a b q= = = - (226)

이러한 과정에서 임의정수 iX 가 352 을 초과할 경우 iX 는 정수 35(2 1)- 로 변환된 후 계산이 수행되며

식(225)로부터 구한 난수는 [01] 사이에 분포한다

이로부터 불규칙파의 각 성분파간의 위상각 me 은 Fig 22에 나타낸 바와 같이 [01] 사이에 분포하는 난수를

발생시킨 후 위상을 조정하기 위해 2p 를 곱하여 [02 ]p 사이에 분포하는 값을 취하는 것으로 하였다

28 주파수의 선택방법

불규칙파를 모의하기 위한 주파수 mf

의 성분파의 진폭이 거의 같도록

Mitsuyasu(Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼에

다음의 식(227)을 이용하여 주파수 mf

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - =

10

주파수 mf 의 선택방법에는 주파수스펙트럼을 등구간으로

하는 등에너지로 분할하는 방법 등이 있다 본 연구에서는

스펙트럼에 대해 등에너지로 스펙트럼을 분할할 수 있는 Goda(1985)

mf 을 선택하였다

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - =

Fig 22 Random phase angle

mf 등구간으로 분할하는 방법과 각각

연구에서는 Bretshneider-

Goda(1985)에 의해 제안된

mf

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - = (227)

11

3장 수치해석의 검증

31 개요

일본의 연안개발기술센터(沿岸開發技術硏究セソタ 2001)에서 개발한 수치파동수조 CADMAS-SURF와 같은

2차원규칙파에 대한 연구는 많이 수행되고 있지만 2차원불규칙파와 3차원불규칙파에 대한 연구는 찾아보기가

어렵다

최근 개발되고 있는 방파제 및 호안의 경우 구조물의 형상이 복잡한 특수방파제가 많이 적용되고 있다 하지

만 이러한 방파제를 2차원으로 적용 ∙ 계산하기에는 반사율 파압분포 및 월파량의 추정치가 실제의 3차원의 경

우와는 상이한 결과가 발생할 것으로 판단된다 따라서 본 연구에서는 3차원수치파동수조인 3D-NIT model의 조

파성능에 대해 먼저 검토한다 그리고 3D-NIT model을 이용하여 규칙파 및 불규칙파를 조파하고 眞田(1998)의

수리실험과 비교 ∙ 검토함으로써 결과의 타당성을 논의한다 또한 불규칙파동장에 경사수심역에 설치된 호안을

대상으로 호안 배후로 전달되는 월파량을 산정하고 이의 결과를 실험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를

검토하고 더불어 파력의 실험치( Chakrabarti 1975)와 비교 ∙ 검토함으로써 결과의 타당성을 논의한다

32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증

불규칙파의 조파성능을 검증하기 위하여 Fig 31과 같은 구조물이 설치되지 않은 수심 219h m= 의 3차원

수치파동수조(부가감쇠영역과 해석영역으로 구성되었으며 격자크기는 1 05 05x m y m z mD = D = D = 로 설

정)에서 유의파고 13 7H m= 유의주기 13 1225secT = 를 목표로 성분파 200개를 선형중첩하여 불규칙파를

조파하였다 그리고 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을 방지하기

위하여 설치된 부가감쇠영역의 길이 aL 는 목표파 파장 0L 의 2배 이상으로 하였다 Fig 32는 조파지점에서의

계산파형을 목표한 파형과 비교한 그림으로 장시간의 해석에도 평균수위상승은 크게 나타나지 않으며 목표한

파형과 비교하여 전체적으로 파형과 위상이 잘 일치하고 있음을 확인할 수 있다

12

Fig 31 Schematic sketch of numerical wave tank

Fig 32 Comparison of target and calculated wave profiles at wave source position

3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 따른 연직원주구조물주변의 파랑변형에 대

하여 해석해 및 2차오더의 회절산란포텐셜을 유도한 眞田(1998)의 수치해석결과 및 수리실험결과와 본 수치해

석결과를 비교ᆞ검토한다

Fig 33은 비교에 적용된 3차원수치파동수조 및 연직원주구조물의 제원을 나타내며 이때 수치파동수조의 수

심은 45h cm= 로 일정하며 입사파고 3H cm= 입사주기 01sect = 의 규칙파에 대하여 수치계산을 수행하

였다 그리고 수치계산에서는 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을

방지하기 위하여 부가감쇠영역을 설치하며(Hinatsu 1992) 부가감쇠영역의 길이는 입사파장 L 의 2배 이상으로

하였다

x축을 따른 y=0 y=25cm의 위치 및 연직원주구조물의 주위에서 무차원최대수면상승고 max2h ( maxh 는 최대수

위값)의 공간분포에 대하여 眞田(1998)의 수치해석해석결과 및 수리실험결과와 비교한 본 계산결과를 Fig 34에

각각 제시하였고 다음의 결과를 살펴보면 원주 전면의 표면에서 가장 큰 무차원최대수면상승고가 나타났고 이

는 원주구조물의 전면에서 구조물에 의해 반사되는 회절산란파와 입사파의 중첩으로 부분중복파가 형성된것으

로 판단된다 그리고 Fig 34 (a)와 (b)에서 본 연구의 수치해석결과가 眞田(1998)의 수리실험치를 전체적으로 잘

재현하고 있으며 그 정도는 매우 높은 것으로 판단된다

()

mh

13

(a) Plan view

(b) Side view

Fig 33 Definition sketch of 3D numerical wave tank for comparison of wave transformation

(a) y=0cm

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zoneWave source

Wave

x

y

O

Open boundary Open boundary

Wave

Calculation zone

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

Wave source

2L 2L

z

O

45

33

50 30

x

Unitcm

14

(b) y=25cm

Fig 34 Comparison of spatial distribution of non-dimensional maximum water levels

33 월파량의 검토

본 절에서는 앞서 검토한 결과를 바탕으로 호안 배후로 전달되는 파랑의 월파량을 산정하고 이의 결과를 실

험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를 검토한다

Fig 35는 본 연구에서 월파량 산정을 위하여 고려된 수치파동수조고 Fig 36은 Fig 35의 수치파동수조에서

호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화를 파라미터로하여 산정된 호안월파량을 Goda(1985)의 실험치와 비교한

결과이다 이 때 적용한 파 조건은 주기 0 1383secT = 파고

0 4H m= 를 목표로 설정하였다 그리고 월파량

산정에 이용한 불규칙파는 파가 안정적으로 판단되는 조파개시후 50sec에서부터 600sec 사이의 파이며 월파량

은 호안의 천단상부에 설치된 수평유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 시간평균하여 산정하였다(Goda

1985)

Fig 36의 결과를 살펴보면 호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화에 따른 월파량의 변화특성을 살펴보면 본

연구의 계산치는 실험치를 잘 재현하고 있을 뿐 아니라 산정된 월파량의 정도는 실험치와 비교하여 상당히 높

은 것으로 판단된다

Fig 35 Numerical setup for wave overtopping over vertical seawall on a sea bottom slope of 110

15

Fig 36 Comparison between experimental and numerical results for wave overtopping rate over vertical seawall on a sea bottom

slope of 110 ( 0 0 0017H L = )

34 월파현상의 재현

Fig 37은 Fig 36의 0 0 075 15ch H h H= = 의 경우에 대한 월파에 따른 주변파동장의 변화를 나타낸

일례이다 그림을 살펴보면 본 연구의 수치파동수조는 기대하는 불규칙파동장을 잘 재현하는 것으로 판단된다

그리고 경사수심역상에는 수심변동으로 인한 천수변형을 확인할 수 있으며 호안의 천단상에서는 호안월파로

인하여 배후면으로 낙하되는 빠른 유속이 관찰된다 따라서 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장의 재현

및 수심변동에 따른 천수변형 호안월파로 인한 배후면의 파동장교란 등에 대해 고정도의 결과도 기대할 수 있

고 따라서 향후 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장하에 복잡한 형태를 가진 특수방파제 등에 의한 주변

파동장의 3차원적인 응답해석 및 월파현상을 확인하는데도 충분히 이용 가능할 것으로 판단된다

16

Fig 37 Spatial variation of irregular waves on a sea bottom slpoe of 110 ( 0 0 075 15ch H h H= = )

17

35 파력의 검증

다음으로 연직원주구조물에 작용하는 파력특성에 대하여 116h a = (a는 연직원주구조물의 반경)

0232H a = 인 경우에 기존의 수리실험결과(Chakrabarti and Tam 1975) 및 수치해석결과(喜岡와 石田 1984 村

上 등 1993)와 본 연구의 수치해석결과를 비교ᆞ검토한다 Fig 38은 해석에 이용된 연직원주구조물의 제원을 나

타내며 무차원최대파력 2max ( 2)F ga Hr 에 대하여 기존의 수리실험 및 수치해석결과와 비교한 것을 Fig

39에 제시하였다 결과를 살펴보면 실험치가 주어져 있는 kagt07(k는 파수 k=2 L)의 범위에서는 본 연구의 수치

해석결과는 수리실험결과를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되며 실험치가 주어지지 않은 kalt05의 범위에서 村

上 등(1993)의 결과는 Stokes 2차파이론의 적용범위를 초과하므로 발산하고 있다 이는 kalt05의 범위는 DLlt02

인 항력이 지배적인 소형구조물의 영역으로 기존의 해석법으로 파력을 산정하는데는 과도한 계산시간으로 파

력산정에 다소 무리가 있으며 항력과 관성력을 동시에 고려할 수 있는 Navier-Stokes의 운동방정식에 근거한 본

연구의 수치해석결과가 타당한 것으로 판단된다

Fig 38 Definition sketch for comparison of wave force acting on the circular cylinder

x

y

zWave

h

a

18

Fig 39 Comparison of non-dimensional maximum wave force acting on the circular cylinder

이상의 3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 의한 파랑변형 및 구조물에 작용하

는 파력의 수치해석결과가 실험치를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되므로 본 연구의 타당성이 검증된다

0 05 1 15 2ka

0

1

2

3

4

5

6F m

axr

ga2 (

H2

)This studyExp(Chakrabarti amp Tam 1975)Cal(Shin 2008)Cal(Murakami et al 1993)Cal(Kioka and Ishida 1984)

19

4 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장

해석에 적용

41 개요

해역에 설치된 구조물은 파력 풍력 조류력 등의 외력을 지속적으로 받기 때문에 구조물의 경우 극한의 파

랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충분한 강도를 가지도록 설계할 필요가 있다 본 연구에서는 해역에서 쇄파

가 발생할 때 원주구조물에 작용하는 쇄파력과 파랑변형을 논의한다 쇄파에 대한 이론 및 실험적 연구는 오래

전부터 많은 연구자들에 의해서 수행되어 왔고 최근에는 과도수파생성법(조 등 2001)에 의한 쇄파현상의 재현

및 비선형파의 3차원수치해석법에 의한 연구가 수행되고 있다(신 2008) 본 논문에서는 3차원불규칙파수치파동

수조 3D-NIT model을 적용하여 쇄파가 발생할 경우에 쇄파가 구조물에 미치는 영향에 대하여 검토하고 이와

연계하여 구조물에 작용하는 쇄파력의 크기를 분석한다 그리고 쇄파전의 영역 쇄파영역 및 쇄파후의 영역에

각각 원주구조물이 설치된 경우에 작용파력과 파랑변형의 특성을 조사하여 3D-NIT model의 적용성을 검토한다

42 수치파동수조

Fig 41과 같은 수심 30h cm= 를 갖는 규칙파동장의 경사수심역에 설치된 원주구조물을 대상으로 파력을

산정하며 적용한 규칙파는 주기 14secT = 파고 23456H cm= 이다 Table 41은 본 연구에서 대상으로

하는 수치파동수조의 특성을 나타내며 여기서 D는 원주구조물의 직경을 d는 경사수심이 이후의 수심을 나타

내고 s는 경사수심 끝단부로부터의 이격거리이다

(a) front view

20

(b) top view Fig 41 Definition sketch of 3D numerical wave tank for analysis of wavebreaking force acting on circular cylinder

Table 41 Condition of numerical analysis for circular cylinder shape of structure slope T(s) H(cm) h(cm) D(cm) d(cm) s(cm)

circular

cylinder

case1 110 14 2 3 4

5 6 30 60 4 0

case2 110 14 4 30 60 4 0 20 40

60 80

43 주변파동장

Fig 42는 원주구조물이 경사수심 끝단부에 위치할 때 파고 23456H cm= 로 변환될 경우의 원주구조물

로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면분포 및 단면분포를 나타낸 것이다 여기

서 파고 23H cm= 인 경우에는 쇄파현상이 발생하지 않지만 4H cm= 인 경우에는 경사수심이 끝나는 지점

에서 쇄파가 발생된다 이것은 수심이 낮아지면서 천수효과로 인해 파고가 쇄파한계를 넘어 쇄파가 발생된 것

으로 판단된다 그리고 56H cm= 인 경우에는 파고가 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생되

는 현상이 나타났다 이는 파고가 높아짐으로 인하여 쇄파한계가 경사수심의 끝단부 이전에서 나타난 것으로

보여진다

Fig 43은 case1에서 쇄파력이 원주구조물에 가장 영향이 많이 미칠 것으로 판단되는 파고 4H cm= 의 경

우에 대하여 원주구조물이 경사수심 끝단부로부터 이격거리 020406080s cm= 로 변환될 경우에 원주구조

물로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면 및 단면적인 변화양상을 나타낸 것이다

여기서 이격거리가 멀어짐에 따라 쇄파후 파의 재생성 과정을 통하여 정상상태의 파랑으로 전이되며 구조물

의 위치에 따른 구조물 전면부에서 처오름이 쇄파대 부분에 구조물이 위치할 경우보다 이격거리가 멀어질수록

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

yx

Wave

DSlope=110

500cm

21

작아지는 것을 확인할 수 있다

(a) 2 14sec 0H cm T s cm= = =

22

(b) 3 14sec 0H cm T s cm= = =

23

(c) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

24

(d) 5 14sec 0H cm T s cm= = =

25

(e) 6 14sec 0H cm T s cm= = =

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height

26

(a) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

27

(b) 4 14sec 20H cm T s cm= = =

28

(c) 4 14sec 40H cm T s cm= = =

29

(d) 4 14sec 60H cm T s cm= = =

30

(e) 4 14sec 80H cm T s cm= = =

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder

31

44 파력

Fig 44는 Fig 41에서 정의된 경사수심의 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 지점에 있어서 파고

23456H cm= 로 변화시킨 경우에 파력의 변화를 나타낸 것이다 결과를 살펴보면 파고 234H cm= 까

지는 파력이 증가하지만 5cm 이상부터는 오히려 파력이 감소하는 것을 알 수 있다 이는 Fig 42의 주변파동장

에서 파고가 5cm 이상부터 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생하여 쇄파로 인한 파랑에너지가

많이 소산된 것으로 판단된다 이러한 결과로 파고가 더 커지더라도 쇄파가 발생하는 위치에 따라 낮은 파고에

서도 높은 파력이 작용할 수 있다는 것이 확인되었다 따라서 수심이 얕아지는 천해역에서 방파제나 기타 구조

물을 설계함에 있어 구조물 전면부에서 쇄파가 발생하지 않도록 주의를 기울일 필요가 있을 것으로 판단된다

Fig 45는 Fig 41 에서 정의된 경사수심 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 일 때 최대로 파력이 작용하는 파

고 4H cm= 에 대하여 구조물의 이격거리 020406080s cm= 로 변화시켜 구조물의 이격거리에 따른 쇄

파력의 크기를 검토한 결과이고 Fig 46은 Fig 45의 이격거리 04080s cm= 의 경우 파력의 시계열을 나타낸

것이다 결과를 살펴보면 구조물의 이격거리가 증가함에 따라 파력이 감소하는 것이 나타났다 하지만 이격거

리 20s cm= 이후에서는 파력의 감소가 줄어든다 이는 쇄파로 인해 어느 정도 에너지가 소산되고 난 이후에

파고가 정상상태에 전이된 결과에 기인하는 것으로 판단된다

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1

0 1 2 3 4 5 6 7 8time(sec)

-10

0

10

20

30

F(N

)

H=2cmH=3cmH=4cmH=5cmH=6cm

32

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2

45 3차원불규칙수치파동수조에 의한 고립파의 적용

본 절에서는 3D-NIT model의 고립파로 적용성에 대하여 검토한다 고립파와 구조물과의 상호간섭을

해석하기 위하여 Fig 41과 같은 3차원수치파동수조를 고려한다 해석영역내에서는 수치적으로 고립파

를 발생시키기 위한 조파소스(Brorsen amp Lasen 1987 김 등 2001)와 무반사조파시스템을 위한 에너지감쇠

영역이 고려되고 3차원파동장에서 고립파의 작용하에 작용파압을 검토하기 위하여 경사수심을 갖는 불

투과지반에 연직주상구조물이 설치된다 조파소스에서 조파강도는 다음의 식(41)로 주어진다

0 20 40 60 80s(cm)

4

8

12

16F(

N)

0 2 4 6 8time(sec)

-5

0

5

10

15

20

F(N

)

s=0cms=40cms=80cm

33

( ) = 2 (41)

여기서 는 발생파의 수평유속성분을 각각 나타내며 본 연구에서는 조파소스강도 로서 식(42)과

같이 Grimshaw(1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사이론에 의한 수평방향유속 를 적용한다(Fenton

1972)

= ℎ[ minus minus + ] (42)

여기서 및 는 다음과 같이 정의된다

= minus 14 + + 1 + ℎ 32 minus 94

= 1940 + 15 minus 65 + 1 + ℎ minus 32 minus 154 + 152

= 1 + ℎ minus 38 minus 4516 + 4516

그리고 는 물입자의 연직방향 평균위치를 나타내며 와 는 다음의 식과 같이 정의된다

= ℎ (43)

= sech (44)

여기서 ℎ는 수심 는 고립파의 입사파고를 나타내며 와 는 각각 다음의 식으로 주어진다

= 34 1 minus 58 + 71128 (45)

= minus ℎ (46)

34

여기서 는 고립파의 파속으로 고립파의 3차근사이론에 의하면 다음의 식과 같이 표현된다

= ℎ 1 + 12 minus 320 + 356 (47)

Ohyama amp Nadaoka(1991)는 수치파동수조내에서 구조물이 설치될 경우 조파소스의 위치에서 반사파

의 영향을 고려하여 조파소스지점에서 연직적분치가 반사파가 없는 경우와 분포형상이 상사되도록 다

음의 식을 고려하고 있다

= 2 + ℎ + ℎ (48)

여기서 와 는 각각 조파소스의 위치에서 수위변동과 조파소스에 의해 기대되는 수위변동이다

본 연구에서 는 다음의 식과 같은 고립파의 3차근사식을 적용하여 산정된다(Fenton 1972)

= ℎ 1 + + 58 minus 10180 (49)

여기서 는 다음의 식(410)과 같이 주어진다

= tanh minus ℎ (410)

이상의 관계식을 3D-NIT model에 적용하여 고립파를 수치조파한다 전술한 결과에서 최대파력이 작용하는

Fig 41에서 이격거리 0s cm= 인 경우에 고립파의 파고 23456iH cm= 일 때 주변파동장의 변화양상을

Fig 47(a)~(e)에 나타내었다 결과를 살펴보면 단주기규칙파에서의 결과와는 달리 파고의 증가에도 구조물 전면

부에서 쇄파가 발생하지 않았다 이는 상대적으로 긴 파장으로 인하여 Ursell수가 작아지기 때문으로 판단된다

그리고 구조물 전면부에서 고립파로 인한 급격한 처오름현상이 확인되고 연직주상구조물로 인한 회절현상을

약간 확인할 수 있지만 파장이 상대적으로 길기 때문에 회절파라미터가 작아져 결과적으로 단주기파랑보다 회

절현상이 작아진다

연직주상구조물의 전면부에 작용하는 파력분포를 Fig 48에 나타내었다 결과를 살펴보면 모두 정수면에서

최대파력이 작용하고 파고가 증가함에 따라 구조물에 작용하는 최대파력이 거의 선형적으로 증가하는 것을 알

수 있다 이는 기본적으로 규칙파와 달리 쇄파가 발생하지 않고 경사수심으로 인한 고립파의 파고변화가 크게

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 8: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

vi

32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증 11

33 월파량의 검토 14

34 월파현상의 재현 15

35 파력의 검증 17

제 4 장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용

41 개요 19

42 수치파동수조 19

43 주변파동장 20

44 파력 31

45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용 32

제 5 장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용

51 개요 41

52 O O O 서컨테이너안벽 46

521 수치파동수조 46

522 반사율 48

523 월파유량 49

53 O O O 신항만방파제 55

531 수치파동수조 55

532 반사율 57

533 월파유량 58

vii

제 6 장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용

61 개요 61

62수치파동수조 61

63공기실 내부에서의 수위변동 62

64공기흐름속도의 해석 63

제 7 장 결론

viii

LIST OF TABLES

Table 41 Condition of numerical analysis for circular cylinder 20

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater

and incident wave condition 49

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition 50

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater

and incident wave condition 57

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition 58

ix

LIST OF FIGURES

Fig 21 Schematic sketch of the numerical wave tank used in 3D-NIT 3

Fig 22 Random phase angle 10

Fig 31 Schematic sketch of numerical wave tank 12

Fig 32 Comparison of target and calculated wave profiles at wave source position 12

Fig 33 Definition sketch of 3D numerical wave tank for comparison of wave transformation 13

Fig 34 Comparison of spatial distribution of non-dimensional maximum water levels 14

Fig 35 Numerical setup for wave overtopping over vertical seawall on a sea bottom slope of 110 14

Fig 36 Comparison between experimental and numerical results for wave overtopping rate over

vertical seawall on a sea bottom slope of 110 ( 0 0 0017H L = ) 15

Fig 37 Spatial variation of irregular waves on a sea bottom slpoe of 110 ( 0 0 075 15ch H h H= = ) 16

Fig 38 Definition sketch for comparison of wave force acting on the circular cylinder 17

Fig 39 Comparison of non-dimensional maximum wave force acting on the circular cylinder 18

Fig 41 Definition sketch of 3D numerical wave tank for analysis of wavebreaking force acting on circular cylinder 20

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height 25

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder 30

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1 31

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2 32

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2 32

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height 39

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height 40

Fig 51 Type of specialized breakwater 45

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor 47

x

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater 48

Fig 54 Time variation of overtopping rate 50

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition 54

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor 56

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater 57

Fig 58 Time variation of overtopping rate 59

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = ) 60

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC 62

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber 63

Fig 63 Comparison of frequency spectrum 64

Fig 64 Elevation change at the structure location 65

Fig 65 Air velocity change at the structure location 65

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = ) 66

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity 67

1

1장 서론

11 연구의 배경 및 목적

외해에서 내습하는 파랑으로부터 연안역의 주요 시설물을 보호하고 해역을 정온화하기 위해 연안역에 직립

제 경사제 혼성제 등의 다양한 방파제를 건설하여 왔고 최근에는 주변경관과의 조화 친수성 및 저반사의 목적

등으로 슬리트케이슨제로 대표되는 특수방파제가 많이 시공되고 있다 한편 해역에 설치된 구조물은 외력을 지

속적으로 받으므로 극한의 파랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충분한 강도를 구비할 필요성이 있고 이에 따

라 특수방파제에 의한 파랑제어 및 구조물에 작용하는 파력에 대한 고정도 해석이 요구된다

구조물에 대한 파랑응답은 파랑과 구조물의 3차원적인 특성들로 인하여 복잡하게 나타나는 현상으로 내습

파랑에 의한 구조물의 정도 높은 평가를 위해서는 3차원구조물을 정확히 재현하고 이를 검토할 수 있는 3차원

불규칙수치파동수조의 개발이 필요하다 특히 3차원수치파동수조를 통하여 구조물을 검토하는 경우 구조물에

의한 주변파동장의 3차원적인 시 ∙ 공간변화를 상세히 검토할 수 있는 장점이 있으며 또한 구조물의 복잡한 형

상에 의한 파랑 상호간의 간섭현상까지도 검토할 수 있다 더불어 3차원수치파동수조에서는 구조물의 3차원적

인 특성에 따른 검토단면들에 대한 작용파압의 변화뿐만 아니라 구조물의 특성에 따른 파랑의 집중현상까지도

검토가 가능하다 그리고 파랑의 월파현상은 입사파랑조건에 따라 달라질 수 있지만 3차원구조물에 의한 파랑

집중현상에 의해서도 발생할 수 있다 이러한 부분들은 3차원수치파동수조를 통해서만 재현할 수 있고 3차원형

상의 구조물에 대한 대표단면만을 대상으로 하는 2차원수치해석(CDIT 2001)에서는 검토될 수 없는 사항들이다

한편 복잡한 구조물에 대한 실해역에 주어지는 불규칙파를 재현하기 위해서 지금까지의 수치해석기법으로는 2

차원수치해석을 통한 불규칙파의 해석이 주로 수행되어 왔고 3차원수치해석의 경우에는 규칙파에 대해서만 해

석이 이루어졌다 따라서 실제 해양에서의 파와 유사한 특성을 갖는 불규칙파에 대한 수치해석이 수행되지 않

아 불규칙파동장하에서 파랑과 구조물 사이의 3차원 수리특성을 규명하기 위해 막대한 시간과 경비가 소요되

는 수리모형실험이 실시되어 왔다

본 연구에서는 수리실험에 의존해 오던 3차원불규칙파와 구조물과의 상호작용에 의한 3차원 수리특성을 수

치적으로 접근 가능하고 복잡한 구조물에 대해서도 실해역에 주어지는 불규칙파의 재현이 가능한 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT(Three-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model의 개발 및 그의 적용성을 검토하는

것을 목적으로 향후 수리실험을 대신하여 구조물 주변파동장의 3차원적인 변동특성을 재현하여 그의 타당성을

검증하고 다양한 3차원특수방파제에 적용하여 내습파랑에 대한 구조물의 응답특성을 검토하고자 한다

2

12 연구의 구성

본 연구는 총 7장으로 구성되며 각 장의 내용은 다음과 같다

1) 제 1장에서는 본 연구의 배경 및 목적에 대하여 서술하고 연구의 구성에 대하여 간단히 기술한다

2) 제 2장에서는 3D-VOF법에 기초하여 자유수면을 추적하고 월파현상 및 고파랑에 대한 파랑특성을 예측

할 수 있는 수치모델로 규칙파뿐만 아니라 불규칙파에 대한 검토도 가능한 3차원불규칙파수치파동수조 3D-

NIT(Three-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model에 대한 이론적인 배경에 대해 기술한다

3) 제 3장에서는 3D-NIT model의 불규칙파의 조파성능 경사수심을 갖는 불규칙파동장에서 호안 배후로 전

달되는 월파량을 산정하여 실험결과와 비교 ∙ 검토하고 3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선

형간섭에 따른 연직원주구조물의 주변에서 파랑변형 및 연직원주구조물에 작용하는 파력특성에 관한 기존의

실험결과와 본 수치해석결과를 비교 ∙ 검토하여 본 연구에서 사용된 수치파동수조의 조파시스템의 타당성을 논

의한다

4) 제 4장에서는 충분한 폭을 갖는 3차원규칙파동장의 경사수역에서 동일한 파랑조건하에 원주구조물의 위

치변화에 따른 주변파동장과 적용파력 그리고 동일한 위치에서 상이한 입사파랑조건하에 연직원주구조물에 작

용하는 쇄파파력을 포함한 파력과 주변파동장의 변화특성을 고찰함으로써 본 3D-NIT model의 적용성을 검토한

5) 제 5장에서는 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 대하여 본 3D-NIT model을 적용하여 주변파동

장의 변화와 3차원월파량을 추정하여 통한 본 연구에서 제안하고 있는 3D-NIT model의 적용성을 논의한다

6) 제 6장에서는 본 연구의 3D-NIT model을 OWC파력발전구조물에서 수위변동을 통한 공기흐름속도의 해

석에 적용하여 입사파의 spectrum 공기실내의 파랑 spectrum 및 공기흐름속도에 관한 spectrum을 산출하고 더불

어 그의 특성을 규명함으로써 본 3D-NIT model의 적용성과 확장성을 살펴본다

7) 제 7장에서는 이상으로부터 도출된 중요한 사항을 요약하여 본 논문의 결론으로 한다

8) 끝으로 본 연구에서 참고하고 인용한 주요한 문헌을 수록한다

3

2장 수치해석이론

21 개요

비압축성의 점성유체에 대한 복잡한 자유수면을 효과적으로 수치모의할 수 있는 VOF법이 제안된 이후 자

유수면을 취급하는 많은 학문분야에서 이를 활용한 연구가 활발하게 진행되고 있다 특히 VOF법은 쇄파과정

및 쇄파후의 파형변형특성을 수치적으로 재현할 수 있어 해안공학분야에서도 VOF법을 활용한 수치모델이 많

이 사용되고 있다 VOF법은 단지 자유수면을 모의하는 기법이므로 해안공학분야에 적용시 파랑의 전달과 반사

를 정확하게 모의할 수 있는 효과적인 무반사조건을 포함한 경계조건과 수치조파방법을 결부시켜야 한다 이러

한 수치조파를 수치파동수조로 불리고 VOF법을 활용한 수치파동수조의 연구개발이 활발하게 이루어지고 있다

(沿岸開發技術硏究セソタ 2001 Van der Meer et al 1992 Troch P 1997 Hur and Mizutani 2003 Hur 2004 김 등 2001

2004 허 등 2005)

본 연구에서 적용하는 3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT (Three-Dimensional Numerical Irregular wave Tank)

model의 수치파동수조는 Fig 21(그림에서 0L 는 목표파의 파장 aL 는 부가감쇠영역의 길이 x y zD D D 는 수평

및 연직방향의 격자간격)에 보인 바와 같이 수치파동수조내에서 파의 재반사를 방지하기 위한 개경계처리기법

으로 해석영역의 양쪽에 부가감쇠영역을 두고 해석영역내에 조파를 위한 조파소스를 적용하고 있다

xD

yDz

D

Fig 21 Schematic sketch of the numerical wave tank used in 3D-NIT

4

22 3차원수치파동수조의 기초방정식

본 연구의 3D-NIT model은 기존의 2D-NIT(Two-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model의 계산수법을

3차원으로 확장한 것이며 자유표면해석모델에 VOF법을 난류해석에는 k e- 모델을 각각 적용하였고 기초방

정식은 3차원비압축성의 점성유체를 대상으로 한 연속식 및 Navier-Stokes방정식을 PBM (Porous Body Model)에

근거하여 확장한 다음의 식(21)~(24)로 주어진다

yx z

v

vu w Sx y z r

gg g gparapara para

+ + =para para para

(21)

2yx vz

v x e

y e z e v x x v u

vuuu wuu p ut x y z x x x

u v u w D u R Sy y x z z x

ll gll g nr

g n g n g g

parapara para igrave uumlpara para para paraaelig ouml+ + + = - + iacute yacuteccedil dividepara para para para para para paraegrave oslashicirc thornigrave uumlaelig ouml igrave uumlpara para para para para paraiuml iuml aelig ouml+ + + + - - +iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslashiuml iuml icirc thornegrave oslashicirc thorn

(22)

2

yx vzv x e

x e z e v y y v v

vvuv wvv p v ut x y z y x x y

v v w D v R Sy y z z y

ll gll g nr

g n g n g g

para igrave uumlaelig oumlpara parapara para para para paraiuml iuml+ + + = - + +iacute yacuteccedil dividepara para para para para para para paraiuml iumlegrave oslashicirc thornigrave uuml igrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para paraiuml iuml iuml iuml+ + + - - +iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para paraiuml iuml iuml iumlegrave oslash egrave oslashicirc thorn icirc thorn

(23)

2

yx vzv x e

y e z e v z z v w v

vwuw www p w ut x y z z x x z

w v w D w R S gy y z z z

ll gll g nr

g n g n g g g

parapara para igrave uumlpara para para para paraaelig ouml+ + + = - + +iacute yacuteccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslashicirc thornigrave uumlaelig ouml igrave uumlpara para para para paraiuml iuml aelig ouml+ + + - - + -iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para paraegrave oslashiuml iuml icirc thornegrave oslashicirc thorn

(24)

여기서 t 는 시간 x y 는 수평방향좌표 z 는 연직방향좌표 u v w는 x y z 방향의 유속성분 r 는 유체

밀도 p 는 압력 en 는 분자동점성계수 n 와 와점성계수 tn 의 합 g 는 중력가속도 vg 는 체적공극율

x y zg g g 는 x y z 방향의 면적공극율 x y zD D D 는 경계에서 반사파의 제어를 위해 설치한 스폰지층에서의

에너지감쇠계수 u v wS S S Sr 는 해석영역내의 조파를 위한 소스항 v x y zl l l l 는 구조물로부터 받는 관성

력효과를 나타낸 파라미터이고 식(25)와 같이 표현된다

5

(1 )(1 )(1 )

(1 )

v v v M

x x x M

y y y M

z z z M

CCCC

l g gl g gg g g

g g g

= + -

= + -

= + -

= + -

(25)

여기서 MC 은 관성력계수 x y zR R R 는 투과층(porous media)에서의 저항력이고 식(26)과 같이 주어진다

2 2 2

2 2 2

2 2 2

1 (1 )21 (1 )21 (1 )2

Dx x

Dy y

Dz z

CR u u v wx

CR v u v wy

CR w u v wz

g

g

g

= - + +D

= - + +D

= - + +D

(26)

여기서 DC 는 항력계수 x y zD D D 는 x y z 방향의 격자간격이다

본 연구에서는 이상의 이론에 근거한 3D-NIT model을 사용하여 규칙파 및 불규칙파의 해석을 수행한다 규

칙파 및 불규칙파의 해석에서 대상구조물이 불투과성인 경우에는 기초방정식에서 체적공극율 면적공극율 및

투과층내의 저항력을 무시하면 된다 그리고 계산에서는 양측면과 바닥에는 불투과경계조건을 적용하였다

23 난류모델

난류모델에는 실용성이 높고 여러 분야에서 사용되고 있는 고 Reynolds형의 k e- 모델을 채용하였다

k e- 모델에서는 유속의 변동량 u v w 을 사용하여 난류에너지 k 와 난류에너지일산함수 e 을 다음과 같

이 정의한다

2 2 21 ( )2

k u v w= + + (27)

2 22 2 2 2 2u v w w v uvx y z x y z

eigrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para para paraiuml iumlaelig ouml aelig ouml= + + + + +iacute yacuteccedil divide ccedil divideccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslash egrave oslashegrave oslash egrave oslashiuml iumlicirc thorn

(28)

따라서 k 와 e 은 이하에 나타내는 이류확산방정식을 풀어서 산정할 수 있다

6

yx z

v x k y k

z k v s v

vkuk wkk k kv vt x y z x x y y

kv Gz z

gg gg g g

g g g e

para igrave uumlaelig oumlpara para igrave uumlpara para para para paraiuml iumlaelig ouml+ + + = +iacute yacute iacute yacuteccedil divideccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslash iuml iumlicirc thorn egrave oslashicirc thornigrave uumlpara paraaelig ouml+ + -iacute yacuteccedil dividepara paraegrave oslashicirc thorn

(29)

2

1 2

yx zv x y

z v s v

vu w v vt x y z x x y y

v C G Cz z k k

e e

e

g eg e g ee e eg g g

e e eg g g

para igrave uumlaelig oumlpara para igrave uumlpara para para para paraiuml iumlaelig ouml+ + + = +iacute yacute iacute yacuteccedil divideccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslash iuml iumlicirc thorn egrave oslashicirc thornigrave uumlpara paraaelig ouml+ + -iacute yacuteccedil dividepara paraegrave oslashicirc thorn

(210)

2 22 2

2 2 2s tu v w w v uG vx y z x y z

igrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para para paraiuml iumlaelig ouml aelig ouml= + + + + +iacute yacuteccedil divide ccedil divideccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslash egrave oslashegrave oslash egrave oslashiuml iumlicirc thorn (211)

여기서 와동점성계수 및 확산계수는 다음과 같이 주어진다

2

t

C kv m

e= (212)

tk

k

vv vs

= + (213)

tvv vees

= + (214)

또한 위의 식에서 나타나는 1 2 kC C Cm es s 는 경험정수로 보통 009 100 130kCm es s= = =

1 2144 192C C= = 가 사용된다 그리고 k e- 모델에서 구한 난류효과는 Navier-Stokes방정식에서 동점성계

수 및 압력을 각각 다음의 식과 같이 취급함으로써 유속 및 압력에 반영된다

e tv v v= + (215)

23

p p kr= + (216)

7

24 이류방정식

3D-NIT model은 수면을 추적하기 위해 VOF법을 이용하고 있다 VOF함수 F는 일정 물리량인 유체의 체적율

로서 0leFle1의 범위를 가진다 여기서 F=1일 경우는 유체셀로 F=0일 경우는 기체셀로 0ltFlt1일 경우는 표면셀

로 각각 판단하여 자유수면을 추적하게 되며 다음의 이류방정식(217)에 의해 VOF함수가 이류된다

( )( ) ( )( ) yx zvFuF wFF Fqt x y z

ee ee parapara parapara+ + + =

para para para para (217)

25 격자설정 방법

3D-NIT model은 기초방정식을 유한차분법으로 차분근사하여 수치계산을 수행한다 그리고 계산영역을 크기

가 일정한 직사각형의 격자로 분할하고 셀 전체에 유체가 있는 경우를 유체셀 셀 전체에 기체가 있는 경우를

기체셀 셀내에 유체와 기체가 혼합되어 있는 경우를 표면셀 셀 전체에 구조물이 있는 경우를 구조물셀로 각각

정의한다 또한 셀 주위에는 직접 계산에 이용되지는 않지만 경계처리시에 필요한 가상셀을 둔다 격자를 설정

한 후에는 각 셀에서의 유속 u v w를 각각 셀 경계인 오른쪽과 위쪽에 위치시키고 압력 p 조파소스의 유량

밀도 q 및 VOF함수 F 를 각각 셀 중심에 위치하도록 하여 변수들을 엇갈리게 격자를 구성하는 엇갈린 격자

(staggerd mesh)를 적용한다

26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파

3D-NIT model은 규칙파뿐만 아니라 불규칙파에 대해서도 계산이 가능한 수치모델로 3D-NIT model을 이용하

여 불규칙파를 검토하는 경우에 조파지점에서의 수위변동 및 물입자속도(수평 및 연직유속)을 사용자가 독자적

으로 입력데이터로 작성할 필요가 있다 일반적으로 불규칙파랑은 선형이론으로부터 얻어진 규칙파의 중첩으로

조파되지만 해석시간이 증가됨에 따라 평균수위가 상승하는 문제가 발생하여 계산이 불가능하게 된다 따라서

불규칙파랑의 조파와 같은 장시간의 해석시간이 요구되는 경우에 평균수위의 상승으로 인하여 요구되는 100파

정도의 파수를 얻기까지는 무리가 있을 수 있고 결과가 얻어졌다고 하여도 신뢰성에 문제가 있다

본 연구에서는 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우에 문제로 지적되는 평균수위상승을 억

제하면서 안정적으로 불규칙파가 조파될 수 있는 시스템을 기술(Fujiwara 2005)한다 그리고 불규칙파의 파운동

을 디지털방식으로 작성하는 Goda방법에 따른 불규칙파의 조파방법도 간략히 기술한다 불규칙파의 조파방법

은 선형이론으로부터 얻어진 성분파의 주파수에 하나씩 순번을 붙여서 이를 무한급수의 합으로 고려하는 것이

다 조파지점에 있어서는 수면파형 η 수평 및 연직유속 (uw)의 시간적인 변동이 필요하게 되며 이들은 각각 식

8

(218)sim(220)로 주어진다

1( ) cos(2 )

M

m m mm

t a f th p e=

= -aring (218)

1

cosh ( )( ) 2 cos(2 )sinh

Mm

m m m mm m

k h zu z t f a f tk h

p p e=

+= -aring (219)

1

sinh ( )( ) 2 sin(2 )sinh

Mm

m m m mm m

k h zw z t f a f tk h

p p e=

+= -aring (220)

여기서 me 은 random한 위상각 mf 은 주파수 ma 은 진폭 mk 은 파수 M은 성분파의 수 h는 수심이다 단

연직좌표 z 는 정수면에서 상방향을 (+)로 취하고 me 및 mf 의 선택방법은 후술되며 진폭 ma 은 다음의 식

(221)로 정의된다

2 ( )ma S f f= D (221)

여기서 fD 는 주파수폭 ( )S f 는 파랑에너지밀도이며 불규칙파의 스펙트럼은 불규칙파를 모의하는 데에

널리 사용되고 있는 식(222)의 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970) 스펙트럼을 적용하였다

2 4 5 413 13 13( ) 0257 exp 103( )S f H T f T F- - -eacute ugrave= -euml ucirc (222)

여기서 13H 은 유의파고 13T 은 유의파주기를 각각 나타낸다 일반적으로 수치해석을 통해 불규칙파를 검

토하는 경우 해석시간이 증가됨에 따라 평균수위가 상승하는 문제가 있다(CDIT 2001) 본 연구에서는 평균수위

상승을 억제하는 방법으로 조파지점에서 수평유속을 산출할 때 각 성분파에 대응하는 Stokes파의 질량수송속도

(mass transport velocity)를 빼주는 방법을 적용한다(Fujiwara 2005) 즉 식(219)에서 질량수송속도를 뺀 수평유속은

식(223)과 같이 표현된다

1

cosh ( )( ) 2 cos(2 )sinh

Mm

mm m m mm m

k h zu z t f a f t Uk h

p p e=

igrave uuml+= - -iacute yacute

icirc thornaring (223)

여기서 Stokes파의 질량수송속도 mU 은 성분파를 나타내는 m 을 제외하여 나타내면 다음의 식(224)와 같이

9

주어진다

2

cosh 4 ( ) 12 sinh (2 )

mm m mm

m m m

H H h z LUT L h L

p p pp+

= (224)

여기서 mz 은 물입자의 평균위치를 나타낸다

27 난수의 발생방법

난수(random numbers)는 random한 현상을 다루는 수치해석에서 많이 사용되는 매우 중요한 부분이다 난수를

발생시키는 방법에는 물리적인 방법과 수식을 이용한 방법이 있으며 물리적인 방법으로 난수를 발생시킬 경우

에는 많은 시간이 소요되며 컴퓨터를 이용한 모의실험에는 사용할 수 없다는 단점이 있다 따라서 수치해석에

사용되는 난수는 수식을 이용하여 발생되며 이러한 방법을 이용한 대표적인 난수발생방법으로 중양제곱법

(mid-squar method) 합동법(congruential method) 그리고 시프트법(shift method) 등이 있다(조 등 1992)

본 연구에서는 합동법에 기초하여 난수를 발생시켰고 난수발생은 IMSL(International Mathematical and Statistical

Library)의 난수발생기(random number generator)를 이용하였으며 그 알고리즘음 다음과 같다(Compaq computer

corporation 2001)

먼저 임의정수 1X 은 seed number이며 mod( )Y b 는 Y 를 b 로 나눈 나머지를 나타낸다 이러한 계산이 임

의주기 동안 진행되면서 1X 은 2X 로 변환되고 연속된 정수 iX 를 산출하는 과정을 반복한다 0과 1사이에 할

당된 난수는 식(225)에 의해 얻어질 수 있으며 상수는 식(226)에 나타낸 특수한 값으로 주어진다

12i iR X q i= = (225)

36 357909 2 2 1a b q= = = - (226)

이러한 과정에서 임의정수 iX 가 352 을 초과할 경우 iX 는 정수 35(2 1)- 로 변환된 후 계산이 수행되며

식(225)로부터 구한 난수는 [01] 사이에 분포한다

이로부터 불규칙파의 각 성분파간의 위상각 me 은 Fig 22에 나타낸 바와 같이 [01] 사이에 분포하는 난수를

발생시킨 후 위상을 조정하기 위해 2p 를 곱하여 [02 ]p 사이에 분포하는 값을 취하는 것으로 하였다

28 주파수의 선택방법

불규칙파를 모의하기 위한 주파수 mf

의 성분파의 진폭이 거의 같도록

Mitsuyasu(Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼에

다음의 식(227)을 이용하여 주파수 mf

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - =

10

주파수 mf 의 선택방법에는 주파수스펙트럼을 등구간으로

하는 등에너지로 분할하는 방법 등이 있다 본 연구에서는

스펙트럼에 대해 등에너지로 스펙트럼을 분할할 수 있는 Goda(1985)

mf 을 선택하였다

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - =

Fig 22 Random phase angle

mf 등구간으로 분할하는 방법과 각각

연구에서는 Bretshneider-

Goda(1985)에 의해 제안된

mf

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - = (227)

11

3장 수치해석의 검증

31 개요

일본의 연안개발기술센터(沿岸開發技術硏究セソタ 2001)에서 개발한 수치파동수조 CADMAS-SURF와 같은

2차원규칙파에 대한 연구는 많이 수행되고 있지만 2차원불규칙파와 3차원불규칙파에 대한 연구는 찾아보기가

어렵다

최근 개발되고 있는 방파제 및 호안의 경우 구조물의 형상이 복잡한 특수방파제가 많이 적용되고 있다 하지

만 이러한 방파제를 2차원으로 적용 ∙ 계산하기에는 반사율 파압분포 및 월파량의 추정치가 실제의 3차원의 경

우와는 상이한 결과가 발생할 것으로 판단된다 따라서 본 연구에서는 3차원수치파동수조인 3D-NIT model의 조

파성능에 대해 먼저 검토한다 그리고 3D-NIT model을 이용하여 규칙파 및 불규칙파를 조파하고 眞田(1998)의

수리실험과 비교 ∙ 검토함으로써 결과의 타당성을 논의한다 또한 불규칙파동장에 경사수심역에 설치된 호안을

대상으로 호안 배후로 전달되는 월파량을 산정하고 이의 결과를 실험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를

검토하고 더불어 파력의 실험치( Chakrabarti 1975)와 비교 ∙ 검토함으로써 결과의 타당성을 논의한다

32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증

불규칙파의 조파성능을 검증하기 위하여 Fig 31과 같은 구조물이 설치되지 않은 수심 219h m= 의 3차원

수치파동수조(부가감쇠영역과 해석영역으로 구성되었으며 격자크기는 1 05 05x m y m z mD = D = D = 로 설

정)에서 유의파고 13 7H m= 유의주기 13 1225secT = 를 목표로 성분파 200개를 선형중첩하여 불규칙파를

조파하였다 그리고 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을 방지하기

위하여 설치된 부가감쇠영역의 길이 aL 는 목표파 파장 0L 의 2배 이상으로 하였다 Fig 32는 조파지점에서의

계산파형을 목표한 파형과 비교한 그림으로 장시간의 해석에도 평균수위상승은 크게 나타나지 않으며 목표한

파형과 비교하여 전체적으로 파형과 위상이 잘 일치하고 있음을 확인할 수 있다

12

Fig 31 Schematic sketch of numerical wave tank

Fig 32 Comparison of target and calculated wave profiles at wave source position

3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 따른 연직원주구조물주변의 파랑변형에 대

하여 해석해 및 2차오더의 회절산란포텐셜을 유도한 眞田(1998)의 수치해석결과 및 수리실험결과와 본 수치해

석결과를 비교ᆞ검토한다

Fig 33은 비교에 적용된 3차원수치파동수조 및 연직원주구조물의 제원을 나타내며 이때 수치파동수조의 수

심은 45h cm= 로 일정하며 입사파고 3H cm= 입사주기 01sect = 의 규칙파에 대하여 수치계산을 수행하

였다 그리고 수치계산에서는 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을

방지하기 위하여 부가감쇠영역을 설치하며(Hinatsu 1992) 부가감쇠영역의 길이는 입사파장 L 의 2배 이상으로

하였다

x축을 따른 y=0 y=25cm의 위치 및 연직원주구조물의 주위에서 무차원최대수면상승고 max2h ( maxh 는 최대수

위값)의 공간분포에 대하여 眞田(1998)의 수치해석해석결과 및 수리실험결과와 비교한 본 계산결과를 Fig 34에

각각 제시하였고 다음의 결과를 살펴보면 원주 전면의 표면에서 가장 큰 무차원최대수면상승고가 나타났고 이

는 원주구조물의 전면에서 구조물에 의해 반사되는 회절산란파와 입사파의 중첩으로 부분중복파가 형성된것으

로 판단된다 그리고 Fig 34 (a)와 (b)에서 본 연구의 수치해석결과가 眞田(1998)의 수리실험치를 전체적으로 잘

재현하고 있으며 그 정도는 매우 높은 것으로 판단된다

()

mh

13

(a) Plan view

(b) Side view

Fig 33 Definition sketch of 3D numerical wave tank for comparison of wave transformation

(a) y=0cm

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zoneWave source

Wave

x

y

O

Open boundary Open boundary

Wave

Calculation zone

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

Wave source

2L 2L

z

O

45

33

50 30

x

Unitcm

14

(b) y=25cm

Fig 34 Comparison of spatial distribution of non-dimensional maximum water levels

33 월파량의 검토

본 절에서는 앞서 검토한 결과를 바탕으로 호안 배후로 전달되는 파랑의 월파량을 산정하고 이의 결과를 실

험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를 검토한다

Fig 35는 본 연구에서 월파량 산정을 위하여 고려된 수치파동수조고 Fig 36은 Fig 35의 수치파동수조에서

호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화를 파라미터로하여 산정된 호안월파량을 Goda(1985)의 실험치와 비교한

결과이다 이 때 적용한 파 조건은 주기 0 1383secT = 파고

0 4H m= 를 목표로 설정하였다 그리고 월파량

산정에 이용한 불규칙파는 파가 안정적으로 판단되는 조파개시후 50sec에서부터 600sec 사이의 파이며 월파량

은 호안의 천단상부에 설치된 수평유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 시간평균하여 산정하였다(Goda

1985)

Fig 36의 결과를 살펴보면 호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화에 따른 월파량의 변화특성을 살펴보면 본

연구의 계산치는 실험치를 잘 재현하고 있을 뿐 아니라 산정된 월파량의 정도는 실험치와 비교하여 상당히 높

은 것으로 판단된다

Fig 35 Numerical setup for wave overtopping over vertical seawall on a sea bottom slope of 110

15

Fig 36 Comparison between experimental and numerical results for wave overtopping rate over vertical seawall on a sea bottom

slope of 110 ( 0 0 0017H L = )

34 월파현상의 재현

Fig 37은 Fig 36의 0 0 075 15ch H h H= = 의 경우에 대한 월파에 따른 주변파동장의 변화를 나타낸

일례이다 그림을 살펴보면 본 연구의 수치파동수조는 기대하는 불규칙파동장을 잘 재현하는 것으로 판단된다

그리고 경사수심역상에는 수심변동으로 인한 천수변형을 확인할 수 있으며 호안의 천단상에서는 호안월파로

인하여 배후면으로 낙하되는 빠른 유속이 관찰된다 따라서 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장의 재현

및 수심변동에 따른 천수변형 호안월파로 인한 배후면의 파동장교란 등에 대해 고정도의 결과도 기대할 수 있

고 따라서 향후 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장하에 복잡한 형태를 가진 특수방파제 등에 의한 주변

파동장의 3차원적인 응답해석 및 월파현상을 확인하는데도 충분히 이용 가능할 것으로 판단된다

16

Fig 37 Spatial variation of irregular waves on a sea bottom slpoe of 110 ( 0 0 075 15ch H h H= = )

17

35 파력의 검증

다음으로 연직원주구조물에 작용하는 파력특성에 대하여 116h a = (a는 연직원주구조물의 반경)

0232H a = 인 경우에 기존의 수리실험결과(Chakrabarti and Tam 1975) 및 수치해석결과(喜岡와 石田 1984 村

上 등 1993)와 본 연구의 수치해석결과를 비교ᆞ검토한다 Fig 38은 해석에 이용된 연직원주구조물의 제원을 나

타내며 무차원최대파력 2max ( 2)F ga Hr 에 대하여 기존의 수리실험 및 수치해석결과와 비교한 것을 Fig

39에 제시하였다 결과를 살펴보면 실험치가 주어져 있는 kagt07(k는 파수 k=2 L)의 범위에서는 본 연구의 수치

해석결과는 수리실험결과를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되며 실험치가 주어지지 않은 kalt05의 범위에서 村

上 등(1993)의 결과는 Stokes 2차파이론의 적용범위를 초과하므로 발산하고 있다 이는 kalt05의 범위는 DLlt02

인 항력이 지배적인 소형구조물의 영역으로 기존의 해석법으로 파력을 산정하는데는 과도한 계산시간으로 파

력산정에 다소 무리가 있으며 항력과 관성력을 동시에 고려할 수 있는 Navier-Stokes의 운동방정식에 근거한 본

연구의 수치해석결과가 타당한 것으로 판단된다

Fig 38 Definition sketch for comparison of wave force acting on the circular cylinder

x

y

zWave

h

a

18

Fig 39 Comparison of non-dimensional maximum wave force acting on the circular cylinder

이상의 3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 의한 파랑변형 및 구조물에 작용하

는 파력의 수치해석결과가 실험치를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되므로 본 연구의 타당성이 검증된다

0 05 1 15 2ka

0

1

2

3

4

5

6F m

axr

ga2 (

H2

)This studyExp(Chakrabarti amp Tam 1975)Cal(Shin 2008)Cal(Murakami et al 1993)Cal(Kioka and Ishida 1984)

19

4 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장

해석에 적용

41 개요

해역에 설치된 구조물은 파력 풍력 조류력 등의 외력을 지속적으로 받기 때문에 구조물의 경우 극한의 파

랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충분한 강도를 가지도록 설계할 필요가 있다 본 연구에서는 해역에서 쇄파

가 발생할 때 원주구조물에 작용하는 쇄파력과 파랑변형을 논의한다 쇄파에 대한 이론 및 실험적 연구는 오래

전부터 많은 연구자들에 의해서 수행되어 왔고 최근에는 과도수파생성법(조 등 2001)에 의한 쇄파현상의 재현

및 비선형파의 3차원수치해석법에 의한 연구가 수행되고 있다(신 2008) 본 논문에서는 3차원불규칙파수치파동

수조 3D-NIT model을 적용하여 쇄파가 발생할 경우에 쇄파가 구조물에 미치는 영향에 대하여 검토하고 이와

연계하여 구조물에 작용하는 쇄파력의 크기를 분석한다 그리고 쇄파전의 영역 쇄파영역 및 쇄파후의 영역에

각각 원주구조물이 설치된 경우에 작용파력과 파랑변형의 특성을 조사하여 3D-NIT model의 적용성을 검토한다

42 수치파동수조

Fig 41과 같은 수심 30h cm= 를 갖는 규칙파동장의 경사수심역에 설치된 원주구조물을 대상으로 파력을

산정하며 적용한 규칙파는 주기 14secT = 파고 23456H cm= 이다 Table 41은 본 연구에서 대상으로

하는 수치파동수조의 특성을 나타내며 여기서 D는 원주구조물의 직경을 d는 경사수심이 이후의 수심을 나타

내고 s는 경사수심 끝단부로부터의 이격거리이다

(a) front view

20

(b) top view Fig 41 Definition sketch of 3D numerical wave tank for analysis of wavebreaking force acting on circular cylinder

Table 41 Condition of numerical analysis for circular cylinder shape of structure slope T(s) H(cm) h(cm) D(cm) d(cm) s(cm)

circular

cylinder

case1 110 14 2 3 4

5 6 30 60 4 0

case2 110 14 4 30 60 4 0 20 40

60 80

43 주변파동장

Fig 42는 원주구조물이 경사수심 끝단부에 위치할 때 파고 23456H cm= 로 변환될 경우의 원주구조물

로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면분포 및 단면분포를 나타낸 것이다 여기

서 파고 23H cm= 인 경우에는 쇄파현상이 발생하지 않지만 4H cm= 인 경우에는 경사수심이 끝나는 지점

에서 쇄파가 발생된다 이것은 수심이 낮아지면서 천수효과로 인해 파고가 쇄파한계를 넘어 쇄파가 발생된 것

으로 판단된다 그리고 56H cm= 인 경우에는 파고가 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생되

는 현상이 나타났다 이는 파고가 높아짐으로 인하여 쇄파한계가 경사수심의 끝단부 이전에서 나타난 것으로

보여진다

Fig 43은 case1에서 쇄파력이 원주구조물에 가장 영향이 많이 미칠 것으로 판단되는 파고 4H cm= 의 경

우에 대하여 원주구조물이 경사수심 끝단부로부터 이격거리 020406080s cm= 로 변환될 경우에 원주구조

물로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면 및 단면적인 변화양상을 나타낸 것이다

여기서 이격거리가 멀어짐에 따라 쇄파후 파의 재생성 과정을 통하여 정상상태의 파랑으로 전이되며 구조물

의 위치에 따른 구조물 전면부에서 처오름이 쇄파대 부분에 구조물이 위치할 경우보다 이격거리가 멀어질수록

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

yx

Wave

DSlope=110

500cm

21

작아지는 것을 확인할 수 있다

(a) 2 14sec 0H cm T s cm= = =

22

(b) 3 14sec 0H cm T s cm= = =

23

(c) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

24

(d) 5 14sec 0H cm T s cm= = =

25

(e) 6 14sec 0H cm T s cm= = =

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height

26

(a) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

27

(b) 4 14sec 20H cm T s cm= = =

28

(c) 4 14sec 40H cm T s cm= = =

29

(d) 4 14sec 60H cm T s cm= = =

30

(e) 4 14sec 80H cm T s cm= = =

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder

31

44 파력

Fig 44는 Fig 41에서 정의된 경사수심의 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 지점에 있어서 파고

23456H cm= 로 변화시킨 경우에 파력의 변화를 나타낸 것이다 결과를 살펴보면 파고 234H cm= 까

지는 파력이 증가하지만 5cm 이상부터는 오히려 파력이 감소하는 것을 알 수 있다 이는 Fig 42의 주변파동장

에서 파고가 5cm 이상부터 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생하여 쇄파로 인한 파랑에너지가

많이 소산된 것으로 판단된다 이러한 결과로 파고가 더 커지더라도 쇄파가 발생하는 위치에 따라 낮은 파고에

서도 높은 파력이 작용할 수 있다는 것이 확인되었다 따라서 수심이 얕아지는 천해역에서 방파제나 기타 구조

물을 설계함에 있어 구조물 전면부에서 쇄파가 발생하지 않도록 주의를 기울일 필요가 있을 것으로 판단된다

Fig 45는 Fig 41 에서 정의된 경사수심 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 일 때 최대로 파력이 작용하는 파

고 4H cm= 에 대하여 구조물의 이격거리 020406080s cm= 로 변화시켜 구조물의 이격거리에 따른 쇄

파력의 크기를 검토한 결과이고 Fig 46은 Fig 45의 이격거리 04080s cm= 의 경우 파력의 시계열을 나타낸

것이다 결과를 살펴보면 구조물의 이격거리가 증가함에 따라 파력이 감소하는 것이 나타났다 하지만 이격거

리 20s cm= 이후에서는 파력의 감소가 줄어든다 이는 쇄파로 인해 어느 정도 에너지가 소산되고 난 이후에

파고가 정상상태에 전이된 결과에 기인하는 것으로 판단된다

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1

0 1 2 3 4 5 6 7 8time(sec)

-10

0

10

20

30

F(N

)

H=2cmH=3cmH=4cmH=5cmH=6cm

32

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2

45 3차원불규칙수치파동수조에 의한 고립파의 적용

본 절에서는 3D-NIT model의 고립파로 적용성에 대하여 검토한다 고립파와 구조물과의 상호간섭을

해석하기 위하여 Fig 41과 같은 3차원수치파동수조를 고려한다 해석영역내에서는 수치적으로 고립파

를 발생시키기 위한 조파소스(Brorsen amp Lasen 1987 김 등 2001)와 무반사조파시스템을 위한 에너지감쇠

영역이 고려되고 3차원파동장에서 고립파의 작용하에 작용파압을 검토하기 위하여 경사수심을 갖는 불

투과지반에 연직주상구조물이 설치된다 조파소스에서 조파강도는 다음의 식(41)로 주어진다

0 20 40 60 80s(cm)

4

8

12

16F(

N)

0 2 4 6 8time(sec)

-5

0

5

10

15

20

F(N

)

s=0cms=40cms=80cm

33

( ) = 2 (41)

여기서 는 발생파의 수평유속성분을 각각 나타내며 본 연구에서는 조파소스강도 로서 식(42)과

같이 Grimshaw(1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사이론에 의한 수평방향유속 를 적용한다(Fenton

1972)

= ℎ[ minus minus + ] (42)

여기서 및 는 다음과 같이 정의된다

= minus 14 + + 1 + ℎ 32 minus 94

= 1940 + 15 minus 65 + 1 + ℎ minus 32 minus 154 + 152

= 1 + ℎ minus 38 minus 4516 + 4516

그리고 는 물입자의 연직방향 평균위치를 나타내며 와 는 다음의 식과 같이 정의된다

= ℎ (43)

= sech (44)

여기서 ℎ는 수심 는 고립파의 입사파고를 나타내며 와 는 각각 다음의 식으로 주어진다

= 34 1 minus 58 + 71128 (45)

= minus ℎ (46)

34

여기서 는 고립파의 파속으로 고립파의 3차근사이론에 의하면 다음의 식과 같이 표현된다

= ℎ 1 + 12 minus 320 + 356 (47)

Ohyama amp Nadaoka(1991)는 수치파동수조내에서 구조물이 설치될 경우 조파소스의 위치에서 반사파

의 영향을 고려하여 조파소스지점에서 연직적분치가 반사파가 없는 경우와 분포형상이 상사되도록 다

음의 식을 고려하고 있다

= 2 + ℎ + ℎ (48)

여기서 와 는 각각 조파소스의 위치에서 수위변동과 조파소스에 의해 기대되는 수위변동이다

본 연구에서 는 다음의 식과 같은 고립파의 3차근사식을 적용하여 산정된다(Fenton 1972)

= ℎ 1 + + 58 minus 10180 (49)

여기서 는 다음의 식(410)과 같이 주어진다

= tanh minus ℎ (410)

이상의 관계식을 3D-NIT model에 적용하여 고립파를 수치조파한다 전술한 결과에서 최대파력이 작용하는

Fig 41에서 이격거리 0s cm= 인 경우에 고립파의 파고 23456iH cm= 일 때 주변파동장의 변화양상을

Fig 47(a)~(e)에 나타내었다 결과를 살펴보면 단주기규칙파에서의 결과와는 달리 파고의 증가에도 구조물 전면

부에서 쇄파가 발생하지 않았다 이는 상대적으로 긴 파장으로 인하여 Ursell수가 작아지기 때문으로 판단된다

그리고 구조물 전면부에서 고립파로 인한 급격한 처오름현상이 확인되고 연직주상구조물로 인한 회절현상을

약간 확인할 수 있지만 파장이 상대적으로 길기 때문에 회절파라미터가 작아져 결과적으로 단주기파랑보다 회

절현상이 작아진다

연직주상구조물의 전면부에 작용하는 파력분포를 Fig 48에 나타내었다 결과를 살펴보면 모두 정수면에서

최대파력이 작용하고 파고가 증가함에 따라 구조물에 작용하는 최대파력이 거의 선형적으로 증가하는 것을 알

수 있다 이는 기본적으로 규칙파와 달리 쇄파가 발생하지 않고 경사수심으로 인한 고립파의 파고변화가 크게

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 9: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

vii

제 6 장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용

61 개요 61

62수치파동수조 61

63공기실 내부에서의 수위변동 62

64공기흐름속도의 해석 63

제 7 장 결론

viii

LIST OF TABLES

Table 41 Condition of numerical analysis for circular cylinder 20

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater

and incident wave condition 49

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition 50

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater

and incident wave condition 57

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition 58

ix

LIST OF FIGURES

Fig 21 Schematic sketch of the numerical wave tank used in 3D-NIT 3

Fig 22 Random phase angle 10

Fig 31 Schematic sketch of numerical wave tank 12

Fig 32 Comparison of target and calculated wave profiles at wave source position 12

Fig 33 Definition sketch of 3D numerical wave tank for comparison of wave transformation 13

Fig 34 Comparison of spatial distribution of non-dimensional maximum water levels 14

Fig 35 Numerical setup for wave overtopping over vertical seawall on a sea bottom slope of 110 14

Fig 36 Comparison between experimental and numerical results for wave overtopping rate over

vertical seawall on a sea bottom slope of 110 ( 0 0 0017H L = ) 15

Fig 37 Spatial variation of irregular waves on a sea bottom slpoe of 110 ( 0 0 075 15ch H h H= = ) 16

Fig 38 Definition sketch for comparison of wave force acting on the circular cylinder 17

Fig 39 Comparison of non-dimensional maximum wave force acting on the circular cylinder 18

Fig 41 Definition sketch of 3D numerical wave tank for analysis of wavebreaking force acting on circular cylinder 20

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height 25

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder 30

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1 31

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2 32

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2 32

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height 39

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height 40

Fig 51 Type of specialized breakwater 45

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor 47

x

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater 48

Fig 54 Time variation of overtopping rate 50

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition 54

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor 56

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater 57

Fig 58 Time variation of overtopping rate 59

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = ) 60

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC 62

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber 63

Fig 63 Comparison of frequency spectrum 64

Fig 64 Elevation change at the structure location 65

Fig 65 Air velocity change at the structure location 65

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = ) 66

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity 67

1

1장 서론

11 연구의 배경 및 목적

외해에서 내습하는 파랑으로부터 연안역의 주요 시설물을 보호하고 해역을 정온화하기 위해 연안역에 직립

제 경사제 혼성제 등의 다양한 방파제를 건설하여 왔고 최근에는 주변경관과의 조화 친수성 및 저반사의 목적

등으로 슬리트케이슨제로 대표되는 특수방파제가 많이 시공되고 있다 한편 해역에 설치된 구조물은 외력을 지

속적으로 받으므로 극한의 파랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충분한 강도를 구비할 필요성이 있고 이에 따

라 특수방파제에 의한 파랑제어 및 구조물에 작용하는 파력에 대한 고정도 해석이 요구된다

구조물에 대한 파랑응답은 파랑과 구조물의 3차원적인 특성들로 인하여 복잡하게 나타나는 현상으로 내습

파랑에 의한 구조물의 정도 높은 평가를 위해서는 3차원구조물을 정확히 재현하고 이를 검토할 수 있는 3차원

불규칙수치파동수조의 개발이 필요하다 특히 3차원수치파동수조를 통하여 구조물을 검토하는 경우 구조물에

의한 주변파동장의 3차원적인 시 ∙ 공간변화를 상세히 검토할 수 있는 장점이 있으며 또한 구조물의 복잡한 형

상에 의한 파랑 상호간의 간섭현상까지도 검토할 수 있다 더불어 3차원수치파동수조에서는 구조물의 3차원적

인 특성에 따른 검토단면들에 대한 작용파압의 변화뿐만 아니라 구조물의 특성에 따른 파랑의 집중현상까지도

검토가 가능하다 그리고 파랑의 월파현상은 입사파랑조건에 따라 달라질 수 있지만 3차원구조물에 의한 파랑

집중현상에 의해서도 발생할 수 있다 이러한 부분들은 3차원수치파동수조를 통해서만 재현할 수 있고 3차원형

상의 구조물에 대한 대표단면만을 대상으로 하는 2차원수치해석(CDIT 2001)에서는 검토될 수 없는 사항들이다

한편 복잡한 구조물에 대한 실해역에 주어지는 불규칙파를 재현하기 위해서 지금까지의 수치해석기법으로는 2

차원수치해석을 통한 불규칙파의 해석이 주로 수행되어 왔고 3차원수치해석의 경우에는 규칙파에 대해서만 해

석이 이루어졌다 따라서 실제 해양에서의 파와 유사한 특성을 갖는 불규칙파에 대한 수치해석이 수행되지 않

아 불규칙파동장하에서 파랑과 구조물 사이의 3차원 수리특성을 규명하기 위해 막대한 시간과 경비가 소요되

는 수리모형실험이 실시되어 왔다

본 연구에서는 수리실험에 의존해 오던 3차원불규칙파와 구조물과의 상호작용에 의한 3차원 수리특성을 수

치적으로 접근 가능하고 복잡한 구조물에 대해서도 실해역에 주어지는 불규칙파의 재현이 가능한 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT(Three-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model의 개발 및 그의 적용성을 검토하는

것을 목적으로 향후 수리실험을 대신하여 구조물 주변파동장의 3차원적인 변동특성을 재현하여 그의 타당성을

검증하고 다양한 3차원특수방파제에 적용하여 내습파랑에 대한 구조물의 응답특성을 검토하고자 한다

2

12 연구의 구성

본 연구는 총 7장으로 구성되며 각 장의 내용은 다음과 같다

1) 제 1장에서는 본 연구의 배경 및 목적에 대하여 서술하고 연구의 구성에 대하여 간단히 기술한다

2) 제 2장에서는 3D-VOF법에 기초하여 자유수면을 추적하고 월파현상 및 고파랑에 대한 파랑특성을 예측

할 수 있는 수치모델로 규칙파뿐만 아니라 불규칙파에 대한 검토도 가능한 3차원불규칙파수치파동수조 3D-

NIT(Three-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model에 대한 이론적인 배경에 대해 기술한다

3) 제 3장에서는 3D-NIT model의 불규칙파의 조파성능 경사수심을 갖는 불규칙파동장에서 호안 배후로 전

달되는 월파량을 산정하여 실험결과와 비교 ∙ 검토하고 3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선

형간섭에 따른 연직원주구조물의 주변에서 파랑변형 및 연직원주구조물에 작용하는 파력특성에 관한 기존의

실험결과와 본 수치해석결과를 비교 ∙ 검토하여 본 연구에서 사용된 수치파동수조의 조파시스템의 타당성을 논

의한다

4) 제 4장에서는 충분한 폭을 갖는 3차원규칙파동장의 경사수역에서 동일한 파랑조건하에 원주구조물의 위

치변화에 따른 주변파동장과 적용파력 그리고 동일한 위치에서 상이한 입사파랑조건하에 연직원주구조물에 작

용하는 쇄파파력을 포함한 파력과 주변파동장의 변화특성을 고찰함으로써 본 3D-NIT model의 적용성을 검토한

5) 제 5장에서는 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 대하여 본 3D-NIT model을 적용하여 주변파동

장의 변화와 3차원월파량을 추정하여 통한 본 연구에서 제안하고 있는 3D-NIT model의 적용성을 논의한다

6) 제 6장에서는 본 연구의 3D-NIT model을 OWC파력발전구조물에서 수위변동을 통한 공기흐름속도의 해

석에 적용하여 입사파의 spectrum 공기실내의 파랑 spectrum 및 공기흐름속도에 관한 spectrum을 산출하고 더불

어 그의 특성을 규명함으로써 본 3D-NIT model의 적용성과 확장성을 살펴본다

7) 제 7장에서는 이상으로부터 도출된 중요한 사항을 요약하여 본 논문의 결론으로 한다

8) 끝으로 본 연구에서 참고하고 인용한 주요한 문헌을 수록한다

3

2장 수치해석이론

21 개요

비압축성의 점성유체에 대한 복잡한 자유수면을 효과적으로 수치모의할 수 있는 VOF법이 제안된 이후 자

유수면을 취급하는 많은 학문분야에서 이를 활용한 연구가 활발하게 진행되고 있다 특히 VOF법은 쇄파과정

및 쇄파후의 파형변형특성을 수치적으로 재현할 수 있어 해안공학분야에서도 VOF법을 활용한 수치모델이 많

이 사용되고 있다 VOF법은 단지 자유수면을 모의하는 기법이므로 해안공학분야에 적용시 파랑의 전달과 반사

를 정확하게 모의할 수 있는 효과적인 무반사조건을 포함한 경계조건과 수치조파방법을 결부시켜야 한다 이러

한 수치조파를 수치파동수조로 불리고 VOF법을 활용한 수치파동수조의 연구개발이 활발하게 이루어지고 있다

(沿岸開發技術硏究セソタ 2001 Van der Meer et al 1992 Troch P 1997 Hur and Mizutani 2003 Hur 2004 김 등 2001

2004 허 등 2005)

본 연구에서 적용하는 3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT (Three-Dimensional Numerical Irregular wave Tank)

model의 수치파동수조는 Fig 21(그림에서 0L 는 목표파의 파장 aL 는 부가감쇠영역의 길이 x y zD D D 는 수평

및 연직방향의 격자간격)에 보인 바와 같이 수치파동수조내에서 파의 재반사를 방지하기 위한 개경계처리기법

으로 해석영역의 양쪽에 부가감쇠영역을 두고 해석영역내에 조파를 위한 조파소스를 적용하고 있다

xD

yDz

D

Fig 21 Schematic sketch of the numerical wave tank used in 3D-NIT

4

22 3차원수치파동수조의 기초방정식

본 연구의 3D-NIT model은 기존의 2D-NIT(Two-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model의 계산수법을

3차원으로 확장한 것이며 자유표면해석모델에 VOF법을 난류해석에는 k e- 모델을 각각 적용하였고 기초방

정식은 3차원비압축성의 점성유체를 대상으로 한 연속식 및 Navier-Stokes방정식을 PBM (Porous Body Model)에

근거하여 확장한 다음의 식(21)~(24)로 주어진다

yx z

v

vu w Sx y z r

gg g gparapara para

+ + =para para para

(21)

2yx vz

v x e

y e z e v x x v u

vuuu wuu p ut x y z x x x

u v u w D u R Sy y x z z x

ll gll g nr

g n g n g g

parapara para igrave uumlpara para para paraaelig ouml+ + + = - + iacute yacuteccedil dividepara para para para para para paraegrave oslashicirc thornigrave uumlaelig ouml igrave uumlpara para para para para paraiuml iuml aelig ouml+ + + + - - +iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslashiuml iuml icirc thornegrave oslashicirc thorn

(22)

2

yx vzv x e

x e z e v y y v v

vvuv wvv p v ut x y z y x x y

v v w D v R Sy y z z y

ll gll g nr

g n g n g g

para igrave uumlaelig oumlpara parapara para para para paraiuml iuml+ + + = - + +iacute yacuteccedil dividepara para para para para para para paraiuml iumlegrave oslashicirc thornigrave uuml igrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para paraiuml iuml iuml iuml+ + + - - +iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para paraiuml iuml iuml iumlegrave oslash egrave oslashicirc thorn icirc thorn

(23)

2

yx vzv x e

y e z e v z z v w v

vwuw www p w ut x y z z x x z

w v w D w R S gy y z z z

ll gll g nr

g n g n g g g

parapara para igrave uumlpara para para para paraaelig ouml+ + + = - + +iacute yacuteccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslashicirc thornigrave uumlaelig ouml igrave uumlpara para para para paraiuml iuml aelig ouml+ + + - - + -iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para paraegrave oslashiuml iuml icirc thornegrave oslashicirc thorn

(24)

여기서 t 는 시간 x y 는 수평방향좌표 z 는 연직방향좌표 u v w는 x y z 방향의 유속성분 r 는 유체

밀도 p 는 압력 en 는 분자동점성계수 n 와 와점성계수 tn 의 합 g 는 중력가속도 vg 는 체적공극율

x y zg g g 는 x y z 방향의 면적공극율 x y zD D D 는 경계에서 반사파의 제어를 위해 설치한 스폰지층에서의

에너지감쇠계수 u v wS S S Sr 는 해석영역내의 조파를 위한 소스항 v x y zl l l l 는 구조물로부터 받는 관성

력효과를 나타낸 파라미터이고 식(25)와 같이 표현된다

5

(1 )(1 )(1 )

(1 )

v v v M

x x x M

y y y M

z z z M

CCCC

l g gl g gg g g

g g g

= + -

= + -

= + -

= + -

(25)

여기서 MC 은 관성력계수 x y zR R R 는 투과층(porous media)에서의 저항력이고 식(26)과 같이 주어진다

2 2 2

2 2 2

2 2 2

1 (1 )21 (1 )21 (1 )2

Dx x

Dy y

Dz z

CR u u v wx

CR v u v wy

CR w u v wz

g

g

g

= - + +D

= - + +D

= - + +D

(26)

여기서 DC 는 항력계수 x y zD D D 는 x y z 방향의 격자간격이다

본 연구에서는 이상의 이론에 근거한 3D-NIT model을 사용하여 규칙파 및 불규칙파의 해석을 수행한다 규

칙파 및 불규칙파의 해석에서 대상구조물이 불투과성인 경우에는 기초방정식에서 체적공극율 면적공극율 및

투과층내의 저항력을 무시하면 된다 그리고 계산에서는 양측면과 바닥에는 불투과경계조건을 적용하였다

23 난류모델

난류모델에는 실용성이 높고 여러 분야에서 사용되고 있는 고 Reynolds형의 k e- 모델을 채용하였다

k e- 모델에서는 유속의 변동량 u v w 을 사용하여 난류에너지 k 와 난류에너지일산함수 e 을 다음과 같

이 정의한다

2 2 21 ( )2

k u v w= + + (27)

2 22 2 2 2 2u v w w v uvx y z x y z

eigrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para para paraiuml iumlaelig ouml aelig ouml= + + + + +iacute yacuteccedil divide ccedil divideccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslash egrave oslashegrave oslash egrave oslashiuml iumlicirc thorn

(28)

따라서 k 와 e 은 이하에 나타내는 이류확산방정식을 풀어서 산정할 수 있다

6

yx z

v x k y k

z k v s v

vkuk wkk k kv vt x y z x x y y

kv Gz z

gg gg g g

g g g e

para igrave uumlaelig oumlpara para igrave uumlpara para para para paraiuml iumlaelig ouml+ + + = +iacute yacute iacute yacuteccedil divideccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslash iuml iumlicirc thorn egrave oslashicirc thornigrave uumlpara paraaelig ouml+ + -iacute yacuteccedil dividepara paraegrave oslashicirc thorn

(29)

2

1 2

yx zv x y

z v s v

vu w v vt x y z x x y y

v C G Cz z k k

e e

e

g eg e g ee e eg g g

e e eg g g

para igrave uumlaelig oumlpara para igrave uumlpara para para para paraiuml iumlaelig ouml+ + + = +iacute yacute iacute yacuteccedil divideccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslash iuml iumlicirc thorn egrave oslashicirc thornigrave uumlpara paraaelig ouml+ + -iacute yacuteccedil dividepara paraegrave oslashicirc thorn

(210)

2 22 2

2 2 2s tu v w w v uG vx y z x y z

igrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para para paraiuml iumlaelig ouml aelig ouml= + + + + +iacute yacuteccedil divide ccedil divideccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslash egrave oslashegrave oslash egrave oslashiuml iumlicirc thorn (211)

여기서 와동점성계수 및 확산계수는 다음과 같이 주어진다

2

t

C kv m

e= (212)

tk

k

vv vs

= + (213)

tvv vees

= + (214)

또한 위의 식에서 나타나는 1 2 kC C Cm es s 는 경험정수로 보통 009 100 130kCm es s= = =

1 2144 192C C= = 가 사용된다 그리고 k e- 모델에서 구한 난류효과는 Navier-Stokes방정식에서 동점성계

수 및 압력을 각각 다음의 식과 같이 취급함으로써 유속 및 압력에 반영된다

e tv v v= + (215)

23

p p kr= + (216)

7

24 이류방정식

3D-NIT model은 수면을 추적하기 위해 VOF법을 이용하고 있다 VOF함수 F는 일정 물리량인 유체의 체적율

로서 0leFle1의 범위를 가진다 여기서 F=1일 경우는 유체셀로 F=0일 경우는 기체셀로 0ltFlt1일 경우는 표면셀

로 각각 판단하여 자유수면을 추적하게 되며 다음의 이류방정식(217)에 의해 VOF함수가 이류된다

( )( ) ( )( ) yx zvFuF wFF Fqt x y z

ee ee parapara parapara+ + + =

para para para para (217)

25 격자설정 방법

3D-NIT model은 기초방정식을 유한차분법으로 차분근사하여 수치계산을 수행한다 그리고 계산영역을 크기

가 일정한 직사각형의 격자로 분할하고 셀 전체에 유체가 있는 경우를 유체셀 셀 전체에 기체가 있는 경우를

기체셀 셀내에 유체와 기체가 혼합되어 있는 경우를 표면셀 셀 전체에 구조물이 있는 경우를 구조물셀로 각각

정의한다 또한 셀 주위에는 직접 계산에 이용되지는 않지만 경계처리시에 필요한 가상셀을 둔다 격자를 설정

한 후에는 각 셀에서의 유속 u v w를 각각 셀 경계인 오른쪽과 위쪽에 위치시키고 압력 p 조파소스의 유량

밀도 q 및 VOF함수 F 를 각각 셀 중심에 위치하도록 하여 변수들을 엇갈리게 격자를 구성하는 엇갈린 격자

(staggerd mesh)를 적용한다

26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파

3D-NIT model은 규칙파뿐만 아니라 불규칙파에 대해서도 계산이 가능한 수치모델로 3D-NIT model을 이용하

여 불규칙파를 검토하는 경우에 조파지점에서의 수위변동 및 물입자속도(수평 및 연직유속)을 사용자가 독자적

으로 입력데이터로 작성할 필요가 있다 일반적으로 불규칙파랑은 선형이론으로부터 얻어진 규칙파의 중첩으로

조파되지만 해석시간이 증가됨에 따라 평균수위가 상승하는 문제가 발생하여 계산이 불가능하게 된다 따라서

불규칙파랑의 조파와 같은 장시간의 해석시간이 요구되는 경우에 평균수위의 상승으로 인하여 요구되는 100파

정도의 파수를 얻기까지는 무리가 있을 수 있고 결과가 얻어졌다고 하여도 신뢰성에 문제가 있다

본 연구에서는 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우에 문제로 지적되는 평균수위상승을 억

제하면서 안정적으로 불규칙파가 조파될 수 있는 시스템을 기술(Fujiwara 2005)한다 그리고 불규칙파의 파운동

을 디지털방식으로 작성하는 Goda방법에 따른 불규칙파의 조파방법도 간략히 기술한다 불규칙파의 조파방법

은 선형이론으로부터 얻어진 성분파의 주파수에 하나씩 순번을 붙여서 이를 무한급수의 합으로 고려하는 것이

다 조파지점에 있어서는 수면파형 η 수평 및 연직유속 (uw)의 시간적인 변동이 필요하게 되며 이들은 각각 식

8

(218)sim(220)로 주어진다

1( ) cos(2 )

M

m m mm

t a f th p e=

= -aring (218)

1

cosh ( )( ) 2 cos(2 )sinh

Mm

m m m mm m

k h zu z t f a f tk h

p p e=

+= -aring (219)

1

sinh ( )( ) 2 sin(2 )sinh

Mm

m m m mm m

k h zw z t f a f tk h

p p e=

+= -aring (220)

여기서 me 은 random한 위상각 mf 은 주파수 ma 은 진폭 mk 은 파수 M은 성분파의 수 h는 수심이다 단

연직좌표 z 는 정수면에서 상방향을 (+)로 취하고 me 및 mf 의 선택방법은 후술되며 진폭 ma 은 다음의 식

(221)로 정의된다

2 ( )ma S f f= D (221)

여기서 fD 는 주파수폭 ( )S f 는 파랑에너지밀도이며 불규칙파의 스펙트럼은 불규칙파를 모의하는 데에

널리 사용되고 있는 식(222)의 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970) 스펙트럼을 적용하였다

2 4 5 413 13 13( ) 0257 exp 103( )S f H T f T F- - -eacute ugrave= -euml ucirc (222)

여기서 13H 은 유의파고 13T 은 유의파주기를 각각 나타낸다 일반적으로 수치해석을 통해 불규칙파를 검

토하는 경우 해석시간이 증가됨에 따라 평균수위가 상승하는 문제가 있다(CDIT 2001) 본 연구에서는 평균수위

상승을 억제하는 방법으로 조파지점에서 수평유속을 산출할 때 각 성분파에 대응하는 Stokes파의 질량수송속도

(mass transport velocity)를 빼주는 방법을 적용한다(Fujiwara 2005) 즉 식(219)에서 질량수송속도를 뺀 수평유속은

식(223)과 같이 표현된다

1

cosh ( )( ) 2 cos(2 )sinh

Mm

mm m m mm m

k h zu z t f a f t Uk h

p p e=

igrave uuml+= - -iacute yacute

icirc thornaring (223)

여기서 Stokes파의 질량수송속도 mU 은 성분파를 나타내는 m 을 제외하여 나타내면 다음의 식(224)와 같이

9

주어진다

2

cosh 4 ( ) 12 sinh (2 )

mm m mm

m m m

H H h z LUT L h L

p p pp+

= (224)

여기서 mz 은 물입자의 평균위치를 나타낸다

27 난수의 발생방법

난수(random numbers)는 random한 현상을 다루는 수치해석에서 많이 사용되는 매우 중요한 부분이다 난수를

발생시키는 방법에는 물리적인 방법과 수식을 이용한 방법이 있으며 물리적인 방법으로 난수를 발생시킬 경우

에는 많은 시간이 소요되며 컴퓨터를 이용한 모의실험에는 사용할 수 없다는 단점이 있다 따라서 수치해석에

사용되는 난수는 수식을 이용하여 발생되며 이러한 방법을 이용한 대표적인 난수발생방법으로 중양제곱법

(mid-squar method) 합동법(congruential method) 그리고 시프트법(shift method) 등이 있다(조 등 1992)

본 연구에서는 합동법에 기초하여 난수를 발생시켰고 난수발생은 IMSL(International Mathematical and Statistical

Library)의 난수발생기(random number generator)를 이용하였으며 그 알고리즘음 다음과 같다(Compaq computer

corporation 2001)

먼저 임의정수 1X 은 seed number이며 mod( )Y b 는 Y 를 b 로 나눈 나머지를 나타낸다 이러한 계산이 임

의주기 동안 진행되면서 1X 은 2X 로 변환되고 연속된 정수 iX 를 산출하는 과정을 반복한다 0과 1사이에 할

당된 난수는 식(225)에 의해 얻어질 수 있으며 상수는 식(226)에 나타낸 특수한 값으로 주어진다

12i iR X q i= = (225)

36 357909 2 2 1a b q= = = - (226)

이러한 과정에서 임의정수 iX 가 352 을 초과할 경우 iX 는 정수 35(2 1)- 로 변환된 후 계산이 수행되며

식(225)로부터 구한 난수는 [01] 사이에 분포한다

이로부터 불규칙파의 각 성분파간의 위상각 me 은 Fig 22에 나타낸 바와 같이 [01] 사이에 분포하는 난수를

발생시킨 후 위상을 조정하기 위해 2p 를 곱하여 [02 ]p 사이에 분포하는 값을 취하는 것으로 하였다

28 주파수의 선택방법

불규칙파를 모의하기 위한 주파수 mf

의 성분파의 진폭이 거의 같도록

Mitsuyasu(Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼에

다음의 식(227)을 이용하여 주파수 mf

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - =

10

주파수 mf 의 선택방법에는 주파수스펙트럼을 등구간으로

하는 등에너지로 분할하는 방법 등이 있다 본 연구에서는

스펙트럼에 대해 등에너지로 스펙트럼을 분할할 수 있는 Goda(1985)

mf 을 선택하였다

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - =

Fig 22 Random phase angle

mf 등구간으로 분할하는 방법과 각각

연구에서는 Bretshneider-

Goda(1985)에 의해 제안된

mf

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - = (227)

11

3장 수치해석의 검증

31 개요

일본의 연안개발기술센터(沿岸開發技術硏究セソタ 2001)에서 개발한 수치파동수조 CADMAS-SURF와 같은

2차원규칙파에 대한 연구는 많이 수행되고 있지만 2차원불규칙파와 3차원불규칙파에 대한 연구는 찾아보기가

어렵다

최근 개발되고 있는 방파제 및 호안의 경우 구조물의 형상이 복잡한 특수방파제가 많이 적용되고 있다 하지

만 이러한 방파제를 2차원으로 적용 ∙ 계산하기에는 반사율 파압분포 및 월파량의 추정치가 실제의 3차원의 경

우와는 상이한 결과가 발생할 것으로 판단된다 따라서 본 연구에서는 3차원수치파동수조인 3D-NIT model의 조

파성능에 대해 먼저 검토한다 그리고 3D-NIT model을 이용하여 규칙파 및 불규칙파를 조파하고 眞田(1998)의

수리실험과 비교 ∙ 검토함으로써 결과의 타당성을 논의한다 또한 불규칙파동장에 경사수심역에 설치된 호안을

대상으로 호안 배후로 전달되는 월파량을 산정하고 이의 결과를 실험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를

검토하고 더불어 파력의 실험치( Chakrabarti 1975)와 비교 ∙ 검토함으로써 결과의 타당성을 논의한다

32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증

불규칙파의 조파성능을 검증하기 위하여 Fig 31과 같은 구조물이 설치되지 않은 수심 219h m= 의 3차원

수치파동수조(부가감쇠영역과 해석영역으로 구성되었으며 격자크기는 1 05 05x m y m z mD = D = D = 로 설

정)에서 유의파고 13 7H m= 유의주기 13 1225secT = 를 목표로 성분파 200개를 선형중첩하여 불규칙파를

조파하였다 그리고 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을 방지하기

위하여 설치된 부가감쇠영역의 길이 aL 는 목표파 파장 0L 의 2배 이상으로 하였다 Fig 32는 조파지점에서의

계산파형을 목표한 파형과 비교한 그림으로 장시간의 해석에도 평균수위상승은 크게 나타나지 않으며 목표한

파형과 비교하여 전체적으로 파형과 위상이 잘 일치하고 있음을 확인할 수 있다

12

Fig 31 Schematic sketch of numerical wave tank

Fig 32 Comparison of target and calculated wave profiles at wave source position

3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 따른 연직원주구조물주변의 파랑변형에 대

하여 해석해 및 2차오더의 회절산란포텐셜을 유도한 眞田(1998)의 수치해석결과 및 수리실험결과와 본 수치해

석결과를 비교ᆞ검토한다

Fig 33은 비교에 적용된 3차원수치파동수조 및 연직원주구조물의 제원을 나타내며 이때 수치파동수조의 수

심은 45h cm= 로 일정하며 입사파고 3H cm= 입사주기 01sect = 의 규칙파에 대하여 수치계산을 수행하

였다 그리고 수치계산에서는 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을

방지하기 위하여 부가감쇠영역을 설치하며(Hinatsu 1992) 부가감쇠영역의 길이는 입사파장 L 의 2배 이상으로

하였다

x축을 따른 y=0 y=25cm의 위치 및 연직원주구조물의 주위에서 무차원최대수면상승고 max2h ( maxh 는 최대수

위값)의 공간분포에 대하여 眞田(1998)의 수치해석해석결과 및 수리실험결과와 비교한 본 계산결과를 Fig 34에

각각 제시하였고 다음의 결과를 살펴보면 원주 전면의 표면에서 가장 큰 무차원최대수면상승고가 나타났고 이

는 원주구조물의 전면에서 구조물에 의해 반사되는 회절산란파와 입사파의 중첩으로 부분중복파가 형성된것으

로 판단된다 그리고 Fig 34 (a)와 (b)에서 본 연구의 수치해석결과가 眞田(1998)의 수리실험치를 전체적으로 잘

재현하고 있으며 그 정도는 매우 높은 것으로 판단된다

()

mh

13

(a) Plan view

(b) Side view

Fig 33 Definition sketch of 3D numerical wave tank for comparison of wave transformation

(a) y=0cm

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zoneWave source

Wave

x

y

O

Open boundary Open boundary

Wave

Calculation zone

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

Wave source

2L 2L

z

O

45

33

50 30

x

Unitcm

14

(b) y=25cm

Fig 34 Comparison of spatial distribution of non-dimensional maximum water levels

33 월파량의 검토

본 절에서는 앞서 검토한 결과를 바탕으로 호안 배후로 전달되는 파랑의 월파량을 산정하고 이의 결과를 실

험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를 검토한다

Fig 35는 본 연구에서 월파량 산정을 위하여 고려된 수치파동수조고 Fig 36은 Fig 35의 수치파동수조에서

호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화를 파라미터로하여 산정된 호안월파량을 Goda(1985)의 실험치와 비교한

결과이다 이 때 적용한 파 조건은 주기 0 1383secT = 파고

0 4H m= 를 목표로 설정하였다 그리고 월파량

산정에 이용한 불규칙파는 파가 안정적으로 판단되는 조파개시후 50sec에서부터 600sec 사이의 파이며 월파량

은 호안의 천단상부에 설치된 수평유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 시간평균하여 산정하였다(Goda

1985)

Fig 36의 결과를 살펴보면 호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화에 따른 월파량의 변화특성을 살펴보면 본

연구의 계산치는 실험치를 잘 재현하고 있을 뿐 아니라 산정된 월파량의 정도는 실험치와 비교하여 상당히 높

은 것으로 판단된다

Fig 35 Numerical setup for wave overtopping over vertical seawall on a sea bottom slope of 110

15

Fig 36 Comparison between experimental and numerical results for wave overtopping rate over vertical seawall on a sea bottom

slope of 110 ( 0 0 0017H L = )

34 월파현상의 재현

Fig 37은 Fig 36의 0 0 075 15ch H h H= = 의 경우에 대한 월파에 따른 주변파동장의 변화를 나타낸

일례이다 그림을 살펴보면 본 연구의 수치파동수조는 기대하는 불규칙파동장을 잘 재현하는 것으로 판단된다

그리고 경사수심역상에는 수심변동으로 인한 천수변형을 확인할 수 있으며 호안의 천단상에서는 호안월파로

인하여 배후면으로 낙하되는 빠른 유속이 관찰된다 따라서 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장의 재현

및 수심변동에 따른 천수변형 호안월파로 인한 배후면의 파동장교란 등에 대해 고정도의 결과도 기대할 수 있

고 따라서 향후 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장하에 복잡한 형태를 가진 특수방파제 등에 의한 주변

파동장의 3차원적인 응답해석 및 월파현상을 확인하는데도 충분히 이용 가능할 것으로 판단된다

16

Fig 37 Spatial variation of irregular waves on a sea bottom slpoe of 110 ( 0 0 075 15ch H h H= = )

17

35 파력의 검증

다음으로 연직원주구조물에 작용하는 파력특성에 대하여 116h a = (a는 연직원주구조물의 반경)

0232H a = 인 경우에 기존의 수리실험결과(Chakrabarti and Tam 1975) 및 수치해석결과(喜岡와 石田 1984 村

上 등 1993)와 본 연구의 수치해석결과를 비교ᆞ검토한다 Fig 38은 해석에 이용된 연직원주구조물의 제원을 나

타내며 무차원최대파력 2max ( 2)F ga Hr 에 대하여 기존의 수리실험 및 수치해석결과와 비교한 것을 Fig

39에 제시하였다 결과를 살펴보면 실험치가 주어져 있는 kagt07(k는 파수 k=2 L)의 범위에서는 본 연구의 수치

해석결과는 수리실험결과를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되며 실험치가 주어지지 않은 kalt05의 범위에서 村

上 등(1993)의 결과는 Stokes 2차파이론의 적용범위를 초과하므로 발산하고 있다 이는 kalt05의 범위는 DLlt02

인 항력이 지배적인 소형구조물의 영역으로 기존의 해석법으로 파력을 산정하는데는 과도한 계산시간으로 파

력산정에 다소 무리가 있으며 항력과 관성력을 동시에 고려할 수 있는 Navier-Stokes의 운동방정식에 근거한 본

연구의 수치해석결과가 타당한 것으로 판단된다

Fig 38 Definition sketch for comparison of wave force acting on the circular cylinder

x

y

zWave

h

a

18

Fig 39 Comparison of non-dimensional maximum wave force acting on the circular cylinder

이상의 3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 의한 파랑변형 및 구조물에 작용하

는 파력의 수치해석결과가 실험치를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되므로 본 연구의 타당성이 검증된다

0 05 1 15 2ka

0

1

2

3

4

5

6F m

axr

ga2 (

H2

)This studyExp(Chakrabarti amp Tam 1975)Cal(Shin 2008)Cal(Murakami et al 1993)Cal(Kioka and Ishida 1984)

19

4 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장

해석에 적용

41 개요

해역에 설치된 구조물은 파력 풍력 조류력 등의 외력을 지속적으로 받기 때문에 구조물의 경우 극한의 파

랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충분한 강도를 가지도록 설계할 필요가 있다 본 연구에서는 해역에서 쇄파

가 발생할 때 원주구조물에 작용하는 쇄파력과 파랑변형을 논의한다 쇄파에 대한 이론 및 실험적 연구는 오래

전부터 많은 연구자들에 의해서 수행되어 왔고 최근에는 과도수파생성법(조 등 2001)에 의한 쇄파현상의 재현

및 비선형파의 3차원수치해석법에 의한 연구가 수행되고 있다(신 2008) 본 논문에서는 3차원불규칙파수치파동

수조 3D-NIT model을 적용하여 쇄파가 발생할 경우에 쇄파가 구조물에 미치는 영향에 대하여 검토하고 이와

연계하여 구조물에 작용하는 쇄파력의 크기를 분석한다 그리고 쇄파전의 영역 쇄파영역 및 쇄파후의 영역에

각각 원주구조물이 설치된 경우에 작용파력과 파랑변형의 특성을 조사하여 3D-NIT model의 적용성을 검토한다

42 수치파동수조

Fig 41과 같은 수심 30h cm= 를 갖는 규칙파동장의 경사수심역에 설치된 원주구조물을 대상으로 파력을

산정하며 적용한 규칙파는 주기 14secT = 파고 23456H cm= 이다 Table 41은 본 연구에서 대상으로

하는 수치파동수조의 특성을 나타내며 여기서 D는 원주구조물의 직경을 d는 경사수심이 이후의 수심을 나타

내고 s는 경사수심 끝단부로부터의 이격거리이다

(a) front view

20

(b) top view Fig 41 Definition sketch of 3D numerical wave tank for analysis of wavebreaking force acting on circular cylinder

Table 41 Condition of numerical analysis for circular cylinder shape of structure slope T(s) H(cm) h(cm) D(cm) d(cm) s(cm)

circular

cylinder

case1 110 14 2 3 4

5 6 30 60 4 0

case2 110 14 4 30 60 4 0 20 40

60 80

43 주변파동장

Fig 42는 원주구조물이 경사수심 끝단부에 위치할 때 파고 23456H cm= 로 변환될 경우의 원주구조물

로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면분포 및 단면분포를 나타낸 것이다 여기

서 파고 23H cm= 인 경우에는 쇄파현상이 발생하지 않지만 4H cm= 인 경우에는 경사수심이 끝나는 지점

에서 쇄파가 발생된다 이것은 수심이 낮아지면서 천수효과로 인해 파고가 쇄파한계를 넘어 쇄파가 발생된 것

으로 판단된다 그리고 56H cm= 인 경우에는 파고가 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생되

는 현상이 나타났다 이는 파고가 높아짐으로 인하여 쇄파한계가 경사수심의 끝단부 이전에서 나타난 것으로

보여진다

Fig 43은 case1에서 쇄파력이 원주구조물에 가장 영향이 많이 미칠 것으로 판단되는 파고 4H cm= 의 경

우에 대하여 원주구조물이 경사수심 끝단부로부터 이격거리 020406080s cm= 로 변환될 경우에 원주구조

물로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면 및 단면적인 변화양상을 나타낸 것이다

여기서 이격거리가 멀어짐에 따라 쇄파후 파의 재생성 과정을 통하여 정상상태의 파랑으로 전이되며 구조물

의 위치에 따른 구조물 전면부에서 처오름이 쇄파대 부분에 구조물이 위치할 경우보다 이격거리가 멀어질수록

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

yx

Wave

DSlope=110

500cm

21

작아지는 것을 확인할 수 있다

(a) 2 14sec 0H cm T s cm= = =

22

(b) 3 14sec 0H cm T s cm= = =

23

(c) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

24

(d) 5 14sec 0H cm T s cm= = =

25

(e) 6 14sec 0H cm T s cm= = =

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height

26

(a) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

27

(b) 4 14sec 20H cm T s cm= = =

28

(c) 4 14sec 40H cm T s cm= = =

29

(d) 4 14sec 60H cm T s cm= = =

30

(e) 4 14sec 80H cm T s cm= = =

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder

31

44 파력

Fig 44는 Fig 41에서 정의된 경사수심의 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 지점에 있어서 파고

23456H cm= 로 변화시킨 경우에 파력의 변화를 나타낸 것이다 결과를 살펴보면 파고 234H cm= 까

지는 파력이 증가하지만 5cm 이상부터는 오히려 파력이 감소하는 것을 알 수 있다 이는 Fig 42의 주변파동장

에서 파고가 5cm 이상부터 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생하여 쇄파로 인한 파랑에너지가

많이 소산된 것으로 판단된다 이러한 결과로 파고가 더 커지더라도 쇄파가 발생하는 위치에 따라 낮은 파고에

서도 높은 파력이 작용할 수 있다는 것이 확인되었다 따라서 수심이 얕아지는 천해역에서 방파제나 기타 구조

물을 설계함에 있어 구조물 전면부에서 쇄파가 발생하지 않도록 주의를 기울일 필요가 있을 것으로 판단된다

Fig 45는 Fig 41 에서 정의된 경사수심 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 일 때 최대로 파력이 작용하는 파

고 4H cm= 에 대하여 구조물의 이격거리 020406080s cm= 로 변화시켜 구조물의 이격거리에 따른 쇄

파력의 크기를 검토한 결과이고 Fig 46은 Fig 45의 이격거리 04080s cm= 의 경우 파력의 시계열을 나타낸

것이다 결과를 살펴보면 구조물의 이격거리가 증가함에 따라 파력이 감소하는 것이 나타났다 하지만 이격거

리 20s cm= 이후에서는 파력의 감소가 줄어든다 이는 쇄파로 인해 어느 정도 에너지가 소산되고 난 이후에

파고가 정상상태에 전이된 결과에 기인하는 것으로 판단된다

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1

0 1 2 3 4 5 6 7 8time(sec)

-10

0

10

20

30

F(N

)

H=2cmH=3cmH=4cmH=5cmH=6cm

32

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2

45 3차원불규칙수치파동수조에 의한 고립파의 적용

본 절에서는 3D-NIT model의 고립파로 적용성에 대하여 검토한다 고립파와 구조물과의 상호간섭을

해석하기 위하여 Fig 41과 같은 3차원수치파동수조를 고려한다 해석영역내에서는 수치적으로 고립파

를 발생시키기 위한 조파소스(Brorsen amp Lasen 1987 김 등 2001)와 무반사조파시스템을 위한 에너지감쇠

영역이 고려되고 3차원파동장에서 고립파의 작용하에 작용파압을 검토하기 위하여 경사수심을 갖는 불

투과지반에 연직주상구조물이 설치된다 조파소스에서 조파강도는 다음의 식(41)로 주어진다

0 20 40 60 80s(cm)

4

8

12

16F(

N)

0 2 4 6 8time(sec)

-5

0

5

10

15

20

F(N

)

s=0cms=40cms=80cm

33

( ) = 2 (41)

여기서 는 발생파의 수평유속성분을 각각 나타내며 본 연구에서는 조파소스강도 로서 식(42)과

같이 Grimshaw(1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사이론에 의한 수평방향유속 를 적용한다(Fenton

1972)

= ℎ[ minus minus + ] (42)

여기서 및 는 다음과 같이 정의된다

= minus 14 + + 1 + ℎ 32 minus 94

= 1940 + 15 minus 65 + 1 + ℎ minus 32 minus 154 + 152

= 1 + ℎ minus 38 minus 4516 + 4516

그리고 는 물입자의 연직방향 평균위치를 나타내며 와 는 다음의 식과 같이 정의된다

= ℎ (43)

= sech (44)

여기서 ℎ는 수심 는 고립파의 입사파고를 나타내며 와 는 각각 다음의 식으로 주어진다

= 34 1 minus 58 + 71128 (45)

= minus ℎ (46)

34

여기서 는 고립파의 파속으로 고립파의 3차근사이론에 의하면 다음의 식과 같이 표현된다

= ℎ 1 + 12 minus 320 + 356 (47)

Ohyama amp Nadaoka(1991)는 수치파동수조내에서 구조물이 설치될 경우 조파소스의 위치에서 반사파

의 영향을 고려하여 조파소스지점에서 연직적분치가 반사파가 없는 경우와 분포형상이 상사되도록 다

음의 식을 고려하고 있다

= 2 + ℎ + ℎ (48)

여기서 와 는 각각 조파소스의 위치에서 수위변동과 조파소스에 의해 기대되는 수위변동이다

본 연구에서 는 다음의 식과 같은 고립파의 3차근사식을 적용하여 산정된다(Fenton 1972)

= ℎ 1 + + 58 minus 10180 (49)

여기서 는 다음의 식(410)과 같이 주어진다

= tanh minus ℎ (410)

이상의 관계식을 3D-NIT model에 적용하여 고립파를 수치조파한다 전술한 결과에서 최대파력이 작용하는

Fig 41에서 이격거리 0s cm= 인 경우에 고립파의 파고 23456iH cm= 일 때 주변파동장의 변화양상을

Fig 47(a)~(e)에 나타내었다 결과를 살펴보면 단주기규칙파에서의 결과와는 달리 파고의 증가에도 구조물 전면

부에서 쇄파가 발생하지 않았다 이는 상대적으로 긴 파장으로 인하여 Ursell수가 작아지기 때문으로 판단된다

그리고 구조물 전면부에서 고립파로 인한 급격한 처오름현상이 확인되고 연직주상구조물로 인한 회절현상을

약간 확인할 수 있지만 파장이 상대적으로 길기 때문에 회절파라미터가 작아져 결과적으로 단주기파랑보다 회

절현상이 작아진다

연직주상구조물의 전면부에 작용하는 파력분포를 Fig 48에 나타내었다 결과를 살펴보면 모두 정수면에서

최대파력이 작용하고 파고가 증가함에 따라 구조물에 작용하는 최대파력이 거의 선형적으로 증가하는 것을 알

수 있다 이는 기본적으로 규칙파와 달리 쇄파가 발생하지 않고 경사수심으로 인한 고립파의 파고변화가 크게

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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檢討 第31回海岸工學講演會論文集 pp257-261

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集 40(2) pp846-850

bull 眞田 武 (1998) 大型海洋構造物による非線形回折散亂波の2次近似解析解とその応用に関する硏究 工

學博士學位論文 名古屋大學大學院

bull 沿岸開發技術硏究センタ(2001) CADMAS-SURF 數値波動水路の開發ᆞ硏究

71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 10: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

viii

LIST OF TABLES

Table 41 Condition of numerical analysis for circular cylinder 20

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater

and incident wave condition 49

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition 50

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater

and incident wave condition 57

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition 58

ix

LIST OF FIGURES

Fig 21 Schematic sketch of the numerical wave tank used in 3D-NIT 3

Fig 22 Random phase angle 10

Fig 31 Schematic sketch of numerical wave tank 12

Fig 32 Comparison of target and calculated wave profiles at wave source position 12

Fig 33 Definition sketch of 3D numerical wave tank for comparison of wave transformation 13

Fig 34 Comparison of spatial distribution of non-dimensional maximum water levels 14

Fig 35 Numerical setup for wave overtopping over vertical seawall on a sea bottom slope of 110 14

Fig 36 Comparison between experimental and numerical results for wave overtopping rate over

vertical seawall on a sea bottom slope of 110 ( 0 0 0017H L = ) 15

Fig 37 Spatial variation of irregular waves on a sea bottom slpoe of 110 ( 0 0 075 15ch H h H= = ) 16

Fig 38 Definition sketch for comparison of wave force acting on the circular cylinder 17

Fig 39 Comparison of non-dimensional maximum wave force acting on the circular cylinder 18

Fig 41 Definition sketch of 3D numerical wave tank for analysis of wavebreaking force acting on circular cylinder 20

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height 25

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder 30

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1 31

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2 32

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2 32

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height 39

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height 40

Fig 51 Type of specialized breakwater 45

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor 47

x

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater 48

Fig 54 Time variation of overtopping rate 50

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition 54

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor 56

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater 57

Fig 58 Time variation of overtopping rate 59

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = ) 60

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC 62

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber 63

Fig 63 Comparison of frequency spectrum 64

Fig 64 Elevation change at the structure location 65

Fig 65 Air velocity change at the structure location 65

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = ) 66

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity 67

1

1장 서론

11 연구의 배경 및 목적

외해에서 내습하는 파랑으로부터 연안역의 주요 시설물을 보호하고 해역을 정온화하기 위해 연안역에 직립

제 경사제 혼성제 등의 다양한 방파제를 건설하여 왔고 최근에는 주변경관과의 조화 친수성 및 저반사의 목적

등으로 슬리트케이슨제로 대표되는 특수방파제가 많이 시공되고 있다 한편 해역에 설치된 구조물은 외력을 지

속적으로 받으므로 극한의 파랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충분한 강도를 구비할 필요성이 있고 이에 따

라 특수방파제에 의한 파랑제어 및 구조물에 작용하는 파력에 대한 고정도 해석이 요구된다

구조물에 대한 파랑응답은 파랑과 구조물의 3차원적인 특성들로 인하여 복잡하게 나타나는 현상으로 내습

파랑에 의한 구조물의 정도 높은 평가를 위해서는 3차원구조물을 정확히 재현하고 이를 검토할 수 있는 3차원

불규칙수치파동수조의 개발이 필요하다 특히 3차원수치파동수조를 통하여 구조물을 검토하는 경우 구조물에

의한 주변파동장의 3차원적인 시 ∙ 공간변화를 상세히 검토할 수 있는 장점이 있으며 또한 구조물의 복잡한 형

상에 의한 파랑 상호간의 간섭현상까지도 검토할 수 있다 더불어 3차원수치파동수조에서는 구조물의 3차원적

인 특성에 따른 검토단면들에 대한 작용파압의 변화뿐만 아니라 구조물의 특성에 따른 파랑의 집중현상까지도

검토가 가능하다 그리고 파랑의 월파현상은 입사파랑조건에 따라 달라질 수 있지만 3차원구조물에 의한 파랑

집중현상에 의해서도 발생할 수 있다 이러한 부분들은 3차원수치파동수조를 통해서만 재현할 수 있고 3차원형

상의 구조물에 대한 대표단면만을 대상으로 하는 2차원수치해석(CDIT 2001)에서는 검토될 수 없는 사항들이다

한편 복잡한 구조물에 대한 실해역에 주어지는 불규칙파를 재현하기 위해서 지금까지의 수치해석기법으로는 2

차원수치해석을 통한 불규칙파의 해석이 주로 수행되어 왔고 3차원수치해석의 경우에는 규칙파에 대해서만 해

석이 이루어졌다 따라서 실제 해양에서의 파와 유사한 특성을 갖는 불규칙파에 대한 수치해석이 수행되지 않

아 불규칙파동장하에서 파랑과 구조물 사이의 3차원 수리특성을 규명하기 위해 막대한 시간과 경비가 소요되

는 수리모형실험이 실시되어 왔다

본 연구에서는 수리실험에 의존해 오던 3차원불규칙파와 구조물과의 상호작용에 의한 3차원 수리특성을 수

치적으로 접근 가능하고 복잡한 구조물에 대해서도 실해역에 주어지는 불규칙파의 재현이 가능한 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT(Three-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model의 개발 및 그의 적용성을 검토하는

것을 목적으로 향후 수리실험을 대신하여 구조물 주변파동장의 3차원적인 변동특성을 재현하여 그의 타당성을

검증하고 다양한 3차원특수방파제에 적용하여 내습파랑에 대한 구조물의 응답특성을 검토하고자 한다

2

12 연구의 구성

본 연구는 총 7장으로 구성되며 각 장의 내용은 다음과 같다

1) 제 1장에서는 본 연구의 배경 및 목적에 대하여 서술하고 연구의 구성에 대하여 간단히 기술한다

2) 제 2장에서는 3D-VOF법에 기초하여 자유수면을 추적하고 월파현상 및 고파랑에 대한 파랑특성을 예측

할 수 있는 수치모델로 규칙파뿐만 아니라 불규칙파에 대한 검토도 가능한 3차원불규칙파수치파동수조 3D-

NIT(Three-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model에 대한 이론적인 배경에 대해 기술한다

3) 제 3장에서는 3D-NIT model의 불규칙파의 조파성능 경사수심을 갖는 불규칙파동장에서 호안 배후로 전

달되는 월파량을 산정하여 실험결과와 비교 ∙ 검토하고 3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선

형간섭에 따른 연직원주구조물의 주변에서 파랑변형 및 연직원주구조물에 작용하는 파력특성에 관한 기존의

실험결과와 본 수치해석결과를 비교 ∙ 검토하여 본 연구에서 사용된 수치파동수조의 조파시스템의 타당성을 논

의한다

4) 제 4장에서는 충분한 폭을 갖는 3차원규칙파동장의 경사수역에서 동일한 파랑조건하에 원주구조물의 위

치변화에 따른 주변파동장과 적용파력 그리고 동일한 위치에서 상이한 입사파랑조건하에 연직원주구조물에 작

용하는 쇄파파력을 포함한 파력과 주변파동장의 변화특성을 고찰함으로써 본 3D-NIT model의 적용성을 검토한

5) 제 5장에서는 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 대하여 본 3D-NIT model을 적용하여 주변파동

장의 변화와 3차원월파량을 추정하여 통한 본 연구에서 제안하고 있는 3D-NIT model의 적용성을 논의한다

6) 제 6장에서는 본 연구의 3D-NIT model을 OWC파력발전구조물에서 수위변동을 통한 공기흐름속도의 해

석에 적용하여 입사파의 spectrum 공기실내의 파랑 spectrum 및 공기흐름속도에 관한 spectrum을 산출하고 더불

어 그의 특성을 규명함으로써 본 3D-NIT model의 적용성과 확장성을 살펴본다

7) 제 7장에서는 이상으로부터 도출된 중요한 사항을 요약하여 본 논문의 결론으로 한다

8) 끝으로 본 연구에서 참고하고 인용한 주요한 문헌을 수록한다

3

2장 수치해석이론

21 개요

비압축성의 점성유체에 대한 복잡한 자유수면을 효과적으로 수치모의할 수 있는 VOF법이 제안된 이후 자

유수면을 취급하는 많은 학문분야에서 이를 활용한 연구가 활발하게 진행되고 있다 특히 VOF법은 쇄파과정

및 쇄파후의 파형변형특성을 수치적으로 재현할 수 있어 해안공학분야에서도 VOF법을 활용한 수치모델이 많

이 사용되고 있다 VOF법은 단지 자유수면을 모의하는 기법이므로 해안공학분야에 적용시 파랑의 전달과 반사

를 정확하게 모의할 수 있는 효과적인 무반사조건을 포함한 경계조건과 수치조파방법을 결부시켜야 한다 이러

한 수치조파를 수치파동수조로 불리고 VOF법을 활용한 수치파동수조의 연구개발이 활발하게 이루어지고 있다

(沿岸開發技術硏究セソタ 2001 Van der Meer et al 1992 Troch P 1997 Hur and Mizutani 2003 Hur 2004 김 등 2001

2004 허 등 2005)

본 연구에서 적용하는 3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT (Three-Dimensional Numerical Irregular wave Tank)

model의 수치파동수조는 Fig 21(그림에서 0L 는 목표파의 파장 aL 는 부가감쇠영역의 길이 x y zD D D 는 수평

및 연직방향의 격자간격)에 보인 바와 같이 수치파동수조내에서 파의 재반사를 방지하기 위한 개경계처리기법

으로 해석영역의 양쪽에 부가감쇠영역을 두고 해석영역내에 조파를 위한 조파소스를 적용하고 있다

xD

yDz

D

Fig 21 Schematic sketch of the numerical wave tank used in 3D-NIT

4

22 3차원수치파동수조의 기초방정식

본 연구의 3D-NIT model은 기존의 2D-NIT(Two-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model의 계산수법을

3차원으로 확장한 것이며 자유표면해석모델에 VOF법을 난류해석에는 k e- 모델을 각각 적용하였고 기초방

정식은 3차원비압축성의 점성유체를 대상으로 한 연속식 및 Navier-Stokes방정식을 PBM (Porous Body Model)에

근거하여 확장한 다음의 식(21)~(24)로 주어진다

yx z

v

vu w Sx y z r

gg g gparapara para

+ + =para para para

(21)

2yx vz

v x e

y e z e v x x v u

vuuu wuu p ut x y z x x x

u v u w D u R Sy y x z z x

ll gll g nr

g n g n g g

parapara para igrave uumlpara para para paraaelig ouml+ + + = - + iacute yacuteccedil dividepara para para para para para paraegrave oslashicirc thornigrave uumlaelig ouml igrave uumlpara para para para para paraiuml iuml aelig ouml+ + + + - - +iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslashiuml iuml icirc thornegrave oslashicirc thorn

(22)

2

yx vzv x e

x e z e v y y v v

vvuv wvv p v ut x y z y x x y

v v w D v R Sy y z z y

ll gll g nr

g n g n g g

para igrave uumlaelig oumlpara parapara para para para paraiuml iuml+ + + = - + +iacute yacuteccedil dividepara para para para para para para paraiuml iumlegrave oslashicirc thornigrave uuml igrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para paraiuml iuml iuml iuml+ + + - - +iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para paraiuml iuml iuml iumlegrave oslash egrave oslashicirc thorn icirc thorn

(23)

2

yx vzv x e

y e z e v z z v w v

vwuw www p w ut x y z z x x z

w v w D w R S gy y z z z

ll gll g nr

g n g n g g g

parapara para igrave uumlpara para para para paraaelig ouml+ + + = - + +iacute yacuteccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslashicirc thornigrave uumlaelig ouml igrave uumlpara para para para paraiuml iuml aelig ouml+ + + - - + -iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para paraegrave oslashiuml iuml icirc thornegrave oslashicirc thorn

(24)

여기서 t 는 시간 x y 는 수평방향좌표 z 는 연직방향좌표 u v w는 x y z 방향의 유속성분 r 는 유체

밀도 p 는 압력 en 는 분자동점성계수 n 와 와점성계수 tn 의 합 g 는 중력가속도 vg 는 체적공극율

x y zg g g 는 x y z 방향의 면적공극율 x y zD D D 는 경계에서 반사파의 제어를 위해 설치한 스폰지층에서의

에너지감쇠계수 u v wS S S Sr 는 해석영역내의 조파를 위한 소스항 v x y zl l l l 는 구조물로부터 받는 관성

력효과를 나타낸 파라미터이고 식(25)와 같이 표현된다

5

(1 )(1 )(1 )

(1 )

v v v M

x x x M

y y y M

z z z M

CCCC

l g gl g gg g g

g g g

= + -

= + -

= + -

= + -

(25)

여기서 MC 은 관성력계수 x y zR R R 는 투과층(porous media)에서의 저항력이고 식(26)과 같이 주어진다

2 2 2

2 2 2

2 2 2

1 (1 )21 (1 )21 (1 )2

Dx x

Dy y

Dz z

CR u u v wx

CR v u v wy

CR w u v wz

g

g

g

= - + +D

= - + +D

= - + +D

(26)

여기서 DC 는 항력계수 x y zD D D 는 x y z 방향의 격자간격이다

본 연구에서는 이상의 이론에 근거한 3D-NIT model을 사용하여 규칙파 및 불규칙파의 해석을 수행한다 규

칙파 및 불규칙파의 해석에서 대상구조물이 불투과성인 경우에는 기초방정식에서 체적공극율 면적공극율 및

투과층내의 저항력을 무시하면 된다 그리고 계산에서는 양측면과 바닥에는 불투과경계조건을 적용하였다

23 난류모델

난류모델에는 실용성이 높고 여러 분야에서 사용되고 있는 고 Reynolds형의 k e- 모델을 채용하였다

k e- 모델에서는 유속의 변동량 u v w 을 사용하여 난류에너지 k 와 난류에너지일산함수 e 을 다음과 같

이 정의한다

2 2 21 ( )2

k u v w= + + (27)

2 22 2 2 2 2u v w w v uvx y z x y z

eigrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para para paraiuml iumlaelig ouml aelig ouml= + + + + +iacute yacuteccedil divide ccedil divideccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslash egrave oslashegrave oslash egrave oslashiuml iumlicirc thorn

(28)

따라서 k 와 e 은 이하에 나타내는 이류확산방정식을 풀어서 산정할 수 있다

6

yx z

v x k y k

z k v s v

vkuk wkk k kv vt x y z x x y y

kv Gz z

gg gg g g

g g g e

para igrave uumlaelig oumlpara para igrave uumlpara para para para paraiuml iumlaelig ouml+ + + = +iacute yacute iacute yacuteccedil divideccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslash iuml iumlicirc thorn egrave oslashicirc thornigrave uumlpara paraaelig ouml+ + -iacute yacuteccedil dividepara paraegrave oslashicirc thorn

(29)

2

1 2

yx zv x y

z v s v

vu w v vt x y z x x y y

v C G Cz z k k

e e

e

g eg e g ee e eg g g

e e eg g g

para igrave uumlaelig oumlpara para igrave uumlpara para para para paraiuml iumlaelig ouml+ + + = +iacute yacute iacute yacuteccedil divideccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslash iuml iumlicirc thorn egrave oslashicirc thornigrave uumlpara paraaelig ouml+ + -iacute yacuteccedil dividepara paraegrave oslashicirc thorn

(210)

2 22 2

2 2 2s tu v w w v uG vx y z x y z

igrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para para paraiuml iumlaelig ouml aelig ouml= + + + + +iacute yacuteccedil divide ccedil divideccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslash egrave oslashegrave oslash egrave oslashiuml iumlicirc thorn (211)

여기서 와동점성계수 및 확산계수는 다음과 같이 주어진다

2

t

C kv m

e= (212)

tk

k

vv vs

= + (213)

tvv vees

= + (214)

또한 위의 식에서 나타나는 1 2 kC C Cm es s 는 경험정수로 보통 009 100 130kCm es s= = =

1 2144 192C C= = 가 사용된다 그리고 k e- 모델에서 구한 난류효과는 Navier-Stokes방정식에서 동점성계

수 및 압력을 각각 다음의 식과 같이 취급함으로써 유속 및 압력에 반영된다

e tv v v= + (215)

23

p p kr= + (216)

7

24 이류방정식

3D-NIT model은 수면을 추적하기 위해 VOF법을 이용하고 있다 VOF함수 F는 일정 물리량인 유체의 체적율

로서 0leFle1의 범위를 가진다 여기서 F=1일 경우는 유체셀로 F=0일 경우는 기체셀로 0ltFlt1일 경우는 표면셀

로 각각 판단하여 자유수면을 추적하게 되며 다음의 이류방정식(217)에 의해 VOF함수가 이류된다

( )( ) ( )( ) yx zvFuF wFF Fqt x y z

ee ee parapara parapara+ + + =

para para para para (217)

25 격자설정 방법

3D-NIT model은 기초방정식을 유한차분법으로 차분근사하여 수치계산을 수행한다 그리고 계산영역을 크기

가 일정한 직사각형의 격자로 분할하고 셀 전체에 유체가 있는 경우를 유체셀 셀 전체에 기체가 있는 경우를

기체셀 셀내에 유체와 기체가 혼합되어 있는 경우를 표면셀 셀 전체에 구조물이 있는 경우를 구조물셀로 각각

정의한다 또한 셀 주위에는 직접 계산에 이용되지는 않지만 경계처리시에 필요한 가상셀을 둔다 격자를 설정

한 후에는 각 셀에서의 유속 u v w를 각각 셀 경계인 오른쪽과 위쪽에 위치시키고 압력 p 조파소스의 유량

밀도 q 및 VOF함수 F 를 각각 셀 중심에 위치하도록 하여 변수들을 엇갈리게 격자를 구성하는 엇갈린 격자

(staggerd mesh)를 적용한다

26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파

3D-NIT model은 규칙파뿐만 아니라 불규칙파에 대해서도 계산이 가능한 수치모델로 3D-NIT model을 이용하

여 불규칙파를 검토하는 경우에 조파지점에서의 수위변동 및 물입자속도(수평 및 연직유속)을 사용자가 독자적

으로 입력데이터로 작성할 필요가 있다 일반적으로 불규칙파랑은 선형이론으로부터 얻어진 규칙파의 중첩으로

조파되지만 해석시간이 증가됨에 따라 평균수위가 상승하는 문제가 발생하여 계산이 불가능하게 된다 따라서

불규칙파랑의 조파와 같은 장시간의 해석시간이 요구되는 경우에 평균수위의 상승으로 인하여 요구되는 100파

정도의 파수를 얻기까지는 무리가 있을 수 있고 결과가 얻어졌다고 하여도 신뢰성에 문제가 있다

본 연구에서는 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우에 문제로 지적되는 평균수위상승을 억

제하면서 안정적으로 불규칙파가 조파될 수 있는 시스템을 기술(Fujiwara 2005)한다 그리고 불규칙파의 파운동

을 디지털방식으로 작성하는 Goda방법에 따른 불규칙파의 조파방법도 간략히 기술한다 불규칙파의 조파방법

은 선형이론으로부터 얻어진 성분파의 주파수에 하나씩 순번을 붙여서 이를 무한급수의 합으로 고려하는 것이

다 조파지점에 있어서는 수면파형 η 수평 및 연직유속 (uw)의 시간적인 변동이 필요하게 되며 이들은 각각 식

8

(218)sim(220)로 주어진다

1( ) cos(2 )

M

m m mm

t a f th p e=

= -aring (218)

1

cosh ( )( ) 2 cos(2 )sinh

Mm

m m m mm m

k h zu z t f a f tk h

p p e=

+= -aring (219)

1

sinh ( )( ) 2 sin(2 )sinh

Mm

m m m mm m

k h zw z t f a f tk h

p p e=

+= -aring (220)

여기서 me 은 random한 위상각 mf 은 주파수 ma 은 진폭 mk 은 파수 M은 성분파의 수 h는 수심이다 단

연직좌표 z 는 정수면에서 상방향을 (+)로 취하고 me 및 mf 의 선택방법은 후술되며 진폭 ma 은 다음의 식

(221)로 정의된다

2 ( )ma S f f= D (221)

여기서 fD 는 주파수폭 ( )S f 는 파랑에너지밀도이며 불규칙파의 스펙트럼은 불규칙파를 모의하는 데에

널리 사용되고 있는 식(222)의 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970) 스펙트럼을 적용하였다

2 4 5 413 13 13( ) 0257 exp 103( )S f H T f T F- - -eacute ugrave= -euml ucirc (222)

여기서 13H 은 유의파고 13T 은 유의파주기를 각각 나타낸다 일반적으로 수치해석을 통해 불규칙파를 검

토하는 경우 해석시간이 증가됨에 따라 평균수위가 상승하는 문제가 있다(CDIT 2001) 본 연구에서는 평균수위

상승을 억제하는 방법으로 조파지점에서 수평유속을 산출할 때 각 성분파에 대응하는 Stokes파의 질량수송속도

(mass transport velocity)를 빼주는 방법을 적용한다(Fujiwara 2005) 즉 식(219)에서 질량수송속도를 뺀 수평유속은

식(223)과 같이 표현된다

1

cosh ( )( ) 2 cos(2 )sinh

Mm

mm m m mm m

k h zu z t f a f t Uk h

p p e=

igrave uuml+= - -iacute yacute

icirc thornaring (223)

여기서 Stokes파의 질량수송속도 mU 은 성분파를 나타내는 m 을 제외하여 나타내면 다음의 식(224)와 같이

9

주어진다

2

cosh 4 ( ) 12 sinh (2 )

mm m mm

m m m

H H h z LUT L h L

p p pp+

= (224)

여기서 mz 은 물입자의 평균위치를 나타낸다

27 난수의 발생방법

난수(random numbers)는 random한 현상을 다루는 수치해석에서 많이 사용되는 매우 중요한 부분이다 난수를

발생시키는 방법에는 물리적인 방법과 수식을 이용한 방법이 있으며 물리적인 방법으로 난수를 발생시킬 경우

에는 많은 시간이 소요되며 컴퓨터를 이용한 모의실험에는 사용할 수 없다는 단점이 있다 따라서 수치해석에

사용되는 난수는 수식을 이용하여 발생되며 이러한 방법을 이용한 대표적인 난수발생방법으로 중양제곱법

(mid-squar method) 합동법(congruential method) 그리고 시프트법(shift method) 등이 있다(조 등 1992)

본 연구에서는 합동법에 기초하여 난수를 발생시켰고 난수발생은 IMSL(International Mathematical and Statistical

Library)의 난수발생기(random number generator)를 이용하였으며 그 알고리즘음 다음과 같다(Compaq computer

corporation 2001)

먼저 임의정수 1X 은 seed number이며 mod( )Y b 는 Y 를 b 로 나눈 나머지를 나타낸다 이러한 계산이 임

의주기 동안 진행되면서 1X 은 2X 로 변환되고 연속된 정수 iX 를 산출하는 과정을 반복한다 0과 1사이에 할

당된 난수는 식(225)에 의해 얻어질 수 있으며 상수는 식(226)에 나타낸 특수한 값으로 주어진다

12i iR X q i= = (225)

36 357909 2 2 1a b q= = = - (226)

이러한 과정에서 임의정수 iX 가 352 을 초과할 경우 iX 는 정수 35(2 1)- 로 변환된 후 계산이 수행되며

식(225)로부터 구한 난수는 [01] 사이에 분포한다

이로부터 불규칙파의 각 성분파간의 위상각 me 은 Fig 22에 나타낸 바와 같이 [01] 사이에 분포하는 난수를

발생시킨 후 위상을 조정하기 위해 2p 를 곱하여 [02 ]p 사이에 분포하는 값을 취하는 것으로 하였다

28 주파수의 선택방법

불규칙파를 모의하기 위한 주파수 mf

의 성분파의 진폭이 거의 같도록

Mitsuyasu(Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼에

다음의 식(227)을 이용하여 주파수 mf

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - =

10

주파수 mf 의 선택방법에는 주파수스펙트럼을 등구간으로

하는 등에너지로 분할하는 방법 등이 있다 본 연구에서는

스펙트럼에 대해 등에너지로 스펙트럼을 분할할 수 있는 Goda(1985)

mf 을 선택하였다

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - =

Fig 22 Random phase angle

mf 등구간으로 분할하는 방법과 각각

연구에서는 Bretshneider-

Goda(1985)에 의해 제안된

mf

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - = (227)

11

3장 수치해석의 검증

31 개요

일본의 연안개발기술센터(沿岸開發技術硏究セソタ 2001)에서 개발한 수치파동수조 CADMAS-SURF와 같은

2차원규칙파에 대한 연구는 많이 수행되고 있지만 2차원불규칙파와 3차원불규칙파에 대한 연구는 찾아보기가

어렵다

최근 개발되고 있는 방파제 및 호안의 경우 구조물의 형상이 복잡한 특수방파제가 많이 적용되고 있다 하지

만 이러한 방파제를 2차원으로 적용 ∙ 계산하기에는 반사율 파압분포 및 월파량의 추정치가 실제의 3차원의 경

우와는 상이한 결과가 발생할 것으로 판단된다 따라서 본 연구에서는 3차원수치파동수조인 3D-NIT model의 조

파성능에 대해 먼저 검토한다 그리고 3D-NIT model을 이용하여 규칙파 및 불규칙파를 조파하고 眞田(1998)의

수리실험과 비교 ∙ 검토함으로써 결과의 타당성을 논의한다 또한 불규칙파동장에 경사수심역에 설치된 호안을

대상으로 호안 배후로 전달되는 월파량을 산정하고 이의 결과를 실험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를

검토하고 더불어 파력의 실험치( Chakrabarti 1975)와 비교 ∙ 검토함으로써 결과의 타당성을 논의한다

32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증

불규칙파의 조파성능을 검증하기 위하여 Fig 31과 같은 구조물이 설치되지 않은 수심 219h m= 의 3차원

수치파동수조(부가감쇠영역과 해석영역으로 구성되었으며 격자크기는 1 05 05x m y m z mD = D = D = 로 설

정)에서 유의파고 13 7H m= 유의주기 13 1225secT = 를 목표로 성분파 200개를 선형중첩하여 불규칙파를

조파하였다 그리고 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을 방지하기

위하여 설치된 부가감쇠영역의 길이 aL 는 목표파 파장 0L 의 2배 이상으로 하였다 Fig 32는 조파지점에서의

계산파형을 목표한 파형과 비교한 그림으로 장시간의 해석에도 평균수위상승은 크게 나타나지 않으며 목표한

파형과 비교하여 전체적으로 파형과 위상이 잘 일치하고 있음을 확인할 수 있다

12

Fig 31 Schematic sketch of numerical wave tank

Fig 32 Comparison of target and calculated wave profiles at wave source position

3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 따른 연직원주구조물주변의 파랑변형에 대

하여 해석해 및 2차오더의 회절산란포텐셜을 유도한 眞田(1998)의 수치해석결과 및 수리실험결과와 본 수치해

석결과를 비교ᆞ검토한다

Fig 33은 비교에 적용된 3차원수치파동수조 및 연직원주구조물의 제원을 나타내며 이때 수치파동수조의 수

심은 45h cm= 로 일정하며 입사파고 3H cm= 입사주기 01sect = 의 규칙파에 대하여 수치계산을 수행하

였다 그리고 수치계산에서는 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을

방지하기 위하여 부가감쇠영역을 설치하며(Hinatsu 1992) 부가감쇠영역의 길이는 입사파장 L 의 2배 이상으로

하였다

x축을 따른 y=0 y=25cm의 위치 및 연직원주구조물의 주위에서 무차원최대수면상승고 max2h ( maxh 는 최대수

위값)의 공간분포에 대하여 眞田(1998)의 수치해석해석결과 및 수리실험결과와 비교한 본 계산결과를 Fig 34에

각각 제시하였고 다음의 결과를 살펴보면 원주 전면의 표면에서 가장 큰 무차원최대수면상승고가 나타났고 이

는 원주구조물의 전면에서 구조물에 의해 반사되는 회절산란파와 입사파의 중첩으로 부분중복파가 형성된것으

로 판단된다 그리고 Fig 34 (a)와 (b)에서 본 연구의 수치해석결과가 眞田(1998)의 수리실험치를 전체적으로 잘

재현하고 있으며 그 정도는 매우 높은 것으로 판단된다

()

mh

13

(a) Plan view

(b) Side view

Fig 33 Definition sketch of 3D numerical wave tank for comparison of wave transformation

(a) y=0cm

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zoneWave source

Wave

x

y

O

Open boundary Open boundary

Wave

Calculation zone

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

Wave source

2L 2L

z

O

45

33

50 30

x

Unitcm

14

(b) y=25cm

Fig 34 Comparison of spatial distribution of non-dimensional maximum water levels

33 월파량의 검토

본 절에서는 앞서 검토한 결과를 바탕으로 호안 배후로 전달되는 파랑의 월파량을 산정하고 이의 결과를 실

험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를 검토한다

Fig 35는 본 연구에서 월파량 산정을 위하여 고려된 수치파동수조고 Fig 36은 Fig 35의 수치파동수조에서

호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화를 파라미터로하여 산정된 호안월파량을 Goda(1985)의 실험치와 비교한

결과이다 이 때 적용한 파 조건은 주기 0 1383secT = 파고

0 4H m= 를 목표로 설정하였다 그리고 월파량

산정에 이용한 불규칙파는 파가 안정적으로 판단되는 조파개시후 50sec에서부터 600sec 사이의 파이며 월파량

은 호안의 천단상부에 설치된 수평유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 시간평균하여 산정하였다(Goda

1985)

Fig 36의 결과를 살펴보면 호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화에 따른 월파량의 변화특성을 살펴보면 본

연구의 계산치는 실험치를 잘 재현하고 있을 뿐 아니라 산정된 월파량의 정도는 실험치와 비교하여 상당히 높

은 것으로 판단된다

Fig 35 Numerical setup for wave overtopping over vertical seawall on a sea bottom slope of 110

15

Fig 36 Comparison between experimental and numerical results for wave overtopping rate over vertical seawall on a sea bottom

slope of 110 ( 0 0 0017H L = )

34 월파현상의 재현

Fig 37은 Fig 36의 0 0 075 15ch H h H= = 의 경우에 대한 월파에 따른 주변파동장의 변화를 나타낸

일례이다 그림을 살펴보면 본 연구의 수치파동수조는 기대하는 불규칙파동장을 잘 재현하는 것으로 판단된다

그리고 경사수심역상에는 수심변동으로 인한 천수변형을 확인할 수 있으며 호안의 천단상에서는 호안월파로

인하여 배후면으로 낙하되는 빠른 유속이 관찰된다 따라서 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장의 재현

및 수심변동에 따른 천수변형 호안월파로 인한 배후면의 파동장교란 등에 대해 고정도의 결과도 기대할 수 있

고 따라서 향후 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장하에 복잡한 형태를 가진 특수방파제 등에 의한 주변

파동장의 3차원적인 응답해석 및 월파현상을 확인하는데도 충분히 이용 가능할 것으로 판단된다

16

Fig 37 Spatial variation of irregular waves on a sea bottom slpoe of 110 ( 0 0 075 15ch H h H= = )

17

35 파력의 검증

다음으로 연직원주구조물에 작용하는 파력특성에 대하여 116h a = (a는 연직원주구조물의 반경)

0232H a = 인 경우에 기존의 수리실험결과(Chakrabarti and Tam 1975) 및 수치해석결과(喜岡와 石田 1984 村

上 등 1993)와 본 연구의 수치해석결과를 비교ᆞ검토한다 Fig 38은 해석에 이용된 연직원주구조물의 제원을 나

타내며 무차원최대파력 2max ( 2)F ga Hr 에 대하여 기존의 수리실험 및 수치해석결과와 비교한 것을 Fig

39에 제시하였다 결과를 살펴보면 실험치가 주어져 있는 kagt07(k는 파수 k=2 L)의 범위에서는 본 연구의 수치

해석결과는 수리실험결과를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되며 실험치가 주어지지 않은 kalt05의 범위에서 村

上 등(1993)의 결과는 Stokes 2차파이론의 적용범위를 초과하므로 발산하고 있다 이는 kalt05의 범위는 DLlt02

인 항력이 지배적인 소형구조물의 영역으로 기존의 해석법으로 파력을 산정하는데는 과도한 계산시간으로 파

력산정에 다소 무리가 있으며 항력과 관성력을 동시에 고려할 수 있는 Navier-Stokes의 운동방정식에 근거한 본

연구의 수치해석결과가 타당한 것으로 판단된다

Fig 38 Definition sketch for comparison of wave force acting on the circular cylinder

x

y

zWave

h

a

18

Fig 39 Comparison of non-dimensional maximum wave force acting on the circular cylinder

이상의 3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 의한 파랑변형 및 구조물에 작용하

는 파력의 수치해석결과가 실험치를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되므로 본 연구의 타당성이 검증된다

0 05 1 15 2ka

0

1

2

3

4

5

6F m

axr

ga2 (

H2

)This studyExp(Chakrabarti amp Tam 1975)Cal(Shin 2008)Cal(Murakami et al 1993)Cal(Kioka and Ishida 1984)

19

4 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장

해석에 적용

41 개요

해역에 설치된 구조물은 파력 풍력 조류력 등의 외력을 지속적으로 받기 때문에 구조물의 경우 극한의 파

랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충분한 강도를 가지도록 설계할 필요가 있다 본 연구에서는 해역에서 쇄파

가 발생할 때 원주구조물에 작용하는 쇄파력과 파랑변형을 논의한다 쇄파에 대한 이론 및 실험적 연구는 오래

전부터 많은 연구자들에 의해서 수행되어 왔고 최근에는 과도수파생성법(조 등 2001)에 의한 쇄파현상의 재현

및 비선형파의 3차원수치해석법에 의한 연구가 수행되고 있다(신 2008) 본 논문에서는 3차원불규칙파수치파동

수조 3D-NIT model을 적용하여 쇄파가 발생할 경우에 쇄파가 구조물에 미치는 영향에 대하여 검토하고 이와

연계하여 구조물에 작용하는 쇄파력의 크기를 분석한다 그리고 쇄파전의 영역 쇄파영역 및 쇄파후의 영역에

각각 원주구조물이 설치된 경우에 작용파력과 파랑변형의 특성을 조사하여 3D-NIT model의 적용성을 검토한다

42 수치파동수조

Fig 41과 같은 수심 30h cm= 를 갖는 규칙파동장의 경사수심역에 설치된 원주구조물을 대상으로 파력을

산정하며 적용한 규칙파는 주기 14secT = 파고 23456H cm= 이다 Table 41은 본 연구에서 대상으로

하는 수치파동수조의 특성을 나타내며 여기서 D는 원주구조물의 직경을 d는 경사수심이 이후의 수심을 나타

내고 s는 경사수심 끝단부로부터의 이격거리이다

(a) front view

20

(b) top view Fig 41 Definition sketch of 3D numerical wave tank for analysis of wavebreaking force acting on circular cylinder

Table 41 Condition of numerical analysis for circular cylinder shape of structure slope T(s) H(cm) h(cm) D(cm) d(cm) s(cm)

circular

cylinder

case1 110 14 2 3 4

5 6 30 60 4 0

case2 110 14 4 30 60 4 0 20 40

60 80

43 주변파동장

Fig 42는 원주구조물이 경사수심 끝단부에 위치할 때 파고 23456H cm= 로 변환될 경우의 원주구조물

로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면분포 및 단면분포를 나타낸 것이다 여기

서 파고 23H cm= 인 경우에는 쇄파현상이 발생하지 않지만 4H cm= 인 경우에는 경사수심이 끝나는 지점

에서 쇄파가 발생된다 이것은 수심이 낮아지면서 천수효과로 인해 파고가 쇄파한계를 넘어 쇄파가 발생된 것

으로 판단된다 그리고 56H cm= 인 경우에는 파고가 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생되

는 현상이 나타났다 이는 파고가 높아짐으로 인하여 쇄파한계가 경사수심의 끝단부 이전에서 나타난 것으로

보여진다

Fig 43은 case1에서 쇄파력이 원주구조물에 가장 영향이 많이 미칠 것으로 판단되는 파고 4H cm= 의 경

우에 대하여 원주구조물이 경사수심 끝단부로부터 이격거리 020406080s cm= 로 변환될 경우에 원주구조

물로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면 및 단면적인 변화양상을 나타낸 것이다

여기서 이격거리가 멀어짐에 따라 쇄파후 파의 재생성 과정을 통하여 정상상태의 파랑으로 전이되며 구조물

의 위치에 따른 구조물 전면부에서 처오름이 쇄파대 부분에 구조물이 위치할 경우보다 이격거리가 멀어질수록

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

yx

Wave

DSlope=110

500cm

21

작아지는 것을 확인할 수 있다

(a) 2 14sec 0H cm T s cm= = =

22

(b) 3 14sec 0H cm T s cm= = =

23

(c) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

24

(d) 5 14sec 0H cm T s cm= = =

25

(e) 6 14sec 0H cm T s cm= = =

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height

26

(a) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

27

(b) 4 14sec 20H cm T s cm= = =

28

(c) 4 14sec 40H cm T s cm= = =

29

(d) 4 14sec 60H cm T s cm= = =

30

(e) 4 14sec 80H cm T s cm= = =

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder

31

44 파력

Fig 44는 Fig 41에서 정의된 경사수심의 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 지점에 있어서 파고

23456H cm= 로 변화시킨 경우에 파력의 변화를 나타낸 것이다 결과를 살펴보면 파고 234H cm= 까

지는 파력이 증가하지만 5cm 이상부터는 오히려 파력이 감소하는 것을 알 수 있다 이는 Fig 42의 주변파동장

에서 파고가 5cm 이상부터 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생하여 쇄파로 인한 파랑에너지가

많이 소산된 것으로 판단된다 이러한 결과로 파고가 더 커지더라도 쇄파가 발생하는 위치에 따라 낮은 파고에

서도 높은 파력이 작용할 수 있다는 것이 확인되었다 따라서 수심이 얕아지는 천해역에서 방파제나 기타 구조

물을 설계함에 있어 구조물 전면부에서 쇄파가 발생하지 않도록 주의를 기울일 필요가 있을 것으로 판단된다

Fig 45는 Fig 41 에서 정의된 경사수심 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 일 때 최대로 파력이 작용하는 파

고 4H cm= 에 대하여 구조물의 이격거리 020406080s cm= 로 변화시켜 구조물의 이격거리에 따른 쇄

파력의 크기를 검토한 결과이고 Fig 46은 Fig 45의 이격거리 04080s cm= 의 경우 파력의 시계열을 나타낸

것이다 결과를 살펴보면 구조물의 이격거리가 증가함에 따라 파력이 감소하는 것이 나타났다 하지만 이격거

리 20s cm= 이후에서는 파력의 감소가 줄어든다 이는 쇄파로 인해 어느 정도 에너지가 소산되고 난 이후에

파고가 정상상태에 전이된 결과에 기인하는 것으로 판단된다

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1

0 1 2 3 4 5 6 7 8time(sec)

-10

0

10

20

30

F(N

)

H=2cmH=3cmH=4cmH=5cmH=6cm

32

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2

45 3차원불규칙수치파동수조에 의한 고립파의 적용

본 절에서는 3D-NIT model의 고립파로 적용성에 대하여 검토한다 고립파와 구조물과의 상호간섭을

해석하기 위하여 Fig 41과 같은 3차원수치파동수조를 고려한다 해석영역내에서는 수치적으로 고립파

를 발생시키기 위한 조파소스(Brorsen amp Lasen 1987 김 등 2001)와 무반사조파시스템을 위한 에너지감쇠

영역이 고려되고 3차원파동장에서 고립파의 작용하에 작용파압을 검토하기 위하여 경사수심을 갖는 불

투과지반에 연직주상구조물이 설치된다 조파소스에서 조파강도는 다음의 식(41)로 주어진다

0 20 40 60 80s(cm)

4

8

12

16F(

N)

0 2 4 6 8time(sec)

-5

0

5

10

15

20

F(N

)

s=0cms=40cms=80cm

33

( ) = 2 (41)

여기서 는 발생파의 수평유속성분을 각각 나타내며 본 연구에서는 조파소스강도 로서 식(42)과

같이 Grimshaw(1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사이론에 의한 수평방향유속 를 적용한다(Fenton

1972)

= ℎ[ minus minus + ] (42)

여기서 및 는 다음과 같이 정의된다

= minus 14 + + 1 + ℎ 32 minus 94

= 1940 + 15 minus 65 + 1 + ℎ minus 32 minus 154 + 152

= 1 + ℎ minus 38 minus 4516 + 4516

그리고 는 물입자의 연직방향 평균위치를 나타내며 와 는 다음의 식과 같이 정의된다

= ℎ (43)

= sech (44)

여기서 ℎ는 수심 는 고립파의 입사파고를 나타내며 와 는 각각 다음의 식으로 주어진다

= 34 1 minus 58 + 71128 (45)

= minus ℎ (46)

34

여기서 는 고립파의 파속으로 고립파의 3차근사이론에 의하면 다음의 식과 같이 표현된다

= ℎ 1 + 12 minus 320 + 356 (47)

Ohyama amp Nadaoka(1991)는 수치파동수조내에서 구조물이 설치될 경우 조파소스의 위치에서 반사파

의 영향을 고려하여 조파소스지점에서 연직적분치가 반사파가 없는 경우와 분포형상이 상사되도록 다

음의 식을 고려하고 있다

= 2 + ℎ + ℎ (48)

여기서 와 는 각각 조파소스의 위치에서 수위변동과 조파소스에 의해 기대되는 수위변동이다

본 연구에서 는 다음의 식과 같은 고립파의 3차근사식을 적용하여 산정된다(Fenton 1972)

= ℎ 1 + + 58 minus 10180 (49)

여기서 는 다음의 식(410)과 같이 주어진다

= tanh minus ℎ (410)

이상의 관계식을 3D-NIT model에 적용하여 고립파를 수치조파한다 전술한 결과에서 최대파력이 작용하는

Fig 41에서 이격거리 0s cm= 인 경우에 고립파의 파고 23456iH cm= 일 때 주변파동장의 변화양상을

Fig 47(a)~(e)에 나타내었다 결과를 살펴보면 단주기규칙파에서의 결과와는 달리 파고의 증가에도 구조물 전면

부에서 쇄파가 발생하지 않았다 이는 상대적으로 긴 파장으로 인하여 Ursell수가 작아지기 때문으로 판단된다

그리고 구조물 전면부에서 고립파로 인한 급격한 처오름현상이 확인되고 연직주상구조물로 인한 회절현상을

약간 확인할 수 있지만 파장이 상대적으로 길기 때문에 회절파라미터가 작아져 결과적으로 단주기파랑보다 회

절현상이 작아진다

연직주상구조물의 전면부에 작용하는 파력분포를 Fig 48에 나타내었다 결과를 살펴보면 모두 정수면에서

최대파력이 작용하고 파고가 증가함에 따라 구조물에 작용하는 최대파력이 거의 선형적으로 증가하는 것을 알

수 있다 이는 기본적으로 규칙파와 달리 쇄파가 발생하지 않고 경사수심으로 인한 고립파의 파고변화가 크게

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 11: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

ix

LIST OF FIGURES

Fig 21 Schematic sketch of the numerical wave tank used in 3D-NIT 3

Fig 22 Random phase angle 10

Fig 31 Schematic sketch of numerical wave tank 12

Fig 32 Comparison of target and calculated wave profiles at wave source position 12

Fig 33 Definition sketch of 3D numerical wave tank for comparison of wave transformation 13

Fig 34 Comparison of spatial distribution of non-dimensional maximum water levels 14

Fig 35 Numerical setup for wave overtopping over vertical seawall on a sea bottom slope of 110 14

Fig 36 Comparison between experimental and numerical results for wave overtopping rate over

vertical seawall on a sea bottom slope of 110 ( 0 0 0017H L = ) 15

Fig 37 Spatial variation of irregular waves on a sea bottom slpoe of 110 ( 0 0 075 15ch H h H= = ) 16

Fig 38 Definition sketch for comparison of wave force acting on the circular cylinder 17

Fig 39 Comparison of non-dimensional maximum wave force acting on the circular cylinder 18

Fig 41 Definition sketch of 3D numerical wave tank for analysis of wavebreaking force acting on circular cylinder 20

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height 25

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder 30

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1 31

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2 32

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2 32

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height 39

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height 40

Fig 51 Type of specialized breakwater 45

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor 47

x

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater 48

Fig 54 Time variation of overtopping rate 50

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition 54

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor 56

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater 57

Fig 58 Time variation of overtopping rate 59

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = ) 60

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC 62

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber 63

Fig 63 Comparison of frequency spectrum 64

Fig 64 Elevation change at the structure location 65

Fig 65 Air velocity change at the structure location 65

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = ) 66

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity 67

1

1장 서론

11 연구의 배경 및 목적

외해에서 내습하는 파랑으로부터 연안역의 주요 시설물을 보호하고 해역을 정온화하기 위해 연안역에 직립

제 경사제 혼성제 등의 다양한 방파제를 건설하여 왔고 최근에는 주변경관과의 조화 친수성 및 저반사의 목적

등으로 슬리트케이슨제로 대표되는 특수방파제가 많이 시공되고 있다 한편 해역에 설치된 구조물은 외력을 지

속적으로 받으므로 극한의 파랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충분한 강도를 구비할 필요성이 있고 이에 따

라 특수방파제에 의한 파랑제어 및 구조물에 작용하는 파력에 대한 고정도 해석이 요구된다

구조물에 대한 파랑응답은 파랑과 구조물의 3차원적인 특성들로 인하여 복잡하게 나타나는 현상으로 내습

파랑에 의한 구조물의 정도 높은 평가를 위해서는 3차원구조물을 정확히 재현하고 이를 검토할 수 있는 3차원

불규칙수치파동수조의 개발이 필요하다 특히 3차원수치파동수조를 통하여 구조물을 검토하는 경우 구조물에

의한 주변파동장의 3차원적인 시 ∙ 공간변화를 상세히 검토할 수 있는 장점이 있으며 또한 구조물의 복잡한 형

상에 의한 파랑 상호간의 간섭현상까지도 검토할 수 있다 더불어 3차원수치파동수조에서는 구조물의 3차원적

인 특성에 따른 검토단면들에 대한 작용파압의 변화뿐만 아니라 구조물의 특성에 따른 파랑의 집중현상까지도

검토가 가능하다 그리고 파랑의 월파현상은 입사파랑조건에 따라 달라질 수 있지만 3차원구조물에 의한 파랑

집중현상에 의해서도 발생할 수 있다 이러한 부분들은 3차원수치파동수조를 통해서만 재현할 수 있고 3차원형

상의 구조물에 대한 대표단면만을 대상으로 하는 2차원수치해석(CDIT 2001)에서는 검토될 수 없는 사항들이다

한편 복잡한 구조물에 대한 실해역에 주어지는 불규칙파를 재현하기 위해서 지금까지의 수치해석기법으로는 2

차원수치해석을 통한 불규칙파의 해석이 주로 수행되어 왔고 3차원수치해석의 경우에는 규칙파에 대해서만 해

석이 이루어졌다 따라서 실제 해양에서의 파와 유사한 특성을 갖는 불규칙파에 대한 수치해석이 수행되지 않

아 불규칙파동장하에서 파랑과 구조물 사이의 3차원 수리특성을 규명하기 위해 막대한 시간과 경비가 소요되

는 수리모형실험이 실시되어 왔다

본 연구에서는 수리실험에 의존해 오던 3차원불규칙파와 구조물과의 상호작용에 의한 3차원 수리특성을 수

치적으로 접근 가능하고 복잡한 구조물에 대해서도 실해역에 주어지는 불규칙파의 재현이 가능한 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT(Three-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model의 개발 및 그의 적용성을 검토하는

것을 목적으로 향후 수리실험을 대신하여 구조물 주변파동장의 3차원적인 변동특성을 재현하여 그의 타당성을

검증하고 다양한 3차원특수방파제에 적용하여 내습파랑에 대한 구조물의 응답특성을 검토하고자 한다

2

12 연구의 구성

본 연구는 총 7장으로 구성되며 각 장의 내용은 다음과 같다

1) 제 1장에서는 본 연구의 배경 및 목적에 대하여 서술하고 연구의 구성에 대하여 간단히 기술한다

2) 제 2장에서는 3D-VOF법에 기초하여 자유수면을 추적하고 월파현상 및 고파랑에 대한 파랑특성을 예측

할 수 있는 수치모델로 규칙파뿐만 아니라 불규칙파에 대한 검토도 가능한 3차원불규칙파수치파동수조 3D-

NIT(Three-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model에 대한 이론적인 배경에 대해 기술한다

3) 제 3장에서는 3D-NIT model의 불규칙파의 조파성능 경사수심을 갖는 불규칙파동장에서 호안 배후로 전

달되는 월파량을 산정하여 실험결과와 비교 ∙ 검토하고 3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선

형간섭에 따른 연직원주구조물의 주변에서 파랑변형 및 연직원주구조물에 작용하는 파력특성에 관한 기존의

실험결과와 본 수치해석결과를 비교 ∙ 검토하여 본 연구에서 사용된 수치파동수조의 조파시스템의 타당성을 논

의한다

4) 제 4장에서는 충분한 폭을 갖는 3차원규칙파동장의 경사수역에서 동일한 파랑조건하에 원주구조물의 위

치변화에 따른 주변파동장과 적용파력 그리고 동일한 위치에서 상이한 입사파랑조건하에 연직원주구조물에 작

용하는 쇄파파력을 포함한 파력과 주변파동장의 변화특성을 고찰함으로써 본 3D-NIT model의 적용성을 검토한

5) 제 5장에서는 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 대하여 본 3D-NIT model을 적용하여 주변파동

장의 변화와 3차원월파량을 추정하여 통한 본 연구에서 제안하고 있는 3D-NIT model의 적용성을 논의한다

6) 제 6장에서는 본 연구의 3D-NIT model을 OWC파력발전구조물에서 수위변동을 통한 공기흐름속도의 해

석에 적용하여 입사파의 spectrum 공기실내의 파랑 spectrum 및 공기흐름속도에 관한 spectrum을 산출하고 더불

어 그의 특성을 규명함으로써 본 3D-NIT model의 적용성과 확장성을 살펴본다

7) 제 7장에서는 이상으로부터 도출된 중요한 사항을 요약하여 본 논문의 결론으로 한다

8) 끝으로 본 연구에서 참고하고 인용한 주요한 문헌을 수록한다

3

2장 수치해석이론

21 개요

비압축성의 점성유체에 대한 복잡한 자유수면을 효과적으로 수치모의할 수 있는 VOF법이 제안된 이후 자

유수면을 취급하는 많은 학문분야에서 이를 활용한 연구가 활발하게 진행되고 있다 특히 VOF법은 쇄파과정

및 쇄파후의 파형변형특성을 수치적으로 재현할 수 있어 해안공학분야에서도 VOF법을 활용한 수치모델이 많

이 사용되고 있다 VOF법은 단지 자유수면을 모의하는 기법이므로 해안공학분야에 적용시 파랑의 전달과 반사

를 정확하게 모의할 수 있는 효과적인 무반사조건을 포함한 경계조건과 수치조파방법을 결부시켜야 한다 이러

한 수치조파를 수치파동수조로 불리고 VOF법을 활용한 수치파동수조의 연구개발이 활발하게 이루어지고 있다

(沿岸開發技術硏究セソタ 2001 Van der Meer et al 1992 Troch P 1997 Hur and Mizutani 2003 Hur 2004 김 등 2001

2004 허 등 2005)

본 연구에서 적용하는 3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT (Three-Dimensional Numerical Irregular wave Tank)

model의 수치파동수조는 Fig 21(그림에서 0L 는 목표파의 파장 aL 는 부가감쇠영역의 길이 x y zD D D 는 수평

및 연직방향의 격자간격)에 보인 바와 같이 수치파동수조내에서 파의 재반사를 방지하기 위한 개경계처리기법

으로 해석영역의 양쪽에 부가감쇠영역을 두고 해석영역내에 조파를 위한 조파소스를 적용하고 있다

xD

yDz

D

Fig 21 Schematic sketch of the numerical wave tank used in 3D-NIT

4

22 3차원수치파동수조의 기초방정식

본 연구의 3D-NIT model은 기존의 2D-NIT(Two-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model의 계산수법을

3차원으로 확장한 것이며 자유표면해석모델에 VOF법을 난류해석에는 k e- 모델을 각각 적용하였고 기초방

정식은 3차원비압축성의 점성유체를 대상으로 한 연속식 및 Navier-Stokes방정식을 PBM (Porous Body Model)에

근거하여 확장한 다음의 식(21)~(24)로 주어진다

yx z

v

vu w Sx y z r

gg g gparapara para

+ + =para para para

(21)

2yx vz

v x e

y e z e v x x v u

vuuu wuu p ut x y z x x x

u v u w D u R Sy y x z z x

ll gll g nr

g n g n g g

parapara para igrave uumlpara para para paraaelig ouml+ + + = - + iacute yacuteccedil dividepara para para para para para paraegrave oslashicirc thornigrave uumlaelig ouml igrave uumlpara para para para para paraiuml iuml aelig ouml+ + + + - - +iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslashiuml iuml icirc thornegrave oslashicirc thorn

(22)

2

yx vzv x e

x e z e v y y v v

vvuv wvv p v ut x y z y x x y

v v w D v R Sy y z z y

ll gll g nr

g n g n g g

para igrave uumlaelig oumlpara parapara para para para paraiuml iuml+ + + = - + +iacute yacuteccedil dividepara para para para para para para paraiuml iumlegrave oslashicirc thornigrave uuml igrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para paraiuml iuml iuml iuml+ + + - - +iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para paraiuml iuml iuml iumlegrave oslash egrave oslashicirc thorn icirc thorn

(23)

2

yx vzv x e

y e z e v z z v w v

vwuw www p w ut x y z z x x z

w v w D w R S gy y z z z

ll gll g nr

g n g n g g g

parapara para igrave uumlpara para para para paraaelig ouml+ + + = - + +iacute yacuteccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslashicirc thornigrave uumlaelig ouml igrave uumlpara para para para paraiuml iuml aelig ouml+ + + - - + -iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para paraegrave oslashiuml iuml icirc thornegrave oslashicirc thorn

(24)

여기서 t 는 시간 x y 는 수평방향좌표 z 는 연직방향좌표 u v w는 x y z 방향의 유속성분 r 는 유체

밀도 p 는 압력 en 는 분자동점성계수 n 와 와점성계수 tn 의 합 g 는 중력가속도 vg 는 체적공극율

x y zg g g 는 x y z 방향의 면적공극율 x y zD D D 는 경계에서 반사파의 제어를 위해 설치한 스폰지층에서의

에너지감쇠계수 u v wS S S Sr 는 해석영역내의 조파를 위한 소스항 v x y zl l l l 는 구조물로부터 받는 관성

력효과를 나타낸 파라미터이고 식(25)와 같이 표현된다

5

(1 )(1 )(1 )

(1 )

v v v M

x x x M

y y y M

z z z M

CCCC

l g gl g gg g g

g g g

= + -

= + -

= + -

= + -

(25)

여기서 MC 은 관성력계수 x y zR R R 는 투과층(porous media)에서의 저항력이고 식(26)과 같이 주어진다

2 2 2

2 2 2

2 2 2

1 (1 )21 (1 )21 (1 )2

Dx x

Dy y

Dz z

CR u u v wx

CR v u v wy

CR w u v wz

g

g

g

= - + +D

= - + +D

= - + +D

(26)

여기서 DC 는 항력계수 x y zD D D 는 x y z 방향의 격자간격이다

본 연구에서는 이상의 이론에 근거한 3D-NIT model을 사용하여 규칙파 및 불규칙파의 해석을 수행한다 규

칙파 및 불규칙파의 해석에서 대상구조물이 불투과성인 경우에는 기초방정식에서 체적공극율 면적공극율 및

투과층내의 저항력을 무시하면 된다 그리고 계산에서는 양측면과 바닥에는 불투과경계조건을 적용하였다

23 난류모델

난류모델에는 실용성이 높고 여러 분야에서 사용되고 있는 고 Reynolds형의 k e- 모델을 채용하였다

k e- 모델에서는 유속의 변동량 u v w 을 사용하여 난류에너지 k 와 난류에너지일산함수 e 을 다음과 같

이 정의한다

2 2 21 ( )2

k u v w= + + (27)

2 22 2 2 2 2u v w w v uvx y z x y z

eigrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para para paraiuml iumlaelig ouml aelig ouml= + + + + +iacute yacuteccedil divide ccedil divideccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslash egrave oslashegrave oslash egrave oslashiuml iumlicirc thorn

(28)

따라서 k 와 e 은 이하에 나타내는 이류확산방정식을 풀어서 산정할 수 있다

6

yx z

v x k y k

z k v s v

vkuk wkk k kv vt x y z x x y y

kv Gz z

gg gg g g

g g g e

para igrave uumlaelig oumlpara para igrave uumlpara para para para paraiuml iumlaelig ouml+ + + = +iacute yacute iacute yacuteccedil divideccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslash iuml iumlicirc thorn egrave oslashicirc thornigrave uumlpara paraaelig ouml+ + -iacute yacuteccedil dividepara paraegrave oslashicirc thorn

(29)

2

1 2

yx zv x y

z v s v

vu w v vt x y z x x y y

v C G Cz z k k

e e

e

g eg e g ee e eg g g

e e eg g g

para igrave uumlaelig oumlpara para igrave uumlpara para para para paraiuml iumlaelig ouml+ + + = +iacute yacute iacute yacuteccedil divideccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslash iuml iumlicirc thorn egrave oslashicirc thornigrave uumlpara paraaelig ouml+ + -iacute yacuteccedil dividepara paraegrave oslashicirc thorn

(210)

2 22 2

2 2 2s tu v w w v uG vx y z x y z

igrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para para paraiuml iumlaelig ouml aelig ouml= + + + + +iacute yacuteccedil divide ccedil divideccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslash egrave oslashegrave oslash egrave oslashiuml iumlicirc thorn (211)

여기서 와동점성계수 및 확산계수는 다음과 같이 주어진다

2

t

C kv m

e= (212)

tk

k

vv vs

= + (213)

tvv vees

= + (214)

또한 위의 식에서 나타나는 1 2 kC C Cm es s 는 경험정수로 보통 009 100 130kCm es s= = =

1 2144 192C C= = 가 사용된다 그리고 k e- 모델에서 구한 난류효과는 Navier-Stokes방정식에서 동점성계

수 및 압력을 각각 다음의 식과 같이 취급함으로써 유속 및 압력에 반영된다

e tv v v= + (215)

23

p p kr= + (216)

7

24 이류방정식

3D-NIT model은 수면을 추적하기 위해 VOF법을 이용하고 있다 VOF함수 F는 일정 물리량인 유체의 체적율

로서 0leFle1의 범위를 가진다 여기서 F=1일 경우는 유체셀로 F=0일 경우는 기체셀로 0ltFlt1일 경우는 표면셀

로 각각 판단하여 자유수면을 추적하게 되며 다음의 이류방정식(217)에 의해 VOF함수가 이류된다

( )( ) ( )( ) yx zvFuF wFF Fqt x y z

ee ee parapara parapara+ + + =

para para para para (217)

25 격자설정 방법

3D-NIT model은 기초방정식을 유한차분법으로 차분근사하여 수치계산을 수행한다 그리고 계산영역을 크기

가 일정한 직사각형의 격자로 분할하고 셀 전체에 유체가 있는 경우를 유체셀 셀 전체에 기체가 있는 경우를

기체셀 셀내에 유체와 기체가 혼합되어 있는 경우를 표면셀 셀 전체에 구조물이 있는 경우를 구조물셀로 각각

정의한다 또한 셀 주위에는 직접 계산에 이용되지는 않지만 경계처리시에 필요한 가상셀을 둔다 격자를 설정

한 후에는 각 셀에서의 유속 u v w를 각각 셀 경계인 오른쪽과 위쪽에 위치시키고 압력 p 조파소스의 유량

밀도 q 및 VOF함수 F 를 각각 셀 중심에 위치하도록 하여 변수들을 엇갈리게 격자를 구성하는 엇갈린 격자

(staggerd mesh)를 적용한다

26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파

3D-NIT model은 규칙파뿐만 아니라 불규칙파에 대해서도 계산이 가능한 수치모델로 3D-NIT model을 이용하

여 불규칙파를 검토하는 경우에 조파지점에서의 수위변동 및 물입자속도(수평 및 연직유속)을 사용자가 독자적

으로 입력데이터로 작성할 필요가 있다 일반적으로 불규칙파랑은 선형이론으로부터 얻어진 규칙파의 중첩으로

조파되지만 해석시간이 증가됨에 따라 평균수위가 상승하는 문제가 발생하여 계산이 불가능하게 된다 따라서

불규칙파랑의 조파와 같은 장시간의 해석시간이 요구되는 경우에 평균수위의 상승으로 인하여 요구되는 100파

정도의 파수를 얻기까지는 무리가 있을 수 있고 결과가 얻어졌다고 하여도 신뢰성에 문제가 있다

본 연구에서는 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우에 문제로 지적되는 평균수위상승을 억

제하면서 안정적으로 불규칙파가 조파될 수 있는 시스템을 기술(Fujiwara 2005)한다 그리고 불규칙파의 파운동

을 디지털방식으로 작성하는 Goda방법에 따른 불규칙파의 조파방법도 간략히 기술한다 불규칙파의 조파방법

은 선형이론으로부터 얻어진 성분파의 주파수에 하나씩 순번을 붙여서 이를 무한급수의 합으로 고려하는 것이

다 조파지점에 있어서는 수면파형 η 수평 및 연직유속 (uw)의 시간적인 변동이 필요하게 되며 이들은 각각 식

8

(218)sim(220)로 주어진다

1( ) cos(2 )

M

m m mm

t a f th p e=

= -aring (218)

1

cosh ( )( ) 2 cos(2 )sinh

Mm

m m m mm m

k h zu z t f a f tk h

p p e=

+= -aring (219)

1

sinh ( )( ) 2 sin(2 )sinh

Mm

m m m mm m

k h zw z t f a f tk h

p p e=

+= -aring (220)

여기서 me 은 random한 위상각 mf 은 주파수 ma 은 진폭 mk 은 파수 M은 성분파의 수 h는 수심이다 단

연직좌표 z 는 정수면에서 상방향을 (+)로 취하고 me 및 mf 의 선택방법은 후술되며 진폭 ma 은 다음의 식

(221)로 정의된다

2 ( )ma S f f= D (221)

여기서 fD 는 주파수폭 ( )S f 는 파랑에너지밀도이며 불규칙파의 스펙트럼은 불규칙파를 모의하는 데에

널리 사용되고 있는 식(222)의 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970) 스펙트럼을 적용하였다

2 4 5 413 13 13( ) 0257 exp 103( )S f H T f T F- - -eacute ugrave= -euml ucirc (222)

여기서 13H 은 유의파고 13T 은 유의파주기를 각각 나타낸다 일반적으로 수치해석을 통해 불규칙파를 검

토하는 경우 해석시간이 증가됨에 따라 평균수위가 상승하는 문제가 있다(CDIT 2001) 본 연구에서는 평균수위

상승을 억제하는 방법으로 조파지점에서 수평유속을 산출할 때 각 성분파에 대응하는 Stokes파의 질량수송속도

(mass transport velocity)를 빼주는 방법을 적용한다(Fujiwara 2005) 즉 식(219)에서 질량수송속도를 뺀 수평유속은

식(223)과 같이 표현된다

1

cosh ( )( ) 2 cos(2 )sinh

Mm

mm m m mm m

k h zu z t f a f t Uk h

p p e=

igrave uuml+= - -iacute yacute

icirc thornaring (223)

여기서 Stokes파의 질량수송속도 mU 은 성분파를 나타내는 m 을 제외하여 나타내면 다음의 식(224)와 같이

9

주어진다

2

cosh 4 ( ) 12 sinh (2 )

mm m mm

m m m

H H h z LUT L h L

p p pp+

= (224)

여기서 mz 은 물입자의 평균위치를 나타낸다

27 난수의 발생방법

난수(random numbers)는 random한 현상을 다루는 수치해석에서 많이 사용되는 매우 중요한 부분이다 난수를

발생시키는 방법에는 물리적인 방법과 수식을 이용한 방법이 있으며 물리적인 방법으로 난수를 발생시킬 경우

에는 많은 시간이 소요되며 컴퓨터를 이용한 모의실험에는 사용할 수 없다는 단점이 있다 따라서 수치해석에

사용되는 난수는 수식을 이용하여 발생되며 이러한 방법을 이용한 대표적인 난수발생방법으로 중양제곱법

(mid-squar method) 합동법(congruential method) 그리고 시프트법(shift method) 등이 있다(조 등 1992)

본 연구에서는 합동법에 기초하여 난수를 발생시켰고 난수발생은 IMSL(International Mathematical and Statistical

Library)의 난수발생기(random number generator)를 이용하였으며 그 알고리즘음 다음과 같다(Compaq computer

corporation 2001)

먼저 임의정수 1X 은 seed number이며 mod( )Y b 는 Y 를 b 로 나눈 나머지를 나타낸다 이러한 계산이 임

의주기 동안 진행되면서 1X 은 2X 로 변환되고 연속된 정수 iX 를 산출하는 과정을 반복한다 0과 1사이에 할

당된 난수는 식(225)에 의해 얻어질 수 있으며 상수는 식(226)에 나타낸 특수한 값으로 주어진다

12i iR X q i= = (225)

36 357909 2 2 1a b q= = = - (226)

이러한 과정에서 임의정수 iX 가 352 을 초과할 경우 iX 는 정수 35(2 1)- 로 변환된 후 계산이 수행되며

식(225)로부터 구한 난수는 [01] 사이에 분포한다

이로부터 불규칙파의 각 성분파간의 위상각 me 은 Fig 22에 나타낸 바와 같이 [01] 사이에 분포하는 난수를

발생시킨 후 위상을 조정하기 위해 2p 를 곱하여 [02 ]p 사이에 분포하는 값을 취하는 것으로 하였다

28 주파수의 선택방법

불규칙파를 모의하기 위한 주파수 mf

의 성분파의 진폭이 거의 같도록

Mitsuyasu(Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼에

다음의 식(227)을 이용하여 주파수 mf

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - =

10

주파수 mf 의 선택방법에는 주파수스펙트럼을 등구간으로

하는 등에너지로 분할하는 방법 등이 있다 본 연구에서는

스펙트럼에 대해 등에너지로 스펙트럼을 분할할 수 있는 Goda(1985)

mf 을 선택하였다

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - =

Fig 22 Random phase angle

mf 등구간으로 분할하는 방법과 각각

연구에서는 Bretshneider-

Goda(1985)에 의해 제안된

mf

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - = (227)

11

3장 수치해석의 검증

31 개요

일본의 연안개발기술센터(沿岸開發技術硏究セソタ 2001)에서 개발한 수치파동수조 CADMAS-SURF와 같은

2차원규칙파에 대한 연구는 많이 수행되고 있지만 2차원불규칙파와 3차원불규칙파에 대한 연구는 찾아보기가

어렵다

최근 개발되고 있는 방파제 및 호안의 경우 구조물의 형상이 복잡한 특수방파제가 많이 적용되고 있다 하지

만 이러한 방파제를 2차원으로 적용 ∙ 계산하기에는 반사율 파압분포 및 월파량의 추정치가 실제의 3차원의 경

우와는 상이한 결과가 발생할 것으로 판단된다 따라서 본 연구에서는 3차원수치파동수조인 3D-NIT model의 조

파성능에 대해 먼저 검토한다 그리고 3D-NIT model을 이용하여 규칙파 및 불규칙파를 조파하고 眞田(1998)의

수리실험과 비교 ∙ 검토함으로써 결과의 타당성을 논의한다 또한 불규칙파동장에 경사수심역에 설치된 호안을

대상으로 호안 배후로 전달되는 월파량을 산정하고 이의 결과를 실험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를

검토하고 더불어 파력의 실험치( Chakrabarti 1975)와 비교 ∙ 검토함으로써 결과의 타당성을 논의한다

32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증

불규칙파의 조파성능을 검증하기 위하여 Fig 31과 같은 구조물이 설치되지 않은 수심 219h m= 의 3차원

수치파동수조(부가감쇠영역과 해석영역으로 구성되었으며 격자크기는 1 05 05x m y m z mD = D = D = 로 설

정)에서 유의파고 13 7H m= 유의주기 13 1225secT = 를 목표로 성분파 200개를 선형중첩하여 불규칙파를

조파하였다 그리고 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을 방지하기

위하여 설치된 부가감쇠영역의 길이 aL 는 목표파 파장 0L 의 2배 이상으로 하였다 Fig 32는 조파지점에서의

계산파형을 목표한 파형과 비교한 그림으로 장시간의 해석에도 평균수위상승은 크게 나타나지 않으며 목표한

파형과 비교하여 전체적으로 파형과 위상이 잘 일치하고 있음을 확인할 수 있다

12

Fig 31 Schematic sketch of numerical wave tank

Fig 32 Comparison of target and calculated wave profiles at wave source position

3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 따른 연직원주구조물주변의 파랑변형에 대

하여 해석해 및 2차오더의 회절산란포텐셜을 유도한 眞田(1998)의 수치해석결과 및 수리실험결과와 본 수치해

석결과를 비교ᆞ검토한다

Fig 33은 비교에 적용된 3차원수치파동수조 및 연직원주구조물의 제원을 나타내며 이때 수치파동수조의 수

심은 45h cm= 로 일정하며 입사파고 3H cm= 입사주기 01sect = 의 규칙파에 대하여 수치계산을 수행하

였다 그리고 수치계산에서는 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을

방지하기 위하여 부가감쇠영역을 설치하며(Hinatsu 1992) 부가감쇠영역의 길이는 입사파장 L 의 2배 이상으로

하였다

x축을 따른 y=0 y=25cm의 위치 및 연직원주구조물의 주위에서 무차원최대수면상승고 max2h ( maxh 는 최대수

위값)의 공간분포에 대하여 眞田(1998)의 수치해석해석결과 및 수리실험결과와 비교한 본 계산결과를 Fig 34에

각각 제시하였고 다음의 결과를 살펴보면 원주 전면의 표면에서 가장 큰 무차원최대수면상승고가 나타났고 이

는 원주구조물의 전면에서 구조물에 의해 반사되는 회절산란파와 입사파의 중첩으로 부분중복파가 형성된것으

로 판단된다 그리고 Fig 34 (a)와 (b)에서 본 연구의 수치해석결과가 眞田(1998)의 수리실험치를 전체적으로 잘

재현하고 있으며 그 정도는 매우 높은 것으로 판단된다

()

mh

13

(a) Plan view

(b) Side view

Fig 33 Definition sketch of 3D numerical wave tank for comparison of wave transformation

(a) y=0cm

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zoneWave source

Wave

x

y

O

Open boundary Open boundary

Wave

Calculation zone

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

Wave source

2L 2L

z

O

45

33

50 30

x

Unitcm

14

(b) y=25cm

Fig 34 Comparison of spatial distribution of non-dimensional maximum water levels

33 월파량의 검토

본 절에서는 앞서 검토한 결과를 바탕으로 호안 배후로 전달되는 파랑의 월파량을 산정하고 이의 결과를 실

험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를 검토한다

Fig 35는 본 연구에서 월파량 산정을 위하여 고려된 수치파동수조고 Fig 36은 Fig 35의 수치파동수조에서

호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화를 파라미터로하여 산정된 호안월파량을 Goda(1985)의 실험치와 비교한

결과이다 이 때 적용한 파 조건은 주기 0 1383secT = 파고

0 4H m= 를 목표로 설정하였다 그리고 월파량

산정에 이용한 불규칙파는 파가 안정적으로 판단되는 조파개시후 50sec에서부터 600sec 사이의 파이며 월파량

은 호안의 천단상부에 설치된 수평유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 시간평균하여 산정하였다(Goda

1985)

Fig 36의 결과를 살펴보면 호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화에 따른 월파량의 변화특성을 살펴보면 본

연구의 계산치는 실험치를 잘 재현하고 있을 뿐 아니라 산정된 월파량의 정도는 실험치와 비교하여 상당히 높

은 것으로 판단된다

Fig 35 Numerical setup for wave overtopping over vertical seawall on a sea bottom slope of 110

15

Fig 36 Comparison between experimental and numerical results for wave overtopping rate over vertical seawall on a sea bottom

slope of 110 ( 0 0 0017H L = )

34 월파현상의 재현

Fig 37은 Fig 36의 0 0 075 15ch H h H= = 의 경우에 대한 월파에 따른 주변파동장의 변화를 나타낸

일례이다 그림을 살펴보면 본 연구의 수치파동수조는 기대하는 불규칙파동장을 잘 재현하는 것으로 판단된다

그리고 경사수심역상에는 수심변동으로 인한 천수변형을 확인할 수 있으며 호안의 천단상에서는 호안월파로

인하여 배후면으로 낙하되는 빠른 유속이 관찰된다 따라서 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장의 재현

및 수심변동에 따른 천수변형 호안월파로 인한 배후면의 파동장교란 등에 대해 고정도의 결과도 기대할 수 있

고 따라서 향후 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장하에 복잡한 형태를 가진 특수방파제 등에 의한 주변

파동장의 3차원적인 응답해석 및 월파현상을 확인하는데도 충분히 이용 가능할 것으로 판단된다

16

Fig 37 Spatial variation of irregular waves on a sea bottom slpoe of 110 ( 0 0 075 15ch H h H= = )

17

35 파력의 검증

다음으로 연직원주구조물에 작용하는 파력특성에 대하여 116h a = (a는 연직원주구조물의 반경)

0232H a = 인 경우에 기존의 수리실험결과(Chakrabarti and Tam 1975) 및 수치해석결과(喜岡와 石田 1984 村

上 등 1993)와 본 연구의 수치해석결과를 비교ᆞ검토한다 Fig 38은 해석에 이용된 연직원주구조물의 제원을 나

타내며 무차원최대파력 2max ( 2)F ga Hr 에 대하여 기존의 수리실험 및 수치해석결과와 비교한 것을 Fig

39에 제시하였다 결과를 살펴보면 실험치가 주어져 있는 kagt07(k는 파수 k=2 L)의 범위에서는 본 연구의 수치

해석결과는 수리실험결과를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되며 실험치가 주어지지 않은 kalt05의 범위에서 村

上 등(1993)의 결과는 Stokes 2차파이론의 적용범위를 초과하므로 발산하고 있다 이는 kalt05의 범위는 DLlt02

인 항력이 지배적인 소형구조물의 영역으로 기존의 해석법으로 파력을 산정하는데는 과도한 계산시간으로 파

력산정에 다소 무리가 있으며 항력과 관성력을 동시에 고려할 수 있는 Navier-Stokes의 운동방정식에 근거한 본

연구의 수치해석결과가 타당한 것으로 판단된다

Fig 38 Definition sketch for comparison of wave force acting on the circular cylinder

x

y

zWave

h

a

18

Fig 39 Comparison of non-dimensional maximum wave force acting on the circular cylinder

이상의 3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 의한 파랑변형 및 구조물에 작용하

는 파력의 수치해석결과가 실험치를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되므로 본 연구의 타당성이 검증된다

0 05 1 15 2ka

0

1

2

3

4

5

6F m

axr

ga2 (

H2

)This studyExp(Chakrabarti amp Tam 1975)Cal(Shin 2008)Cal(Murakami et al 1993)Cal(Kioka and Ishida 1984)

19

4 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장

해석에 적용

41 개요

해역에 설치된 구조물은 파력 풍력 조류력 등의 외력을 지속적으로 받기 때문에 구조물의 경우 극한의 파

랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충분한 강도를 가지도록 설계할 필요가 있다 본 연구에서는 해역에서 쇄파

가 발생할 때 원주구조물에 작용하는 쇄파력과 파랑변형을 논의한다 쇄파에 대한 이론 및 실험적 연구는 오래

전부터 많은 연구자들에 의해서 수행되어 왔고 최근에는 과도수파생성법(조 등 2001)에 의한 쇄파현상의 재현

및 비선형파의 3차원수치해석법에 의한 연구가 수행되고 있다(신 2008) 본 논문에서는 3차원불규칙파수치파동

수조 3D-NIT model을 적용하여 쇄파가 발생할 경우에 쇄파가 구조물에 미치는 영향에 대하여 검토하고 이와

연계하여 구조물에 작용하는 쇄파력의 크기를 분석한다 그리고 쇄파전의 영역 쇄파영역 및 쇄파후의 영역에

각각 원주구조물이 설치된 경우에 작용파력과 파랑변형의 특성을 조사하여 3D-NIT model의 적용성을 검토한다

42 수치파동수조

Fig 41과 같은 수심 30h cm= 를 갖는 규칙파동장의 경사수심역에 설치된 원주구조물을 대상으로 파력을

산정하며 적용한 규칙파는 주기 14secT = 파고 23456H cm= 이다 Table 41은 본 연구에서 대상으로

하는 수치파동수조의 특성을 나타내며 여기서 D는 원주구조물의 직경을 d는 경사수심이 이후의 수심을 나타

내고 s는 경사수심 끝단부로부터의 이격거리이다

(a) front view

20

(b) top view Fig 41 Definition sketch of 3D numerical wave tank for analysis of wavebreaking force acting on circular cylinder

Table 41 Condition of numerical analysis for circular cylinder shape of structure slope T(s) H(cm) h(cm) D(cm) d(cm) s(cm)

circular

cylinder

case1 110 14 2 3 4

5 6 30 60 4 0

case2 110 14 4 30 60 4 0 20 40

60 80

43 주변파동장

Fig 42는 원주구조물이 경사수심 끝단부에 위치할 때 파고 23456H cm= 로 변환될 경우의 원주구조물

로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면분포 및 단면분포를 나타낸 것이다 여기

서 파고 23H cm= 인 경우에는 쇄파현상이 발생하지 않지만 4H cm= 인 경우에는 경사수심이 끝나는 지점

에서 쇄파가 발생된다 이것은 수심이 낮아지면서 천수효과로 인해 파고가 쇄파한계를 넘어 쇄파가 발생된 것

으로 판단된다 그리고 56H cm= 인 경우에는 파고가 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생되

는 현상이 나타났다 이는 파고가 높아짐으로 인하여 쇄파한계가 경사수심의 끝단부 이전에서 나타난 것으로

보여진다

Fig 43은 case1에서 쇄파력이 원주구조물에 가장 영향이 많이 미칠 것으로 판단되는 파고 4H cm= 의 경

우에 대하여 원주구조물이 경사수심 끝단부로부터 이격거리 020406080s cm= 로 변환될 경우에 원주구조

물로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면 및 단면적인 변화양상을 나타낸 것이다

여기서 이격거리가 멀어짐에 따라 쇄파후 파의 재생성 과정을 통하여 정상상태의 파랑으로 전이되며 구조물

의 위치에 따른 구조물 전면부에서 처오름이 쇄파대 부분에 구조물이 위치할 경우보다 이격거리가 멀어질수록

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

yx

Wave

DSlope=110

500cm

21

작아지는 것을 확인할 수 있다

(a) 2 14sec 0H cm T s cm= = =

22

(b) 3 14sec 0H cm T s cm= = =

23

(c) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

24

(d) 5 14sec 0H cm T s cm= = =

25

(e) 6 14sec 0H cm T s cm= = =

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height

26

(a) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

27

(b) 4 14sec 20H cm T s cm= = =

28

(c) 4 14sec 40H cm T s cm= = =

29

(d) 4 14sec 60H cm T s cm= = =

30

(e) 4 14sec 80H cm T s cm= = =

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder

31

44 파력

Fig 44는 Fig 41에서 정의된 경사수심의 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 지점에 있어서 파고

23456H cm= 로 변화시킨 경우에 파력의 변화를 나타낸 것이다 결과를 살펴보면 파고 234H cm= 까

지는 파력이 증가하지만 5cm 이상부터는 오히려 파력이 감소하는 것을 알 수 있다 이는 Fig 42의 주변파동장

에서 파고가 5cm 이상부터 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생하여 쇄파로 인한 파랑에너지가

많이 소산된 것으로 판단된다 이러한 결과로 파고가 더 커지더라도 쇄파가 발생하는 위치에 따라 낮은 파고에

서도 높은 파력이 작용할 수 있다는 것이 확인되었다 따라서 수심이 얕아지는 천해역에서 방파제나 기타 구조

물을 설계함에 있어 구조물 전면부에서 쇄파가 발생하지 않도록 주의를 기울일 필요가 있을 것으로 판단된다

Fig 45는 Fig 41 에서 정의된 경사수심 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 일 때 최대로 파력이 작용하는 파

고 4H cm= 에 대하여 구조물의 이격거리 020406080s cm= 로 변화시켜 구조물의 이격거리에 따른 쇄

파력의 크기를 검토한 결과이고 Fig 46은 Fig 45의 이격거리 04080s cm= 의 경우 파력의 시계열을 나타낸

것이다 결과를 살펴보면 구조물의 이격거리가 증가함에 따라 파력이 감소하는 것이 나타났다 하지만 이격거

리 20s cm= 이후에서는 파력의 감소가 줄어든다 이는 쇄파로 인해 어느 정도 에너지가 소산되고 난 이후에

파고가 정상상태에 전이된 결과에 기인하는 것으로 판단된다

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1

0 1 2 3 4 5 6 7 8time(sec)

-10

0

10

20

30

F(N

)

H=2cmH=3cmH=4cmH=5cmH=6cm

32

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2

45 3차원불규칙수치파동수조에 의한 고립파의 적용

본 절에서는 3D-NIT model의 고립파로 적용성에 대하여 검토한다 고립파와 구조물과의 상호간섭을

해석하기 위하여 Fig 41과 같은 3차원수치파동수조를 고려한다 해석영역내에서는 수치적으로 고립파

를 발생시키기 위한 조파소스(Brorsen amp Lasen 1987 김 등 2001)와 무반사조파시스템을 위한 에너지감쇠

영역이 고려되고 3차원파동장에서 고립파의 작용하에 작용파압을 검토하기 위하여 경사수심을 갖는 불

투과지반에 연직주상구조물이 설치된다 조파소스에서 조파강도는 다음의 식(41)로 주어진다

0 20 40 60 80s(cm)

4

8

12

16F(

N)

0 2 4 6 8time(sec)

-5

0

5

10

15

20

F(N

)

s=0cms=40cms=80cm

33

( ) = 2 (41)

여기서 는 발생파의 수평유속성분을 각각 나타내며 본 연구에서는 조파소스강도 로서 식(42)과

같이 Grimshaw(1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사이론에 의한 수평방향유속 를 적용한다(Fenton

1972)

= ℎ[ minus minus + ] (42)

여기서 및 는 다음과 같이 정의된다

= minus 14 + + 1 + ℎ 32 minus 94

= 1940 + 15 minus 65 + 1 + ℎ minus 32 minus 154 + 152

= 1 + ℎ minus 38 minus 4516 + 4516

그리고 는 물입자의 연직방향 평균위치를 나타내며 와 는 다음의 식과 같이 정의된다

= ℎ (43)

= sech (44)

여기서 ℎ는 수심 는 고립파의 입사파고를 나타내며 와 는 각각 다음의 식으로 주어진다

= 34 1 minus 58 + 71128 (45)

= minus ℎ (46)

34

여기서 는 고립파의 파속으로 고립파의 3차근사이론에 의하면 다음의 식과 같이 표현된다

= ℎ 1 + 12 minus 320 + 356 (47)

Ohyama amp Nadaoka(1991)는 수치파동수조내에서 구조물이 설치될 경우 조파소스의 위치에서 반사파

의 영향을 고려하여 조파소스지점에서 연직적분치가 반사파가 없는 경우와 분포형상이 상사되도록 다

음의 식을 고려하고 있다

= 2 + ℎ + ℎ (48)

여기서 와 는 각각 조파소스의 위치에서 수위변동과 조파소스에 의해 기대되는 수위변동이다

본 연구에서 는 다음의 식과 같은 고립파의 3차근사식을 적용하여 산정된다(Fenton 1972)

= ℎ 1 + + 58 minus 10180 (49)

여기서 는 다음의 식(410)과 같이 주어진다

= tanh minus ℎ (410)

이상의 관계식을 3D-NIT model에 적용하여 고립파를 수치조파한다 전술한 결과에서 최대파력이 작용하는

Fig 41에서 이격거리 0s cm= 인 경우에 고립파의 파고 23456iH cm= 일 때 주변파동장의 변화양상을

Fig 47(a)~(e)에 나타내었다 결과를 살펴보면 단주기규칙파에서의 결과와는 달리 파고의 증가에도 구조물 전면

부에서 쇄파가 발생하지 않았다 이는 상대적으로 긴 파장으로 인하여 Ursell수가 작아지기 때문으로 판단된다

그리고 구조물 전면부에서 고립파로 인한 급격한 처오름현상이 확인되고 연직주상구조물로 인한 회절현상을

약간 확인할 수 있지만 파장이 상대적으로 길기 때문에 회절파라미터가 작아져 결과적으로 단주기파랑보다 회

절현상이 작아진다

연직주상구조물의 전면부에 작용하는 파력분포를 Fig 48에 나타내었다 결과를 살펴보면 모두 정수면에서

최대파력이 작용하고 파고가 증가함에 따라 구조물에 작용하는 최대파력이 거의 선형적으로 증가하는 것을 알

수 있다 이는 기본적으로 규칙파와 달리 쇄파가 발생하지 않고 경사수심으로 인한 고립파의 파고변화가 크게

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 12: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

x

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater 48

Fig 54 Time variation of overtopping rate 50

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition 54

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor 56

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater 57

Fig 58 Time variation of overtopping rate 59

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = ) 60

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC 62

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber 63

Fig 63 Comparison of frequency spectrum 64

Fig 64 Elevation change at the structure location 65

Fig 65 Air velocity change at the structure location 65

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = ) 66

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity 67

1

1장 서론

11 연구의 배경 및 목적

외해에서 내습하는 파랑으로부터 연안역의 주요 시설물을 보호하고 해역을 정온화하기 위해 연안역에 직립

제 경사제 혼성제 등의 다양한 방파제를 건설하여 왔고 최근에는 주변경관과의 조화 친수성 및 저반사의 목적

등으로 슬리트케이슨제로 대표되는 특수방파제가 많이 시공되고 있다 한편 해역에 설치된 구조물은 외력을 지

속적으로 받으므로 극한의 파랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충분한 강도를 구비할 필요성이 있고 이에 따

라 특수방파제에 의한 파랑제어 및 구조물에 작용하는 파력에 대한 고정도 해석이 요구된다

구조물에 대한 파랑응답은 파랑과 구조물의 3차원적인 특성들로 인하여 복잡하게 나타나는 현상으로 내습

파랑에 의한 구조물의 정도 높은 평가를 위해서는 3차원구조물을 정확히 재현하고 이를 검토할 수 있는 3차원

불규칙수치파동수조의 개발이 필요하다 특히 3차원수치파동수조를 통하여 구조물을 검토하는 경우 구조물에

의한 주변파동장의 3차원적인 시 ∙ 공간변화를 상세히 검토할 수 있는 장점이 있으며 또한 구조물의 복잡한 형

상에 의한 파랑 상호간의 간섭현상까지도 검토할 수 있다 더불어 3차원수치파동수조에서는 구조물의 3차원적

인 특성에 따른 검토단면들에 대한 작용파압의 변화뿐만 아니라 구조물의 특성에 따른 파랑의 집중현상까지도

검토가 가능하다 그리고 파랑의 월파현상은 입사파랑조건에 따라 달라질 수 있지만 3차원구조물에 의한 파랑

집중현상에 의해서도 발생할 수 있다 이러한 부분들은 3차원수치파동수조를 통해서만 재현할 수 있고 3차원형

상의 구조물에 대한 대표단면만을 대상으로 하는 2차원수치해석(CDIT 2001)에서는 검토될 수 없는 사항들이다

한편 복잡한 구조물에 대한 실해역에 주어지는 불규칙파를 재현하기 위해서 지금까지의 수치해석기법으로는 2

차원수치해석을 통한 불규칙파의 해석이 주로 수행되어 왔고 3차원수치해석의 경우에는 규칙파에 대해서만 해

석이 이루어졌다 따라서 실제 해양에서의 파와 유사한 특성을 갖는 불규칙파에 대한 수치해석이 수행되지 않

아 불규칙파동장하에서 파랑과 구조물 사이의 3차원 수리특성을 규명하기 위해 막대한 시간과 경비가 소요되

는 수리모형실험이 실시되어 왔다

본 연구에서는 수리실험에 의존해 오던 3차원불규칙파와 구조물과의 상호작용에 의한 3차원 수리특성을 수

치적으로 접근 가능하고 복잡한 구조물에 대해서도 실해역에 주어지는 불규칙파의 재현이 가능한 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT(Three-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model의 개발 및 그의 적용성을 검토하는

것을 목적으로 향후 수리실험을 대신하여 구조물 주변파동장의 3차원적인 변동특성을 재현하여 그의 타당성을

검증하고 다양한 3차원특수방파제에 적용하여 내습파랑에 대한 구조물의 응답특성을 검토하고자 한다

2

12 연구의 구성

본 연구는 총 7장으로 구성되며 각 장의 내용은 다음과 같다

1) 제 1장에서는 본 연구의 배경 및 목적에 대하여 서술하고 연구의 구성에 대하여 간단히 기술한다

2) 제 2장에서는 3D-VOF법에 기초하여 자유수면을 추적하고 월파현상 및 고파랑에 대한 파랑특성을 예측

할 수 있는 수치모델로 규칙파뿐만 아니라 불규칙파에 대한 검토도 가능한 3차원불규칙파수치파동수조 3D-

NIT(Three-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model에 대한 이론적인 배경에 대해 기술한다

3) 제 3장에서는 3D-NIT model의 불규칙파의 조파성능 경사수심을 갖는 불규칙파동장에서 호안 배후로 전

달되는 월파량을 산정하여 실험결과와 비교 ∙ 검토하고 3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선

형간섭에 따른 연직원주구조물의 주변에서 파랑변형 및 연직원주구조물에 작용하는 파력특성에 관한 기존의

실험결과와 본 수치해석결과를 비교 ∙ 검토하여 본 연구에서 사용된 수치파동수조의 조파시스템의 타당성을 논

의한다

4) 제 4장에서는 충분한 폭을 갖는 3차원규칙파동장의 경사수역에서 동일한 파랑조건하에 원주구조물의 위

치변화에 따른 주변파동장과 적용파력 그리고 동일한 위치에서 상이한 입사파랑조건하에 연직원주구조물에 작

용하는 쇄파파력을 포함한 파력과 주변파동장의 변화특성을 고찰함으로써 본 3D-NIT model의 적용성을 검토한

5) 제 5장에서는 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 대하여 본 3D-NIT model을 적용하여 주변파동

장의 변화와 3차원월파량을 추정하여 통한 본 연구에서 제안하고 있는 3D-NIT model의 적용성을 논의한다

6) 제 6장에서는 본 연구의 3D-NIT model을 OWC파력발전구조물에서 수위변동을 통한 공기흐름속도의 해

석에 적용하여 입사파의 spectrum 공기실내의 파랑 spectrum 및 공기흐름속도에 관한 spectrum을 산출하고 더불

어 그의 특성을 규명함으로써 본 3D-NIT model의 적용성과 확장성을 살펴본다

7) 제 7장에서는 이상으로부터 도출된 중요한 사항을 요약하여 본 논문의 결론으로 한다

8) 끝으로 본 연구에서 참고하고 인용한 주요한 문헌을 수록한다

3

2장 수치해석이론

21 개요

비압축성의 점성유체에 대한 복잡한 자유수면을 효과적으로 수치모의할 수 있는 VOF법이 제안된 이후 자

유수면을 취급하는 많은 학문분야에서 이를 활용한 연구가 활발하게 진행되고 있다 특히 VOF법은 쇄파과정

및 쇄파후의 파형변형특성을 수치적으로 재현할 수 있어 해안공학분야에서도 VOF법을 활용한 수치모델이 많

이 사용되고 있다 VOF법은 단지 자유수면을 모의하는 기법이므로 해안공학분야에 적용시 파랑의 전달과 반사

를 정확하게 모의할 수 있는 효과적인 무반사조건을 포함한 경계조건과 수치조파방법을 결부시켜야 한다 이러

한 수치조파를 수치파동수조로 불리고 VOF법을 활용한 수치파동수조의 연구개발이 활발하게 이루어지고 있다

(沿岸開發技術硏究セソタ 2001 Van der Meer et al 1992 Troch P 1997 Hur and Mizutani 2003 Hur 2004 김 등 2001

2004 허 등 2005)

본 연구에서 적용하는 3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT (Three-Dimensional Numerical Irregular wave Tank)

model의 수치파동수조는 Fig 21(그림에서 0L 는 목표파의 파장 aL 는 부가감쇠영역의 길이 x y zD D D 는 수평

및 연직방향의 격자간격)에 보인 바와 같이 수치파동수조내에서 파의 재반사를 방지하기 위한 개경계처리기법

으로 해석영역의 양쪽에 부가감쇠영역을 두고 해석영역내에 조파를 위한 조파소스를 적용하고 있다

xD

yDz

D

Fig 21 Schematic sketch of the numerical wave tank used in 3D-NIT

4

22 3차원수치파동수조의 기초방정식

본 연구의 3D-NIT model은 기존의 2D-NIT(Two-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model의 계산수법을

3차원으로 확장한 것이며 자유표면해석모델에 VOF법을 난류해석에는 k e- 모델을 각각 적용하였고 기초방

정식은 3차원비압축성의 점성유체를 대상으로 한 연속식 및 Navier-Stokes방정식을 PBM (Porous Body Model)에

근거하여 확장한 다음의 식(21)~(24)로 주어진다

yx z

v

vu w Sx y z r

gg g gparapara para

+ + =para para para

(21)

2yx vz

v x e

y e z e v x x v u

vuuu wuu p ut x y z x x x

u v u w D u R Sy y x z z x

ll gll g nr

g n g n g g

parapara para igrave uumlpara para para paraaelig ouml+ + + = - + iacute yacuteccedil dividepara para para para para para paraegrave oslashicirc thornigrave uumlaelig ouml igrave uumlpara para para para para paraiuml iuml aelig ouml+ + + + - - +iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslashiuml iuml icirc thornegrave oslashicirc thorn

(22)

2

yx vzv x e

x e z e v y y v v

vvuv wvv p v ut x y z y x x y

v v w D v R Sy y z z y

ll gll g nr

g n g n g g

para igrave uumlaelig oumlpara parapara para para para paraiuml iuml+ + + = - + +iacute yacuteccedil dividepara para para para para para para paraiuml iumlegrave oslashicirc thornigrave uuml igrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para paraiuml iuml iuml iuml+ + + - - +iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para paraiuml iuml iuml iumlegrave oslash egrave oslashicirc thorn icirc thorn

(23)

2

yx vzv x e

y e z e v z z v w v

vwuw www p w ut x y z z x x z

w v w D w R S gy y z z z

ll gll g nr

g n g n g g g

parapara para igrave uumlpara para para para paraaelig ouml+ + + = - + +iacute yacuteccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslashicirc thornigrave uumlaelig ouml igrave uumlpara para para para paraiuml iuml aelig ouml+ + + - - + -iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para paraegrave oslashiuml iuml icirc thornegrave oslashicirc thorn

(24)

여기서 t 는 시간 x y 는 수평방향좌표 z 는 연직방향좌표 u v w는 x y z 방향의 유속성분 r 는 유체

밀도 p 는 압력 en 는 분자동점성계수 n 와 와점성계수 tn 의 합 g 는 중력가속도 vg 는 체적공극율

x y zg g g 는 x y z 방향의 면적공극율 x y zD D D 는 경계에서 반사파의 제어를 위해 설치한 스폰지층에서의

에너지감쇠계수 u v wS S S Sr 는 해석영역내의 조파를 위한 소스항 v x y zl l l l 는 구조물로부터 받는 관성

력효과를 나타낸 파라미터이고 식(25)와 같이 표현된다

5

(1 )(1 )(1 )

(1 )

v v v M

x x x M

y y y M

z z z M

CCCC

l g gl g gg g g

g g g

= + -

= + -

= + -

= + -

(25)

여기서 MC 은 관성력계수 x y zR R R 는 투과층(porous media)에서의 저항력이고 식(26)과 같이 주어진다

2 2 2

2 2 2

2 2 2

1 (1 )21 (1 )21 (1 )2

Dx x

Dy y

Dz z

CR u u v wx

CR v u v wy

CR w u v wz

g

g

g

= - + +D

= - + +D

= - + +D

(26)

여기서 DC 는 항력계수 x y zD D D 는 x y z 방향의 격자간격이다

본 연구에서는 이상의 이론에 근거한 3D-NIT model을 사용하여 규칙파 및 불규칙파의 해석을 수행한다 규

칙파 및 불규칙파의 해석에서 대상구조물이 불투과성인 경우에는 기초방정식에서 체적공극율 면적공극율 및

투과층내의 저항력을 무시하면 된다 그리고 계산에서는 양측면과 바닥에는 불투과경계조건을 적용하였다

23 난류모델

난류모델에는 실용성이 높고 여러 분야에서 사용되고 있는 고 Reynolds형의 k e- 모델을 채용하였다

k e- 모델에서는 유속의 변동량 u v w 을 사용하여 난류에너지 k 와 난류에너지일산함수 e 을 다음과 같

이 정의한다

2 2 21 ( )2

k u v w= + + (27)

2 22 2 2 2 2u v w w v uvx y z x y z

eigrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para para paraiuml iumlaelig ouml aelig ouml= + + + + +iacute yacuteccedil divide ccedil divideccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslash egrave oslashegrave oslash egrave oslashiuml iumlicirc thorn

(28)

따라서 k 와 e 은 이하에 나타내는 이류확산방정식을 풀어서 산정할 수 있다

6

yx z

v x k y k

z k v s v

vkuk wkk k kv vt x y z x x y y

kv Gz z

gg gg g g

g g g e

para igrave uumlaelig oumlpara para igrave uumlpara para para para paraiuml iumlaelig ouml+ + + = +iacute yacute iacute yacuteccedil divideccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslash iuml iumlicirc thorn egrave oslashicirc thornigrave uumlpara paraaelig ouml+ + -iacute yacuteccedil dividepara paraegrave oslashicirc thorn

(29)

2

1 2

yx zv x y

z v s v

vu w v vt x y z x x y y

v C G Cz z k k

e e

e

g eg e g ee e eg g g

e e eg g g

para igrave uumlaelig oumlpara para igrave uumlpara para para para paraiuml iumlaelig ouml+ + + = +iacute yacute iacute yacuteccedil divideccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslash iuml iumlicirc thorn egrave oslashicirc thornigrave uumlpara paraaelig ouml+ + -iacute yacuteccedil dividepara paraegrave oslashicirc thorn

(210)

2 22 2

2 2 2s tu v w w v uG vx y z x y z

igrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para para paraiuml iumlaelig ouml aelig ouml= + + + + +iacute yacuteccedil divide ccedil divideccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslash egrave oslashegrave oslash egrave oslashiuml iumlicirc thorn (211)

여기서 와동점성계수 및 확산계수는 다음과 같이 주어진다

2

t

C kv m

e= (212)

tk

k

vv vs

= + (213)

tvv vees

= + (214)

또한 위의 식에서 나타나는 1 2 kC C Cm es s 는 경험정수로 보통 009 100 130kCm es s= = =

1 2144 192C C= = 가 사용된다 그리고 k e- 모델에서 구한 난류효과는 Navier-Stokes방정식에서 동점성계

수 및 압력을 각각 다음의 식과 같이 취급함으로써 유속 및 압력에 반영된다

e tv v v= + (215)

23

p p kr= + (216)

7

24 이류방정식

3D-NIT model은 수면을 추적하기 위해 VOF법을 이용하고 있다 VOF함수 F는 일정 물리량인 유체의 체적율

로서 0leFle1의 범위를 가진다 여기서 F=1일 경우는 유체셀로 F=0일 경우는 기체셀로 0ltFlt1일 경우는 표면셀

로 각각 판단하여 자유수면을 추적하게 되며 다음의 이류방정식(217)에 의해 VOF함수가 이류된다

( )( ) ( )( ) yx zvFuF wFF Fqt x y z

ee ee parapara parapara+ + + =

para para para para (217)

25 격자설정 방법

3D-NIT model은 기초방정식을 유한차분법으로 차분근사하여 수치계산을 수행한다 그리고 계산영역을 크기

가 일정한 직사각형의 격자로 분할하고 셀 전체에 유체가 있는 경우를 유체셀 셀 전체에 기체가 있는 경우를

기체셀 셀내에 유체와 기체가 혼합되어 있는 경우를 표면셀 셀 전체에 구조물이 있는 경우를 구조물셀로 각각

정의한다 또한 셀 주위에는 직접 계산에 이용되지는 않지만 경계처리시에 필요한 가상셀을 둔다 격자를 설정

한 후에는 각 셀에서의 유속 u v w를 각각 셀 경계인 오른쪽과 위쪽에 위치시키고 압력 p 조파소스의 유량

밀도 q 및 VOF함수 F 를 각각 셀 중심에 위치하도록 하여 변수들을 엇갈리게 격자를 구성하는 엇갈린 격자

(staggerd mesh)를 적용한다

26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파

3D-NIT model은 규칙파뿐만 아니라 불규칙파에 대해서도 계산이 가능한 수치모델로 3D-NIT model을 이용하

여 불규칙파를 검토하는 경우에 조파지점에서의 수위변동 및 물입자속도(수평 및 연직유속)을 사용자가 독자적

으로 입력데이터로 작성할 필요가 있다 일반적으로 불규칙파랑은 선형이론으로부터 얻어진 규칙파의 중첩으로

조파되지만 해석시간이 증가됨에 따라 평균수위가 상승하는 문제가 발생하여 계산이 불가능하게 된다 따라서

불규칙파랑의 조파와 같은 장시간의 해석시간이 요구되는 경우에 평균수위의 상승으로 인하여 요구되는 100파

정도의 파수를 얻기까지는 무리가 있을 수 있고 결과가 얻어졌다고 하여도 신뢰성에 문제가 있다

본 연구에서는 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우에 문제로 지적되는 평균수위상승을 억

제하면서 안정적으로 불규칙파가 조파될 수 있는 시스템을 기술(Fujiwara 2005)한다 그리고 불규칙파의 파운동

을 디지털방식으로 작성하는 Goda방법에 따른 불규칙파의 조파방법도 간략히 기술한다 불규칙파의 조파방법

은 선형이론으로부터 얻어진 성분파의 주파수에 하나씩 순번을 붙여서 이를 무한급수의 합으로 고려하는 것이

다 조파지점에 있어서는 수면파형 η 수평 및 연직유속 (uw)의 시간적인 변동이 필요하게 되며 이들은 각각 식

8

(218)sim(220)로 주어진다

1( ) cos(2 )

M

m m mm

t a f th p e=

= -aring (218)

1

cosh ( )( ) 2 cos(2 )sinh

Mm

m m m mm m

k h zu z t f a f tk h

p p e=

+= -aring (219)

1

sinh ( )( ) 2 sin(2 )sinh

Mm

m m m mm m

k h zw z t f a f tk h

p p e=

+= -aring (220)

여기서 me 은 random한 위상각 mf 은 주파수 ma 은 진폭 mk 은 파수 M은 성분파의 수 h는 수심이다 단

연직좌표 z 는 정수면에서 상방향을 (+)로 취하고 me 및 mf 의 선택방법은 후술되며 진폭 ma 은 다음의 식

(221)로 정의된다

2 ( )ma S f f= D (221)

여기서 fD 는 주파수폭 ( )S f 는 파랑에너지밀도이며 불규칙파의 스펙트럼은 불규칙파를 모의하는 데에

널리 사용되고 있는 식(222)의 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970) 스펙트럼을 적용하였다

2 4 5 413 13 13( ) 0257 exp 103( )S f H T f T F- - -eacute ugrave= -euml ucirc (222)

여기서 13H 은 유의파고 13T 은 유의파주기를 각각 나타낸다 일반적으로 수치해석을 통해 불규칙파를 검

토하는 경우 해석시간이 증가됨에 따라 평균수위가 상승하는 문제가 있다(CDIT 2001) 본 연구에서는 평균수위

상승을 억제하는 방법으로 조파지점에서 수평유속을 산출할 때 각 성분파에 대응하는 Stokes파의 질량수송속도

(mass transport velocity)를 빼주는 방법을 적용한다(Fujiwara 2005) 즉 식(219)에서 질량수송속도를 뺀 수평유속은

식(223)과 같이 표현된다

1

cosh ( )( ) 2 cos(2 )sinh

Mm

mm m m mm m

k h zu z t f a f t Uk h

p p e=

igrave uuml+= - -iacute yacute

icirc thornaring (223)

여기서 Stokes파의 질량수송속도 mU 은 성분파를 나타내는 m 을 제외하여 나타내면 다음의 식(224)와 같이

9

주어진다

2

cosh 4 ( ) 12 sinh (2 )

mm m mm

m m m

H H h z LUT L h L

p p pp+

= (224)

여기서 mz 은 물입자의 평균위치를 나타낸다

27 난수의 발생방법

난수(random numbers)는 random한 현상을 다루는 수치해석에서 많이 사용되는 매우 중요한 부분이다 난수를

발생시키는 방법에는 물리적인 방법과 수식을 이용한 방법이 있으며 물리적인 방법으로 난수를 발생시킬 경우

에는 많은 시간이 소요되며 컴퓨터를 이용한 모의실험에는 사용할 수 없다는 단점이 있다 따라서 수치해석에

사용되는 난수는 수식을 이용하여 발생되며 이러한 방법을 이용한 대표적인 난수발생방법으로 중양제곱법

(mid-squar method) 합동법(congruential method) 그리고 시프트법(shift method) 등이 있다(조 등 1992)

본 연구에서는 합동법에 기초하여 난수를 발생시켰고 난수발생은 IMSL(International Mathematical and Statistical

Library)의 난수발생기(random number generator)를 이용하였으며 그 알고리즘음 다음과 같다(Compaq computer

corporation 2001)

먼저 임의정수 1X 은 seed number이며 mod( )Y b 는 Y 를 b 로 나눈 나머지를 나타낸다 이러한 계산이 임

의주기 동안 진행되면서 1X 은 2X 로 변환되고 연속된 정수 iX 를 산출하는 과정을 반복한다 0과 1사이에 할

당된 난수는 식(225)에 의해 얻어질 수 있으며 상수는 식(226)에 나타낸 특수한 값으로 주어진다

12i iR X q i= = (225)

36 357909 2 2 1a b q= = = - (226)

이러한 과정에서 임의정수 iX 가 352 을 초과할 경우 iX 는 정수 35(2 1)- 로 변환된 후 계산이 수행되며

식(225)로부터 구한 난수는 [01] 사이에 분포한다

이로부터 불규칙파의 각 성분파간의 위상각 me 은 Fig 22에 나타낸 바와 같이 [01] 사이에 분포하는 난수를

발생시킨 후 위상을 조정하기 위해 2p 를 곱하여 [02 ]p 사이에 분포하는 값을 취하는 것으로 하였다

28 주파수의 선택방법

불규칙파를 모의하기 위한 주파수 mf

의 성분파의 진폭이 거의 같도록

Mitsuyasu(Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼에

다음의 식(227)을 이용하여 주파수 mf

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - =

10

주파수 mf 의 선택방법에는 주파수스펙트럼을 등구간으로

하는 등에너지로 분할하는 방법 등이 있다 본 연구에서는

스펙트럼에 대해 등에너지로 스펙트럼을 분할할 수 있는 Goda(1985)

mf 을 선택하였다

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - =

Fig 22 Random phase angle

mf 등구간으로 분할하는 방법과 각각

연구에서는 Bretshneider-

Goda(1985)에 의해 제안된

mf

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - = (227)

11

3장 수치해석의 검증

31 개요

일본의 연안개발기술센터(沿岸開發技術硏究セソタ 2001)에서 개발한 수치파동수조 CADMAS-SURF와 같은

2차원규칙파에 대한 연구는 많이 수행되고 있지만 2차원불규칙파와 3차원불규칙파에 대한 연구는 찾아보기가

어렵다

최근 개발되고 있는 방파제 및 호안의 경우 구조물의 형상이 복잡한 특수방파제가 많이 적용되고 있다 하지

만 이러한 방파제를 2차원으로 적용 ∙ 계산하기에는 반사율 파압분포 및 월파량의 추정치가 실제의 3차원의 경

우와는 상이한 결과가 발생할 것으로 판단된다 따라서 본 연구에서는 3차원수치파동수조인 3D-NIT model의 조

파성능에 대해 먼저 검토한다 그리고 3D-NIT model을 이용하여 규칙파 및 불규칙파를 조파하고 眞田(1998)의

수리실험과 비교 ∙ 검토함으로써 결과의 타당성을 논의한다 또한 불규칙파동장에 경사수심역에 설치된 호안을

대상으로 호안 배후로 전달되는 월파량을 산정하고 이의 결과를 실험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를

검토하고 더불어 파력의 실험치( Chakrabarti 1975)와 비교 ∙ 검토함으로써 결과의 타당성을 논의한다

32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증

불규칙파의 조파성능을 검증하기 위하여 Fig 31과 같은 구조물이 설치되지 않은 수심 219h m= 의 3차원

수치파동수조(부가감쇠영역과 해석영역으로 구성되었으며 격자크기는 1 05 05x m y m z mD = D = D = 로 설

정)에서 유의파고 13 7H m= 유의주기 13 1225secT = 를 목표로 성분파 200개를 선형중첩하여 불규칙파를

조파하였다 그리고 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을 방지하기

위하여 설치된 부가감쇠영역의 길이 aL 는 목표파 파장 0L 의 2배 이상으로 하였다 Fig 32는 조파지점에서의

계산파형을 목표한 파형과 비교한 그림으로 장시간의 해석에도 평균수위상승은 크게 나타나지 않으며 목표한

파형과 비교하여 전체적으로 파형과 위상이 잘 일치하고 있음을 확인할 수 있다

12

Fig 31 Schematic sketch of numerical wave tank

Fig 32 Comparison of target and calculated wave profiles at wave source position

3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 따른 연직원주구조물주변의 파랑변형에 대

하여 해석해 및 2차오더의 회절산란포텐셜을 유도한 眞田(1998)의 수치해석결과 및 수리실험결과와 본 수치해

석결과를 비교ᆞ검토한다

Fig 33은 비교에 적용된 3차원수치파동수조 및 연직원주구조물의 제원을 나타내며 이때 수치파동수조의 수

심은 45h cm= 로 일정하며 입사파고 3H cm= 입사주기 01sect = 의 규칙파에 대하여 수치계산을 수행하

였다 그리고 수치계산에서는 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을

방지하기 위하여 부가감쇠영역을 설치하며(Hinatsu 1992) 부가감쇠영역의 길이는 입사파장 L 의 2배 이상으로

하였다

x축을 따른 y=0 y=25cm의 위치 및 연직원주구조물의 주위에서 무차원최대수면상승고 max2h ( maxh 는 최대수

위값)의 공간분포에 대하여 眞田(1998)의 수치해석해석결과 및 수리실험결과와 비교한 본 계산결과를 Fig 34에

각각 제시하였고 다음의 결과를 살펴보면 원주 전면의 표면에서 가장 큰 무차원최대수면상승고가 나타났고 이

는 원주구조물의 전면에서 구조물에 의해 반사되는 회절산란파와 입사파의 중첩으로 부분중복파가 형성된것으

로 판단된다 그리고 Fig 34 (a)와 (b)에서 본 연구의 수치해석결과가 眞田(1998)의 수리실험치를 전체적으로 잘

재현하고 있으며 그 정도는 매우 높은 것으로 판단된다

()

mh

13

(a) Plan view

(b) Side view

Fig 33 Definition sketch of 3D numerical wave tank for comparison of wave transformation

(a) y=0cm

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zoneWave source

Wave

x

y

O

Open boundary Open boundary

Wave

Calculation zone

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

Wave source

2L 2L

z

O

45

33

50 30

x

Unitcm

14

(b) y=25cm

Fig 34 Comparison of spatial distribution of non-dimensional maximum water levels

33 월파량의 검토

본 절에서는 앞서 검토한 결과를 바탕으로 호안 배후로 전달되는 파랑의 월파량을 산정하고 이의 결과를 실

험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를 검토한다

Fig 35는 본 연구에서 월파량 산정을 위하여 고려된 수치파동수조고 Fig 36은 Fig 35의 수치파동수조에서

호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화를 파라미터로하여 산정된 호안월파량을 Goda(1985)의 실험치와 비교한

결과이다 이 때 적용한 파 조건은 주기 0 1383secT = 파고

0 4H m= 를 목표로 설정하였다 그리고 월파량

산정에 이용한 불규칙파는 파가 안정적으로 판단되는 조파개시후 50sec에서부터 600sec 사이의 파이며 월파량

은 호안의 천단상부에 설치된 수평유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 시간평균하여 산정하였다(Goda

1985)

Fig 36의 결과를 살펴보면 호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화에 따른 월파량의 변화특성을 살펴보면 본

연구의 계산치는 실험치를 잘 재현하고 있을 뿐 아니라 산정된 월파량의 정도는 실험치와 비교하여 상당히 높

은 것으로 판단된다

Fig 35 Numerical setup for wave overtopping over vertical seawall on a sea bottom slope of 110

15

Fig 36 Comparison between experimental and numerical results for wave overtopping rate over vertical seawall on a sea bottom

slope of 110 ( 0 0 0017H L = )

34 월파현상의 재현

Fig 37은 Fig 36의 0 0 075 15ch H h H= = 의 경우에 대한 월파에 따른 주변파동장의 변화를 나타낸

일례이다 그림을 살펴보면 본 연구의 수치파동수조는 기대하는 불규칙파동장을 잘 재현하는 것으로 판단된다

그리고 경사수심역상에는 수심변동으로 인한 천수변형을 확인할 수 있으며 호안의 천단상에서는 호안월파로

인하여 배후면으로 낙하되는 빠른 유속이 관찰된다 따라서 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장의 재현

및 수심변동에 따른 천수변형 호안월파로 인한 배후면의 파동장교란 등에 대해 고정도의 결과도 기대할 수 있

고 따라서 향후 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장하에 복잡한 형태를 가진 특수방파제 등에 의한 주변

파동장의 3차원적인 응답해석 및 월파현상을 확인하는데도 충분히 이용 가능할 것으로 판단된다

16

Fig 37 Spatial variation of irregular waves on a sea bottom slpoe of 110 ( 0 0 075 15ch H h H= = )

17

35 파력의 검증

다음으로 연직원주구조물에 작용하는 파력특성에 대하여 116h a = (a는 연직원주구조물의 반경)

0232H a = 인 경우에 기존의 수리실험결과(Chakrabarti and Tam 1975) 및 수치해석결과(喜岡와 石田 1984 村

上 등 1993)와 본 연구의 수치해석결과를 비교ᆞ검토한다 Fig 38은 해석에 이용된 연직원주구조물의 제원을 나

타내며 무차원최대파력 2max ( 2)F ga Hr 에 대하여 기존의 수리실험 및 수치해석결과와 비교한 것을 Fig

39에 제시하였다 결과를 살펴보면 실험치가 주어져 있는 kagt07(k는 파수 k=2 L)의 범위에서는 본 연구의 수치

해석결과는 수리실험결과를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되며 실험치가 주어지지 않은 kalt05의 범위에서 村

上 등(1993)의 결과는 Stokes 2차파이론의 적용범위를 초과하므로 발산하고 있다 이는 kalt05의 범위는 DLlt02

인 항력이 지배적인 소형구조물의 영역으로 기존의 해석법으로 파력을 산정하는데는 과도한 계산시간으로 파

력산정에 다소 무리가 있으며 항력과 관성력을 동시에 고려할 수 있는 Navier-Stokes의 운동방정식에 근거한 본

연구의 수치해석결과가 타당한 것으로 판단된다

Fig 38 Definition sketch for comparison of wave force acting on the circular cylinder

x

y

zWave

h

a

18

Fig 39 Comparison of non-dimensional maximum wave force acting on the circular cylinder

이상의 3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 의한 파랑변형 및 구조물에 작용하

는 파력의 수치해석결과가 실험치를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되므로 본 연구의 타당성이 검증된다

0 05 1 15 2ka

0

1

2

3

4

5

6F m

axr

ga2 (

H2

)This studyExp(Chakrabarti amp Tam 1975)Cal(Shin 2008)Cal(Murakami et al 1993)Cal(Kioka and Ishida 1984)

19

4 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장

해석에 적용

41 개요

해역에 설치된 구조물은 파력 풍력 조류력 등의 외력을 지속적으로 받기 때문에 구조물의 경우 극한의 파

랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충분한 강도를 가지도록 설계할 필요가 있다 본 연구에서는 해역에서 쇄파

가 발생할 때 원주구조물에 작용하는 쇄파력과 파랑변형을 논의한다 쇄파에 대한 이론 및 실험적 연구는 오래

전부터 많은 연구자들에 의해서 수행되어 왔고 최근에는 과도수파생성법(조 등 2001)에 의한 쇄파현상의 재현

및 비선형파의 3차원수치해석법에 의한 연구가 수행되고 있다(신 2008) 본 논문에서는 3차원불규칙파수치파동

수조 3D-NIT model을 적용하여 쇄파가 발생할 경우에 쇄파가 구조물에 미치는 영향에 대하여 검토하고 이와

연계하여 구조물에 작용하는 쇄파력의 크기를 분석한다 그리고 쇄파전의 영역 쇄파영역 및 쇄파후의 영역에

각각 원주구조물이 설치된 경우에 작용파력과 파랑변형의 특성을 조사하여 3D-NIT model의 적용성을 검토한다

42 수치파동수조

Fig 41과 같은 수심 30h cm= 를 갖는 규칙파동장의 경사수심역에 설치된 원주구조물을 대상으로 파력을

산정하며 적용한 규칙파는 주기 14secT = 파고 23456H cm= 이다 Table 41은 본 연구에서 대상으로

하는 수치파동수조의 특성을 나타내며 여기서 D는 원주구조물의 직경을 d는 경사수심이 이후의 수심을 나타

내고 s는 경사수심 끝단부로부터의 이격거리이다

(a) front view

20

(b) top view Fig 41 Definition sketch of 3D numerical wave tank for analysis of wavebreaking force acting on circular cylinder

Table 41 Condition of numerical analysis for circular cylinder shape of structure slope T(s) H(cm) h(cm) D(cm) d(cm) s(cm)

circular

cylinder

case1 110 14 2 3 4

5 6 30 60 4 0

case2 110 14 4 30 60 4 0 20 40

60 80

43 주변파동장

Fig 42는 원주구조물이 경사수심 끝단부에 위치할 때 파고 23456H cm= 로 변환될 경우의 원주구조물

로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면분포 및 단면분포를 나타낸 것이다 여기

서 파고 23H cm= 인 경우에는 쇄파현상이 발생하지 않지만 4H cm= 인 경우에는 경사수심이 끝나는 지점

에서 쇄파가 발생된다 이것은 수심이 낮아지면서 천수효과로 인해 파고가 쇄파한계를 넘어 쇄파가 발생된 것

으로 판단된다 그리고 56H cm= 인 경우에는 파고가 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생되

는 현상이 나타났다 이는 파고가 높아짐으로 인하여 쇄파한계가 경사수심의 끝단부 이전에서 나타난 것으로

보여진다

Fig 43은 case1에서 쇄파력이 원주구조물에 가장 영향이 많이 미칠 것으로 판단되는 파고 4H cm= 의 경

우에 대하여 원주구조물이 경사수심 끝단부로부터 이격거리 020406080s cm= 로 변환될 경우에 원주구조

물로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면 및 단면적인 변화양상을 나타낸 것이다

여기서 이격거리가 멀어짐에 따라 쇄파후 파의 재생성 과정을 통하여 정상상태의 파랑으로 전이되며 구조물

의 위치에 따른 구조물 전면부에서 처오름이 쇄파대 부분에 구조물이 위치할 경우보다 이격거리가 멀어질수록

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

yx

Wave

DSlope=110

500cm

21

작아지는 것을 확인할 수 있다

(a) 2 14sec 0H cm T s cm= = =

22

(b) 3 14sec 0H cm T s cm= = =

23

(c) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

24

(d) 5 14sec 0H cm T s cm= = =

25

(e) 6 14sec 0H cm T s cm= = =

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height

26

(a) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

27

(b) 4 14sec 20H cm T s cm= = =

28

(c) 4 14sec 40H cm T s cm= = =

29

(d) 4 14sec 60H cm T s cm= = =

30

(e) 4 14sec 80H cm T s cm= = =

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder

31

44 파력

Fig 44는 Fig 41에서 정의된 경사수심의 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 지점에 있어서 파고

23456H cm= 로 변화시킨 경우에 파력의 변화를 나타낸 것이다 결과를 살펴보면 파고 234H cm= 까

지는 파력이 증가하지만 5cm 이상부터는 오히려 파력이 감소하는 것을 알 수 있다 이는 Fig 42의 주변파동장

에서 파고가 5cm 이상부터 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생하여 쇄파로 인한 파랑에너지가

많이 소산된 것으로 판단된다 이러한 결과로 파고가 더 커지더라도 쇄파가 발생하는 위치에 따라 낮은 파고에

서도 높은 파력이 작용할 수 있다는 것이 확인되었다 따라서 수심이 얕아지는 천해역에서 방파제나 기타 구조

물을 설계함에 있어 구조물 전면부에서 쇄파가 발생하지 않도록 주의를 기울일 필요가 있을 것으로 판단된다

Fig 45는 Fig 41 에서 정의된 경사수심 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 일 때 최대로 파력이 작용하는 파

고 4H cm= 에 대하여 구조물의 이격거리 020406080s cm= 로 변화시켜 구조물의 이격거리에 따른 쇄

파력의 크기를 검토한 결과이고 Fig 46은 Fig 45의 이격거리 04080s cm= 의 경우 파력의 시계열을 나타낸

것이다 결과를 살펴보면 구조물의 이격거리가 증가함에 따라 파력이 감소하는 것이 나타났다 하지만 이격거

리 20s cm= 이후에서는 파력의 감소가 줄어든다 이는 쇄파로 인해 어느 정도 에너지가 소산되고 난 이후에

파고가 정상상태에 전이된 결과에 기인하는 것으로 판단된다

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1

0 1 2 3 4 5 6 7 8time(sec)

-10

0

10

20

30

F(N

)

H=2cmH=3cmH=4cmH=5cmH=6cm

32

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2

45 3차원불규칙수치파동수조에 의한 고립파의 적용

본 절에서는 3D-NIT model의 고립파로 적용성에 대하여 검토한다 고립파와 구조물과의 상호간섭을

해석하기 위하여 Fig 41과 같은 3차원수치파동수조를 고려한다 해석영역내에서는 수치적으로 고립파

를 발생시키기 위한 조파소스(Brorsen amp Lasen 1987 김 등 2001)와 무반사조파시스템을 위한 에너지감쇠

영역이 고려되고 3차원파동장에서 고립파의 작용하에 작용파압을 검토하기 위하여 경사수심을 갖는 불

투과지반에 연직주상구조물이 설치된다 조파소스에서 조파강도는 다음의 식(41)로 주어진다

0 20 40 60 80s(cm)

4

8

12

16F(

N)

0 2 4 6 8time(sec)

-5

0

5

10

15

20

F(N

)

s=0cms=40cms=80cm

33

( ) = 2 (41)

여기서 는 발생파의 수평유속성분을 각각 나타내며 본 연구에서는 조파소스강도 로서 식(42)과

같이 Grimshaw(1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사이론에 의한 수평방향유속 를 적용한다(Fenton

1972)

= ℎ[ minus minus + ] (42)

여기서 및 는 다음과 같이 정의된다

= minus 14 + + 1 + ℎ 32 minus 94

= 1940 + 15 minus 65 + 1 + ℎ minus 32 minus 154 + 152

= 1 + ℎ minus 38 minus 4516 + 4516

그리고 는 물입자의 연직방향 평균위치를 나타내며 와 는 다음의 식과 같이 정의된다

= ℎ (43)

= sech (44)

여기서 ℎ는 수심 는 고립파의 입사파고를 나타내며 와 는 각각 다음의 식으로 주어진다

= 34 1 minus 58 + 71128 (45)

= minus ℎ (46)

34

여기서 는 고립파의 파속으로 고립파의 3차근사이론에 의하면 다음의 식과 같이 표현된다

= ℎ 1 + 12 minus 320 + 356 (47)

Ohyama amp Nadaoka(1991)는 수치파동수조내에서 구조물이 설치될 경우 조파소스의 위치에서 반사파

의 영향을 고려하여 조파소스지점에서 연직적분치가 반사파가 없는 경우와 분포형상이 상사되도록 다

음의 식을 고려하고 있다

= 2 + ℎ + ℎ (48)

여기서 와 는 각각 조파소스의 위치에서 수위변동과 조파소스에 의해 기대되는 수위변동이다

본 연구에서 는 다음의 식과 같은 고립파의 3차근사식을 적용하여 산정된다(Fenton 1972)

= ℎ 1 + + 58 minus 10180 (49)

여기서 는 다음의 식(410)과 같이 주어진다

= tanh minus ℎ (410)

이상의 관계식을 3D-NIT model에 적용하여 고립파를 수치조파한다 전술한 결과에서 최대파력이 작용하는

Fig 41에서 이격거리 0s cm= 인 경우에 고립파의 파고 23456iH cm= 일 때 주변파동장의 변화양상을

Fig 47(a)~(e)에 나타내었다 결과를 살펴보면 단주기규칙파에서의 결과와는 달리 파고의 증가에도 구조물 전면

부에서 쇄파가 발생하지 않았다 이는 상대적으로 긴 파장으로 인하여 Ursell수가 작아지기 때문으로 판단된다

그리고 구조물 전면부에서 고립파로 인한 급격한 처오름현상이 확인되고 연직주상구조물로 인한 회절현상을

약간 확인할 수 있지만 파장이 상대적으로 길기 때문에 회절파라미터가 작아져 결과적으로 단주기파랑보다 회

절현상이 작아진다

연직주상구조물의 전면부에 작용하는 파력분포를 Fig 48에 나타내었다 결과를 살펴보면 모두 정수면에서

최대파력이 작용하고 파고가 증가함에 따라 구조물에 작용하는 최대파력이 거의 선형적으로 증가하는 것을 알

수 있다 이는 기본적으로 규칙파와 달리 쇄파가 발생하지 않고 경사수심으로 인한 고립파의 파고변화가 크게

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 13: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

1

1장 서론

11 연구의 배경 및 목적

외해에서 내습하는 파랑으로부터 연안역의 주요 시설물을 보호하고 해역을 정온화하기 위해 연안역에 직립

제 경사제 혼성제 등의 다양한 방파제를 건설하여 왔고 최근에는 주변경관과의 조화 친수성 및 저반사의 목적

등으로 슬리트케이슨제로 대표되는 특수방파제가 많이 시공되고 있다 한편 해역에 설치된 구조물은 외력을 지

속적으로 받으므로 극한의 파랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충분한 강도를 구비할 필요성이 있고 이에 따

라 특수방파제에 의한 파랑제어 및 구조물에 작용하는 파력에 대한 고정도 해석이 요구된다

구조물에 대한 파랑응답은 파랑과 구조물의 3차원적인 특성들로 인하여 복잡하게 나타나는 현상으로 내습

파랑에 의한 구조물의 정도 높은 평가를 위해서는 3차원구조물을 정확히 재현하고 이를 검토할 수 있는 3차원

불규칙수치파동수조의 개발이 필요하다 특히 3차원수치파동수조를 통하여 구조물을 검토하는 경우 구조물에

의한 주변파동장의 3차원적인 시 ∙ 공간변화를 상세히 검토할 수 있는 장점이 있으며 또한 구조물의 복잡한 형

상에 의한 파랑 상호간의 간섭현상까지도 검토할 수 있다 더불어 3차원수치파동수조에서는 구조물의 3차원적

인 특성에 따른 검토단면들에 대한 작용파압의 변화뿐만 아니라 구조물의 특성에 따른 파랑의 집중현상까지도

검토가 가능하다 그리고 파랑의 월파현상은 입사파랑조건에 따라 달라질 수 있지만 3차원구조물에 의한 파랑

집중현상에 의해서도 발생할 수 있다 이러한 부분들은 3차원수치파동수조를 통해서만 재현할 수 있고 3차원형

상의 구조물에 대한 대표단면만을 대상으로 하는 2차원수치해석(CDIT 2001)에서는 검토될 수 없는 사항들이다

한편 복잡한 구조물에 대한 실해역에 주어지는 불규칙파를 재현하기 위해서 지금까지의 수치해석기법으로는 2

차원수치해석을 통한 불규칙파의 해석이 주로 수행되어 왔고 3차원수치해석의 경우에는 규칙파에 대해서만 해

석이 이루어졌다 따라서 실제 해양에서의 파와 유사한 특성을 갖는 불규칙파에 대한 수치해석이 수행되지 않

아 불규칙파동장하에서 파랑과 구조물 사이의 3차원 수리특성을 규명하기 위해 막대한 시간과 경비가 소요되

는 수리모형실험이 실시되어 왔다

본 연구에서는 수리실험에 의존해 오던 3차원불규칙파와 구조물과의 상호작용에 의한 3차원 수리특성을 수

치적으로 접근 가능하고 복잡한 구조물에 대해서도 실해역에 주어지는 불규칙파의 재현이 가능한 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT(Three-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model의 개발 및 그의 적용성을 검토하는

것을 목적으로 향후 수리실험을 대신하여 구조물 주변파동장의 3차원적인 변동특성을 재현하여 그의 타당성을

검증하고 다양한 3차원특수방파제에 적용하여 내습파랑에 대한 구조물의 응답특성을 검토하고자 한다

2

12 연구의 구성

본 연구는 총 7장으로 구성되며 각 장의 내용은 다음과 같다

1) 제 1장에서는 본 연구의 배경 및 목적에 대하여 서술하고 연구의 구성에 대하여 간단히 기술한다

2) 제 2장에서는 3D-VOF법에 기초하여 자유수면을 추적하고 월파현상 및 고파랑에 대한 파랑특성을 예측

할 수 있는 수치모델로 규칙파뿐만 아니라 불규칙파에 대한 검토도 가능한 3차원불규칙파수치파동수조 3D-

NIT(Three-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model에 대한 이론적인 배경에 대해 기술한다

3) 제 3장에서는 3D-NIT model의 불규칙파의 조파성능 경사수심을 갖는 불규칙파동장에서 호안 배후로 전

달되는 월파량을 산정하여 실험결과와 비교 ∙ 검토하고 3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선

형간섭에 따른 연직원주구조물의 주변에서 파랑변형 및 연직원주구조물에 작용하는 파력특성에 관한 기존의

실험결과와 본 수치해석결과를 비교 ∙ 검토하여 본 연구에서 사용된 수치파동수조의 조파시스템의 타당성을 논

의한다

4) 제 4장에서는 충분한 폭을 갖는 3차원규칙파동장의 경사수역에서 동일한 파랑조건하에 원주구조물의 위

치변화에 따른 주변파동장과 적용파력 그리고 동일한 위치에서 상이한 입사파랑조건하에 연직원주구조물에 작

용하는 쇄파파력을 포함한 파력과 주변파동장의 변화특성을 고찰함으로써 본 3D-NIT model의 적용성을 검토한

5) 제 5장에서는 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 대하여 본 3D-NIT model을 적용하여 주변파동

장의 변화와 3차원월파량을 추정하여 통한 본 연구에서 제안하고 있는 3D-NIT model의 적용성을 논의한다

6) 제 6장에서는 본 연구의 3D-NIT model을 OWC파력발전구조물에서 수위변동을 통한 공기흐름속도의 해

석에 적용하여 입사파의 spectrum 공기실내의 파랑 spectrum 및 공기흐름속도에 관한 spectrum을 산출하고 더불

어 그의 특성을 규명함으로써 본 3D-NIT model의 적용성과 확장성을 살펴본다

7) 제 7장에서는 이상으로부터 도출된 중요한 사항을 요약하여 본 논문의 결론으로 한다

8) 끝으로 본 연구에서 참고하고 인용한 주요한 문헌을 수록한다

3

2장 수치해석이론

21 개요

비압축성의 점성유체에 대한 복잡한 자유수면을 효과적으로 수치모의할 수 있는 VOF법이 제안된 이후 자

유수면을 취급하는 많은 학문분야에서 이를 활용한 연구가 활발하게 진행되고 있다 특히 VOF법은 쇄파과정

및 쇄파후의 파형변형특성을 수치적으로 재현할 수 있어 해안공학분야에서도 VOF법을 활용한 수치모델이 많

이 사용되고 있다 VOF법은 단지 자유수면을 모의하는 기법이므로 해안공학분야에 적용시 파랑의 전달과 반사

를 정확하게 모의할 수 있는 효과적인 무반사조건을 포함한 경계조건과 수치조파방법을 결부시켜야 한다 이러

한 수치조파를 수치파동수조로 불리고 VOF법을 활용한 수치파동수조의 연구개발이 활발하게 이루어지고 있다

(沿岸開發技術硏究セソタ 2001 Van der Meer et al 1992 Troch P 1997 Hur and Mizutani 2003 Hur 2004 김 등 2001

2004 허 등 2005)

본 연구에서 적용하는 3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT (Three-Dimensional Numerical Irregular wave Tank)

model의 수치파동수조는 Fig 21(그림에서 0L 는 목표파의 파장 aL 는 부가감쇠영역의 길이 x y zD D D 는 수평

및 연직방향의 격자간격)에 보인 바와 같이 수치파동수조내에서 파의 재반사를 방지하기 위한 개경계처리기법

으로 해석영역의 양쪽에 부가감쇠영역을 두고 해석영역내에 조파를 위한 조파소스를 적용하고 있다

xD

yDz

D

Fig 21 Schematic sketch of the numerical wave tank used in 3D-NIT

4

22 3차원수치파동수조의 기초방정식

본 연구의 3D-NIT model은 기존의 2D-NIT(Two-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model의 계산수법을

3차원으로 확장한 것이며 자유표면해석모델에 VOF법을 난류해석에는 k e- 모델을 각각 적용하였고 기초방

정식은 3차원비압축성의 점성유체를 대상으로 한 연속식 및 Navier-Stokes방정식을 PBM (Porous Body Model)에

근거하여 확장한 다음의 식(21)~(24)로 주어진다

yx z

v

vu w Sx y z r

gg g gparapara para

+ + =para para para

(21)

2yx vz

v x e

y e z e v x x v u

vuuu wuu p ut x y z x x x

u v u w D u R Sy y x z z x

ll gll g nr

g n g n g g

parapara para igrave uumlpara para para paraaelig ouml+ + + = - + iacute yacuteccedil dividepara para para para para para paraegrave oslashicirc thornigrave uumlaelig ouml igrave uumlpara para para para para paraiuml iuml aelig ouml+ + + + - - +iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslashiuml iuml icirc thornegrave oslashicirc thorn

(22)

2

yx vzv x e

x e z e v y y v v

vvuv wvv p v ut x y z y x x y

v v w D v R Sy y z z y

ll gll g nr

g n g n g g

para igrave uumlaelig oumlpara parapara para para para paraiuml iuml+ + + = - + +iacute yacuteccedil dividepara para para para para para para paraiuml iumlegrave oslashicirc thornigrave uuml igrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para paraiuml iuml iuml iuml+ + + - - +iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para paraiuml iuml iuml iumlegrave oslash egrave oslashicirc thorn icirc thorn

(23)

2

yx vzv x e

y e z e v z z v w v

vwuw www p w ut x y z z x x z

w v w D w R S gy y z z z

ll gll g nr

g n g n g g g

parapara para igrave uumlpara para para para paraaelig ouml+ + + = - + +iacute yacuteccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslashicirc thornigrave uumlaelig ouml igrave uumlpara para para para paraiuml iuml aelig ouml+ + + - - + -iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para paraegrave oslashiuml iuml icirc thornegrave oslashicirc thorn

(24)

여기서 t 는 시간 x y 는 수평방향좌표 z 는 연직방향좌표 u v w는 x y z 방향의 유속성분 r 는 유체

밀도 p 는 압력 en 는 분자동점성계수 n 와 와점성계수 tn 의 합 g 는 중력가속도 vg 는 체적공극율

x y zg g g 는 x y z 방향의 면적공극율 x y zD D D 는 경계에서 반사파의 제어를 위해 설치한 스폰지층에서의

에너지감쇠계수 u v wS S S Sr 는 해석영역내의 조파를 위한 소스항 v x y zl l l l 는 구조물로부터 받는 관성

력효과를 나타낸 파라미터이고 식(25)와 같이 표현된다

5

(1 )(1 )(1 )

(1 )

v v v M

x x x M

y y y M

z z z M

CCCC

l g gl g gg g g

g g g

= + -

= + -

= + -

= + -

(25)

여기서 MC 은 관성력계수 x y zR R R 는 투과층(porous media)에서의 저항력이고 식(26)과 같이 주어진다

2 2 2

2 2 2

2 2 2

1 (1 )21 (1 )21 (1 )2

Dx x

Dy y

Dz z

CR u u v wx

CR v u v wy

CR w u v wz

g

g

g

= - + +D

= - + +D

= - + +D

(26)

여기서 DC 는 항력계수 x y zD D D 는 x y z 방향의 격자간격이다

본 연구에서는 이상의 이론에 근거한 3D-NIT model을 사용하여 규칙파 및 불규칙파의 해석을 수행한다 규

칙파 및 불규칙파의 해석에서 대상구조물이 불투과성인 경우에는 기초방정식에서 체적공극율 면적공극율 및

투과층내의 저항력을 무시하면 된다 그리고 계산에서는 양측면과 바닥에는 불투과경계조건을 적용하였다

23 난류모델

난류모델에는 실용성이 높고 여러 분야에서 사용되고 있는 고 Reynolds형의 k e- 모델을 채용하였다

k e- 모델에서는 유속의 변동량 u v w 을 사용하여 난류에너지 k 와 난류에너지일산함수 e 을 다음과 같

이 정의한다

2 2 21 ( )2

k u v w= + + (27)

2 22 2 2 2 2u v w w v uvx y z x y z

eigrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para para paraiuml iumlaelig ouml aelig ouml= + + + + +iacute yacuteccedil divide ccedil divideccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslash egrave oslashegrave oslash egrave oslashiuml iumlicirc thorn

(28)

따라서 k 와 e 은 이하에 나타내는 이류확산방정식을 풀어서 산정할 수 있다

6

yx z

v x k y k

z k v s v

vkuk wkk k kv vt x y z x x y y

kv Gz z

gg gg g g

g g g e

para igrave uumlaelig oumlpara para igrave uumlpara para para para paraiuml iumlaelig ouml+ + + = +iacute yacute iacute yacuteccedil divideccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslash iuml iumlicirc thorn egrave oslashicirc thornigrave uumlpara paraaelig ouml+ + -iacute yacuteccedil dividepara paraegrave oslashicirc thorn

(29)

2

1 2

yx zv x y

z v s v

vu w v vt x y z x x y y

v C G Cz z k k

e e

e

g eg e g ee e eg g g

e e eg g g

para igrave uumlaelig oumlpara para igrave uumlpara para para para paraiuml iumlaelig ouml+ + + = +iacute yacute iacute yacuteccedil divideccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslash iuml iumlicirc thorn egrave oslashicirc thornigrave uumlpara paraaelig ouml+ + -iacute yacuteccedil dividepara paraegrave oslashicirc thorn

(210)

2 22 2

2 2 2s tu v w w v uG vx y z x y z

igrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para para paraiuml iumlaelig ouml aelig ouml= + + + + +iacute yacuteccedil divide ccedil divideccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslash egrave oslashegrave oslash egrave oslashiuml iumlicirc thorn (211)

여기서 와동점성계수 및 확산계수는 다음과 같이 주어진다

2

t

C kv m

e= (212)

tk

k

vv vs

= + (213)

tvv vees

= + (214)

또한 위의 식에서 나타나는 1 2 kC C Cm es s 는 경험정수로 보통 009 100 130kCm es s= = =

1 2144 192C C= = 가 사용된다 그리고 k e- 모델에서 구한 난류효과는 Navier-Stokes방정식에서 동점성계

수 및 압력을 각각 다음의 식과 같이 취급함으로써 유속 및 압력에 반영된다

e tv v v= + (215)

23

p p kr= + (216)

7

24 이류방정식

3D-NIT model은 수면을 추적하기 위해 VOF법을 이용하고 있다 VOF함수 F는 일정 물리량인 유체의 체적율

로서 0leFle1의 범위를 가진다 여기서 F=1일 경우는 유체셀로 F=0일 경우는 기체셀로 0ltFlt1일 경우는 표면셀

로 각각 판단하여 자유수면을 추적하게 되며 다음의 이류방정식(217)에 의해 VOF함수가 이류된다

( )( ) ( )( ) yx zvFuF wFF Fqt x y z

ee ee parapara parapara+ + + =

para para para para (217)

25 격자설정 방법

3D-NIT model은 기초방정식을 유한차분법으로 차분근사하여 수치계산을 수행한다 그리고 계산영역을 크기

가 일정한 직사각형의 격자로 분할하고 셀 전체에 유체가 있는 경우를 유체셀 셀 전체에 기체가 있는 경우를

기체셀 셀내에 유체와 기체가 혼합되어 있는 경우를 표면셀 셀 전체에 구조물이 있는 경우를 구조물셀로 각각

정의한다 또한 셀 주위에는 직접 계산에 이용되지는 않지만 경계처리시에 필요한 가상셀을 둔다 격자를 설정

한 후에는 각 셀에서의 유속 u v w를 각각 셀 경계인 오른쪽과 위쪽에 위치시키고 압력 p 조파소스의 유량

밀도 q 및 VOF함수 F 를 각각 셀 중심에 위치하도록 하여 변수들을 엇갈리게 격자를 구성하는 엇갈린 격자

(staggerd mesh)를 적용한다

26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파

3D-NIT model은 규칙파뿐만 아니라 불규칙파에 대해서도 계산이 가능한 수치모델로 3D-NIT model을 이용하

여 불규칙파를 검토하는 경우에 조파지점에서의 수위변동 및 물입자속도(수평 및 연직유속)을 사용자가 독자적

으로 입력데이터로 작성할 필요가 있다 일반적으로 불규칙파랑은 선형이론으로부터 얻어진 규칙파의 중첩으로

조파되지만 해석시간이 증가됨에 따라 평균수위가 상승하는 문제가 발생하여 계산이 불가능하게 된다 따라서

불규칙파랑의 조파와 같은 장시간의 해석시간이 요구되는 경우에 평균수위의 상승으로 인하여 요구되는 100파

정도의 파수를 얻기까지는 무리가 있을 수 있고 결과가 얻어졌다고 하여도 신뢰성에 문제가 있다

본 연구에서는 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우에 문제로 지적되는 평균수위상승을 억

제하면서 안정적으로 불규칙파가 조파될 수 있는 시스템을 기술(Fujiwara 2005)한다 그리고 불규칙파의 파운동

을 디지털방식으로 작성하는 Goda방법에 따른 불규칙파의 조파방법도 간략히 기술한다 불규칙파의 조파방법

은 선형이론으로부터 얻어진 성분파의 주파수에 하나씩 순번을 붙여서 이를 무한급수의 합으로 고려하는 것이

다 조파지점에 있어서는 수면파형 η 수평 및 연직유속 (uw)의 시간적인 변동이 필요하게 되며 이들은 각각 식

8

(218)sim(220)로 주어진다

1( ) cos(2 )

M

m m mm

t a f th p e=

= -aring (218)

1

cosh ( )( ) 2 cos(2 )sinh

Mm

m m m mm m

k h zu z t f a f tk h

p p e=

+= -aring (219)

1

sinh ( )( ) 2 sin(2 )sinh

Mm

m m m mm m

k h zw z t f a f tk h

p p e=

+= -aring (220)

여기서 me 은 random한 위상각 mf 은 주파수 ma 은 진폭 mk 은 파수 M은 성분파의 수 h는 수심이다 단

연직좌표 z 는 정수면에서 상방향을 (+)로 취하고 me 및 mf 의 선택방법은 후술되며 진폭 ma 은 다음의 식

(221)로 정의된다

2 ( )ma S f f= D (221)

여기서 fD 는 주파수폭 ( )S f 는 파랑에너지밀도이며 불규칙파의 스펙트럼은 불규칙파를 모의하는 데에

널리 사용되고 있는 식(222)의 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970) 스펙트럼을 적용하였다

2 4 5 413 13 13( ) 0257 exp 103( )S f H T f T F- - -eacute ugrave= -euml ucirc (222)

여기서 13H 은 유의파고 13T 은 유의파주기를 각각 나타낸다 일반적으로 수치해석을 통해 불규칙파를 검

토하는 경우 해석시간이 증가됨에 따라 평균수위가 상승하는 문제가 있다(CDIT 2001) 본 연구에서는 평균수위

상승을 억제하는 방법으로 조파지점에서 수평유속을 산출할 때 각 성분파에 대응하는 Stokes파의 질량수송속도

(mass transport velocity)를 빼주는 방법을 적용한다(Fujiwara 2005) 즉 식(219)에서 질량수송속도를 뺀 수평유속은

식(223)과 같이 표현된다

1

cosh ( )( ) 2 cos(2 )sinh

Mm

mm m m mm m

k h zu z t f a f t Uk h

p p e=

igrave uuml+= - -iacute yacute

icirc thornaring (223)

여기서 Stokes파의 질량수송속도 mU 은 성분파를 나타내는 m 을 제외하여 나타내면 다음의 식(224)와 같이

9

주어진다

2

cosh 4 ( ) 12 sinh (2 )

mm m mm

m m m

H H h z LUT L h L

p p pp+

= (224)

여기서 mz 은 물입자의 평균위치를 나타낸다

27 난수의 발생방법

난수(random numbers)는 random한 현상을 다루는 수치해석에서 많이 사용되는 매우 중요한 부분이다 난수를

발생시키는 방법에는 물리적인 방법과 수식을 이용한 방법이 있으며 물리적인 방법으로 난수를 발생시킬 경우

에는 많은 시간이 소요되며 컴퓨터를 이용한 모의실험에는 사용할 수 없다는 단점이 있다 따라서 수치해석에

사용되는 난수는 수식을 이용하여 발생되며 이러한 방법을 이용한 대표적인 난수발생방법으로 중양제곱법

(mid-squar method) 합동법(congruential method) 그리고 시프트법(shift method) 등이 있다(조 등 1992)

본 연구에서는 합동법에 기초하여 난수를 발생시켰고 난수발생은 IMSL(International Mathematical and Statistical

Library)의 난수발생기(random number generator)를 이용하였으며 그 알고리즘음 다음과 같다(Compaq computer

corporation 2001)

먼저 임의정수 1X 은 seed number이며 mod( )Y b 는 Y 를 b 로 나눈 나머지를 나타낸다 이러한 계산이 임

의주기 동안 진행되면서 1X 은 2X 로 변환되고 연속된 정수 iX 를 산출하는 과정을 반복한다 0과 1사이에 할

당된 난수는 식(225)에 의해 얻어질 수 있으며 상수는 식(226)에 나타낸 특수한 값으로 주어진다

12i iR X q i= = (225)

36 357909 2 2 1a b q= = = - (226)

이러한 과정에서 임의정수 iX 가 352 을 초과할 경우 iX 는 정수 35(2 1)- 로 변환된 후 계산이 수행되며

식(225)로부터 구한 난수는 [01] 사이에 분포한다

이로부터 불규칙파의 각 성분파간의 위상각 me 은 Fig 22에 나타낸 바와 같이 [01] 사이에 분포하는 난수를

발생시킨 후 위상을 조정하기 위해 2p 를 곱하여 [02 ]p 사이에 분포하는 값을 취하는 것으로 하였다

28 주파수의 선택방법

불규칙파를 모의하기 위한 주파수 mf

의 성분파의 진폭이 거의 같도록

Mitsuyasu(Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼에

다음의 식(227)을 이용하여 주파수 mf

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - =

10

주파수 mf 의 선택방법에는 주파수스펙트럼을 등구간으로

하는 등에너지로 분할하는 방법 등이 있다 본 연구에서는

스펙트럼에 대해 등에너지로 스펙트럼을 분할할 수 있는 Goda(1985)

mf 을 선택하였다

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - =

Fig 22 Random phase angle

mf 등구간으로 분할하는 방법과 각각

연구에서는 Bretshneider-

Goda(1985)에 의해 제안된

mf

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - = (227)

11

3장 수치해석의 검증

31 개요

일본의 연안개발기술센터(沿岸開發技術硏究セソタ 2001)에서 개발한 수치파동수조 CADMAS-SURF와 같은

2차원규칙파에 대한 연구는 많이 수행되고 있지만 2차원불규칙파와 3차원불규칙파에 대한 연구는 찾아보기가

어렵다

최근 개발되고 있는 방파제 및 호안의 경우 구조물의 형상이 복잡한 특수방파제가 많이 적용되고 있다 하지

만 이러한 방파제를 2차원으로 적용 ∙ 계산하기에는 반사율 파압분포 및 월파량의 추정치가 실제의 3차원의 경

우와는 상이한 결과가 발생할 것으로 판단된다 따라서 본 연구에서는 3차원수치파동수조인 3D-NIT model의 조

파성능에 대해 먼저 검토한다 그리고 3D-NIT model을 이용하여 규칙파 및 불규칙파를 조파하고 眞田(1998)의

수리실험과 비교 ∙ 검토함으로써 결과의 타당성을 논의한다 또한 불규칙파동장에 경사수심역에 설치된 호안을

대상으로 호안 배후로 전달되는 월파량을 산정하고 이의 결과를 실험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를

검토하고 더불어 파력의 실험치( Chakrabarti 1975)와 비교 ∙ 검토함으로써 결과의 타당성을 논의한다

32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증

불규칙파의 조파성능을 검증하기 위하여 Fig 31과 같은 구조물이 설치되지 않은 수심 219h m= 의 3차원

수치파동수조(부가감쇠영역과 해석영역으로 구성되었으며 격자크기는 1 05 05x m y m z mD = D = D = 로 설

정)에서 유의파고 13 7H m= 유의주기 13 1225secT = 를 목표로 성분파 200개를 선형중첩하여 불규칙파를

조파하였다 그리고 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을 방지하기

위하여 설치된 부가감쇠영역의 길이 aL 는 목표파 파장 0L 의 2배 이상으로 하였다 Fig 32는 조파지점에서의

계산파형을 목표한 파형과 비교한 그림으로 장시간의 해석에도 평균수위상승은 크게 나타나지 않으며 목표한

파형과 비교하여 전체적으로 파형과 위상이 잘 일치하고 있음을 확인할 수 있다

12

Fig 31 Schematic sketch of numerical wave tank

Fig 32 Comparison of target and calculated wave profiles at wave source position

3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 따른 연직원주구조물주변의 파랑변형에 대

하여 해석해 및 2차오더의 회절산란포텐셜을 유도한 眞田(1998)의 수치해석결과 및 수리실험결과와 본 수치해

석결과를 비교ᆞ검토한다

Fig 33은 비교에 적용된 3차원수치파동수조 및 연직원주구조물의 제원을 나타내며 이때 수치파동수조의 수

심은 45h cm= 로 일정하며 입사파고 3H cm= 입사주기 01sect = 의 규칙파에 대하여 수치계산을 수행하

였다 그리고 수치계산에서는 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을

방지하기 위하여 부가감쇠영역을 설치하며(Hinatsu 1992) 부가감쇠영역의 길이는 입사파장 L 의 2배 이상으로

하였다

x축을 따른 y=0 y=25cm의 위치 및 연직원주구조물의 주위에서 무차원최대수면상승고 max2h ( maxh 는 최대수

위값)의 공간분포에 대하여 眞田(1998)의 수치해석해석결과 및 수리실험결과와 비교한 본 계산결과를 Fig 34에

각각 제시하였고 다음의 결과를 살펴보면 원주 전면의 표면에서 가장 큰 무차원최대수면상승고가 나타났고 이

는 원주구조물의 전면에서 구조물에 의해 반사되는 회절산란파와 입사파의 중첩으로 부분중복파가 형성된것으

로 판단된다 그리고 Fig 34 (a)와 (b)에서 본 연구의 수치해석결과가 眞田(1998)의 수리실험치를 전체적으로 잘

재현하고 있으며 그 정도는 매우 높은 것으로 판단된다

()

mh

13

(a) Plan view

(b) Side view

Fig 33 Definition sketch of 3D numerical wave tank for comparison of wave transformation

(a) y=0cm

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zoneWave source

Wave

x

y

O

Open boundary Open boundary

Wave

Calculation zone

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

Wave source

2L 2L

z

O

45

33

50 30

x

Unitcm

14

(b) y=25cm

Fig 34 Comparison of spatial distribution of non-dimensional maximum water levels

33 월파량의 검토

본 절에서는 앞서 검토한 결과를 바탕으로 호안 배후로 전달되는 파랑의 월파량을 산정하고 이의 결과를 실

험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를 검토한다

Fig 35는 본 연구에서 월파량 산정을 위하여 고려된 수치파동수조고 Fig 36은 Fig 35의 수치파동수조에서

호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화를 파라미터로하여 산정된 호안월파량을 Goda(1985)의 실험치와 비교한

결과이다 이 때 적용한 파 조건은 주기 0 1383secT = 파고

0 4H m= 를 목표로 설정하였다 그리고 월파량

산정에 이용한 불규칙파는 파가 안정적으로 판단되는 조파개시후 50sec에서부터 600sec 사이의 파이며 월파량

은 호안의 천단상부에 설치된 수평유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 시간평균하여 산정하였다(Goda

1985)

Fig 36의 결과를 살펴보면 호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화에 따른 월파량의 변화특성을 살펴보면 본

연구의 계산치는 실험치를 잘 재현하고 있을 뿐 아니라 산정된 월파량의 정도는 실험치와 비교하여 상당히 높

은 것으로 판단된다

Fig 35 Numerical setup for wave overtopping over vertical seawall on a sea bottom slope of 110

15

Fig 36 Comparison between experimental and numerical results for wave overtopping rate over vertical seawall on a sea bottom

slope of 110 ( 0 0 0017H L = )

34 월파현상의 재현

Fig 37은 Fig 36의 0 0 075 15ch H h H= = 의 경우에 대한 월파에 따른 주변파동장의 변화를 나타낸

일례이다 그림을 살펴보면 본 연구의 수치파동수조는 기대하는 불규칙파동장을 잘 재현하는 것으로 판단된다

그리고 경사수심역상에는 수심변동으로 인한 천수변형을 확인할 수 있으며 호안의 천단상에서는 호안월파로

인하여 배후면으로 낙하되는 빠른 유속이 관찰된다 따라서 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장의 재현

및 수심변동에 따른 천수변형 호안월파로 인한 배후면의 파동장교란 등에 대해 고정도의 결과도 기대할 수 있

고 따라서 향후 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장하에 복잡한 형태를 가진 특수방파제 등에 의한 주변

파동장의 3차원적인 응답해석 및 월파현상을 확인하는데도 충분히 이용 가능할 것으로 판단된다

16

Fig 37 Spatial variation of irregular waves on a sea bottom slpoe of 110 ( 0 0 075 15ch H h H= = )

17

35 파력의 검증

다음으로 연직원주구조물에 작용하는 파력특성에 대하여 116h a = (a는 연직원주구조물의 반경)

0232H a = 인 경우에 기존의 수리실험결과(Chakrabarti and Tam 1975) 및 수치해석결과(喜岡와 石田 1984 村

上 등 1993)와 본 연구의 수치해석결과를 비교ᆞ검토한다 Fig 38은 해석에 이용된 연직원주구조물의 제원을 나

타내며 무차원최대파력 2max ( 2)F ga Hr 에 대하여 기존의 수리실험 및 수치해석결과와 비교한 것을 Fig

39에 제시하였다 결과를 살펴보면 실험치가 주어져 있는 kagt07(k는 파수 k=2 L)의 범위에서는 본 연구의 수치

해석결과는 수리실험결과를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되며 실험치가 주어지지 않은 kalt05의 범위에서 村

上 등(1993)의 결과는 Stokes 2차파이론의 적용범위를 초과하므로 발산하고 있다 이는 kalt05의 범위는 DLlt02

인 항력이 지배적인 소형구조물의 영역으로 기존의 해석법으로 파력을 산정하는데는 과도한 계산시간으로 파

력산정에 다소 무리가 있으며 항력과 관성력을 동시에 고려할 수 있는 Navier-Stokes의 운동방정식에 근거한 본

연구의 수치해석결과가 타당한 것으로 판단된다

Fig 38 Definition sketch for comparison of wave force acting on the circular cylinder

x

y

zWave

h

a

18

Fig 39 Comparison of non-dimensional maximum wave force acting on the circular cylinder

이상의 3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 의한 파랑변형 및 구조물에 작용하

는 파력의 수치해석결과가 실험치를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되므로 본 연구의 타당성이 검증된다

0 05 1 15 2ka

0

1

2

3

4

5

6F m

axr

ga2 (

H2

)This studyExp(Chakrabarti amp Tam 1975)Cal(Shin 2008)Cal(Murakami et al 1993)Cal(Kioka and Ishida 1984)

19

4 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장

해석에 적용

41 개요

해역에 설치된 구조물은 파력 풍력 조류력 등의 외력을 지속적으로 받기 때문에 구조물의 경우 극한의 파

랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충분한 강도를 가지도록 설계할 필요가 있다 본 연구에서는 해역에서 쇄파

가 발생할 때 원주구조물에 작용하는 쇄파력과 파랑변형을 논의한다 쇄파에 대한 이론 및 실험적 연구는 오래

전부터 많은 연구자들에 의해서 수행되어 왔고 최근에는 과도수파생성법(조 등 2001)에 의한 쇄파현상의 재현

및 비선형파의 3차원수치해석법에 의한 연구가 수행되고 있다(신 2008) 본 논문에서는 3차원불규칙파수치파동

수조 3D-NIT model을 적용하여 쇄파가 발생할 경우에 쇄파가 구조물에 미치는 영향에 대하여 검토하고 이와

연계하여 구조물에 작용하는 쇄파력의 크기를 분석한다 그리고 쇄파전의 영역 쇄파영역 및 쇄파후의 영역에

각각 원주구조물이 설치된 경우에 작용파력과 파랑변형의 특성을 조사하여 3D-NIT model의 적용성을 검토한다

42 수치파동수조

Fig 41과 같은 수심 30h cm= 를 갖는 규칙파동장의 경사수심역에 설치된 원주구조물을 대상으로 파력을

산정하며 적용한 규칙파는 주기 14secT = 파고 23456H cm= 이다 Table 41은 본 연구에서 대상으로

하는 수치파동수조의 특성을 나타내며 여기서 D는 원주구조물의 직경을 d는 경사수심이 이후의 수심을 나타

내고 s는 경사수심 끝단부로부터의 이격거리이다

(a) front view

20

(b) top view Fig 41 Definition sketch of 3D numerical wave tank for analysis of wavebreaking force acting on circular cylinder

Table 41 Condition of numerical analysis for circular cylinder shape of structure slope T(s) H(cm) h(cm) D(cm) d(cm) s(cm)

circular

cylinder

case1 110 14 2 3 4

5 6 30 60 4 0

case2 110 14 4 30 60 4 0 20 40

60 80

43 주변파동장

Fig 42는 원주구조물이 경사수심 끝단부에 위치할 때 파고 23456H cm= 로 변환될 경우의 원주구조물

로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면분포 및 단면분포를 나타낸 것이다 여기

서 파고 23H cm= 인 경우에는 쇄파현상이 발생하지 않지만 4H cm= 인 경우에는 경사수심이 끝나는 지점

에서 쇄파가 발생된다 이것은 수심이 낮아지면서 천수효과로 인해 파고가 쇄파한계를 넘어 쇄파가 발생된 것

으로 판단된다 그리고 56H cm= 인 경우에는 파고가 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생되

는 현상이 나타났다 이는 파고가 높아짐으로 인하여 쇄파한계가 경사수심의 끝단부 이전에서 나타난 것으로

보여진다

Fig 43은 case1에서 쇄파력이 원주구조물에 가장 영향이 많이 미칠 것으로 판단되는 파고 4H cm= 의 경

우에 대하여 원주구조물이 경사수심 끝단부로부터 이격거리 020406080s cm= 로 변환될 경우에 원주구조

물로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면 및 단면적인 변화양상을 나타낸 것이다

여기서 이격거리가 멀어짐에 따라 쇄파후 파의 재생성 과정을 통하여 정상상태의 파랑으로 전이되며 구조물

의 위치에 따른 구조물 전면부에서 처오름이 쇄파대 부분에 구조물이 위치할 경우보다 이격거리가 멀어질수록

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

yx

Wave

DSlope=110

500cm

21

작아지는 것을 확인할 수 있다

(a) 2 14sec 0H cm T s cm= = =

22

(b) 3 14sec 0H cm T s cm= = =

23

(c) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

24

(d) 5 14sec 0H cm T s cm= = =

25

(e) 6 14sec 0H cm T s cm= = =

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height

26

(a) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

27

(b) 4 14sec 20H cm T s cm= = =

28

(c) 4 14sec 40H cm T s cm= = =

29

(d) 4 14sec 60H cm T s cm= = =

30

(e) 4 14sec 80H cm T s cm= = =

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder

31

44 파력

Fig 44는 Fig 41에서 정의된 경사수심의 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 지점에 있어서 파고

23456H cm= 로 변화시킨 경우에 파력의 변화를 나타낸 것이다 결과를 살펴보면 파고 234H cm= 까

지는 파력이 증가하지만 5cm 이상부터는 오히려 파력이 감소하는 것을 알 수 있다 이는 Fig 42의 주변파동장

에서 파고가 5cm 이상부터 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생하여 쇄파로 인한 파랑에너지가

많이 소산된 것으로 판단된다 이러한 결과로 파고가 더 커지더라도 쇄파가 발생하는 위치에 따라 낮은 파고에

서도 높은 파력이 작용할 수 있다는 것이 확인되었다 따라서 수심이 얕아지는 천해역에서 방파제나 기타 구조

물을 설계함에 있어 구조물 전면부에서 쇄파가 발생하지 않도록 주의를 기울일 필요가 있을 것으로 판단된다

Fig 45는 Fig 41 에서 정의된 경사수심 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 일 때 최대로 파력이 작용하는 파

고 4H cm= 에 대하여 구조물의 이격거리 020406080s cm= 로 변화시켜 구조물의 이격거리에 따른 쇄

파력의 크기를 검토한 결과이고 Fig 46은 Fig 45의 이격거리 04080s cm= 의 경우 파력의 시계열을 나타낸

것이다 결과를 살펴보면 구조물의 이격거리가 증가함에 따라 파력이 감소하는 것이 나타났다 하지만 이격거

리 20s cm= 이후에서는 파력의 감소가 줄어든다 이는 쇄파로 인해 어느 정도 에너지가 소산되고 난 이후에

파고가 정상상태에 전이된 결과에 기인하는 것으로 판단된다

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1

0 1 2 3 4 5 6 7 8time(sec)

-10

0

10

20

30

F(N

)

H=2cmH=3cmH=4cmH=5cmH=6cm

32

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2

45 3차원불규칙수치파동수조에 의한 고립파의 적용

본 절에서는 3D-NIT model의 고립파로 적용성에 대하여 검토한다 고립파와 구조물과의 상호간섭을

해석하기 위하여 Fig 41과 같은 3차원수치파동수조를 고려한다 해석영역내에서는 수치적으로 고립파

를 발생시키기 위한 조파소스(Brorsen amp Lasen 1987 김 등 2001)와 무반사조파시스템을 위한 에너지감쇠

영역이 고려되고 3차원파동장에서 고립파의 작용하에 작용파압을 검토하기 위하여 경사수심을 갖는 불

투과지반에 연직주상구조물이 설치된다 조파소스에서 조파강도는 다음의 식(41)로 주어진다

0 20 40 60 80s(cm)

4

8

12

16F(

N)

0 2 4 6 8time(sec)

-5

0

5

10

15

20

F(N

)

s=0cms=40cms=80cm

33

( ) = 2 (41)

여기서 는 발생파의 수평유속성분을 각각 나타내며 본 연구에서는 조파소스강도 로서 식(42)과

같이 Grimshaw(1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사이론에 의한 수평방향유속 를 적용한다(Fenton

1972)

= ℎ[ minus minus + ] (42)

여기서 및 는 다음과 같이 정의된다

= minus 14 + + 1 + ℎ 32 minus 94

= 1940 + 15 minus 65 + 1 + ℎ minus 32 minus 154 + 152

= 1 + ℎ minus 38 minus 4516 + 4516

그리고 는 물입자의 연직방향 평균위치를 나타내며 와 는 다음의 식과 같이 정의된다

= ℎ (43)

= sech (44)

여기서 ℎ는 수심 는 고립파의 입사파고를 나타내며 와 는 각각 다음의 식으로 주어진다

= 34 1 minus 58 + 71128 (45)

= minus ℎ (46)

34

여기서 는 고립파의 파속으로 고립파의 3차근사이론에 의하면 다음의 식과 같이 표현된다

= ℎ 1 + 12 minus 320 + 356 (47)

Ohyama amp Nadaoka(1991)는 수치파동수조내에서 구조물이 설치될 경우 조파소스의 위치에서 반사파

의 영향을 고려하여 조파소스지점에서 연직적분치가 반사파가 없는 경우와 분포형상이 상사되도록 다

음의 식을 고려하고 있다

= 2 + ℎ + ℎ (48)

여기서 와 는 각각 조파소스의 위치에서 수위변동과 조파소스에 의해 기대되는 수위변동이다

본 연구에서 는 다음의 식과 같은 고립파의 3차근사식을 적용하여 산정된다(Fenton 1972)

= ℎ 1 + + 58 minus 10180 (49)

여기서 는 다음의 식(410)과 같이 주어진다

= tanh minus ℎ (410)

이상의 관계식을 3D-NIT model에 적용하여 고립파를 수치조파한다 전술한 결과에서 최대파력이 작용하는

Fig 41에서 이격거리 0s cm= 인 경우에 고립파의 파고 23456iH cm= 일 때 주변파동장의 변화양상을

Fig 47(a)~(e)에 나타내었다 결과를 살펴보면 단주기규칙파에서의 결과와는 달리 파고의 증가에도 구조물 전면

부에서 쇄파가 발생하지 않았다 이는 상대적으로 긴 파장으로 인하여 Ursell수가 작아지기 때문으로 판단된다

그리고 구조물 전면부에서 고립파로 인한 급격한 처오름현상이 확인되고 연직주상구조물로 인한 회절현상을

약간 확인할 수 있지만 파장이 상대적으로 길기 때문에 회절파라미터가 작아져 결과적으로 단주기파랑보다 회

절현상이 작아진다

연직주상구조물의 전면부에 작용하는 파력분포를 Fig 48에 나타내었다 결과를 살펴보면 모두 정수면에서

최대파력이 작용하고 파고가 증가함에 따라 구조물에 작용하는 최대파력이 거의 선형적으로 증가하는 것을 알

수 있다 이는 기본적으로 규칙파와 달리 쇄파가 발생하지 않고 경사수심으로 인한 고립파의 파고변화가 크게

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 14: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

2

12 연구의 구성

본 연구는 총 7장으로 구성되며 각 장의 내용은 다음과 같다

1) 제 1장에서는 본 연구의 배경 및 목적에 대하여 서술하고 연구의 구성에 대하여 간단히 기술한다

2) 제 2장에서는 3D-VOF법에 기초하여 자유수면을 추적하고 월파현상 및 고파랑에 대한 파랑특성을 예측

할 수 있는 수치모델로 규칙파뿐만 아니라 불규칙파에 대한 검토도 가능한 3차원불규칙파수치파동수조 3D-

NIT(Three-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model에 대한 이론적인 배경에 대해 기술한다

3) 제 3장에서는 3D-NIT model의 불규칙파의 조파성능 경사수심을 갖는 불규칙파동장에서 호안 배후로 전

달되는 월파량을 산정하여 실험결과와 비교 ∙ 검토하고 3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선

형간섭에 따른 연직원주구조물의 주변에서 파랑변형 및 연직원주구조물에 작용하는 파력특성에 관한 기존의

실험결과와 본 수치해석결과를 비교 ∙ 검토하여 본 연구에서 사용된 수치파동수조의 조파시스템의 타당성을 논

의한다

4) 제 4장에서는 충분한 폭을 갖는 3차원규칙파동장의 경사수역에서 동일한 파랑조건하에 원주구조물의 위

치변화에 따른 주변파동장과 적용파력 그리고 동일한 위치에서 상이한 입사파랑조건하에 연직원주구조물에 작

용하는 쇄파파력을 포함한 파력과 주변파동장의 변화특성을 고찰함으로써 본 3D-NIT model의 적용성을 검토한

5) 제 5장에서는 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 대하여 본 3D-NIT model을 적용하여 주변파동

장의 변화와 3차원월파량을 추정하여 통한 본 연구에서 제안하고 있는 3D-NIT model의 적용성을 논의한다

6) 제 6장에서는 본 연구의 3D-NIT model을 OWC파력발전구조물에서 수위변동을 통한 공기흐름속도의 해

석에 적용하여 입사파의 spectrum 공기실내의 파랑 spectrum 및 공기흐름속도에 관한 spectrum을 산출하고 더불

어 그의 특성을 규명함으로써 본 3D-NIT model의 적용성과 확장성을 살펴본다

7) 제 7장에서는 이상으로부터 도출된 중요한 사항을 요약하여 본 논문의 결론으로 한다

8) 끝으로 본 연구에서 참고하고 인용한 주요한 문헌을 수록한다

3

2장 수치해석이론

21 개요

비압축성의 점성유체에 대한 복잡한 자유수면을 효과적으로 수치모의할 수 있는 VOF법이 제안된 이후 자

유수면을 취급하는 많은 학문분야에서 이를 활용한 연구가 활발하게 진행되고 있다 특히 VOF법은 쇄파과정

및 쇄파후의 파형변형특성을 수치적으로 재현할 수 있어 해안공학분야에서도 VOF법을 활용한 수치모델이 많

이 사용되고 있다 VOF법은 단지 자유수면을 모의하는 기법이므로 해안공학분야에 적용시 파랑의 전달과 반사

를 정확하게 모의할 수 있는 효과적인 무반사조건을 포함한 경계조건과 수치조파방법을 결부시켜야 한다 이러

한 수치조파를 수치파동수조로 불리고 VOF법을 활용한 수치파동수조의 연구개발이 활발하게 이루어지고 있다

(沿岸開發技術硏究セソタ 2001 Van der Meer et al 1992 Troch P 1997 Hur and Mizutani 2003 Hur 2004 김 등 2001

2004 허 등 2005)

본 연구에서 적용하는 3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT (Three-Dimensional Numerical Irregular wave Tank)

model의 수치파동수조는 Fig 21(그림에서 0L 는 목표파의 파장 aL 는 부가감쇠영역의 길이 x y zD D D 는 수평

및 연직방향의 격자간격)에 보인 바와 같이 수치파동수조내에서 파의 재반사를 방지하기 위한 개경계처리기법

으로 해석영역의 양쪽에 부가감쇠영역을 두고 해석영역내에 조파를 위한 조파소스를 적용하고 있다

xD

yDz

D

Fig 21 Schematic sketch of the numerical wave tank used in 3D-NIT

4

22 3차원수치파동수조의 기초방정식

본 연구의 3D-NIT model은 기존의 2D-NIT(Two-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model의 계산수법을

3차원으로 확장한 것이며 자유표면해석모델에 VOF법을 난류해석에는 k e- 모델을 각각 적용하였고 기초방

정식은 3차원비압축성의 점성유체를 대상으로 한 연속식 및 Navier-Stokes방정식을 PBM (Porous Body Model)에

근거하여 확장한 다음의 식(21)~(24)로 주어진다

yx z

v

vu w Sx y z r

gg g gparapara para

+ + =para para para

(21)

2yx vz

v x e

y e z e v x x v u

vuuu wuu p ut x y z x x x

u v u w D u R Sy y x z z x

ll gll g nr

g n g n g g

parapara para igrave uumlpara para para paraaelig ouml+ + + = - + iacute yacuteccedil dividepara para para para para para paraegrave oslashicirc thornigrave uumlaelig ouml igrave uumlpara para para para para paraiuml iuml aelig ouml+ + + + - - +iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslashiuml iuml icirc thornegrave oslashicirc thorn

(22)

2

yx vzv x e

x e z e v y y v v

vvuv wvv p v ut x y z y x x y

v v w D v R Sy y z z y

ll gll g nr

g n g n g g

para igrave uumlaelig oumlpara parapara para para para paraiuml iuml+ + + = - + +iacute yacuteccedil dividepara para para para para para para paraiuml iumlegrave oslashicirc thornigrave uuml igrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para paraiuml iuml iuml iuml+ + + - - +iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para paraiuml iuml iuml iumlegrave oslash egrave oslashicirc thorn icirc thorn

(23)

2

yx vzv x e

y e z e v z z v w v

vwuw www p w ut x y z z x x z

w v w D w R S gy y z z z

ll gll g nr

g n g n g g g

parapara para igrave uumlpara para para para paraaelig ouml+ + + = - + +iacute yacuteccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslashicirc thornigrave uumlaelig ouml igrave uumlpara para para para paraiuml iuml aelig ouml+ + + - - + -iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para paraegrave oslashiuml iuml icirc thornegrave oslashicirc thorn

(24)

여기서 t 는 시간 x y 는 수평방향좌표 z 는 연직방향좌표 u v w는 x y z 방향의 유속성분 r 는 유체

밀도 p 는 압력 en 는 분자동점성계수 n 와 와점성계수 tn 의 합 g 는 중력가속도 vg 는 체적공극율

x y zg g g 는 x y z 방향의 면적공극율 x y zD D D 는 경계에서 반사파의 제어를 위해 설치한 스폰지층에서의

에너지감쇠계수 u v wS S S Sr 는 해석영역내의 조파를 위한 소스항 v x y zl l l l 는 구조물로부터 받는 관성

력효과를 나타낸 파라미터이고 식(25)와 같이 표현된다

5

(1 )(1 )(1 )

(1 )

v v v M

x x x M

y y y M

z z z M

CCCC

l g gl g gg g g

g g g

= + -

= + -

= + -

= + -

(25)

여기서 MC 은 관성력계수 x y zR R R 는 투과층(porous media)에서의 저항력이고 식(26)과 같이 주어진다

2 2 2

2 2 2

2 2 2

1 (1 )21 (1 )21 (1 )2

Dx x

Dy y

Dz z

CR u u v wx

CR v u v wy

CR w u v wz

g

g

g

= - + +D

= - + +D

= - + +D

(26)

여기서 DC 는 항력계수 x y zD D D 는 x y z 방향의 격자간격이다

본 연구에서는 이상의 이론에 근거한 3D-NIT model을 사용하여 규칙파 및 불규칙파의 해석을 수행한다 규

칙파 및 불규칙파의 해석에서 대상구조물이 불투과성인 경우에는 기초방정식에서 체적공극율 면적공극율 및

투과층내의 저항력을 무시하면 된다 그리고 계산에서는 양측면과 바닥에는 불투과경계조건을 적용하였다

23 난류모델

난류모델에는 실용성이 높고 여러 분야에서 사용되고 있는 고 Reynolds형의 k e- 모델을 채용하였다

k e- 모델에서는 유속의 변동량 u v w 을 사용하여 난류에너지 k 와 난류에너지일산함수 e 을 다음과 같

이 정의한다

2 2 21 ( )2

k u v w= + + (27)

2 22 2 2 2 2u v w w v uvx y z x y z

eigrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para para paraiuml iumlaelig ouml aelig ouml= + + + + +iacute yacuteccedil divide ccedil divideccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslash egrave oslashegrave oslash egrave oslashiuml iumlicirc thorn

(28)

따라서 k 와 e 은 이하에 나타내는 이류확산방정식을 풀어서 산정할 수 있다

6

yx z

v x k y k

z k v s v

vkuk wkk k kv vt x y z x x y y

kv Gz z

gg gg g g

g g g e

para igrave uumlaelig oumlpara para igrave uumlpara para para para paraiuml iumlaelig ouml+ + + = +iacute yacute iacute yacuteccedil divideccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslash iuml iumlicirc thorn egrave oslashicirc thornigrave uumlpara paraaelig ouml+ + -iacute yacuteccedil dividepara paraegrave oslashicirc thorn

(29)

2

1 2

yx zv x y

z v s v

vu w v vt x y z x x y y

v C G Cz z k k

e e

e

g eg e g ee e eg g g

e e eg g g

para igrave uumlaelig oumlpara para igrave uumlpara para para para paraiuml iumlaelig ouml+ + + = +iacute yacute iacute yacuteccedil divideccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslash iuml iumlicirc thorn egrave oslashicirc thornigrave uumlpara paraaelig ouml+ + -iacute yacuteccedil dividepara paraegrave oslashicirc thorn

(210)

2 22 2

2 2 2s tu v w w v uG vx y z x y z

igrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para para paraiuml iumlaelig ouml aelig ouml= + + + + +iacute yacuteccedil divide ccedil divideccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslash egrave oslashegrave oslash egrave oslashiuml iumlicirc thorn (211)

여기서 와동점성계수 및 확산계수는 다음과 같이 주어진다

2

t

C kv m

e= (212)

tk

k

vv vs

= + (213)

tvv vees

= + (214)

또한 위의 식에서 나타나는 1 2 kC C Cm es s 는 경험정수로 보통 009 100 130kCm es s= = =

1 2144 192C C= = 가 사용된다 그리고 k e- 모델에서 구한 난류효과는 Navier-Stokes방정식에서 동점성계

수 및 압력을 각각 다음의 식과 같이 취급함으로써 유속 및 압력에 반영된다

e tv v v= + (215)

23

p p kr= + (216)

7

24 이류방정식

3D-NIT model은 수면을 추적하기 위해 VOF법을 이용하고 있다 VOF함수 F는 일정 물리량인 유체의 체적율

로서 0leFle1의 범위를 가진다 여기서 F=1일 경우는 유체셀로 F=0일 경우는 기체셀로 0ltFlt1일 경우는 표면셀

로 각각 판단하여 자유수면을 추적하게 되며 다음의 이류방정식(217)에 의해 VOF함수가 이류된다

( )( ) ( )( ) yx zvFuF wFF Fqt x y z

ee ee parapara parapara+ + + =

para para para para (217)

25 격자설정 방법

3D-NIT model은 기초방정식을 유한차분법으로 차분근사하여 수치계산을 수행한다 그리고 계산영역을 크기

가 일정한 직사각형의 격자로 분할하고 셀 전체에 유체가 있는 경우를 유체셀 셀 전체에 기체가 있는 경우를

기체셀 셀내에 유체와 기체가 혼합되어 있는 경우를 표면셀 셀 전체에 구조물이 있는 경우를 구조물셀로 각각

정의한다 또한 셀 주위에는 직접 계산에 이용되지는 않지만 경계처리시에 필요한 가상셀을 둔다 격자를 설정

한 후에는 각 셀에서의 유속 u v w를 각각 셀 경계인 오른쪽과 위쪽에 위치시키고 압력 p 조파소스의 유량

밀도 q 및 VOF함수 F 를 각각 셀 중심에 위치하도록 하여 변수들을 엇갈리게 격자를 구성하는 엇갈린 격자

(staggerd mesh)를 적용한다

26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파

3D-NIT model은 규칙파뿐만 아니라 불규칙파에 대해서도 계산이 가능한 수치모델로 3D-NIT model을 이용하

여 불규칙파를 검토하는 경우에 조파지점에서의 수위변동 및 물입자속도(수평 및 연직유속)을 사용자가 독자적

으로 입력데이터로 작성할 필요가 있다 일반적으로 불규칙파랑은 선형이론으로부터 얻어진 규칙파의 중첩으로

조파되지만 해석시간이 증가됨에 따라 평균수위가 상승하는 문제가 발생하여 계산이 불가능하게 된다 따라서

불규칙파랑의 조파와 같은 장시간의 해석시간이 요구되는 경우에 평균수위의 상승으로 인하여 요구되는 100파

정도의 파수를 얻기까지는 무리가 있을 수 있고 결과가 얻어졌다고 하여도 신뢰성에 문제가 있다

본 연구에서는 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우에 문제로 지적되는 평균수위상승을 억

제하면서 안정적으로 불규칙파가 조파될 수 있는 시스템을 기술(Fujiwara 2005)한다 그리고 불규칙파의 파운동

을 디지털방식으로 작성하는 Goda방법에 따른 불규칙파의 조파방법도 간략히 기술한다 불규칙파의 조파방법

은 선형이론으로부터 얻어진 성분파의 주파수에 하나씩 순번을 붙여서 이를 무한급수의 합으로 고려하는 것이

다 조파지점에 있어서는 수면파형 η 수평 및 연직유속 (uw)의 시간적인 변동이 필요하게 되며 이들은 각각 식

8

(218)sim(220)로 주어진다

1( ) cos(2 )

M

m m mm

t a f th p e=

= -aring (218)

1

cosh ( )( ) 2 cos(2 )sinh

Mm

m m m mm m

k h zu z t f a f tk h

p p e=

+= -aring (219)

1

sinh ( )( ) 2 sin(2 )sinh

Mm

m m m mm m

k h zw z t f a f tk h

p p e=

+= -aring (220)

여기서 me 은 random한 위상각 mf 은 주파수 ma 은 진폭 mk 은 파수 M은 성분파의 수 h는 수심이다 단

연직좌표 z 는 정수면에서 상방향을 (+)로 취하고 me 및 mf 의 선택방법은 후술되며 진폭 ma 은 다음의 식

(221)로 정의된다

2 ( )ma S f f= D (221)

여기서 fD 는 주파수폭 ( )S f 는 파랑에너지밀도이며 불규칙파의 스펙트럼은 불규칙파를 모의하는 데에

널리 사용되고 있는 식(222)의 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970) 스펙트럼을 적용하였다

2 4 5 413 13 13( ) 0257 exp 103( )S f H T f T F- - -eacute ugrave= -euml ucirc (222)

여기서 13H 은 유의파고 13T 은 유의파주기를 각각 나타낸다 일반적으로 수치해석을 통해 불규칙파를 검

토하는 경우 해석시간이 증가됨에 따라 평균수위가 상승하는 문제가 있다(CDIT 2001) 본 연구에서는 평균수위

상승을 억제하는 방법으로 조파지점에서 수평유속을 산출할 때 각 성분파에 대응하는 Stokes파의 질량수송속도

(mass transport velocity)를 빼주는 방법을 적용한다(Fujiwara 2005) 즉 식(219)에서 질량수송속도를 뺀 수평유속은

식(223)과 같이 표현된다

1

cosh ( )( ) 2 cos(2 )sinh

Mm

mm m m mm m

k h zu z t f a f t Uk h

p p e=

igrave uuml+= - -iacute yacute

icirc thornaring (223)

여기서 Stokes파의 질량수송속도 mU 은 성분파를 나타내는 m 을 제외하여 나타내면 다음의 식(224)와 같이

9

주어진다

2

cosh 4 ( ) 12 sinh (2 )

mm m mm

m m m

H H h z LUT L h L

p p pp+

= (224)

여기서 mz 은 물입자의 평균위치를 나타낸다

27 난수의 발생방법

난수(random numbers)는 random한 현상을 다루는 수치해석에서 많이 사용되는 매우 중요한 부분이다 난수를

발생시키는 방법에는 물리적인 방법과 수식을 이용한 방법이 있으며 물리적인 방법으로 난수를 발생시킬 경우

에는 많은 시간이 소요되며 컴퓨터를 이용한 모의실험에는 사용할 수 없다는 단점이 있다 따라서 수치해석에

사용되는 난수는 수식을 이용하여 발생되며 이러한 방법을 이용한 대표적인 난수발생방법으로 중양제곱법

(mid-squar method) 합동법(congruential method) 그리고 시프트법(shift method) 등이 있다(조 등 1992)

본 연구에서는 합동법에 기초하여 난수를 발생시켰고 난수발생은 IMSL(International Mathematical and Statistical

Library)의 난수발생기(random number generator)를 이용하였으며 그 알고리즘음 다음과 같다(Compaq computer

corporation 2001)

먼저 임의정수 1X 은 seed number이며 mod( )Y b 는 Y 를 b 로 나눈 나머지를 나타낸다 이러한 계산이 임

의주기 동안 진행되면서 1X 은 2X 로 변환되고 연속된 정수 iX 를 산출하는 과정을 반복한다 0과 1사이에 할

당된 난수는 식(225)에 의해 얻어질 수 있으며 상수는 식(226)에 나타낸 특수한 값으로 주어진다

12i iR X q i= = (225)

36 357909 2 2 1a b q= = = - (226)

이러한 과정에서 임의정수 iX 가 352 을 초과할 경우 iX 는 정수 35(2 1)- 로 변환된 후 계산이 수행되며

식(225)로부터 구한 난수는 [01] 사이에 분포한다

이로부터 불규칙파의 각 성분파간의 위상각 me 은 Fig 22에 나타낸 바와 같이 [01] 사이에 분포하는 난수를

발생시킨 후 위상을 조정하기 위해 2p 를 곱하여 [02 ]p 사이에 분포하는 값을 취하는 것으로 하였다

28 주파수의 선택방법

불규칙파를 모의하기 위한 주파수 mf

의 성분파의 진폭이 거의 같도록

Mitsuyasu(Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼에

다음의 식(227)을 이용하여 주파수 mf

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - =

10

주파수 mf 의 선택방법에는 주파수스펙트럼을 등구간으로

하는 등에너지로 분할하는 방법 등이 있다 본 연구에서는

스펙트럼에 대해 등에너지로 스펙트럼을 분할할 수 있는 Goda(1985)

mf 을 선택하였다

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - =

Fig 22 Random phase angle

mf 등구간으로 분할하는 방법과 각각

연구에서는 Bretshneider-

Goda(1985)에 의해 제안된

mf

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - = (227)

11

3장 수치해석의 검증

31 개요

일본의 연안개발기술센터(沿岸開發技術硏究セソタ 2001)에서 개발한 수치파동수조 CADMAS-SURF와 같은

2차원규칙파에 대한 연구는 많이 수행되고 있지만 2차원불규칙파와 3차원불규칙파에 대한 연구는 찾아보기가

어렵다

최근 개발되고 있는 방파제 및 호안의 경우 구조물의 형상이 복잡한 특수방파제가 많이 적용되고 있다 하지

만 이러한 방파제를 2차원으로 적용 ∙ 계산하기에는 반사율 파압분포 및 월파량의 추정치가 실제의 3차원의 경

우와는 상이한 결과가 발생할 것으로 판단된다 따라서 본 연구에서는 3차원수치파동수조인 3D-NIT model의 조

파성능에 대해 먼저 검토한다 그리고 3D-NIT model을 이용하여 규칙파 및 불규칙파를 조파하고 眞田(1998)의

수리실험과 비교 ∙ 검토함으로써 결과의 타당성을 논의한다 또한 불규칙파동장에 경사수심역에 설치된 호안을

대상으로 호안 배후로 전달되는 월파량을 산정하고 이의 결과를 실험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를

검토하고 더불어 파력의 실험치( Chakrabarti 1975)와 비교 ∙ 검토함으로써 결과의 타당성을 논의한다

32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증

불규칙파의 조파성능을 검증하기 위하여 Fig 31과 같은 구조물이 설치되지 않은 수심 219h m= 의 3차원

수치파동수조(부가감쇠영역과 해석영역으로 구성되었으며 격자크기는 1 05 05x m y m z mD = D = D = 로 설

정)에서 유의파고 13 7H m= 유의주기 13 1225secT = 를 목표로 성분파 200개를 선형중첩하여 불규칙파를

조파하였다 그리고 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을 방지하기

위하여 설치된 부가감쇠영역의 길이 aL 는 목표파 파장 0L 의 2배 이상으로 하였다 Fig 32는 조파지점에서의

계산파형을 목표한 파형과 비교한 그림으로 장시간의 해석에도 평균수위상승은 크게 나타나지 않으며 목표한

파형과 비교하여 전체적으로 파형과 위상이 잘 일치하고 있음을 확인할 수 있다

12

Fig 31 Schematic sketch of numerical wave tank

Fig 32 Comparison of target and calculated wave profiles at wave source position

3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 따른 연직원주구조물주변의 파랑변형에 대

하여 해석해 및 2차오더의 회절산란포텐셜을 유도한 眞田(1998)의 수치해석결과 및 수리실험결과와 본 수치해

석결과를 비교ᆞ검토한다

Fig 33은 비교에 적용된 3차원수치파동수조 및 연직원주구조물의 제원을 나타내며 이때 수치파동수조의 수

심은 45h cm= 로 일정하며 입사파고 3H cm= 입사주기 01sect = 의 규칙파에 대하여 수치계산을 수행하

였다 그리고 수치계산에서는 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을

방지하기 위하여 부가감쇠영역을 설치하며(Hinatsu 1992) 부가감쇠영역의 길이는 입사파장 L 의 2배 이상으로

하였다

x축을 따른 y=0 y=25cm의 위치 및 연직원주구조물의 주위에서 무차원최대수면상승고 max2h ( maxh 는 최대수

위값)의 공간분포에 대하여 眞田(1998)의 수치해석해석결과 및 수리실험결과와 비교한 본 계산결과를 Fig 34에

각각 제시하였고 다음의 결과를 살펴보면 원주 전면의 표면에서 가장 큰 무차원최대수면상승고가 나타났고 이

는 원주구조물의 전면에서 구조물에 의해 반사되는 회절산란파와 입사파의 중첩으로 부분중복파가 형성된것으

로 판단된다 그리고 Fig 34 (a)와 (b)에서 본 연구의 수치해석결과가 眞田(1998)의 수리실험치를 전체적으로 잘

재현하고 있으며 그 정도는 매우 높은 것으로 판단된다

()

mh

13

(a) Plan view

(b) Side view

Fig 33 Definition sketch of 3D numerical wave tank for comparison of wave transformation

(a) y=0cm

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zoneWave source

Wave

x

y

O

Open boundary Open boundary

Wave

Calculation zone

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

Wave source

2L 2L

z

O

45

33

50 30

x

Unitcm

14

(b) y=25cm

Fig 34 Comparison of spatial distribution of non-dimensional maximum water levels

33 월파량의 검토

본 절에서는 앞서 검토한 결과를 바탕으로 호안 배후로 전달되는 파랑의 월파량을 산정하고 이의 결과를 실

험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를 검토한다

Fig 35는 본 연구에서 월파량 산정을 위하여 고려된 수치파동수조고 Fig 36은 Fig 35의 수치파동수조에서

호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화를 파라미터로하여 산정된 호안월파량을 Goda(1985)의 실험치와 비교한

결과이다 이 때 적용한 파 조건은 주기 0 1383secT = 파고

0 4H m= 를 목표로 설정하였다 그리고 월파량

산정에 이용한 불규칙파는 파가 안정적으로 판단되는 조파개시후 50sec에서부터 600sec 사이의 파이며 월파량

은 호안의 천단상부에 설치된 수평유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 시간평균하여 산정하였다(Goda

1985)

Fig 36의 결과를 살펴보면 호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화에 따른 월파량의 변화특성을 살펴보면 본

연구의 계산치는 실험치를 잘 재현하고 있을 뿐 아니라 산정된 월파량의 정도는 실험치와 비교하여 상당히 높

은 것으로 판단된다

Fig 35 Numerical setup for wave overtopping over vertical seawall on a sea bottom slope of 110

15

Fig 36 Comparison between experimental and numerical results for wave overtopping rate over vertical seawall on a sea bottom

slope of 110 ( 0 0 0017H L = )

34 월파현상의 재현

Fig 37은 Fig 36의 0 0 075 15ch H h H= = 의 경우에 대한 월파에 따른 주변파동장의 변화를 나타낸

일례이다 그림을 살펴보면 본 연구의 수치파동수조는 기대하는 불규칙파동장을 잘 재현하는 것으로 판단된다

그리고 경사수심역상에는 수심변동으로 인한 천수변형을 확인할 수 있으며 호안의 천단상에서는 호안월파로

인하여 배후면으로 낙하되는 빠른 유속이 관찰된다 따라서 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장의 재현

및 수심변동에 따른 천수변형 호안월파로 인한 배후면의 파동장교란 등에 대해 고정도의 결과도 기대할 수 있

고 따라서 향후 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장하에 복잡한 형태를 가진 특수방파제 등에 의한 주변

파동장의 3차원적인 응답해석 및 월파현상을 확인하는데도 충분히 이용 가능할 것으로 판단된다

16

Fig 37 Spatial variation of irregular waves on a sea bottom slpoe of 110 ( 0 0 075 15ch H h H= = )

17

35 파력의 검증

다음으로 연직원주구조물에 작용하는 파력특성에 대하여 116h a = (a는 연직원주구조물의 반경)

0232H a = 인 경우에 기존의 수리실험결과(Chakrabarti and Tam 1975) 및 수치해석결과(喜岡와 石田 1984 村

上 등 1993)와 본 연구의 수치해석결과를 비교ᆞ검토한다 Fig 38은 해석에 이용된 연직원주구조물의 제원을 나

타내며 무차원최대파력 2max ( 2)F ga Hr 에 대하여 기존의 수리실험 및 수치해석결과와 비교한 것을 Fig

39에 제시하였다 결과를 살펴보면 실험치가 주어져 있는 kagt07(k는 파수 k=2 L)의 범위에서는 본 연구의 수치

해석결과는 수리실험결과를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되며 실험치가 주어지지 않은 kalt05의 범위에서 村

上 등(1993)의 결과는 Stokes 2차파이론의 적용범위를 초과하므로 발산하고 있다 이는 kalt05의 범위는 DLlt02

인 항력이 지배적인 소형구조물의 영역으로 기존의 해석법으로 파력을 산정하는데는 과도한 계산시간으로 파

력산정에 다소 무리가 있으며 항력과 관성력을 동시에 고려할 수 있는 Navier-Stokes의 운동방정식에 근거한 본

연구의 수치해석결과가 타당한 것으로 판단된다

Fig 38 Definition sketch for comparison of wave force acting on the circular cylinder

x

y

zWave

h

a

18

Fig 39 Comparison of non-dimensional maximum wave force acting on the circular cylinder

이상의 3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 의한 파랑변형 및 구조물에 작용하

는 파력의 수치해석결과가 실험치를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되므로 본 연구의 타당성이 검증된다

0 05 1 15 2ka

0

1

2

3

4

5

6F m

axr

ga2 (

H2

)This studyExp(Chakrabarti amp Tam 1975)Cal(Shin 2008)Cal(Murakami et al 1993)Cal(Kioka and Ishida 1984)

19

4 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장

해석에 적용

41 개요

해역에 설치된 구조물은 파력 풍력 조류력 등의 외력을 지속적으로 받기 때문에 구조물의 경우 극한의 파

랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충분한 강도를 가지도록 설계할 필요가 있다 본 연구에서는 해역에서 쇄파

가 발생할 때 원주구조물에 작용하는 쇄파력과 파랑변형을 논의한다 쇄파에 대한 이론 및 실험적 연구는 오래

전부터 많은 연구자들에 의해서 수행되어 왔고 최근에는 과도수파생성법(조 등 2001)에 의한 쇄파현상의 재현

및 비선형파의 3차원수치해석법에 의한 연구가 수행되고 있다(신 2008) 본 논문에서는 3차원불규칙파수치파동

수조 3D-NIT model을 적용하여 쇄파가 발생할 경우에 쇄파가 구조물에 미치는 영향에 대하여 검토하고 이와

연계하여 구조물에 작용하는 쇄파력의 크기를 분석한다 그리고 쇄파전의 영역 쇄파영역 및 쇄파후의 영역에

각각 원주구조물이 설치된 경우에 작용파력과 파랑변형의 특성을 조사하여 3D-NIT model의 적용성을 검토한다

42 수치파동수조

Fig 41과 같은 수심 30h cm= 를 갖는 규칙파동장의 경사수심역에 설치된 원주구조물을 대상으로 파력을

산정하며 적용한 규칙파는 주기 14secT = 파고 23456H cm= 이다 Table 41은 본 연구에서 대상으로

하는 수치파동수조의 특성을 나타내며 여기서 D는 원주구조물의 직경을 d는 경사수심이 이후의 수심을 나타

내고 s는 경사수심 끝단부로부터의 이격거리이다

(a) front view

20

(b) top view Fig 41 Definition sketch of 3D numerical wave tank for analysis of wavebreaking force acting on circular cylinder

Table 41 Condition of numerical analysis for circular cylinder shape of structure slope T(s) H(cm) h(cm) D(cm) d(cm) s(cm)

circular

cylinder

case1 110 14 2 3 4

5 6 30 60 4 0

case2 110 14 4 30 60 4 0 20 40

60 80

43 주변파동장

Fig 42는 원주구조물이 경사수심 끝단부에 위치할 때 파고 23456H cm= 로 변환될 경우의 원주구조물

로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면분포 및 단면분포를 나타낸 것이다 여기

서 파고 23H cm= 인 경우에는 쇄파현상이 발생하지 않지만 4H cm= 인 경우에는 경사수심이 끝나는 지점

에서 쇄파가 발생된다 이것은 수심이 낮아지면서 천수효과로 인해 파고가 쇄파한계를 넘어 쇄파가 발생된 것

으로 판단된다 그리고 56H cm= 인 경우에는 파고가 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생되

는 현상이 나타났다 이는 파고가 높아짐으로 인하여 쇄파한계가 경사수심의 끝단부 이전에서 나타난 것으로

보여진다

Fig 43은 case1에서 쇄파력이 원주구조물에 가장 영향이 많이 미칠 것으로 판단되는 파고 4H cm= 의 경

우에 대하여 원주구조물이 경사수심 끝단부로부터 이격거리 020406080s cm= 로 변환될 경우에 원주구조

물로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면 및 단면적인 변화양상을 나타낸 것이다

여기서 이격거리가 멀어짐에 따라 쇄파후 파의 재생성 과정을 통하여 정상상태의 파랑으로 전이되며 구조물

의 위치에 따른 구조물 전면부에서 처오름이 쇄파대 부분에 구조물이 위치할 경우보다 이격거리가 멀어질수록

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

yx

Wave

DSlope=110

500cm

21

작아지는 것을 확인할 수 있다

(a) 2 14sec 0H cm T s cm= = =

22

(b) 3 14sec 0H cm T s cm= = =

23

(c) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

24

(d) 5 14sec 0H cm T s cm= = =

25

(e) 6 14sec 0H cm T s cm= = =

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height

26

(a) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

27

(b) 4 14sec 20H cm T s cm= = =

28

(c) 4 14sec 40H cm T s cm= = =

29

(d) 4 14sec 60H cm T s cm= = =

30

(e) 4 14sec 80H cm T s cm= = =

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder

31

44 파력

Fig 44는 Fig 41에서 정의된 경사수심의 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 지점에 있어서 파고

23456H cm= 로 변화시킨 경우에 파력의 변화를 나타낸 것이다 결과를 살펴보면 파고 234H cm= 까

지는 파력이 증가하지만 5cm 이상부터는 오히려 파력이 감소하는 것을 알 수 있다 이는 Fig 42의 주변파동장

에서 파고가 5cm 이상부터 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생하여 쇄파로 인한 파랑에너지가

많이 소산된 것으로 판단된다 이러한 결과로 파고가 더 커지더라도 쇄파가 발생하는 위치에 따라 낮은 파고에

서도 높은 파력이 작용할 수 있다는 것이 확인되었다 따라서 수심이 얕아지는 천해역에서 방파제나 기타 구조

물을 설계함에 있어 구조물 전면부에서 쇄파가 발생하지 않도록 주의를 기울일 필요가 있을 것으로 판단된다

Fig 45는 Fig 41 에서 정의된 경사수심 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 일 때 최대로 파력이 작용하는 파

고 4H cm= 에 대하여 구조물의 이격거리 020406080s cm= 로 변화시켜 구조물의 이격거리에 따른 쇄

파력의 크기를 검토한 결과이고 Fig 46은 Fig 45의 이격거리 04080s cm= 의 경우 파력의 시계열을 나타낸

것이다 결과를 살펴보면 구조물의 이격거리가 증가함에 따라 파력이 감소하는 것이 나타났다 하지만 이격거

리 20s cm= 이후에서는 파력의 감소가 줄어든다 이는 쇄파로 인해 어느 정도 에너지가 소산되고 난 이후에

파고가 정상상태에 전이된 결과에 기인하는 것으로 판단된다

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1

0 1 2 3 4 5 6 7 8time(sec)

-10

0

10

20

30

F(N

)

H=2cmH=3cmH=4cmH=5cmH=6cm

32

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2

45 3차원불규칙수치파동수조에 의한 고립파의 적용

본 절에서는 3D-NIT model의 고립파로 적용성에 대하여 검토한다 고립파와 구조물과의 상호간섭을

해석하기 위하여 Fig 41과 같은 3차원수치파동수조를 고려한다 해석영역내에서는 수치적으로 고립파

를 발생시키기 위한 조파소스(Brorsen amp Lasen 1987 김 등 2001)와 무반사조파시스템을 위한 에너지감쇠

영역이 고려되고 3차원파동장에서 고립파의 작용하에 작용파압을 검토하기 위하여 경사수심을 갖는 불

투과지반에 연직주상구조물이 설치된다 조파소스에서 조파강도는 다음의 식(41)로 주어진다

0 20 40 60 80s(cm)

4

8

12

16F(

N)

0 2 4 6 8time(sec)

-5

0

5

10

15

20

F(N

)

s=0cms=40cms=80cm

33

( ) = 2 (41)

여기서 는 발생파의 수평유속성분을 각각 나타내며 본 연구에서는 조파소스강도 로서 식(42)과

같이 Grimshaw(1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사이론에 의한 수평방향유속 를 적용한다(Fenton

1972)

= ℎ[ minus minus + ] (42)

여기서 및 는 다음과 같이 정의된다

= minus 14 + + 1 + ℎ 32 minus 94

= 1940 + 15 minus 65 + 1 + ℎ minus 32 minus 154 + 152

= 1 + ℎ minus 38 minus 4516 + 4516

그리고 는 물입자의 연직방향 평균위치를 나타내며 와 는 다음의 식과 같이 정의된다

= ℎ (43)

= sech (44)

여기서 ℎ는 수심 는 고립파의 입사파고를 나타내며 와 는 각각 다음의 식으로 주어진다

= 34 1 minus 58 + 71128 (45)

= minus ℎ (46)

34

여기서 는 고립파의 파속으로 고립파의 3차근사이론에 의하면 다음의 식과 같이 표현된다

= ℎ 1 + 12 minus 320 + 356 (47)

Ohyama amp Nadaoka(1991)는 수치파동수조내에서 구조물이 설치될 경우 조파소스의 위치에서 반사파

의 영향을 고려하여 조파소스지점에서 연직적분치가 반사파가 없는 경우와 분포형상이 상사되도록 다

음의 식을 고려하고 있다

= 2 + ℎ + ℎ (48)

여기서 와 는 각각 조파소스의 위치에서 수위변동과 조파소스에 의해 기대되는 수위변동이다

본 연구에서 는 다음의 식과 같은 고립파의 3차근사식을 적용하여 산정된다(Fenton 1972)

= ℎ 1 + + 58 minus 10180 (49)

여기서 는 다음의 식(410)과 같이 주어진다

= tanh minus ℎ (410)

이상의 관계식을 3D-NIT model에 적용하여 고립파를 수치조파한다 전술한 결과에서 최대파력이 작용하는

Fig 41에서 이격거리 0s cm= 인 경우에 고립파의 파고 23456iH cm= 일 때 주변파동장의 변화양상을

Fig 47(a)~(e)에 나타내었다 결과를 살펴보면 단주기규칙파에서의 결과와는 달리 파고의 증가에도 구조물 전면

부에서 쇄파가 발생하지 않았다 이는 상대적으로 긴 파장으로 인하여 Ursell수가 작아지기 때문으로 판단된다

그리고 구조물 전면부에서 고립파로 인한 급격한 처오름현상이 확인되고 연직주상구조물로 인한 회절현상을

약간 확인할 수 있지만 파장이 상대적으로 길기 때문에 회절파라미터가 작아져 결과적으로 단주기파랑보다 회

절현상이 작아진다

연직주상구조물의 전면부에 작용하는 파력분포를 Fig 48에 나타내었다 결과를 살펴보면 모두 정수면에서

최대파력이 작용하고 파고가 증가함에 따라 구조물에 작용하는 최대파력이 거의 선형적으로 증가하는 것을 알

수 있다 이는 기본적으로 규칙파와 달리 쇄파가 발생하지 않고 경사수심으로 인한 고립파의 파고변화가 크게

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 15: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

3

2장 수치해석이론

21 개요

비압축성의 점성유체에 대한 복잡한 자유수면을 효과적으로 수치모의할 수 있는 VOF법이 제안된 이후 자

유수면을 취급하는 많은 학문분야에서 이를 활용한 연구가 활발하게 진행되고 있다 특히 VOF법은 쇄파과정

및 쇄파후의 파형변형특성을 수치적으로 재현할 수 있어 해안공학분야에서도 VOF법을 활용한 수치모델이 많

이 사용되고 있다 VOF법은 단지 자유수면을 모의하는 기법이므로 해안공학분야에 적용시 파랑의 전달과 반사

를 정확하게 모의할 수 있는 효과적인 무반사조건을 포함한 경계조건과 수치조파방법을 결부시켜야 한다 이러

한 수치조파를 수치파동수조로 불리고 VOF법을 활용한 수치파동수조의 연구개발이 활발하게 이루어지고 있다

(沿岸開發技術硏究セソタ 2001 Van der Meer et al 1992 Troch P 1997 Hur and Mizutani 2003 Hur 2004 김 등 2001

2004 허 등 2005)

본 연구에서 적용하는 3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT (Three-Dimensional Numerical Irregular wave Tank)

model의 수치파동수조는 Fig 21(그림에서 0L 는 목표파의 파장 aL 는 부가감쇠영역의 길이 x y zD D D 는 수평

및 연직방향의 격자간격)에 보인 바와 같이 수치파동수조내에서 파의 재반사를 방지하기 위한 개경계처리기법

으로 해석영역의 양쪽에 부가감쇠영역을 두고 해석영역내에 조파를 위한 조파소스를 적용하고 있다

xD

yDz

D

Fig 21 Schematic sketch of the numerical wave tank used in 3D-NIT

4

22 3차원수치파동수조의 기초방정식

본 연구의 3D-NIT model은 기존의 2D-NIT(Two-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model의 계산수법을

3차원으로 확장한 것이며 자유표면해석모델에 VOF법을 난류해석에는 k e- 모델을 각각 적용하였고 기초방

정식은 3차원비압축성의 점성유체를 대상으로 한 연속식 및 Navier-Stokes방정식을 PBM (Porous Body Model)에

근거하여 확장한 다음의 식(21)~(24)로 주어진다

yx z

v

vu w Sx y z r

gg g gparapara para

+ + =para para para

(21)

2yx vz

v x e

y e z e v x x v u

vuuu wuu p ut x y z x x x

u v u w D u R Sy y x z z x

ll gll g nr

g n g n g g

parapara para igrave uumlpara para para paraaelig ouml+ + + = - + iacute yacuteccedil dividepara para para para para para paraegrave oslashicirc thornigrave uumlaelig ouml igrave uumlpara para para para para paraiuml iuml aelig ouml+ + + + - - +iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslashiuml iuml icirc thornegrave oslashicirc thorn

(22)

2

yx vzv x e

x e z e v y y v v

vvuv wvv p v ut x y z y x x y

v v w D v R Sy y z z y

ll gll g nr

g n g n g g

para igrave uumlaelig oumlpara parapara para para para paraiuml iuml+ + + = - + +iacute yacuteccedil dividepara para para para para para para paraiuml iumlegrave oslashicirc thornigrave uuml igrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para paraiuml iuml iuml iuml+ + + - - +iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para paraiuml iuml iuml iumlegrave oslash egrave oslashicirc thorn icirc thorn

(23)

2

yx vzv x e

y e z e v z z v w v

vwuw www p w ut x y z z x x z

w v w D w R S gy y z z z

ll gll g nr

g n g n g g g

parapara para igrave uumlpara para para para paraaelig ouml+ + + = - + +iacute yacuteccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslashicirc thornigrave uumlaelig ouml igrave uumlpara para para para paraiuml iuml aelig ouml+ + + - - + -iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para paraegrave oslashiuml iuml icirc thornegrave oslashicirc thorn

(24)

여기서 t 는 시간 x y 는 수평방향좌표 z 는 연직방향좌표 u v w는 x y z 방향의 유속성분 r 는 유체

밀도 p 는 압력 en 는 분자동점성계수 n 와 와점성계수 tn 의 합 g 는 중력가속도 vg 는 체적공극율

x y zg g g 는 x y z 방향의 면적공극율 x y zD D D 는 경계에서 반사파의 제어를 위해 설치한 스폰지층에서의

에너지감쇠계수 u v wS S S Sr 는 해석영역내의 조파를 위한 소스항 v x y zl l l l 는 구조물로부터 받는 관성

력효과를 나타낸 파라미터이고 식(25)와 같이 표현된다

5

(1 )(1 )(1 )

(1 )

v v v M

x x x M

y y y M

z z z M

CCCC

l g gl g gg g g

g g g

= + -

= + -

= + -

= + -

(25)

여기서 MC 은 관성력계수 x y zR R R 는 투과층(porous media)에서의 저항력이고 식(26)과 같이 주어진다

2 2 2

2 2 2

2 2 2

1 (1 )21 (1 )21 (1 )2

Dx x

Dy y

Dz z

CR u u v wx

CR v u v wy

CR w u v wz

g

g

g

= - + +D

= - + +D

= - + +D

(26)

여기서 DC 는 항력계수 x y zD D D 는 x y z 방향의 격자간격이다

본 연구에서는 이상의 이론에 근거한 3D-NIT model을 사용하여 규칙파 및 불규칙파의 해석을 수행한다 규

칙파 및 불규칙파의 해석에서 대상구조물이 불투과성인 경우에는 기초방정식에서 체적공극율 면적공극율 및

투과층내의 저항력을 무시하면 된다 그리고 계산에서는 양측면과 바닥에는 불투과경계조건을 적용하였다

23 난류모델

난류모델에는 실용성이 높고 여러 분야에서 사용되고 있는 고 Reynolds형의 k e- 모델을 채용하였다

k e- 모델에서는 유속의 변동량 u v w 을 사용하여 난류에너지 k 와 난류에너지일산함수 e 을 다음과 같

이 정의한다

2 2 21 ( )2

k u v w= + + (27)

2 22 2 2 2 2u v w w v uvx y z x y z

eigrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para para paraiuml iumlaelig ouml aelig ouml= + + + + +iacute yacuteccedil divide ccedil divideccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslash egrave oslashegrave oslash egrave oslashiuml iumlicirc thorn

(28)

따라서 k 와 e 은 이하에 나타내는 이류확산방정식을 풀어서 산정할 수 있다

6

yx z

v x k y k

z k v s v

vkuk wkk k kv vt x y z x x y y

kv Gz z

gg gg g g

g g g e

para igrave uumlaelig oumlpara para igrave uumlpara para para para paraiuml iumlaelig ouml+ + + = +iacute yacute iacute yacuteccedil divideccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslash iuml iumlicirc thorn egrave oslashicirc thornigrave uumlpara paraaelig ouml+ + -iacute yacuteccedil dividepara paraegrave oslashicirc thorn

(29)

2

1 2

yx zv x y

z v s v

vu w v vt x y z x x y y

v C G Cz z k k

e e

e

g eg e g ee e eg g g

e e eg g g

para igrave uumlaelig oumlpara para igrave uumlpara para para para paraiuml iumlaelig ouml+ + + = +iacute yacute iacute yacuteccedil divideccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslash iuml iumlicirc thorn egrave oslashicirc thornigrave uumlpara paraaelig ouml+ + -iacute yacuteccedil dividepara paraegrave oslashicirc thorn

(210)

2 22 2

2 2 2s tu v w w v uG vx y z x y z

igrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para para paraiuml iumlaelig ouml aelig ouml= + + + + +iacute yacuteccedil divide ccedil divideccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslash egrave oslashegrave oslash egrave oslashiuml iumlicirc thorn (211)

여기서 와동점성계수 및 확산계수는 다음과 같이 주어진다

2

t

C kv m

e= (212)

tk

k

vv vs

= + (213)

tvv vees

= + (214)

또한 위의 식에서 나타나는 1 2 kC C Cm es s 는 경험정수로 보통 009 100 130kCm es s= = =

1 2144 192C C= = 가 사용된다 그리고 k e- 모델에서 구한 난류효과는 Navier-Stokes방정식에서 동점성계

수 및 압력을 각각 다음의 식과 같이 취급함으로써 유속 및 압력에 반영된다

e tv v v= + (215)

23

p p kr= + (216)

7

24 이류방정식

3D-NIT model은 수면을 추적하기 위해 VOF법을 이용하고 있다 VOF함수 F는 일정 물리량인 유체의 체적율

로서 0leFle1의 범위를 가진다 여기서 F=1일 경우는 유체셀로 F=0일 경우는 기체셀로 0ltFlt1일 경우는 표면셀

로 각각 판단하여 자유수면을 추적하게 되며 다음의 이류방정식(217)에 의해 VOF함수가 이류된다

( )( ) ( )( ) yx zvFuF wFF Fqt x y z

ee ee parapara parapara+ + + =

para para para para (217)

25 격자설정 방법

3D-NIT model은 기초방정식을 유한차분법으로 차분근사하여 수치계산을 수행한다 그리고 계산영역을 크기

가 일정한 직사각형의 격자로 분할하고 셀 전체에 유체가 있는 경우를 유체셀 셀 전체에 기체가 있는 경우를

기체셀 셀내에 유체와 기체가 혼합되어 있는 경우를 표면셀 셀 전체에 구조물이 있는 경우를 구조물셀로 각각

정의한다 또한 셀 주위에는 직접 계산에 이용되지는 않지만 경계처리시에 필요한 가상셀을 둔다 격자를 설정

한 후에는 각 셀에서의 유속 u v w를 각각 셀 경계인 오른쪽과 위쪽에 위치시키고 압력 p 조파소스의 유량

밀도 q 및 VOF함수 F 를 각각 셀 중심에 위치하도록 하여 변수들을 엇갈리게 격자를 구성하는 엇갈린 격자

(staggerd mesh)를 적용한다

26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파

3D-NIT model은 규칙파뿐만 아니라 불규칙파에 대해서도 계산이 가능한 수치모델로 3D-NIT model을 이용하

여 불규칙파를 검토하는 경우에 조파지점에서의 수위변동 및 물입자속도(수평 및 연직유속)을 사용자가 독자적

으로 입력데이터로 작성할 필요가 있다 일반적으로 불규칙파랑은 선형이론으로부터 얻어진 규칙파의 중첩으로

조파되지만 해석시간이 증가됨에 따라 평균수위가 상승하는 문제가 발생하여 계산이 불가능하게 된다 따라서

불규칙파랑의 조파와 같은 장시간의 해석시간이 요구되는 경우에 평균수위의 상승으로 인하여 요구되는 100파

정도의 파수를 얻기까지는 무리가 있을 수 있고 결과가 얻어졌다고 하여도 신뢰성에 문제가 있다

본 연구에서는 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우에 문제로 지적되는 평균수위상승을 억

제하면서 안정적으로 불규칙파가 조파될 수 있는 시스템을 기술(Fujiwara 2005)한다 그리고 불규칙파의 파운동

을 디지털방식으로 작성하는 Goda방법에 따른 불규칙파의 조파방법도 간략히 기술한다 불규칙파의 조파방법

은 선형이론으로부터 얻어진 성분파의 주파수에 하나씩 순번을 붙여서 이를 무한급수의 합으로 고려하는 것이

다 조파지점에 있어서는 수면파형 η 수평 및 연직유속 (uw)의 시간적인 변동이 필요하게 되며 이들은 각각 식

8

(218)sim(220)로 주어진다

1( ) cos(2 )

M

m m mm

t a f th p e=

= -aring (218)

1

cosh ( )( ) 2 cos(2 )sinh

Mm

m m m mm m

k h zu z t f a f tk h

p p e=

+= -aring (219)

1

sinh ( )( ) 2 sin(2 )sinh

Mm

m m m mm m

k h zw z t f a f tk h

p p e=

+= -aring (220)

여기서 me 은 random한 위상각 mf 은 주파수 ma 은 진폭 mk 은 파수 M은 성분파의 수 h는 수심이다 단

연직좌표 z 는 정수면에서 상방향을 (+)로 취하고 me 및 mf 의 선택방법은 후술되며 진폭 ma 은 다음의 식

(221)로 정의된다

2 ( )ma S f f= D (221)

여기서 fD 는 주파수폭 ( )S f 는 파랑에너지밀도이며 불규칙파의 스펙트럼은 불규칙파를 모의하는 데에

널리 사용되고 있는 식(222)의 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970) 스펙트럼을 적용하였다

2 4 5 413 13 13( ) 0257 exp 103( )S f H T f T F- - -eacute ugrave= -euml ucirc (222)

여기서 13H 은 유의파고 13T 은 유의파주기를 각각 나타낸다 일반적으로 수치해석을 통해 불규칙파를 검

토하는 경우 해석시간이 증가됨에 따라 평균수위가 상승하는 문제가 있다(CDIT 2001) 본 연구에서는 평균수위

상승을 억제하는 방법으로 조파지점에서 수평유속을 산출할 때 각 성분파에 대응하는 Stokes파의 질량수송속도

(mass transport velocity)를 빼주는 방법을 적용한다(Fujiwara 2005) 즉 식(219)에서 질량수송속도를 뺀 수평유속은

식(223)과 같이 표현된다

1

cosh ( )( ) 2 cos(2 )sinh

Mm

mm m m mm m

k h zu z t f a f t Uk h

p p e=

igrave uuml+= - -iacute yacute

icirc thornaring (223)

여기서 Stokes파의 질량수송속도 mU 은 성분파를 나타내는 m 을 제외하여 나타내면 다음의 식(224)와 같이

9

주어진다

2

cosh 4 ( ) 12 sinh (2 )

mm m mm

m m m

H H h z LUT L h L

p p pp+

= (224)

여기서 mz 은 물입자의 평균위치를 나타낸다

27 난수의 발생방법

난수(random numbers)는 random한 현상을 다루는 수치해석에서 많이 사용되는 매우 중요한 부분이다 난수를

발생시키는 방법에는 물리적인 방법과 수식을 이용한 방법이 있으며 물리적인 방법으로 난수를 발생시킬 경우

에는 많은 시간이 소요되며 컴퓨터를 이용한 모의실험에는 사용할 수 없다는 단점이 있다 따라서 수치해석에

사용되는 난수는 수식을 이용하여 발생되며 이러한 방법을 이용한 대표적인 난수발생방법으로 중양제곱법

(mid-squar method) 합동법(congruential method) 그리고 시프트법(shift method) 등이 있다(조 등 1992)

본 연구에서는 합동법에 기초하여 난수를 발생시켰고 난수발생은 IMSL(International Mathematical and Statistical

Library)의 난수발생기(random number generator)를 이용하였으며 그 알고리즘음 다음과 같다(Compaq computer

corporation 2001)

먼저 임의정수 1X 은 seed number이며 mod( )Y b 는 Y 를 b 로 나눈 나머지를 나타낸다 이러한 계산이 임

의주기 동안 진행되면서 1X 은 2X 로 변환되고 연속된 정수 iX 를 산출하는 과정을 반복한다 0과 1사이에 할

당된 난수는 식(225)에 의해 얻어질 수 있으며 상수는 식(226)에 나타낸 특수한 값으로 주어진다

12i iR X q i= = (225)

36 357909 2 2 1a b q= = = - (226)

이러한 과정에서 임의정수 iX 가 352 을 초과할 경우 iX 는 정수 35(2 1)- 로 변환된 후 계산이 수행되며

식(225)로부터 구한 난수는 [01] 사이에 분포한다

이로부터 불규칙파의 각 성분파간의 위상각 me 은 Fig 22에 나타낸 바와 같이 [01] 사이에 분포하는 난수를

발생시킨 후 위상을 조정하기 위해 2p 를 곱하여 [02 ]p 사이에 분포하는 값을 취하는 것으로 하였다

28 주파수의 선택방법

불규칙파를 모의하기 위한 주파수 mf

의 성분파의 진폭이 거의 같도록

Mitsuyasu(Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼에

다음의 식(227)을 이용하여 주파수 mf

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - =

10

주파수 mf 의 선택방법에는 주파수스펙트럼을 등구간으로

하는 등에너지로 분할하는 방법 등이 있다 본 연구에서는

스펙트럼에 대해 등에너지로 스펙트럼을 분할할 수 있는 Goda(1985)

mf 을 선택하였다

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - =

Fig 22 Random phase angle

mf 등구간으로 분할하는 방법과 각각

연구에서는 Bretshneider-

Goda(1985)에 의해 제안된

mf

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - = (227)

11

3장 수치해석의 검증

31 개요

일본의 연안개발기술센터(沿岸開發技術硏究セソタ 2001)에서 개발한 수치파동수조 CADMAS-SURF와 같은

2차원규칙파에 대한 연구는 많이 수행되고 있지만 2차원불규칙파와 3차원불규칙파에 대한 연구는 찾아보기가

어렵다

최근 개발되고 있는 방파제 및 호안의 경우 구조물의 형상이 복잡한 특수방파제가 많이 적용되고 있다 하지

만 이러한 방파제를 2차원으로 적용 ∙ 계산하기에는 반사율 파압분포 및 월파량의 추정치가 실제의 3차원의 경

우와는 상이한 결과가 발생할 것으로 판단된다 따라서 본 연구에서는 3차원수치파동수조인 3D-NIT model의 조

파성능에 대해 먼저 검토한다 그리고 3D-NIT model을 이용하여 규칙파 및 불규칙파를 조파하고 眞田(1998)의

수리실험과 비교 ∙ 검토함으로써 결과의 타당성을 논의한다 또한 불규칙파동장에 경사수심역에 설치된 호안을

대상으로 호안 배후로 전달되는 월파량을 산정하고 이의 결과를 실험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를

검토하고 더불어 파력의 실험치( Chakrabarti 1975)와 비교 ∙ 검토함으로써 결과의 타당성을 논의한다

32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증

불규칙파의 조파성능을 검증하기 위하여 Fig 31과 같은 구조물이 설치되지 않은 수심 219h m= 의 3차원

수치파동수조(부가감쇠영역과 해석영역으로 구성되었으며 격자크기는 1 05 05x m y m z mD = D = D = 로 설

정)에서 유의파고 13 7H m= 유의주기 13 1225secT = 를 목표로 성분파 200개를 선형중첩하여 불규칙파를

조파하였다 그리고 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을 방지하기

위하여 설치된 부가감쇠영역의 길이 aL 는 목표파 파장 0L 의 2배 이상으로 하였다 Fig 32는 조파지점에서의

계산파형을 목표한 파형과 비교한 그림으로 장시간의 해석에도 평균수위상승은 크게 나타나지 않으며 목표한

파형과 비교하여 전체적으로 파형과 위상이 잘 일치하고 있음을 확인할 수 있다

12

Fig 31 Schematic sketch of numerical wave tank

Fig 32 Comparison of target and calculated wave profiles at wave source position

3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 따른 연직원주구조물주변의 파랑변형에 대

하여 해석해 및 2차오더의 회절산란포텐셜을 유도한 眞田(1998)의 수치해석결과 및 수리실험결과와 본 수치해

석결과를 비교ᆞ검토한다

Fig 33은 비교에 적용된 3차원수치파동수조 및 연직원주구조물의 제원을 나타내며 이때 수치파동수조의 수

심은 45h cm= 로 일정하며 입사파고 3H cm= 입사주기 01sect = 의 규칙파에 대하여 수치계산을 수행하

였다 그리고 수치계산에서는 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을

방지하기 위하여 부가감쇠영역을 설치하며(Hinatsu 1992) 부가감쇠영역의 길이는 입사파장 L 의 2배 이상으로

하였다

x축을 따른 y=0 y=25cm의 위치 및 연직원주구조물의 주위에서 무차원최대수면상승고 max2h ( maxh 는 최대수

위값)의 공간분포에 대하여 眞田(1998)의 수치해석해석결과 및 수리실험결과와 비교한 본 계산결과를 Fig 34에

각각 제시하였고 다음의 결과를 살펴보면 원주 전면의 표면에서 가장 큰 무차원최대수면상승고가 나타났고 이

는 원주구조물의 전면에서 구조물에 의해 반사되는 회절산란파와 입사파의 중첩으로 부분중복파가 형성된것으

로 판단된다 그리고 Fig 34 (a)와 (b)에서 본 연구의 수치해석결과가 眞田(1998)의 수리실험치를 전체적으로 잘

재현하고 있으며 그 정도는 매우 높은 것으로 판단된다

()

mh

13

(a) Plan view

(b) Side view

Fig 33 Definition sketch of 3D numerical wave tank for comparison of wave transformation

(a) y=0cm

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zoneWave source

Wave

x

y

O

Open boundary Open boundary

Wave

Calculation zone

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

Wave source

2L 2L

z

O

45

33

50 30

x

Unitcm

14

(b) y=25cm

Fig 34 Comparison of spatial distribution of non-dimensional maximum water levels

33 월파량의 검토

본 절에서는 앞서 검토한 결과를 바탕으로 호안 배후로 전달되는 파랑의 월파량을 산정하고 이의 결과를 실

험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를 검토한다

Fig 35는 본 연구에서 월파량 산정을 위하여 고려된 수치파동수조고 Fig 36은 Fig 35의 수치파동수조에서

호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화를 파라미터로하여 산정된 호안월파량을 Goda(1985)의 실험치와 비교한

결과이다 이 때 적용한 파 조건은 주기 0 1383secT = 파고

0 4H m= 를 목표로 설정하였다 그리고 월파량

산정에 이용한 불규칙파는 파가 안정적으로 판단되는 조파개시후 50sec에서부터 600sec 사이의 파이며 월파량

은 호안의 천단상부에 설치된 수평유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 시간평균하여 산정하였다(Goda

1985)

Fig 36의 결과를 살펴보면 호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화에 따른 월파량의 변화특성을 살펴보면 본

연구의 계산치는 실험치를 잘 재현하고 있을 뿐 아니라 산정된 월파량의 정도는 실험치와 비교하여 상당히 높

은 것으로 판단된다

Fig 35 Numerical setup for wave overtopping over vertical seawall on a sea bottom slope of 110

15

Fig 36 Comparison between experimental and numerical results for wave overtopping rate over vertical seawall on a sea bottom

slope of 110 ( 0 0 0017H L = )

34 월파현상의 재현

Fig 37은 Fig 36의 0 0 075 15ch H h H= = 의 경우에 대한 월파에 따른 주변파동장의 변화를 나타낸

일례이다 그림을 살펴보면 본 연구의 수치파동수조는 기대하는 불규칙파동장을 잘 재현하는 것으로 판단된다

그리고 경사수심역상에는 수심변동으로 인한 천수변형을 확인할 수 있으며 호안의 천단상에서는 호안월파로

인하여 배후면으로 낙하되는 빠른 유속이 관찰된다 따라서 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장의 재현

및 수심변동에 따른 천수변형 호안월파로 인한 배후면의 파동장교란 등에 대해 고정도의 결과도 기대할 수 있

고 따라서 향후 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장하에 복잡한 형태를 가진 특수방파제 등에 의한 주변

파동장의 3차원적인 응답해석 및 월파현상을 확인하는데도 충분히 이용 가능할 것으로 판단된다

16

Fig 37 Spatial variation of irregular waves on a sea bottom slpoe of 110 ( 0 0 075 15ch H h H= = )

17

35 파력의 검증

다음으로 연직원주구조물에 작용하는 파력특성에 대하여 116h a = (a는 연직원주구조물의 반경)

0232H a = 인 경우에 기존의 수리실험결과(Chakrabarti and Tam 1975) 및 수치해석결과(喜岡와 石田 1984 村

上 등 1993)와 본 연구의 수치해석결과를 비교ᆞ검토한다 Fig 38은 해석에 이용된 연직원주구조물의 제원을 나

타내며 무차원최대파력 2max ( 2)F ga Hr 에 대하여 기존의 수리실험 및 수치해석결과와 비교한 것을 Fig

39에 제시하였다 결과를 살펴보면 실험치가 주어져 있는 kagt07(k는 파수 k=2 L)의 범위에서는 본 연구의 수치

해석결과는 수리실험결과를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되며 실험치가 주어지지 않은 kalt05의 범위에서 村

上 등(1993)의 결과는 Stokes 2차파이론의 적용범위를 초과하므로 발산하고 있다 이는 kalt05의 범위는 DLlt02

인 항력이 지배적인 소형구조물의 영역으로 기존의 해석법으로 파력을 산정하는데는 과도한 계산시간으로 파

력산정에 다소 무리가 있으며 항력과 관성력을 동시에 고려할 수 있는 Navier-Stokes의 운동방정식에 근거한 본

연구의 수치해석결과가 타당한 것으로 판단된다

Fig 38 Definition sketch for comparison of wave force acting on the circular cylinder

x

y

zWave

h

a

18

Fig 39 Comparison of non-dimensional maximum wave force acting on the circular cylinder

이상의 3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 의한 파랑변형 및 구조물에 작용하

는 파력의 수치해석결과가 실험치를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되므로 본 연구의 타당성이 검증된다

0 05 1 15 2ka

0

1

2

3

4

5

6F m

axr

ga2 (

H2

)This studyExp(Chakrabarti amp Tam 1975)Cal(Shin 2008)Cal(Murakami et al 1993)Cal(Kioka and Ishida 1984)

19

4 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장

해석에 적용

41 개요

해역에 설치된 구조물은 파력 풍력 조류력 등의 외력을 지속적으로 받기 때문에 구조물의 경우 극한의 파

랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충분한 강도를 가지도록 설계할 필요가 있다 본 연구에서는 해역에서 쇄파

가 발생할 때 원주구조물에 작용하는 쇄파력과 파랑변형을 논의한다 쇄파에 대한 이론 및 실험적 연구는 오래

전부터 많은 연구자들에 의해서 수행되어 왔고 최근에는 과도수파생성법(조 등 2001)에 의한 쇄파현상의 재현

및 비선형파의 3차원수치해석법에 의한 연구가 수행되고 있다(신 2008) 본 논문에서는 3차원불규칙파수치파동

수조 3D-NIT model을 적용하여 쇄파가 발생할 경우에 쇄파가 구조물에 미치는 영향에 대하여 검토하고 이와

연계하여 구조물에 작용하는 쇄파력의 크기를 분석한다 그리고 쇄파전의 영역 쇄파영역 및 쇄파후의 영역에

각각 원주구조물이 설치된 경우에 작용파력과 파랑변형의 특성을 조사하여 3D-NIT model의 적용성을 검토한다

42 수치파동수조

Fig 41과 같은 수심 30h cm= 를 갖는 규칙파동장의 경사수심역에 설치된 원주구조물을 대상으로 파력을

산정하며 적용한 규칙파는 주기 14secT = 파고 23456H cm= 이다 Table 41은 본 연구에서 대상으로

하는 수치파동수조의 특성을 나타내며 여기서 D는 원주구조물의 직경을 d는 경사수심이 이후의 수심을 나타

내고 s는 경사수심 끝단부로부터의 이격거리이다

(a) front view

20

(b) top view Fig 41 Definition sketch of 3D numerical wave tank for analysis of wavebreaking force acting on circular cylinder

Table 41 Condition of numerical analysis for circular cylinder shape of structure slope T(s) H(cm) h(cm) D(cm) d(cm) s(cm)

circular

cylinder

case1 110 14 2 3 4

5 6 30 60 4 0

case2 110 14 4 30 60 4 0 20 40

60 80

43 주변파동장

Fig 42는 원주구조물이 경사수심 끝단부에 위치할 때 파고 23456H cm= 로 변환될 경우의 원주구조물

로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면분포 및 단면분포를 나타낸 것이다 여기

서 파고 23H cm= 인 경우에는 쇄파현상이 발생하지 않지만 4H cm= 인 경우에는 경사수심이 끝나는 지점

에서 쇄파가 발생된다 이것은 수심이 낮아지면서 천수효과로 인해 파고가 쇄파한계를 넘어 쇄파가 발생된 것

으로 판단된다 그리고 56H cm= 인 경우에는 파고가 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생되

는 현상이 나타났다 이는 파고가 높아짐으로 인하여 쇄파한계가 경사수심의 끝단부 이전에서 나타난 것으로

보여진다

Fig 43은 case1에서 쇄파력이 원주구조물에 가장 영향이 많이 미칠 것으로 판단되는 파고 4H cm= 의 경

우에 대하여 원주구조물이 경사수심 끝단부로부터 이격거리 020406080s cm= 로 변환될 경우에 원주구조

물로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면 및 단면적인 변화양상을 나타낸 것이다

여기서 이격거리가 멀어짐에 따라 쇄파후 파의 재생성 과정을 통하여 정상상태의 파랑으로 전이되며 구조물

의 위치에 따른 구조물 전면부에서 처오름이 쇄파대 부분에 구조물이 위치할 경우보다 이격거리가 멀어질수록

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

yx

Wave

DSlope=110

500cm

21

작아지는 것을 확인할 수 있다

(a) 2 14sec 0H cm T s cm= = =

22

(b) 3 14sec 0H cm T s cm= = =

23

(c) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

24

(d) 5 14sec 0H cm T s cm= = =

25

(e) 6 14sec 0H cm T s cm= = =

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height

26

(a) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

27

(b) 4 14sec 20H cm T s cm= = =

28

(c) 4 14sec 40H cm T s cm= = =

29

(d) 4 14sec 60H cm T s cm= = =

30

(e) 4 14sec 80H cm T s cm= = =

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder

31

44 파력

Fig 44는 Fig 41에서 정의된 경사수심의 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 지점에 있어서 파고

23456H cm= 로 변화시킨 경우에 파력의 변화를 나타낸 것이다 결과를 살펴보면 파고 234H cm= 까

지는 파력이 증가하지만 5cm 이상부터는 오히려 파력이 감소하는 것을 알 수 있다 이는 Fig 42의 주변파동장

에서 파고가 5cm 이상부터 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생하여 쇄파로 인한 파랑에너지가

많이 소산된 것으로 판단된다 이러한 결과로 파고가 더 커지더라도 쇄파가 발생하는 위치에 따라 낮은 파고에

서도 높은 파력이 작용할 수 있다는 것이 확인되었다 따라서 수심이 얕아지는 천해역에서 방파제나 기타 구조

물을 설계함에 있어 구조물 전면부에서 쇄파가 발생하지 않도록 주의를 기울일 필요가 있을 것으로 판단된다

Fig 45는 Fig 41 에서 정의된 경사수심 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 일 때 최대로 파력이 작용하는 파

고 4H cm= 에 대하여 구조물의 이격거리 020406080s cm= 로 변화시켜 구조물의 이격거리에 따른 쇄

파력의 크기를 검토한 결과이고 Fig 46은 Fig 45의 이격거리 04080s cm= 의 경우 파력의 시계열을 나타낸

것이다 결과를 살펴보면 구조물의 이격거리가 증가함에 따라 파력이 감소하는 것이 나타났다 하지만 이격거

리 20s cm= 이후에서는 파력의 감소가 줄어든다 이는 쇄파로 인해 어느 정도 에너지가 소산되고 난 이후에

파고가 정상상태에 전이된 결과에 기인하는 것으로 판단된다

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1

0 1 2 3 4 5 6 7 8time(sec)

-10

0

10

20

30

F(N

)

H=2cmH=3cmH=4cmH=5cmH=6cm

32

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2

45 3차원불규칙수치파동수조에 의한 고립파의 적용

본 절에서는 3D-NIT model의 고립파로 적용성에 대하여 검토한다 고립파와 구조물과의 상호간섭을

해석하기 위하여 Fig 41과 같은 3차원수치파동수조를 고려한다 해석영역내에서는 수치적으로 고립파

를 발생시키기 위한 조파소스(Brorsen amp Lasen 1987 김 등 2001)와 무반사조파시스템을 위한 에너지감쇠

영역이 고려되고 3차원파동장에서 고립파의 작용하에 작용파압을 검토하기 위하여 경사수심을 갖는 불

투과지반에 연직주상구조물이 설치된다 조파소스에서 조파강도는 다음의 식(41)로 주어진다

0 20 40 60 80s(cm)

4

8

12

16F(

N)

0 2 4 6 8time(sec)

-5

0

5

10

15

20

F(N

)

s=0cms=40cms=80cm

33

( ) = 2 (41)

여기서 는 발생파의 수평유속성분을 각각 나타내며 본 연구에서는 조파소스강도 로서 식(42)과

같이 Grimshaw(1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사이론에 의한 수평방향유속 를 적용한다(Fenton

1972)

= ℎ[ minus minus + ] (42)

여기서 및 는 다음과 같이 정의된다

= minus 14 + + 1 + ℎ 32 minus 94

= 1940 + 15 minus 65 + 1 + ℎ minus 32 minus 154 + 152

= 1 + ℎ minus 38 minus 4516 + 4516

그리고 는 물입자의 연직방향 평균위치를 나타내며 와 는 다음의 식과 같이 정의된다

= ℎ (43)

= sech (44)

여기서 ℎ는 수심 는 고립파의 입사파고를 나타내며 와 는 각각 다음의 식으로 주어진다

= 34 1 minus 58 + 71128 (45)

= minus ℎ (46)

34

여기서 는 고립파의 파속으로 고립파의 3차근사이론에 의하면 다음의 식과 같이 표현된다

= ℎ 1 + 12 minus 320 + 356 (47)

Ohyama amp Nadaoka(1991)는 수치파동수조내에서 구조물이 설치될 경우 조파소스의 위치에서 반사파

의 영향을 고려하여 조파소스지점에서 연직적분치가 반사파가 없는 경우와 분포형상이 상사되도록 다

음의 식을 고려하고 있다

= 2 + ℎ + ℎ (48)

여기서 와 는 각각 조파소스의 위치에서 수위변동과 조파소스에 의해 기대되는 수위변동이다

본 연구에서 는 다음의 식과 같은 고립파의 3차근사식을 적용하여 산정된다(Fenton 1972)

= ℎ 1 + + 58 minus 10180 (49)

여기서 는 다음의 식(410)과 같이 주어진다

= tanh minus ℎ (410)

이상의 관계식을 3D-NIT model에 적용하여 고립파를 수치조파한다 전술한 결과에서 최대파력이 작용하는

Fig 41에서 이격거리 0s cm= 인 경우에 고립파의 파고 23456iH cm= 일 때 주변파동장의 변화양상을

Fig 47(a)~(e)에 나타내었다 결과를 살펴보면 단주기규칙파에서의 결과와는 달리 파고의 증가에도 구조물 전면

부에서 쇄파가 발생하지 않았다 이는 상대적으로 긴 파장으로 인하여 Ursell수가 작아지기 때문으로 판단된다

그리고 구조물 전면부에서 고립파로 인한 급격한 처오름현상이 확인되고 연직주상구조물로 인한 회절현상을

약간 확인할 수 있지만 파장이 상대적으로 길기 때문에 회절파라미터가 작아져 결과적으로 단주기파랑보다 회

절현상이 작아진다

연직주상구조물의 전면부에 작용하는 파력분포를 Fig 48에 나타내었다 결과를 살펴보면 모두 정수면에서

최대파력이 작용하고 파고가 증가함에 따라 구조물에 작용하는 최대파력이 거의 선형적으로 증가하는 것을 알

수 있다 이는 기본적으로 규칙파와 달리 쇄파가 발생하지 않고 경사수심으로 인한 고립파의 파고변화가 크게

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 16: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

4

22 3차원수치파동수조의 기초방정식

본 연구의 3D-NIT model은 기존의 2D-NIT(Two-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model의 계산수법을

3차원으로 확장한 것이며 자유표면해석모델에 VOF법을 난류해석에는 k e- 모델을 각각 적용하였고 기초방

정식은 3차원비압축성의 점성유체를 대상으로 한 연속식 및 Navier-Stokes방정식을 PBM (Porous Body Model)에

근거하여 확장한 다음의 식(21)~(24)로 주어진다

yx z

v

vu w Sx y z r

gg g gparapara para

+ + =para para para

(21)

2yx vz

v x e

y e z e v x x v u

vuuu wuu p ut x y z x x x

u v u w D u R Sy y x z z x

ll gll g nr

g n g n g g

parapara para igrave uumlpara para para paraaelig ouml+ + + = - + iacute yacuteccedil dividepara para para para para para paraegrave oslashicirc thornigrave uumlaelig ouml igrave uumlpara para para para para paraiuml iuml aelig ouml+ + + + - - +iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslashiuml iuml icirc thornegrave oslashicirc thorn

(22)

2

yx vzv x e

x e z e v y y v v

vvuv wvv p v ut x y z y x x y

v v w D v R Sy y z z y

ll gll g nr

g n g n g g

para igrave uumlaelig oumlpara parapara para para para paraiuml iuml+ + + = - + +iacute yacuteccedil dividepara para para para para para para paraiuml iumlegrave oslashicirc thornigrave uuml igrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para paraiuml iuml iuml iuml+ + + - - +iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para paraiuml iuml iuml iumlegrave oslash egrave oslashicirc thorn icirc thorn

(23)

2

yx vzv x e

y e z e v z z v w v

vwuw www p w ut x y z z x x z

w v w D w R S gy y z z z

ll gll g nr

g n g n g g g

parapara para igrave uumlpara para para para paraaelig ouml+ + + = - + +iacute yacuteccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslashicirc thornigrave uumlaelig ouml igrave uumlpara para para para paraiuml iuml aelig ouml+ + + - - + -iacute yacute iacute yacuteccedil divide ccedil dividepara para para para paraegrave oslashiuml iuml icirc thornegrave oslashicirc thorn

(24)

여기서 t 는 시간 x y 는 수평방향좌표 z 는 연직방향좌표 u v w는 x y z 방향의 유속성분 r 는 유체

밀도 p 는 압력 en 는 분자동점성계수 n 와 와점성계수 tn 의 합 g 는 중력가속도 vg 는 체적공극율

x y zg g g 는 x y z 방향의 면적공극율 x y zD D D 는 경계에서 반사파의 제어를 위해 설치한 스폰지층에서의

에너지감쇠계수 u v wS S S Sr 는 해석영역내의 조파를 위한 소스항 v x y zl l l l 는 구조물로부터 받는 관성

력효과를 나타낸 파라미터이고 식(25)와 같이 표현된다

5

(1 )(1 )(1 )

(1 )

v v v M

x x x M

y y y M

z z z M

CCCC

l g gl g gg g g

g g g

= + -

= + -

= + -

= + -

(25)

여기서 MC 은 관성력계수 x y zR R R 는 투과층(porous media)에서의 저항력이고 식(26)과 같이 주어진다

2 2 2

2 2 2

2 2 2

1 (1 )21 (1 )21 (1 )2

Dx x

Dy y

Dz z

CR u u v wx

CR v u v wy

CR w u v wz

g

g

g

= - + +D

= - + +D

= - + +D

(26)

여기서 DC 는 항력계수 x y zD D D 는 x y z 방향의 격자간격이다

본 연구에서는 이상의 이론에 근거한 3D-NIT model을 사용하여 규칙파 및 불규칙파의 해석을 수행한다 규

칙파 및 불규칙파의 해석에서 대상구조물이 불투과성인 경우에는 기초방정식에서 체적공극율 면적공극율 및

투과층내의 저항력을 무시하면 된다 그리고 계산에서는 양측면과 바닥에는 불투과경계조건을 적용하였다

23 난류모델

난류모델에는 실용성이 높고 여러 분야에서 사용되고 있는 고 Reynolds형의 k e- 모델을 채용하였다

k e- 모델에서는 유속의 변동량 u v w 을 사용하여 난류에너지 k 와 난류에너지일산함수 e 을 다음과 같

이 정의한다

2 2 21 ( )2

k u v w= + + (27)

2 22 2 2 2 2u v w w v uvx y z x y z

eigrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para para paraiuml iumlaelig ouml aelig ouml= + + + + +iacute yacuteccedil divide ccedil divideccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslash egrave oslashegrave oslash egrave oslashiuml iumlicirc thorn

(28)

따라서 k 와 e 은 이하에 나타내는 이류확산방정식을 풀어서 산정할 수 있다

6

yx z

v x k y k

z k v s v

vkuk wkk k kv vt x y z x x y y

kv Gz z

gg gg g g

g g g e

para igrave uumlaelig oumlpara para igrave uumlpara para para para paraiuml iumlaelig ouml+ + + = +iacute yacute iacute yacuteccedil divideccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslash iuml iumlicirc thorn egrave oslashicirc thornigrave uumlpara paraaelig ouml+ + -iacute yacuteccedil dividepara paraegrave oslashicirc thorn

(29)

2

1 2

yx zv x y

z v s v

vu w v vt x y z x x y y

v C G Cz z k k

e e

e

g eg e g ee e eg g g

e e eg g g

para igrave uumlaelig oumlpara para igrave uumlpara para para para paraiuml iumlaelig ouml+ + + = +iacute yacute iacute yacuteccedil divideccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslash iuml iumlicirc thorn egrave oslashicirc thornigrave uumlpara paraaelig ouml+ + -iacute yacuteccedil dividepara paraegrave oslashicirc thorn

(210)

2 22 2

2 2 2s tu v w w v uG vx y z x y z

igrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para para paraiuml iumlaelig ouml aelig ouml= + + + + +iacute yacuteccedil divide ccedil divideccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslash egrave oslashegrave oslash egrave oslashiuml iumlicirc thorn (211)

여기서 와동점성계수 및 확산계수는 다음과 같이 주어진다

2

t

C kv m

e= (212)

tk

k

vv vs

= + (213)

tvv vees

= + (214)

또한 위의 식에서 나타나는 1 2 kC C Cm es s 는 경험정수로 보통 009 100 130kCm es s= = =

1 2144 192C C= = 가 사용된다 그리고 k e- 모델에서 구한 난류효과는 Navier-Stokes방정식에서 동점성계

수 및 압력을 각각 다음의 식과 같이 취급함으로써 유속 및 압력에 반영된다

e tv v v= + (215)

23

p p kr= + (216)

7

24 이류방정식

3D-NIT model은 수면을 추적하기 위해 VOF법을 이용하고 있다 VOF함수 F는 일정 물리량인 유체의 체적율

로서 0leFle1의 범위를 가진다 여기서 F=1일 경우는 유체셀로 F=0일 경우는 기체셀로 0ltFlt1일 경우는 표면셀

로 각각 판단하여 자유수면을 추적하게 되며 다음의 이류방정식(217)에 의해 VOF함수가 이류된다

( )( ) ( )( ) yx zvFuF wFF Fqt x y z

ee ee parapara parapara+ + + =

para para para para (217)

25 격자설정 방법

3D-NIT model은 기초방정식을 유한차분법으로 차분근사하여 수치계산을 수행한다 그리고 계산영역을 크기

가 일정한 직사각형의 격자로 분할하고 셀 전체에 유체가 있는 경우를 유체셀 셀 전체에 기체가 있는 경우를

기체셀 셀내에 유체와 기체가 혼합되어 있는 경우를 표면셀 셀 전체에 구조물이 있는 경우를 구조물셀로 각각

정의한다 또한 셀 주위에는 직접 계산에 이용되지는 않지만 경계처리시에 필요한 가상셀을 둔다 격자를 설정

한 후에는 각 셀에서의 유속 u v w를 각각 셀 경계인 오른쪽과 위쪽에 위치시키고 압력 p 조파소스의 유량

밀도 q 및 VOF함수 F 를 각각 셀 중심에 위치하도록 하여 변수들을 엇갈리게 격자를 구성하는 엇갈린 격자

(staggerd mesh)를 적용한다

26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파

3D-NIT model은 규칙파뿐만 아니라 불규칙파에 대해서도 계산이 가능한 수치모델로 3D-NIT model을 이용하

여 불규칙파를 검토하는 경우에 조파지점에서의 수위변동 및 물입자속도(수평 및 연직유속)을 사용자가 독자적

으로 입력데이터로 작성할 필요가 있다 일반적으로 불규칙파랑은 선형이론으로부터 얻어진 규칙파의 중첩으로

조파되지만 해석시간이 증가됨에 따라 평균수위가 상승하는 문제가 발생하여 계산이 불가능하게 된다 따라서

불규칙파랑의 조파와 같은 장시간의 해석시간이 요구되는 경우에 평균수위의 상승으로 인하여 요구되는 100파

정도의 파수를 얻기까지는 무리가 있을 수 있고 결과가 얻어졌다고 하여도 신뢰성에 문제가 있다

본 연구에서는 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우에 문제로 지적되는 평균수위상승을 억

제하면서 안정적으로 불규칙파가 조파될 수 있는 시스템을 기술(Fujiwara 2005)한다 그리고 불규칙파의 파운동

을 디지털방식으로 작성하는 Goda방법에 따른 불규칙파의 조파방법도 간략히 기술한다 불규칙파의 조파방법

은 선형이론으로부터 얻어진 성분파의 주파수에 하나씩 순번을 붙여서 이를 무한급수의 합으로 고려하는 것이

다 조파지점에 있어서는 수면파형 η 수평 및 연직유속 (uw)의 시간적인 변동이 필요하게 되며 이들은 각각 식

8

(218)sim(220)로 주어진다

1( ) cos(2 )

M

m m mm

t a f th p e=

= -aring (218)

1

cosh ( )( ) 2 cos(2 )sinh

Mm

m m m mm m

k h zu z t f a f tk h

p p e=

+= -aring (219)

1

sinh ( )( ) 2 sin(2 )sinh

Mm

m m m mm m

k h zw z t f a f tk h

p p e=

+= -aring (220)

여기서 me 은 random한 위상각 mf 은 주파수 ma 은 진폭 mk 은 파수 M은 성분파의 수 h는 수심이다 단

연직좌표 z 는 정수면에서 상방향을 (+)로 취하고 me 및 mf 의 선택방법은 후술되며 진폭 ma 은 다음의 식

(221)로 정의된다

2 ( )ma S f f= D (221)

여기서 fD 는 주파수폭 ( )S f 는 파랑에너지밀도이며 불규칙파의 스펙트럼은 불규칙파를 모의하는 데에

널리 사용되고 있는 식(222)의 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970) 스펙트럼을 적용하였다

2 4 5 413 13 13( ) 0257 exp 103( )S f H T f T F- - -eacute ugrave= -euml ucirc (222)

여기서 13H 은 유의파고 13T 은 유의파주기를 각각 나타낸다 일반적으로 수치해석을 통해 불규칙파를 검

토하는 경우 해석시간이 증가됨에 따라 평균수위가 상승하는 문제가 있다(CDIT 2001) 본 연구에서는 평균수위

상승을 억제하는 방법으로 조파지점에서 수평유속을 산출할 때 각 성분파에 대응하는 Stokes파의 질량수송속도

(mass transport velocity)를 빼주는 방법을 적용한다(Fujiwara 2005) 즉 식(219)에서 질량수송속도를 뺀 수평유속은

식(223)과 같이 표현된다

1

cosh ( )( ) 2 cos(2 )sinh

Mm

mm m m mm m

k h zu z t f a f t Uk h

p p e=

igrave uuml+= - -iacute yacute

icirc thornaring (223)

여기서 Stokes파의 질량수송속도 mU 은 성분파를 나타내는 m 을 제외하여 나타내면 다음의 식(224)와 같이

9

주어진다

2

cosh 4 ( ) 12 sinh (2 )

mm m mm

m m m

H H h z LUT L h L

p p pp+

= (224)

여기서 mz 은 물입자의 평균위치를 나타낸다

27 난수의 발생방법

난수(random numbers)는 random한 현상을 다루는 수치해석에서 많이 사용되는 매우 중요한 부분이다 난수를

발생시키는 방법에는 물리적인 방법과 수식을 이용한 방법이 있으며 물리적인 방법으로 난수를 발생시킬 경우

에는 많은 시간이 소요되며 컴퓨터를 이용한 모의실험에는 사용할 수 없다는 단점이 있다 따라서 수치해석에

사용되는 난수는 수식을 이용하여 발생되며 이러한 방법을 이용한 대표적인 난수발생방법으로 중양제곱법

(mid-squar method) 합동법(congruential method) 그리고 시프트법(shift method) 등이 있다(조 등 1992)

본 연구에서는 합동법에 기초하여 난수를 발생시켰고 난수발생은 IMSL(International Mathematical and Statistical

Library)의 난수발생기(random number generator)를 이용하였으며 그 알고리즘음 다음과 같다(Compaq computer

corporation 2001)

먼저 임의정수 1X 은 seed number이며 mod( )Y b 는 Y 를 b 로 나눈 나머지를 나타낸다 이러한 계산이 임

의주기 동안 진행되면서 1X 은 2X 로 변환되고 연속된 정수 iX 를 산출하는 과정을 반복한다 0과 1사이에 할

당된 난수는 식(225)에 의해 얻어질 수 있으며 상수는 식(226)에 나타낸 특수한 값으로 주어진다

12i iR X q i= = (225)

36 357909 2 2 1a b q= = = - (226)

이러한 과정에서 임의정수 iX 가 352 을 초과할 경우 iX 는 정수 35(2 1)- 로 변환된 후 계산이 수행되며

식(225)로부터 구한 난수는 [01] 사이에 분포한다

이로부터 불규칙파의 각 성분파간의 위상각 me 은 Fig 22에 나타낸 바와 같이 [01] 사이에 분포하는 난수를

발생시킨 후 위상을 조정하기 위해 2p 를 곱하여 [02 ]p 사이에 분포하는 값을 취하는 것으로 하였다

28 주파수의 선택방법

불규칙파를 모의하기 위한 주파수 mf

의 성분파의 진폭이 거의 같도록

Mitsuyasu(Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼에

다음의 식(227)을 이용하여 주파수 mf

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - =

10

주파수 mf 의 선택방법에는 주파수스펙트럼을 등구간으로

하는 등에너지로 분할하는 방법 등이 있다 본 연구에서는

스펙트럼에 대해 등에너지로 스펙트럼을 분할할 수 있는 Goda(1985)

mf 을 선택하였다

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - =

Fig 22 Random phase angle

mf 등구간으로 분할하는 방법과 각각

연구에서는 Bretshneider-

Goda(1985)에 의해 제안된

mf

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - = (227)

11

3장 수치해석의 검증

31 개요

일본의 연안개발기술센터(沿岸開發技術硏究セソタ 2001)에서 개발한 수치파동수조 CADMAS-SURF와 같은

2차원규칙파에 대한 연구는 많이 수행되고 있지만 2차원불규칙파와 3차원불규칙파에 대한 연구는 찾아보기가

어렵다

최근 개발되고 있는 방파제 및 호안의 경우 구조물의 형상이 복잡한 특수방파제가 많이 적용되고 있다 하지

만 이러한 방파제를 2차원으로 적용 ∙ 계산하기에는 반사율 파압분포 및 월파량의 추정치가 실제의 3차원의 경

우와는 상이한 결과가 발생할 것으로 판단된다 따라서 본 연구에서는 3차원수치파동수조인 3D-NIT model의 조

파성능에 대해 먼저 검토한다 그리고 3D-NIT model을 이용하여 규칙파 및 불규칙파를 조파하고 眞田(1998)의

수리실험과 비교 ∙ 검토함으로써 결과의 타당성을 논의한다 또한 불규칙파동장에 경사수심역에 설치된 호안을

대상으로 호안 배후로 전달되는 월파량을 산정하고 이의 결과를 실험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를

검토하고 더불어 파력의 실험치( Chakrabarti 1975)와 비교 ∙ 검토함으로써 결과의 타당성을 논의한다

32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증

불규칙파의 조파성능을 검증하기 위하여 Fig 31과 같은 구조물이 설치되지 않은 수심 219h m= 의 3차원

수치파동수조(부가감쇠영역과 해석영역으로 구성되었으며 격자크기는 1 05 05x m y m z mD = D = D = 로 설

정)에서 유의파고 13 7H m= 유의주기 13 1225secT = 를 목표로 성분파 200개를 선형중첩하여 불규칙파를

조파하였다 그리고 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을 방지하기

위하여 설치된 부가감쇠영역의 길이 aL 는 목표파 파장 0L 의 2배 이상으로 하였다 Fig 32는 조파지점에서의

계산파형을 목표한 파형과 비교한 그림으로 장시간의 해석에도 평균수위상승은 크게 나타나지 않으며 목표한

파형과 비교하여 전체적으로 파형과 위상이 잘 일치하고 있음을 확인할 수 있다

12

Fig 31 Schematic sketch of numerical wave tank

Fig 32 Comparison of target and calculated wave profiles at wave source position

3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 따른 연직원주구조물주변의 파랑변형에 대

하여 해석해 및 2차오더의 회절산란포텐셜을 유도한 眞田(1998)의 수치해석결과 및 수리실험결과와 본 수치해

석결과를 비교ᆞ검토한다

Fig 33은 비교에 적용된 3차원수치파동수조 및 연직원주구조물의 제원을 나타내며 이때 수치파동수조의 수

심은 45h cm= 로 일정하며 입사파고 3H cm= 입사주기 01sect = 의 규칙파에 대하여 수치계산을 수행하

였다 그리고 수치계산에서는 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을

방지하기 위하여 부가감쇠영역을 설치하며(Hinatsu 1992) 부가감쇠영역의 길이는 입사파장 L 의 2배 이상으로

하였다

x축을 따른 y=0 y=25cm의 위치 및 연직원주구조물의 주위에서 무차원최대수면상승고 max2h ( maxh 는 최대수

위값)의 공간분포에 대하여 眞田(1998)의 수치해석해석결과 및 수리실험결과와 비교한 본 계산결과를 Fig 34에

각각 제시하였고 다음의 결과를 살펴보면 원주 전면의 표면에서 가장 큰 무차원최대수면상승고가 나타났고 이

는 원주구조물의 전면에서 구조물에 의해 반사되는 회절산란파와 입사파의 중첩으로 부분중복파가 형성된것으

로 판단된다 그리고 Fig 34 (a)와 (b)에서 본 연구의 수치해석결과가 眞田(1998)의 수리실험치를 전체적으로 잘

재현하고 있으며 그 정도는 매우 높은 것으로 판단된다

()

mh

13

(a) Plan view

(b) Side view

Fig 33 Definition sketch of 3D numerical wave tank for comparison of wave transformation

(a) y=0cm

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zoneWave source

Wave

x

y

O

Open boundary Open boundary

Wave

Calculation zone

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

Wave source

2L 2L

z

O

45

33

50 30

x

Unitcm

14

(b) y=25cm

Fig 34 Comparison of spatial distribution of non-dimensional maximum water levels

33 월파량의 검토

본 절에서는 앞서 검토한 결과를 바탕으로 호안 배후로 전달되는 파랑의 월파량을 산정하고 이의 결과를 실

험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를 검토한다

Fig 35는 본 연구에서 월파량 산정을 위하여 고려된 수치파동수조고 Fig 36은 Fig 35의 수치파동수조에서

호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화를 파라미터로하여 산정된 호안월파량을 Goda(1985)의 실험치와 비교한

결과이다 이 때 적용한 파 조건은 주기 0 1383secT = 파고

0 4H m= 를 목표로 설정하였다 그리고 월파량

산정에 이용한 불규칙파는 파가 안정적으로 판단되는 조파개시후 50sec에서부터 600sec 사이의 파이며 월파량

은 호안의 천단상부에 설치된 수평유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 시간평균하여 산정하였다(Goda

1985)

Fig 36의 결과를 살펴보면 호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화에 따른 월파량의 변화특성을 살펴보면 본

연구의 계산치는 실험치를 잘 재현하고 있을 뿐 아니라 산정된 월파량의 정도는 실험치와 비교하여 상당히 높

은 것으로 판단된다

Fig 35 Numerical setup for wave overtopping over vertical seawall on a sea bottom slope of 110

15

Fig 36 Comparison between experimental and numerical results for wave overtopping rate over vertical seawall on a sea bottom

slope of 110 ( 0 0 0017H L = )

34 월파현상의 재현

Fig 37은 Fig 36의 0 0 075 15ch H h H= = 의 경우에 대한 월파에 따른 주변파동장의 변화를 나타낸

일례이다 그림을 살펴보면 본 연구의 수치파동수조는 기대하는 불규칙파동장을 잘 재현하는 것으로 판단된다

그리고 경사수심역상에는 수심변동으로 인한 천수변형을 확인할 수 있으며 호안의 천단상에서는 호안월파로

인하여 배후면으로 낙하되는 빠른 유속이 관찰된다 따라서 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장의 재현

및 수심변동에 따른 천수변형 호안월파로 인한 배후면의 파동장교란 등에 대해 고정도의 결과도 기대할 수 있

고 따라서 향후 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장하에 복잡한 형태를 가진 특수방파제 등에 의한 주변

파동장의 3차원적인 응답해석 및 월파현상을 확인하는데도 충분히 이용 가능할 것으로 판단된다

16

Fig 37 Spatial variation of irregular waves on a sea bottom slpoe of 110 ( 0 0 075 15ch H h H= = )

17

35 파력의 검증

다음으로 연직원주구조물에 작용하는 파력특성에 대하여 116h a = (a는 연직원주구조물의 반경)

0232H a = 인 경우에 기존의 수리실험결과(Chakrabarti and Tam 1975) 및 수치해석결과(喜岡와 石田 1984 村

上 등 1993)와 본 연구의 수치해석결과를 비교ᆞ검토한다 Fig 38은 해석에 이용된 연직원주구조물의 제원을 나

타내며 무차원최대파력 2max ( 2)F ga Hr 에 대하여 기존의 수리실험 및 수치해석결과와 비교한 것을 Fig

39에 제시하였다 결과를 살펴보면 실험치가 주어져 있는 kagt07(k는 파수 k=2 L)의 범위에서는 본 연구의 수치

해석결과는 수리실험결과를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되며 실험치가 주어지지 않은 kalt05의 범위에서 村

上 등(1993)의 결과는 Stokes 2차파이론의 적용범위를 초과하므로 발산하고 있다 이는 kalt05의 범위는 DLlt02

인 항력이 지배적인 소형구조물의 영역으로 기존의 해석법으로 파력을 산정하는데는 과도한 계산시간으로 파

력산정에 다소 무리가 있으며 항력과 관성력을 동시에 고려할 수 있는 Navier-Stokes의 운동방정식에 근거한 본

연구의 수치해석결과가 타당한 것으로 판단된다

Fig 38 Definition sketch for comparison of wave force acting on the circular cylinder

x

y

zWave

h

a

18

Fig 39 Comparison of non-dimensional maximum wave force acting on the circular cylinder

이상의 3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 의한 파랑변형 및 구조물에 작용하

는 파력의 수치해석결과가 실험치를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되므로 본 연구의 타당성이 검증된다

0 05 1 15 2ka

0

1

2

3

4

5

6F m

axr

ga2 (

H2

)This studyExp(Chakrabarti amp Tam 1975)Cal(Shin 2008)Cal(Murakami et al 1993)Cal(Kioka and Ishida 1984)

19

4 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장

해석에 적용

41 개요

해역에 설치된 구조물은 파력 풍력 조류력 등의 외력을 지속적으로 받기 때문에 구조물의 경우 극한의 파

랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충분한 강도를 가지도록 설계할 필요가 있다 본 연구에서는 해역에서 쇄파

가 발생할 때 원주구조물에 작용하는 쇄파력과 파랑변형을 논의한다 쇄파에 대한 이론 및 실험적 연구는 오래

전부터 많은 연구자들에 의해서 수행되어 왔고 최근에는 과도수파생성법(조 등 2001)에 의한 쇄파현상의 재현

및 비선형파의 3차원수치해석법에 의한 연구가 수행되고 있다(신 2008) 본 논문에서는 3차원불규칙파수치파동

수조 3D-NIT model을 적용하여 쇄파가 발생할 경우에 쇄파가 구조물에 미치는 영향에 대하여 검토하고 이와

연계하여 구조물에 작용하는 쇄파력의 크기를 분석한다 그리고 쇄파전의 영역 쇄파영역 및 쇄파후의 영역에

각각 원주구조물이 설치된 경우에 작용파력과 파랑변형의 특성을 조사하여 3D-NIT model의 적용성을 검토한다

42 수치파동수조

Fig 41과 같은 수심 30h cm= 를 갖는 규칙파동장의 경사수심역에 설치된 원주구조물을 대상으로 파력을

산정하며 적용한 규칙파는 주기 14secT = 파고 23456H cm= 이다 Table 41은 본 연구에서 대상으로

하는 수치파동수조의 특성을 나타내며 여기서 D는 원주구조물의 직경을 d는 경사수심이 이후의 수심을 나타

내고 s는 경사수심 끝단부로부터의 이격거리이다

(a) front view

20

(b) top view Fig 41 Definition sketch of 3D numerical wave tank for analysis of wavebreaking force acting on circular cylinder

Table 41 Condition of numerical analysis for circular cylinder shape of structure slope T(s) H(cm) h(cm) D(cm) d(cm) s(cm)

circular

cylinder

case1 110 14 2 3 4

5 6 30 60 4 0

case2 110 14 4 30 60 4 0 20 40

60 80

43 주변파동장

Fig 42는 원주구조물이 경사수심 끝단부에 위치할 때 파고 23456H cm= 로 변환될 경우의 원주구조물

로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면분포 및 단면분포를 나타낸 것이다 여기

서 파고 23H cm= 인 경우에는 쇄파현상이 발생하지 않지만 4H cm= 인 경우에는 경사수심이 끝나는 지점

에서 쇄파가 발생된다 이것은 수심이 낮아지면서 천수효과로 인해 파고가 쇄파한계를 넘어 쇄파가 발생된 것

으로 판단된다 그리고 56H cm= 인 경우에는 파고가 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생되

는 현상이 나타났다 이는 파고가 높아짐으로 인하여 쇄파한계가 경사수심의 끝단부 이전에서 나타난 것으로

보여진다

Fig 43은 case1에서 쇄파력이 원주구조물에 가장 영향이 많이 미칠 것으로 판단되는 파고 4H cm= 의 경

우에 대하여 원주구조물이 경사수심 끝단부로부터 이격거리 020406080s cm= 로 변환될 경우에 원주구조

물로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면 및 단면적인 변화양상을 나타낸 것이다

여기서 이격거리가 멀어짐에 따라 쇄파후 파의 재생성 과정을 통하여 정상상태의 파랑으로 전이되며 구조물

의 위치에 따른 구조물 전면부에서 처오름이 쇄파대 부분에 구조물이 위치할 경우보다 이격거리가 멀어질수록

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

yx

Wave

DSlope=110

500cm

21

작아지는 것을 확인할 수 있다

(a) 2 14sec 0H cm T s cm= = =

22

(b) 3 14sec 0H cm T s cm= = =

23

(c) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

24

(d) 5 14sec 0H cm T s cm= = =

25

(e) 6 14sec 0H cm T s cm= = =

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height

26

(a) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

27

(b) 4 14sec 20H cm T s cm= = =

28

(c) 4 14sec 40H cm T s cm= = =

29

(d) 4 14sec 60H cm T s cm= = =

30

(e) 4 14sec 80H cm T s cm= = =

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder

31

44 파력

Fig 44는 Fig 41에서 정의된 경사수심의 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 지점에 있어서 파고

23456H cm= 로 변화시킨 경우에 파력의 변화를 나타낸 것이다 결과를 살펴보면 파고 234H cm= 까

지는 파력이 증가하지만 5cm 이상부터는 오히려 파력이 감소하는 것을 알 수 있다 이는 Fig 42의 주변파동장

에서 파고가 5cm 이상부터 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생하여 쇄파로 인한 파랑에너지가

많이 소산된 것으로 판단된다 이러한 결과로 파고가 더 커지더라도 쇄파가 발생하는 위치에 따라 낮은 파고에

서도 높은 파력이 작용할 수 있다는 것이 확인되었다 따라서 수심이 얕아지는 천해역에서 방파제나 기타 구조

물을 설계함에 있어 구조물 전면부에서 쇄파가 발생하지 않도록 주의를 기울일 필요가 있을 것으로 판단된다

Fig 45는 Fig 41 에서 정의된 경사수심 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 일 때 최대로 파력이 작용하는 파

고 4H cm= 에 대하여 구조물의 이격거리 020406080s cm= 로 변화시켜 구조물의 이격거리에 따른 쇄

파력의 크기를 검토한 결과이고 Fig 46은 Fig 45의 이격거리 04080s cm= 의 경우 파력의 시계열을 나타낸

것이다 결과를 살펴보면 구조물의 이격거리가 증가함에 따라 파력이 감소하는 것이 나타났다 하지만 이격거

리 20s cm= 이후에서는 파력의 감소가 줄어든다 이는 쇄파로 인해 어느 정도 에너지가 소산되고 난 이후에

파고가 정상상태에 전이된 결과에 기인하는 것으로 판단된다

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1

0 1 2 3 4 5 6 7 8time(sec)

-10

0

10

20

30

F(N

)

H=2cmH=3cmH=4cmH=5cmH=6cm

32

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2

45 3차원불규칙수치파동수조에 의한 고립파의 적용

본 절에서는 3D-NIT model의 고립파로 적용성에 대하여 검토한다 고립파와 구조물과의 상호간섭을

해석하기 위하여 Fig 41과 같은 3차원수치파동수조를 고려한다 해석영역내에서는 수치적으로 고립파

를 발생시키기 위한 조파소스(Brorsen amp Lasen 1987 김 등 2001)와 무반사조파시스템을 위한 에너지감쇠

영역이 고려되고 3차원파동장에서 고립파의 작용하에 작용파압을 검토하기 위하여 경사수심을 갖는 불

투과지반에 연직주상구조물이 설치된다 조파소스에서 조파강도는 다음의 식(41)로 주어진다

0 20 40 60 80s(cm)

4

8

12

16F(

N)

0 2 4 6 8time(sec)

-5

0

5

10

15

20

F(N

)

s=0cms=40cms=80cm

33

( ) = 2 (41)

여기서 는 발생파의 수평유속성분을 각각 나타내며 본 연구에서는 조파소스강도 로서 식(42)과

같이 Grimshaw(1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사이론에 의한 수평방향유속 를 적용한다(Fenton

1972)

= ℎ[ minus minus + ] (42)

여기서 및 는 다음과 같이 정의된다

= minus 14 + + 1 + ℎ 32 minus 94

= 1940 + 15 minus 65 + 1 + ℎ minus 32 minus 154 + 152

= 1 + ℎ minus 38 minus 4516 + 4516

그리고 는 물입자의 연직방향 평균위치를 나타내며 와 는 다음의 식과 같이 정의된다

= ℎ (43)

= sech (44)

여기서 ℎ는 수심 는 고립파의 입사파고를 나타내며 와 는 각각 다음의 식으로 주어진다

= 34 1 minus 58 + 71128 (45)

= minus ℎ (46)

34

여기서 는 고립파의 파속으로 고립파의 3차근사이론에 의하면 다음의 식과 같이 표현된다

= ℎ 1 + 12 minus 320 + 356 (47)

Ohyama amp Nadaoka(1991)는 수치파동수조내에서 구조물이 설치될 경우 조파소스의 위치에서 반사파

의 영향을 고려하여 조파소스지점에서 연직적분치가 반사파가 없는 경우와 분포형상이 상사되도록 다

음의 식을 고려하고 있다

= 2 + ℎ + ℎ (48)

여기서 와 는 각각 조파소스의 위치에서 수위변동과 조파소스에 의해 기대되는 수위변동이다

본 연구에서 는 다음의 식과 같은 고립파의 3차근사식을 적용하여 산정된다(Fenton 1972)

= ℎ 1 + + 58 minus 10180 (49)

여기서 는 다음의 식(410)과 같이 주어진다

= tanh minus ℎ (410)

이상의 관계식을 3D-NIT model에 적용하여 고립파를 수치조파한다 전술한 결과에서 최대파력이 작용하는

Fig 41에서 이격거리 0s cm= 인 경우에 고립파의 파고 23456iH cm= 일 때 주변파동장의 변화양상을

Fig 47(a)~(e)에 나타내었다 결과를 살펴보면 단주기규칙파에서의 결과와는 달리 파고의 증가에도 구조물 전면

부에서 쇄파가 발생하지 않았다 이는 상대적으로 긴 파장으로 인하여 Ursell수가 작아지기 때문으로 판단된다

그리고 구조물 전면부에서 고립파로 인한 급격한 처오름현상이 확인되고 연직주상구조물로 인한 회절현상을

약간 확인할 수 있지만 파장이 상대적으로 길기 때문에 회절파라미터가 작아져 결과적으로 단주기파랑보다 회

절현상이 작아진다

연직주상구조물의 전면부에 작용하는 파력분포를 Fig 48에 나타내었다 결과를 살펴보면 모두 정수면에서

최대파력이 작용하고 파고가 증가함에 따라 구조물에 작용하는 최대파력이 거의 선형적으로 증가하는 것을 알

수 있다 이는 기본적으로 규칙파와 달리 쇄파가 발생하지 않고 경사수심으로 인한 고립파의 파고변화가 크게

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 17: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

5

(1 )(1 )(1 )

(1 )

v v v M

x x x M

y y y M

z z z M

CCCC

l g gl g gg g g

g g g

= + -

= + -

= + -

= + -

(25)

여기서 MC 은 관성력계수 x y zR R R 는 투과층(porous media)에서의 저항력이고 식(26)과 같이 주어진다

2 2 2

2 2 2

2 2 2

1 (1 )21 (1 )21 (1 )2

Dx x

Dy y

Dz z

CR u u v wx

CR v u v wy

CR w u v wz

g

g

g

= - + +D

= - + +D

= - + +D

(26)

여기서 DC 는 항력계수 x y zD D D 는 x y z 방향의 격자간격이다

본 연구에서는 이상의 이론에 근거한 3D-NIT model을 사용하여 규칙파 및 불규칙파의 해석을 수행한다 규

칙파 및 불규칙파의 해석에서 대상구조물이 불투과성인 경우에는 기초방정식에서 체적공극율 면적공극율 및

투과층내의 저항력을 무시하면 된다 그리고 계산에서는 양측면과 바닥에는 불투과경계조건을 적용하였다

23 난류모델

난류모델에는 실용성이 높고 여러 분야에서 사용되고 있는 고 Reynolds형의 k e- 모델을 채용하였다

k e- 모델에서는 유속의 변동량 u v w 을 사용하여 난류에너지 k 와 난류에너지일산함수 e 을 다음과 같

이 정의한다

2 2 21 ( )2

k u v w= + + (27)

2 22 2 2 2 2u v w w v uvx y z x y z

eigrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para para paraiuml iumlaelig ouml aelig ouml= + + + + +iacute yacuteccedil divide ccedil divideccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslash egrave oslashegrave oslash egrave oslashiuml iumlicirc thorn

(28)

따라서 k 와 e 은 이하에 나타내는 이류확산방정식을 풀어서 산정할 수 있다

6

yx z

v x k y k

z k v s v

vkuk wkk k kv vt x y z x x y y

kv Gz z

gg gg g g

g g g e

para igrave uumlaelig oumlpara para igrave uumlpara para para para paraiuml iumlaelig ouml+ + + = +iacute yacute iacute yacuteccedil divideccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslash iuml iumlicirc thorn egrave oslashicirc thornigrave uumlpara paraaelig ouml+ + -iacute yacuteccedil dividepara paraegrave oslashicirc thorn

(29)

2

1 2

yx zv x y

z v s v

vu w v vt x y z x x y y

v C G Cz z k k

e e

e

g eg e g ee e eg g g

e e eg g g

para igrave uumlaelig oumlpara para igrave uumlpara para para para paraiuml iumlaelig ouml+ + + = +iacute yacute iacute yacuteccedil divideccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslash iuml iumlicirc thorn egrave oslashicirc thornigrave uumlpara paraaelig ouml+ + -iacute yacuteccedil dividepara paraegrave oslashicirc thorn

(210)

2 22 2

2 2 2s tu v w w v uG vx y z x y z

igrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para para paraiuml iumlaelig ouml aelig ouml= + + + + +iacute yacuteccedil divide ccedil divideccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslash egrave oslashegrave oslash egrave oslashiuml iumlicirc thorn (211)

여기서 와동점성계수 및 확산계수는 다음과 같이 주어진다

2

t

C kv m

e= (212)

tk

k

vv vs

= + (213)

tvv vees

= + (214)

또한 위의 식에서 나타나는 1 2 kC C Cm es s 는 경험정수로 보통 009 100 130kCm es s= = =

1 2144 192C C= = 가 사용된다 그리고 k e- 모델에서 구한 난류효과는 Navier-Stokes방정식에서 동점성계

수 및 압력을 각각 다음의 식과 같이 취급함으로써 유속 및 압력에 반영된다

e tv v v= + (215)

23

p p kr= + (216)

7

24 이류방정식

3D-NIT model은 수면을 추적하기 위해 VOF법을 이용하고 있다 VOF함수 F는 일정 물리량인 유체의 체적율

로서 0leFle1의 범위를 가진다 여기서 F=1일 경우는 유체셀로 F=0일 경우는 기체셀로 0ltFlt1일 경우는 표면셀

로 각각 판단하여 자유수면을 추적하게 되며 다음의 이류방정식(217)에 의해 VOF함수가 이류된다

( )( ) ( )( ) yx zvFuF wFF Fqt x y z

ee ee parapara parapara+ + + =

para para para para (217)

25 격자설정 방법

3D-NIT model은 기초방정식을 유한차분법으로 차분근사하여 수치계산을 수행한다 그리고 계산영역을 크기

가 일정한 직사각형의 격자로 분할하고 셀 전체에 유체가 있는 경우를 유체셀 셀 전체에 기체가 있는 경우를

기체셀 셀내에 유체와 기체가 혼합되어 있는 경우를 표면셀 셀 전체에 구조물이 있는 경우를 구조물셀로 각각

정의한다 또한 셀 주위에는 직접 계산에 이용되지는 않지만 경계처리시에 필요한 가상셀을 둔다 격자를 설정

한 후에는 각 셀에서의 유속 u v w를 각각 셀 경계인 오른쪽과 위쪽에 위치시키고 압력 p 조파소스의 유량

밀도 q 및 VOF함수 F 를 각각 셀 중심에 위치하도록 하여 변수들을 엇갈리게 격자를 구성하는 엇갈린 격자

(staggerd mesh)를 적용한다

26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파

3D-NIT model은 규칙파뿐만 아니라 불규칙파에 대해서도 계산이 가능한 수치모델로 3D-NIT model을 이용하

여 불규칙파를 검토하는 경우에 조파지점에서의 수위변동 및 물입자속도(수평 및 연직유속)을 사용자가 독자적

으로 입력데이터로 작성할 필요가 있다 일반적으로 불규칙파랑은 선형이론으로부터 얻어진 규칙파의 중첩으로

조파되지만 해석시간이 증가됨에 따라 평균수위가 상승하는 문제가 발생하여 계산이 불가능하게 된다 따라서

불규칙파랑의 조파와 같은 장시간의 해석시간이 요구되는 경우에 평균수위의 상승으로 인하여 요구되는 100파

정도의 파수를 얻기까지는 무리가 있을 수 있고 결과가 얻어졌다고 하여도 신뢰성에 문제가 있다

본 연구에서는 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우에 문제로 지적되는 평균수위상승을 억

제하면서 안정적으로 불규칙파가 조파될 수 있는 시스템을 기술(Fujiwara 2005)한다 그리고 불규칙파의 파운동

을 디지털방식으로 작성하는 Goda방법에 따른 불규칙파의 조파방법도 간략히 기술한다 불규칙파의 조파방법

은 선형이론으로부터 얻어진 성분파의 주파수에 하나씩 순번을 붙여서 이를 무한급수의 합으로 고려하는 것이

다 조파지점에 있어서는 수면파형 η 수평 및 연직유속 (uw)의 시간적인 변동이 필요하게 되며 이들은 각각 식

8

(218)sim(220)로 주어진다

1( ) cos(2 )

M

m m mm

t a f th p e=

= -aring (218)

1

cosh ( )( ) 2 cos(2 )sinh

Mm

m m m mm m

k h zu z t f a f tk h

p p e=

+= -aring (219)

1

sinh ( )( ) 2 sin(2 )sinh

Mm

m m m mm m

k h zw z t f a f tk h

p p e=

+= -aring (220)

여기서 me 은 random한 위상각 mf 은 주파수 ma 은 진폭 mk 은 파수 M은 성분파의 수 h는 수심이다 단

연직좌표 z 는 정수면에서 상방향을 (+)로 취하고 me 및 mf 의 선택방법은 후술되며 진폭 ma 은 다음의 식

(221)로 정의된다

2 ( )ma S f f= D (221)

여기서 fD 는 주파수폭 ( )S f 는 파랑에너지밀도이며 불규칙파의 스펙트럼은 불규칙파를 모의하는 데에

널리 사용되고 있는 식(222)의 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970) 스펙트럼을 적용하였다

2 4 5 413 13 13( ) 0257 exp 103( )S f H T f T F- - -eacute ugrave= -euml ucirc (222)

여기서 13H 은 유의파고 13T 은 유의파주기를 각각 나타낸다 일반적으로 수치해석을 통해 불규칙파를 검

토하는 경우 해석시간이 증가됨에 따라 평균수위가 상승하는 문제가 있다(CDIT 2001) 본 연구에서는 평균수위

상승을 억제하는 방법으로 조파지점에서 수평유속을 산출할 때 각 성분파에 대응하는 Stokes파의 질량수송속도

(mass transport velocity)를 빼주는 방법을 적용한다(Fujiwara 2005) 즉 식(219)에서 질량수송속도를 뺀 수평유속은

식(223)과 같이 표현된다

1

cosh ( )( ) 2 cos(2 )sinh

Mm

mm m m mm m

k h zu z t f a f t Uk h

p p e=

igrave uuml+= - -iacute yacute

icirc thornaring (223)

여기서 Stokes파의 질량수송속도 mU 은 성분파를 나타내는 m 을 제외하여 나타내면 다음의 식(224)와 같이

9

주어진다

2

cosh 4 ( ) 12 sinh (2 )

mm m mm

m m m

H H h z LUT L h L

p p pp+

= (224)

여기서 mz 은 물입자의 평균위치를 나타낸다

27 난수의 발생방법

난수(random numbers)는 random한 현상을 다루는 수치해석에서 많이 사용되는 매우 중요한 부분이다 난수를

발생시키는 방법에는 물리적인 방법과 수식을 이용한 방법이 있으며 물리적인 방법으로 난수를 발생시킬 경우

에는 많은 시간이 소요되며 컴퓨터를 이용한 모의실험에는 사용할 수 없다는 단점이 있다 따라서 수치해석에

사용되는 난수는 수식을 이용하여 발생되며 이러한 방법을 이용한 대표적인 난수발생방법으로 중양제곱법

(mid-squar method) 합동법(congruential method) 그리고 시프트법(shift method) 등이 있다(조 등 1992)

본 연구에서는 합동법에 기초하여 난수를 발생시켰고 난수발생은 IMSL(International Mathematical and Statistical

Library)의 난수발생기(random number generator)를 이용하였으며 그 알고리즘음 다음과 같다(Compaq computer

corporation 2001)

먼저 임의정수 1X 은 seed number이며 mod( )Y b 는 Y 를 b 로 나눈 나머지를 나타낸다 이러한 계산이 임

의주기 동안 진행되면서 1X 은 2X 로 변환되고 연속된 정수 iX 를 산출하는 과정을 반복한다 0과 1사이에 할

당된 난수는 식(225)에 의해 얻어질 수 있으며 상수는 식(226)에 나타낸 특수한 값으로 주어진다

12i iR X q i= = (225)

36 357909 2 2 1a b q= = = - (226)

이러한 과정에서 임의정수 iX 가 352 을 초과할 경우 iX 는 정수 35(2 1)- 로 변환된 후 계산이 수행되며

식(225)로부터 구한 난수는 [01] 사이에 분포한다

이로부터 불규칙파의 각 성분파간의 위상각 me 은 Fig 22에 나타낸 바와 같이 [01] 사이에 분포하는 난수를

발생시킨 후 위상을 조정하기 위해 2p 를 곱하여 [02 ]p 사이에 분포하는 값을 취하는 것으로 하였다

28 주파수의 선택방법

불규칙파를 모의하기 위한 주파수 mf

의 성분파의 진폭이 거의 같도록

Mitsuyasu(Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼에

다음의 식(227)을 이용하여 주파수 mf

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - =

10

주파수 mf 의 선택방법에는 주파수스펙트럼을 등구간으로

하는 등에너지로 분할하는 방법 등이 있다 본 연구에서는

스펙트럼에 대해 등에너지로 스펙트럼을 분할할 수 있는 Goda(1985)

mf 을 선택하였다

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - =

Fig 22 Random phase angle

mf 등구간으로 분할하는 방법과 각각

연구에서는 Bretshneider-

Goda(1985)에 의해 제안된

mf

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - = (227)

11

3장 수치해석의 검증

31 개요

일본의 연안개발기술센터(沿岸開發技術硏究セソタ 2001)에서 개발한 수치파동수조 CADMAS-SURF와 같은

2차원규칙파에 대한 연구는 많이 수행되고 있지만 2차원불규칙파와 3차원불규칙파에 대한 연구는 찾아보기가

어렵다

최근 개발되고 있는 방파제 및 호안의 경우 구조물의 형상이 복잡한 특수방파제가 많이 적용되고 있다 하지

만 이러한 방파제를 2차원으로 적용 ∙ 계산하기에는 반사율 파압분포 및 월파량의 추정치가 실제의 3차원의 경

우와는 상이한 결과가 발생할 것으로 판단된다 따라서 본 연구에서는 3차원수치파동수조인 3D-NIT model의 조

파성능에 대해 먼저 검토한다 그리고 3D-NIT model을 이용하여 규칙파 및 불규칙파를 조파하고 眞田(1998)의

수리실험과 비교 ∙ 검토함으로써 결과의 타당성을 논의한다 또한 불규칙파동장에 경사수심역에 설치된 호안을

대상으로 호안 배후로 전달되는 월파량을 산정하고 이의 결과를 실험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를

검토하고 더불어 파력의 실험치( Chakrabarti 1975)와 비교 ∙ 검토함으로써 결과의 타당성을 논의한다

32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증

불규칙파의 조파성능을 검증하기 위하여 Fig 31과 같은 구조물이 설치되지 않은 수심 219h m= 의 3차원

수치파동수조(부가감쇠영역과 해석영역으로 구성되었으며 격자크기는 1 05 05x m y m z mD = D = D = 로 설

정)에서 유의파고 13 7H m= 유의주기 13 1225secT = 를 목표로 성분파 200개를 선형중첩하여 불규칙파를

조파하였다 그리고 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을 방지하기

위하여 설치된 부가감쇠영역의 길이 aL 는 목표파 파장 0L 의 2배 이상으로 하였다 Fig 32는 조파지점에서의

계산파형을 목표한 파형과 비교한 그림으로 장시간의 해석에도 평균수위상승은 크게 나타나지 않으며 목표한

파형과 비교하여 전체적으로 파형과 위상이 잘 일치하고 있음을 확인할 수 있다

12

Fig 31 Schematic sketch of numerical wave tank

Fig 32 Comparison of target and calculated wave profiles at wave source position

3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 따른 연직원주구조물주변의 파랑변형에 대

하여 해석해 및 2차오더의 회절산란포텐셜을 유도한 眞田(1998)의 수치해석결과 및 수리실험결과와 본 수치해

석결과를 비교ᆞ검토한다

Fig 33은 비교에 적용된 3차원수치파동수조 및 연직원주구조물의 제원을 나타내며 이때 수치파동수조의 수

심은 45h cm= 로 일정하며 입사파고 3H cm= 입사주기 01sect = 의 규칙파에 대하여 수치계산을 수행하

였다 그리고 수치계산에서는 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을

방지하기 위하여 부가감쇠영역을 설치하며(Hinatsu 1992) 부가감쇠영역의 길이는 입사파장 L 의 2배 이상으로

하였다

x축을 따른 y=0 y=25cm의 위치 및 연직원주구조물의 주위에서 무차원최대수면상승고 max2h ( maxh 는 최대수

위값)의 공간분포에 대하여 眞田(1998)의 수치해석해석결과 및 수리실험결과와 비교한 본 계산결과를 Fig 34에

각각 제시하였고 다음의 결과를 살펴보면 원주 전면의 표면에서 가장 큰 무차원최대수면상승고가 나타났고 이

는 원주구조물의 전면에서 구조물에 의해 반사되는 회절산란파와 입사파의 중첩으로 부분중복파가 형성된것으

로 판단된다 그리고 Fig 34 (a)와 (b)에서 본 연구의 수치해석결과가 眞田(1998)의 수리실험치를 전체적으로 잘

재현하고 있으며 그 정도는 매우 높은 것으로 판단된다

()

mh

13

(a) Plan view

(b) Side view

Fig 33 Definition sketch of 3D numerical wave tank for comparison of wave transformation

(a) y=0cm

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zoneWave source

Wave

x

y

O

Open boundary Open boundary

Wave

Calculation zone

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

Wave source

2L 2L

z

O

45

33

50 30

x

Unitcm

14

(b) y=25cm

Fig 34 Comparison of spatial distribution of non-dimensional maximum water levels

33 월파량의 검토

본 절에서는 앞서 검토한 결과를 바탕으로 호안 배후로 전달되는 파랑의 월파량을 산정하고 이의 결과를 실

험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를 검토한다

Fig 35는 본 연구에서 월파량 산정을 위하여 고려된 수치파동수조고 Fig 36은 Fig 35의 수치파동수조에서

호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화를 파라미터로하여 산정된 호안월파량을 Goda(1985)의 실험치와 비교한

결과이다 이 때 적용한 파 조건은 주기 0 1383secT = 파고

0 4H m= 를 목표로 설정하였다 그리고 월파량

산정에 이용한 불규칙파는 파가 안정적으로 판단되는 조파개시후 50sec에서부터 600sec 사이의 파이며 월파량

은 호안의 천단상부에 설치된 수평유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 시간평균하여 산정하였다(Goda

1985)

Fig 36의 결과를 살펴보면 호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화에 따른 월파량의 변화특성을 살펴보면 본

연구의 계산치는 실험치를 잘 재현하고 있을 뿐 아니라 산정된 월파량의 정도는 실험치와 비교하여 상당히 높

은 것으로 판단된다

Fig 35 Numerical setup for wave overtopping over vertical seawall on a sea bottom slope of 110

15

Fig 36 Comparison between experimental and numerical results for wave overtopping rate over vertical seawall on a sea bottom

slope of 110 ( 0 0 0017H L = )

34 월파현상의 재현

Fig 37은 Fig 36의 0 0 075 15ch H h H= = 의 경우에 대한 월파에 따른 주변파동장의 변화를 나타낸

일례이다 그림을 살펴보면 본 연구의 수치파동수조는 기대하는 불규칙파동장을 잘 재현하는 것으로 판단된다

그리고 경사수심역상에는 수심변동으로 인한 천수변형을 확인할 수 있으며 호안의 천단상에서는 호안월파로

인하여 배후면으로 낙하되는 빠른 유속이 관찰된다 따라서 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장의 재현

및 수심변동에 따른 천수변형 호안월파로 인한 배후면의 파동장교란 등에 대해 고정도의 결과도 기대할 수 있

고 따라서 향후 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장하에 복잡한 형태를 가진 특수방파제 등에 의한 주변

파동장의 3차원적인 응답해석 및 월파현상을 확인하는데도 충분히 이용 가능할 것으로 판단된다

16

Fig 37 Spatial variation of irregular waves on a sea bottom slpoe of 110 ( 0 0 075 15ch H h H= = )

17

35 파력의 검증

다음으로 연직원주구조물에 작용하는 파력특성에 대하여 116h a = (a는 연직원주구조물의 반경)

0232H a = 인 경우에 기존의 수리실험결과(Chakrabarti and Tam 1975) 및 수치해석결과(喜岡와 石田 1984 村

上 등 1993)와 본 연구의 수치해석결과를 비교ᆞ검토한다 Fig 38은 해석에 이용된 연직원주구조물의 제원을 나

타내며 무차원최대파력 2max ( 2)F ga Hr 에 대하여 기존의 수리실험 및 수치해석결과와 비교한 것을 Fig

39에 제시하였다 결과를 살펴보면 실험치가 주어져 있는 kagt07(k는 파수 k=2 L)의 범위에서는 본 연구의 수치

해석결과는 수리실험결과를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되며 실험치가 주어지지 않은 kalt05의 범위에서 村

上 등(1993)의 결과는 Stokes 2차파이론의 적용범위를 초과하므로 발산하고 있다 이는 kalt05의 범위는 DLlt02

인 항력이 지배적인 소형구조물의 영역으로 기존의 해석법으로 파력을 산정하는데는 과도한 계산시간으로 파

력산정에 다소 무리가 있으며 항력과 관성력을 동시에 고려할 수 있는 Navier-Stokes의 운동방정식에 근거한 본

연구의 수치해석결과가 타당한 것으로 판단된다

Fig 38 Definition sketch for comparison of wave force acting on the circular cylinder

x

y

zWave

h

a

18

Fig 39 Comparison of non-dimensional maximum wave force acting on the circular cylinder

이상의 3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 의한 파랑변형 및 구조물에 작용하

는 파력의 수치해석결과가 실험치를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되므로 본 연구의 타당성이 검증된다

0 05 1 15 2ka

0

1

2

3

4

5

6F m

axr

ga2 (

H2

)This studyExp(Chakrabarti amp Tam 1975)Cal(Shin 2008)Cal(Murakami et al 1993)Cal(Kioka and Ishida 1984)

19

4 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장

해석에 적용

41 개요

해역에 설치된 구조물은 파력 풍력 조류력 등의 외력을 지속적으로 받기 때문에 구조물의 경우 극한의 파

랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충분한 강도를 가지도록 설계할 필요가 있다 본 연구에서는 해역에서 쇄파

가 발생할 때 원주구조물에 작용하는 쇄파력과 파랑변형을 논의한다 쇄파에 대한 이론 및 실험적 연구는 오래

전부터 많은 연구자들에 의해서 수행되어 왔고 최근에는 과도수파생성법(조 등 2001)에 의한 쇄파현상의 재현

및 비선형파의 3차원수치해석법에 의한 연구가 수행되고 있다(신 2008) 본 논문에서는 3차원불규칙파수치파동

수조 3D-NIT model을 적용하여 쇄파가 발생할 경우에 쇄파가 구조물에 미치는 영향에 대하여 검토하고 이와

연계하여 구조물에 작용하는 쇄파력의 크기를 분석한다 그리고 쇄파전의 영역 쇄파영역 및 쇄파후의 영역에

각각 원주구조물이 설치된 경우에 작용파력과 파랑변형의 특성을 조사하여 3D-NIT model의 적용성을 검토한다

42 수치파동수조

Fig 41과 같은 수심 30h cm= 를 갖는 규칙파동장의 경사수심역에 설치된 원주구조물을 대상으로 파력을

산정하며 적용한 규칙파는 주기 14secT = 파고 23456H cm= 이다 Table 41은 본 연구에서 대상으로

하는 수치파동수조의 특성을 나타내며 여기서 D는 원주구조물의 직경을 d는 경사수심이 이후의 수심을 나타

내고 s는 경사수심 끝단부로부터의 이격거리이다

(a) front view

20

(b) top view Fig 41 Definition sketch of 3D numerical wave tank for analysis of wavebreaking force acting on circular cylinder

Table 41 Condition of numerical analysis for circular cylinder shape of structure slope T(s) H(cm) h(cm) D(cm) d(cm) s(cm)

circular

cylinder

case1 110 14 2 3 4

5 6 30 60 4 0

case2 110 14 4 30 60 4 0 20 40

60 80

43 주변파동장

Fig 42는 원주구조물이 경사수심 끝단부에 위치할 때 파고 23456H cm= 로 변환될 경우의 원주구조물

로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면분포 및 단면분포를 나타낸 것이다 여기

서 파고 23H cm= 인 경우에는 쇄파현상이 발생하지 않지만 4H cm= 인 경우에는 경사수심이 끝나는 지점

에서 쇄파가 발생된다 이것은 수심이 낮아지면서 천수효과로 인해 파고가 쇄파한계를 넘어 쇄파가 발생된 것

으로 판단된다 그리고 56H cm= 인 경우에는 파고가 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생되

는 현상이 나타났다 이는 파고가 높아짐으로 인하여 쇄파한계가 경사수심의 끝단부 이전에서 나타난 것으로

보여진다

Fig 43은 case1에서 쇄파력이 원주구조물에 가장 영향이 많이 미칠 것으로 판단되는 파고 4H cm= 의 경

우에 대하여 원주구조물이 경사수심 끝단부로부터 이격거리 020406080s cm= 로 변환될 경우에 원주구조

물로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면 및 단면적인 변화양상을 나타낸 것이다

여기서 이격거리가 멀어짐에 따라 쇄파후 파의 재생성 과정을 통하여 정상상태의 파랑으로 전이되며 구조물

의 위치에 따른 구조물 전면부에서 처오름이 쇄파대 부분에 구조물이 위치할 경우보다 이격거리가 멀어질수록

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

yx

Wave

DSlope=110

500cm

21

작아지는 것을 확인할 수 있다

(a) 2 14sec 0H cm T s cm= = =

22

(b) 3 14sec 0H cm T s cm= = =

23

(c) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

24

(d) 5 14sec 0H cm T s cm= = =

25

(e) 6 14sec 0H cm T s cm= = =

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height

26

(a) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

27

(b) 4 14sec 20H cm T s cm= = =

28

(c) 4 14sec 40H cm T s cm= = =

29

(d) 4 14sec 60H cm T s cm= = =

30

(e) 4 14sec 80H cm T s cm= = =

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder

31

44 파력

Fig 44는 Fig 41에서 정의된 경사수심의 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 지점에 있어서 파고

23456H cm= 로 변화시킨 경우에 파력의 변화를 나타낸 것이다 결과를 살펴보면 파고 234H cm= 까

지는 파력이 증가하지만 5cm 이상부터는 오히려 파력이 감소하는 것을 알 수 있다 이는 Fig 42의 주변파동장

에서 파고가 5cm 이상부터 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생하여 쇄파로 인한 파랑에너지가

많이 소산된 것으로 판단된다 이러한 결과로 파고가 더 커지더라도 쇄파가 발생하는 위치에 따라 낮은 파고에

서도 높은 파력이 작용할 수 있다는 것이 확인되었다 따라서 수심이 얕아지는 천해역에서 방파제나 기타 구조

물을 설계함에 있어 구조물 전면부에서 쇄파가 발생하지 않도록 주의를 기울일 필요가 있을 것으로 판단된다

Fig 45는 Fig 41 에서 정의된 경사수심 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 일 때 최대로 파력이 작용하는 파

고 4H cm= 에 대하여 구조물의 이격거리 020406080s cm= 로 변화시켜 구조물의 이격거리에 따른 쇄

파력의 크기를 검토한 결과이고 Fig 46은 Fig 45의 이격거리 04080s cm= 의 경우 파력의 시계열을 나타낸

것이다 결과를 살펴보면 구조물의 이격거리가 증가함에 따라 파력이 감소하는 것이 나타났다 하지만 이격거

리 20s cm= 이후에서는 파력의 감소가 줄어든다 이는 쇄파로 인해 어느 정도 에너지가 소산되고 난 이후에

파고가 정상상태에 전이된 결과에 기인하는 것으로 판단된다

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1

0 1 2 3 4 5 6 7 8time(sec)

-10

0

10

20

30

F(N

)

H=2cmH=3cmH=4cmH=5cmH=6cm

32

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2

45 3차원불규칙수치파동수조에 의한 고립파의 적용

본 절에서는 3D-NIT model의 고립파로 적용성에 대하여 검토한다 고립파와 구조물과의 상호간섭을

해석하기 위하여 Fig 41과 같은 3차원수치파동수조를 고려한다 해석영역내에서는 수치적으로 고립파

를 발생시키기 위한 조파소스(Brorsen amp Lasen 1987 김 등 2001)와 무반사조파시스템을 위한 에너지감쇠

영역이 고려되고 3차원파동장에서 고립파의 작용하에 작용파압을 검토하기 위하여 경사수심을 갖는 불

투과지반에 연직주상구조물이 설치된다 조파소스에서 조파강도는 다음의 식(41)로 주어진다

0 20 40 60 80s(cm)

4

8

12

16F(

N)

0 2 4 6 8time(sec)

-5

0

5

10

15

20

F(N

)

s=0cms=40cms=80cm

33

( ) = 2 (41)

여기서 는 발생파의 수평유속성분을 각각 나타내며 본 연구에서는 조파소스강도 로서 식(42)과

같이 Grimshaw(1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사이론에 의한 수평방향유속 를 적용한다(Fenton

1972)

= ℎ[ minus minus + ] (42)

여기서 및 는 다음과 같이 정의된다

= minus 14 + + 1 + ℎ 32 minus 94

= 1940 + 15 minus 65 + 1 + ℎ minus 32 minus 154 + 152

= 1 + ℎ minus 38 minus 4516 + 4516

그리고 는 물입자의 연직방향 평균위치를 나타내며 와 는 다음의 식과 같이 정의된다

= ℎ (43)

= sech (44)

여기서 ℎ는 수심 는 고립파의 입사파고를 나타내며 와 는 각각 다음의 식으로 주어진다

= 34 1 minus 58 + 71128 (45)

= minus ℎ (46)

34

여기서 는 고립파의 파속으로 고립파의 3차근사이론에 의하면 다음의 식과 같이 표현된다

= ℎ 1 + 12 minus 320 + 356 (47)

Ohyama amp Nadaoka(1991)는 수치파동수조내에서 구조물이 설치될 경우 조파소스의 위치에서 반사파

의 영향을 고려하여 조파소스지점에서 연직적분치가 반사파가 없는 경우와 분포형상이 상사되도록 다

음의 식을 고려하고 있다

= 2 + ℎ + ℎ (48)

여기서 와 는 각각 조파소스의 위치에서 수위변동과 조파소스에 의해 기대되는 수위변동이다

본 연구에서 는 다음의 식과 같은 고립파의 3차근사식을 적용하여 산정된다(Fenton 1972)

= ℎ 1 + + 58 minus 10180 (49)

여기서 는 다음의 식(410)과 같이 주어진다

= tanh minus ℎ (410)

이상의 관계식을 3D-NIT model에 적용하여 고립파를 수치조파한다 전술한 결과에서 최대파력이 작용하는

Fig 41에서 이격거리 0s cm= 인 경우에 고립파의 파고 23456iH cm= 일 때 주변파동장의 변화양상을

Fig 47(a)~(e)에 나타내었다 결과를 살펴보면 단주기규칙파에서의 결과와는 달리 파고의 증가에도 구조물 전면

부에서 쇄파가 발생하지 않았다 이는 상대적으로 긴 파장으로 인하여 Ursell수가 작아지기 때문으로 판단된다

그리고 구조물 전면부에서 고립파로 인한 급격한 처오름현상이 확인되고 연직주상구조물로 인한 회절현상을

약간 확인할 수 있지만 파장이 상대적으로 길기 때문에 회절파라미터가 작아져 결과적으로 단주기파랑보다 회

절현상이 작아진다

연직주상구조물의 전면부에 작용하는 파력분포를 Fig 48에 나타내었다 결과를 살펴보면 모두 정수면에서

최대파력이 작용하고 파고가 증가함에 따라 구조물에 작용하는 최대파력이 거의 선형적으로 증가하는 것을 알

수 있다 이는 기본적으로 규칙파와 달리 쇄파가 발생하지 않고 경사수심으로 인한 고립파의 파고변화가 크게

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 18: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

6

yx z

v x k y k

z k v s v

vkuk wkk k kv vt x y z x x y y

kv Gz z

gg gg g g

g g g e

para igrave uumlaelig oumlpara para igrave uumlpara para para para paraiuml iumlaelig ouml+ + + = +iacute yacute iacute yacuteccedil divideccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslash iuml iumlicirc thorn egrave oslashicirc thornigrave uumlpara paraaelig ouml+ + -iacute yacuteccedil dividepara paraegrave oslashicirc thorn

(29)

2

1 2

yx zv x y

z v s v

vu w v vt x y z x x y y

v C G Cz z k k

e e

e

g eg e g ee e eg g g

e e eg g g

para igrave uumlaelig oumlpara para igrave uumlpara para para para paraiuml iumlaelig ouml+ + + = +iacute yacute iacute yacuteccedil divideccedil dividepara para para para para para para paraegrave oslash iuml iumlicirc thorn egrave oslashicirc thornigrave uumlpara paraaelig ouml+ + -iacute yacuteccedil dividepara paraegrave oslashicirc thorn

(210)

2 22 2

2 2 2s tu v w w v uG vx y z x y z

igrave uumlaelig ouml aelig oumlpara para para para para paraiuml iumlaelig ouml aelig ouml= + + + + +iacute yacuteccedil divide ccedil divideccedil divide ccedil dividepara para para para para paraegrave oslash egrave oslashegrave oslash egrave oslashiuml iumlicirc thorn (211)

여기서 와동점성계수 및 확산계수는 다음과 같이 주어진다

2

t

C kv m

e= (212)

tk

k

vv vs

= + (213)

tvv vees

= + (214)

또한 위의 식에서 나타나는 1 2 kC C Cm es s 는 경험정수로 보통 009 100 130kCm es s= = =

1 2144 192C C= = 가 사용된다 그리고 k e- 모델에서 구한 난류효과는 Navier-Stokes방정식에서 동점성계

수 및 압력을 각각 다음의 식과 같이 취급함으로써 유속 및 압력에 반영된다

e tv v v= + (215)

23

p p kr= + (216)

7

24 이류방정식

3D-NIT model은 수면을 추적하기 위해 VOF법을 이용하고 있다 VOF함수 F는 일정 물리량인 유체의 체적율

로서 0leFle1의 범위를 가진다 여기서 F=1일 경우는 유체셀로 F=0일 경우는 기체셀로 0ltFlt1일 경우는 표면셀

로 각각 판단하여 자유수면을 추적하게 되며 다음의 이류방정식(217)에 의해 VOF함수가 이류된다

( )( ) ( )( ) yx zvFuF wFF Fqt x y z

ee ee parapara parapara+ + + =

para para para para (217)

25 격자설정 방법

3D-NIT model은 기초방정식을 유한차분법으로 차분근사하여 수치계산을 수행한다 그리고 계산영역을 크기

가 일정한 직사각형의 격자로 분할하고 셀 전체에 유체가 있는 경우를 유체셀 셀 전체에 기체가 있는 경우를

기체셀 셀내에 유체와 기체가 혼합되어 있는 경우를 표면셀 셀 전체에 구조물이 있는 경우를 구조물셀로 각각

정의한다 또한 셀 주위에는 직접 계산에 이용되지는 않지만 경계처리시에 필요한 가상셀을 둔다 격자를 설정

한 후에는 각 셀에서의 유속 u v w를 각각 셀 경계인 오른쪽과 위쪽에 위치시키고 압력 p 조파소스의 유량

밀도 q 및 VOF함수 F 를 각각 셀 중심에 위치하도록 하여 변수들을 엇갈리게 격자를 구성하는 엇갈린 격자

(staggerd mesh)를 적용한다

26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파

3D-NIT model은 규칙파뿐만 아니라 불규칙파에 대해서도 계산이 가능한 수치모델로 3D-NIT model을 이용하

여 불규칙파를 검토하는 경우에 조파지점에서의 수위변동 및 물입자속도(수평 및 연직유속)을 사용자가 독자적

으로 입력데이터로 작성할 필요가 있다 일반적으로 불규칙파랑은 선형이론으로부터 얻어진 규칙파의 중첩으로

조파되지만 해석시간이 증가됨에 따라 평균수위가 상승하는 문제가 발생하여 계산이 불가능하게 된다 따라서

불규칙파랑의 조파와 같은 장시간의 해석시간이 요구되는 경우에 평균수위의 상승으로 인하여 요구되는 100파

정도의 파수를 얻기까지는 무리가 있을 수 있고 결과가 얻어졌다고 하여도 신뢰성에 문제가 있다

본 연구에서는 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우에 문제로 지적되는 평균수위상승을 억

제하면서 안정적으로 불규칙파가 조파될 수 있는 시스템을 기술(Fujiwara 2005)한다 그리고 불규칙파의 파운동

을 디지털방식으로 작성하는 Goda방법에 따른 불규칙파의 조파방법도 간략히 기술한다 불규칙파의 조파방법

은 선형이론으로부터 얻어진 성분파의 주파수에 하나씩 순번을 붙여서 이를 무한급수의 합으로 고려하는 것이

다 조파지점에 있어서는 수면파형 η 수평 및 연직유속 (uw)의 시간적인 변동이 필요하게 되며 이들은 각각 식

8

(218)sim(220)로 주어진다

1( ) cos(2 )

M

m m mm

t a f th p e=

= -aring (218)

1

cosh ( )( ) 2 cos(2 )sinh

Mm

m m m mm m

k h zu z t f a f tk h

p p e=

+= -aring (219)

1

sinh ( )( ) 2 sin(2 )sinh

Mm

m m m mm m

k h zw z t f a f tk h

p p e=

+= -aring (220)

여기서 me 은 random한 위상각 mf 은 주파수 ma 은 진폭 mk 은 파수 M은 성분파의 수 h는 수심이다 단

연직좌표 z 는 정수면에서 상방향을 (+)로 취하고 me 및 mf 의 선택방법은 후술되며 진폭 ma 은 다음의 식

(221)로 정의된다

2 ( )ma S f f= D (221)

여기서 fD 는 주파수폭 ( )S f 는 파랑에너지밀도이며 불규칙파의 스펙트럼은 불규칙파를 모의하는 데에

널리 사용되고 있는 식(222)의 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970) 스펙트럼을 적용하였다

2 4 5 413 13 13( ) 0257 exp 103( )S f H T f T F- - -eacute ugrave= -euml ucirc (222)

여기서 13H 은 유의파고 13T 은 유의파주기를 각각 나타낸다 일반적으로 수치해석을 통해 불규칙파를 검

토하는 경우 해석시간이 증가됨에 따라 평균수위가 상승하는 문제가 있다(CDIT 2001) 본 연구에서는 평균수위

상승을 억제하는 방법으로 조파지점에서 수평유속을 산출할 때 각 성분파에 대응하는 Stokes파의 질량수송속도

(mass transport velocity)를 빼주는 방법을 적용한다(Fujiwara 2005) 즉 식(219)에서 질량수송속도를 뺀 수평유속은

식(223)과 같이 표현된다

1

cosh ( )( ) 2 cos(2 )sinh

Mm

mm m m mm m

k h zu z t f a f t Uk h

p p e=

igrave uuml+= - -iacute yacute

icirc thornaring (223)

여기서 Stokes파의 질량수송속도 mU 은 성분파를 나타내는 m 을 제외하여 나타내면 다음의 식(224)와 같이

9

주어진다

2

cosh 4 ( ) 12 sinh (2 )

mm m mm

m m m

H H h z LUT L h L

p p pp+

= (224)

여기서 mz 은 물입자의 평균위치를 나타낸다

27 난수의 발생방법

난수(random numbers)는 random한 현상을 다루는 수치해석에서 많이 사용되는 매우 중요한 부분이다 난수를

발생시키는 방법에는 물리적인 방법과 수식을 이용한 방법이 있으며 물리적인 방법으로 난수를 발생시킬 경우

에는 많은 시간이 소요되며 컴퓨터를 이용한 모의실험에는 사용할 수 없다는 단점이 있다 따라서 수치해석에

사용되는 난수는 수식을 이용하여 발생되며 이러한 방법을 이용한 대표적인 난수발생방법으로 중양제곱법

(mid-squar method) 합동법(congruential method) 그리고 시프트법(shift method) 등이 있다(조 등 1992)

본 연구에서는 합동법에 기초하여 난수를 발생시켰고 난수발생은 IMSL(International Mathematical and Statistical

Library)의 난수발생기(random number generator)를 이용하였으며 그 알고리즘음 다음과 같다(Compaq computer

corporation 2001)

먼저 임의정수 1X 은 seed number이며 mod( )Y b 는 Y 를 b 로 나눈 나머지를 나타낸다 이러한 계산이 임

의주기 동안 진행되면서 1X 은 2X 로 변환되고 연속된 정수 iX 를 산출하는 과정을 반복한다 0과 1사이에 할

당된 난수는 식(225)에 의해 얻어질 수 있으며 상수는 식(226)에 나타낸 특수한 값으로 주어진다

12i iR X q i= = (225)

36 357909 2 2 1a b q= = = - (226)

이러한 과정에서 임의정수 iX 가 352 을 초과할 경우 iX 는 정수 35(2 1)- 로 변환된 후 계산이 수행되며

식(225)로부터 구한 난수는 [01] 사이에 분포한다

이로부터 불규칙파의 각 성분파간의 위상각 me 은 Fig 22에 나타낸 바와 같이 [01] 사이에 분포하는 난수를

발생시킨 후 위상을 조정하기 위해 2p 를 곱하여 [02 ]p 사이에 분포하는 값을 취하는 것으로 하였다

28 주파수의 선택방법

불규칙파를 모의하기 위한 주파수 mf

의 성분파의 진폭이 거의 같도록

Mitsuyasu(Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼에

다음의 식(227)을 이용하여 주파수 mf

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - =

10

주파수 mf 의 선택방법에는 주파수스펙트럼을 등구간으로

하는 등에너지로 분할하는 방법 등이 있다 본 연구에서는

스펙트럼에 대해 등에너지로 스펙트럼을 분할할 수 있는 Goda(1985)

mf 을 선택하였다

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - =

Fig 22 Random phase angle

mf 등구간으로 분할하는 방법과 각각

연구에서는 Bretshneider-

Goda(1985)에 의해 제안된

mf

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - = (227)

11

3장 수치해석의 검증

31 개요

일본의 연안개발기술센터(沿岸開發技術硏究セソタ 2001)에서 개발한 수치파동수조 CADMAS-SURF와 같은

2차원규칙파에 대한 연구는 많이 수행되고 있지만 2차원불규칙파와 3차원불규칙파에 대한 연구는 찾아보기가

어렵다

최근 개발되고 있는 방파제 및 호안의 경우 구조물의 형상이 복잡한 특수방파제가 많이 적용되고 있다 하지

만 이러한 방파제를 2차원으로 적용 ∙ 계산하기에는 반사율 파압분포 및 월파량의 추정치가 실제의 3차원의 경

우와는 상이한 결과가 발생할 것으로 판단된다 따라서 본 연구에서는 3차원수치파동수조인 3D-NIT model의 조

파성능에 대해 먼저 검토한다 그리고 3D-NIT model을 이용하여 규칙파 및 불규칙파를 조파하고 眞田(1998)의

수리실험과 비교 ∙ 검토함으로써 결과의 타당성을 논의한다 또한 불규칙파동장에 경사수심역에 설치된 호안을

대상으로 호안 배후로 전달되는 월파량을 산정하고 이의 결과를 실험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를

검토하고 더불어 파력의 실험치( Chakrabarti 1975)와 비교 ∙ 검토함으로써 결과의 타당성을 논의한다

32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증

불규칙파의 조파성능을 검증하기 위하여 Fig 31과 같은 구조물이 설치되지 않은 수심 219h m= 의 3차원

수치파동수조(부가감쇠영역과 해석영역으로 구성되었으며 격자크기는 1 05 05x m y m z mD = D = D = 로 설

정)에서 유의파고 13 7H m= 유의주기 13 1225secT = 를 목표로 성분파 200개를 선형중첩하여 불규칙파를

조파하였다 그리고 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을 방지하기

위하여 설치된 부가감쇠영역의 길이 aL 는 목표파 파장 0L 의 2배 이상으로 하였다 Fig 32는 조파지점에서의

계산파형을 목표한 파형과 비교한 그림으로 장시간의 해석에도 평균수위상승은 크게 나타나지 않으며 목표한

파형과 비교하여 전체적으로 파형과 위상이 잘 일치하고 있음을 확인할 수 있다

12

Fig 31 Schematic sketch of numerical wave tank

Fig 32 Comparison of target and calculated wave profiles at wave source position

3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 따른 연직원주구조물주변의 파랑변형에 대

하여 해석해 및 2차오더의 회절산란포텐셜을 유도한 眞田(1998)의 수치해석결과 및 수리실험결과와 본 수치해

석결과를 비교ᆞ검토한다

Fig 33은 비교에 적용된 3차원수치파동수조 및 연직원주구조물의 제원을 나타내며 이때 수치파동수조의 수

심은 45h cm= 로 일정하며 입사파고 3H cm= 입사주기 01sect = 의 규칙파에 대하여 수치계산을 수행하

였다 그리고 수치계산에서는 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을

방지하기 위하여 부가감쇠영역을 설치하며(Hinatsu 1992) 부가감쇠영역의 길이는 입사파장 L 의 2배 이상으로

하였다

x축을 따른 y=0 y=25cm의 위치 및 연직원주구조물의 주위에서 무차원최대수면상승고 max2h ( maxh 는 최대수

위값)의 공간분포에 대하여 眞田(1998)의 수치해석해석결과 및 수리실험결과와 비교한 본 계산결과를 Fig 34에

각각 제시하였고 다음의 결과를 살펴보면 원주 전면의 표면에서 가장 큰 무차원최대수면상승고가 나타났고 이

는 원주구조물의 전면에서 구조물에 의해 반사되는 회절산란파와 입사파의 중첩으로 부분중복파가 형성된것으

로 판단된다 그리고 Fig 34 (a)와 (b)에서 본 연구의 수치해석결과가 眞田(1998)의 수리실험치를 전체적으로 잘

재현하고 있으며 그 정도는 매우 높은 것으로 판단된다

()

mh

13

(a) Plan view

(b) Side view

Fig 33 Definition sketch of 3D numerical wave tank for comparison of wave transformation

(a) y=0cm

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zoneWave source

Wave

x

y

O

Open boundary Open boundary

Wave

Calculation zone

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

Wave source

2L 2L

z

O

45

33

50 30

x

Unitcm

14

(b) y=25cm

Fig 34 Comparison of spatial distribution of non-dimensional maximum water levels

33 월파량의 검토

본 절에서는 앞서 검토한 결과를 바탕으로 호안 배후로 전달되는 파랑의 월파량을 산정하고 이의 결과를 실

험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를 검토한다

Fig 35는 본 연구에서 월파량 산정을 위하여 고려된 수치파동수조고 Fig 36은 Fig 35의 수치파동수조에서

호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화를 파라미터로하여 산정된 호안월파량을 Goda(1985)의 실험치와 비교한

결과이다 이 때 적용한 파 조건은 주기 0 1383secT = 파고

0 4H m= 를 목표로 설정하였다 그리고 월파량

산정에 이용한 불규칙파는 파가 안정적으로 판단되는 조파개시후 50sec에서부터 600sec 사이의 파이며 월파량

은 호안의 천단상부에 설치된 수평유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 시간평균하여 산정하였다(Goda

1985)

Fig 36의 결과를 살펴보면 호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화에 따른 월파량의 변화특성을 살펴보면 본

연구의 계산치는 실험치를 잘 재현하고 있을 뿐 아니라 산정된 월파량의 정도는 실험치와 비교하여 상당히 높

은 것으로 판단된다

Fig 35 Numerical setup for wave overtopping over vertical seawall on a sea bottom slope of 110

15

Fig 36 Comparison between experimental and numerical results for wave overtopping rate over vertical seawall on a sea bottom

slope of 110 ( 0 0 0017H L = )

34 월파현상의 재현

Fig 37은 Fig 36의 0 0 075 15ch H h H= = 의 경우에 대한 월파에 따른 주변파동장의 변화를 나타낸

일례이다 그림을 살펴보면 본 연구의 수치파동수조는 기대하는 불규칙파동장을 잘 재현하는 것으로 판단된다

그리고 경사수심역상에는 수심변동으로 인한 천수변형을 확인할 수 있으며 호안의 천단상에서는 호안월파로

인하여 배후면으로 낙하되는 빠른 유속이 관찰된다 따라서 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장의 재현

및 수심변동에 따른 천수변형 호안월파로 인한 배후면의 파동장교란 등에 대해 고정도의 결과도 기대할 수 있

고 따라서 향후 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장하에 복잡한 형태를 가진 특수방파제 등에 의한 주변

파동장의 3차원적인 응답해석 및 월파현상을 확인하는데도 충분히 이용 가능할 것으로 판단된다

16

Fig 37 Spatial variation of irregular waves on a sea bottom slpoe of 110 ( 0 0 075 15ch H h H= = )

17

35 파력의 검증

다음으로 연직원주구조물에 작용하는 파력특성에 대하여 116h a = (a는 연직원주구조물의 반경)

0232H a = 인 경우에 기존의 수리실험결과(Chakrabarti and Tam 1975) 및 수치해석결과(喜岡와 石田 1984 村

上 등 1993)와 본 연구의 수치해석결과를 비교ᆞ검토한다 Fig 38은 해석에 이용된 연직원주구조물의 제원을 나

타내며 무차원최대파력 2max ( 2)F ga Hr 에 대하여 기존의 수리실험 및 수치해석결과와 비교한 것을 Fig

39에 제시하였다 결과를 살펴보면 실험치가 주어져 있는 kagt07(k는 파수 k=2 L)의 범위에서는 본 연구의 수치

해석결과는 수리실험결과를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되며 실험치가 주어지지 않은 kalt05의 범위에서 村

上 등(1993)의 결과는 Stokes 2차파이론의 적용범위를 초과하므로 발산하고 있다 이는 kalt05의 범위는 DLlt02

인 항력이 지배적인 소형구조물의 영역으로 기존의 해석법으로 파력을 산정하는데는 과도한 계산시간으로 파

력산정에 다소 무리가 있으며 항력과 관성력을 동시에 고려할 수 있는 Navier-Stokes의 운동방정식에 근거한 본

연구의 수치해석결과가 타당한 것으로 판단된다

Fig 38 Definition sketch for comparison of wave force acting on the circular cylinder

x

y

zWave

h

a

18

Fig 39 Comparison of non-dimensional maximum wave force acting on the circular cylinder

이상의 3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 의한 파랑변형 및 구조물에 작용하

는 파력의 수치해석결과가 실험치를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되므로 본 연구의 타당성이 검증된다

0 05 1 15 2ka

0

1

2

3

4

5

6F m

axr

ga2 (

H2

)This studyExp(Chakrabarti amp Tam 1975)Cal(Shin 2008)Cal(Murakami et al 1993)Cal(Kioka and Ishida 1984)

19

4 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장

해석에 적용

41 개요

해역에 설치된 구조물은 파력 풍력 조류력 등의 외력을 지속적으로 받기 때문에 구조물의 경우 극한의 파

랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충분한 강도를 가지도록 설계할 필요가 있다 본 연구에서는 해역에서 쇄파

가 발생할 때 원주구조물에 작용하는 쇄파력과 파랑변형을 논의한다 쇄파에 대한 이론 및 실험적 연구는 오래

전부터 많은 연구자들에 의해서 수행되어 왔고 최근에는 과도수파생성법(조 등 2001)에 의한 쇄파현상의 재현

및 비선형파의 3차원수치해석법에 의한 연구가 수행되고 있다(신 2008) 본 논문에서는 3차원불규칙파수치파동

수조 3D-NIT model을 적용하여 쇄파가 발생할 경우에 쇄파가 구조물에 미치는 영향에 대하여 검토하고 이와

연계하여 구조물에 작용하는 쇄파력의 크기를 분석한다 그리고 쇄파전의 영역 쇄파영역 및 쇄파후의 영역에

각각 원주구조물이 설치된 경우에 작용파력과 파랑변형의 특성을 조사하여 3D-NIT model의 적용성을 검토한다

42 수치파동수조

Fig 41과 같은 수심 30h cm= 를 갖는 규칙파동장의 경사수심역에 설치된 원주구조물을 대상으로 파력을

산정하며 적용한 규칙파는 주기 14secT = 파고 23456H cm= 이다 Table 41은 본 연구에서 대상으로

하는 수치파동수조의 특성을 나타내며 여기서 D는 원주구조물의 직경을 d는 경사수심이 이후의 수심을 나타

내고 s는 경사수심 끝단부로부터의 이격거리이다

(a) front view

20

(b) top view Fig 41 Definition sketch of 3D numerical wave tank for analysis of wavebreaking force acting on circular cylinder

Table 41 Condition of numerical analysis for circular cylinder shape of structure slope T(s) H(cm) h(cm) D(cm) d(cm) s(cm)

circular

cylinder

case1 110 14 2 3 4

5 6 30 60 4 0

case2 110 14 4 30 60 4 0 20 40

60 80

43 주변파동장

Fig 42는 원주구조물이 경사수심 끝단부에 위치할 때 파고 23456H cm= 로 변환될 경우의 원주구조물

로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면분포 및 단면분포를 나타낸 것이다 여기

서 파고 23H cm= 인 경우에는 쇄파현상이 발생하지 않지만 4H cm= 인 경우에는 경사수심이 끝나는 지점

에서 쇄파가 발생된다 이것은 수심이 낮아지면서 천수효과로 인해 파고가 쇄파한계를 넘어 쇄파가 발생된 것

으로 판단된다 그리고 56H cm= 인 경우에는 파고가 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생되

는 현상이 나타났다 이는 파고가 높아짐으로 인하여 쇄파한계가 경사수심의 끝단부 이전에서 나타난 것으로

보여진다

Fig 43은 case1에서 쇄파력이 원주구조물에 가장 영향이 많이 미칠 것으로 판단되는 파고 4H cm= 의 경

우에 대하여 원주구조물이 경사수심 끝단부로부터 이격거리 020406080s cm= 로 변환될 경우에 원주구조

물로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면 및 단면적인 변화양상을 나타낸 것이다

여기서 이격거리가 멀어짐에 따라 쇄파후 파의 재생성 과정을 통하여 정상상태의 파랑으로 전이되며 구조물

의 위치에 따른 구조물 전면부에서 처오름이 쇄파대 부분에 구조물이 위치할 경우보다 이격거리가 멀어질수록

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

yx

Wave

DSlope=110

500cm

21

작아지는 것을 확인할 수 있다

(a) 2 14sec 0H cm T s cm= = =

22

(b) 3 14sec 0H cm T s cm= = =

23

(c) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

24

(d) 5 14sec 0H cm T s cm= = =

25

(e) 6 14sec 0H cm T s cm= = =

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height

26

(a) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

27

(b) 4 14sec 20H cm T s cm= = =

28

(c) 4 14sec 40H cm T s cm= = =

29

(d) 4 14sec 60H cm T s cm= = =

30

(e) 4 14sec 80H cm T s cm= = =

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder

31

44 파력

Fig 44는 Fig 41에서 정의된 경사수심의 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 지점에 있어서 파고

23456H cm= 로 변화시킨 경우에 파력의 변화를 나타낸 것이다 결과를 살펴보면 파고 234H cm= 까

지는 파력이 증가하지만 5cm 이상부터는 오히려 파력이 감소하는 것을 알 수 있다 이는 Fig 42의 주변파동장

에서 파고가 5cm 이상부터 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생하여 쇄파로 인한 파랑에너지가

많이 소산된 것으로 판단된다 이러한 결과로 파고가 더 커지더라도 쇄파가 발생하는 위치에 따라 낮은 파고에

서도 높은 파력이 작용할 수 있다는 것이 확인되었다 따라서 수심이 얕아지는 천해역에서 방파제나 기타 구조

물을 설계함에 있어 구조물 전면부에서 쇄파가 발생하지 않도록 주의를 기울일 필요가 있을 것으로 판단된다

Fig 45는 Fig 41 에서 정의된 경사수심 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 일 때 최대로 파력이 작용하는 파

고 4H cm= 에 대하여 구조물의 이격거리 020406080s cm= 로 변화시켜 구조물의 이격거리에 따른 쇄

파력의 크기를 검토한 결과이고 Fig 46은 Fig 45의 이격거리 04080s cm= 의 경우 파력의 시계열을 나타낸

것이다 결과를 살펴보면 구조물의 이격거리가 증가함에 따라 파력이 감소하는 것이 나타났다 하지만 이격거

리 20s cm= 이후에서는 파력의 감소가 줄어든다 이는 쇄파로 인해 어느 정도 에너지가 소산되고 난 이후에

파고가 정상상태에 전이된 결과에 기인하는 것으로 판단된다

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1

0 1 2 3 4 5 6 7 8time(sec)

-10

0

10

20

30

F(N

)

H=2cmH=3cmH=4cmH=5cmH=6cm

32

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2

45 3차원불규칙수치파동수조에 의한 고립파의 적용

본 절에서는 3D-NIT model의 고립파로 적용성에 대하여 검토한다 고립파와 구조물과의 상호간섭을

해석하기 위하여 Fig 41과 같은 3차원수치파동수조를 고려한다 해석영역내에서는 수치적으로 고립파

를 발생시키기 위한 조파소스(Brorsen amp Lasen 1987 김 등 2001)와 무반사조파시스템을 위한 에너지감쇠

영역이 고려되고 3차원파동장에서 고립파의 작용하에 작용파압을 검토하기 위하여 경사수심을 갖는 불

투과지반에 연직주상구조물이 설치된다 조파소스에서 조파강도는 다음의 식(41)로 주어진다

0 20 40 60 80s(cm)

4

8

12

16F(

N)

0 2 4 6 8time(sec)

-5

0

5

10

15

20

F(N

)

s=0cms=40cms=80cm

33

( ) = 2 (41)

여기서 는 발생파의 수평유속성분을 각각 나타내며 본 연구에서는 조파소스강도 로서 식(42)과

같이 Grimshaw(1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사이론에 의한 수평방향유속 를 적용한다(Fenton

1972)

= ℎ[ minus minus + ] (42)

여기서 및 는 다음과 같이 정의된다

= minus 14 + + 1 + ℎ 32 minus 94

= 1940 + 15 minus 65 + 1 + ℎ minus 32 minus 154 + 152

= 1 + ℎ minus 38 minus 4516 + 4516

그리고 는 물입자의 연직방향 평균위치를 나타내며 와 는 다음의 식과 같이 정의된다

= ℎ (43)

= sech (44)

여기서 ℎ는 수심 는 고립파의 입사파고를 나타내며 와 는 각각 다음의 식으로 주어진다

= 34 1 minus 58 + 71128 (45)

= minus ℎ (46)

34

여기서 는 고립파의 파속으로 고립파의 3차근사이론에 의하면 다음의 식과 같이 표현된다

= ℎ 1 + 12 minus 320 + 356 (47)

Ohyama amp Nadaoka(1991)는 수치파동수조내에서 구조물이 설치될 경우 조파소스의 위치에서 반사파

의 영향을 고려하여 조파소스지점에서 연직적분치가 반사파가 없는 경우와 분포형상이 상사되도록 다

음의 식을 고려하고 있다

= 2 + ℎ + ℎ (48)

여기서 와 는 각각 조파소스의 위치에서 수위변동과 조파소스에 의해 기대되는 수위변동이다

본 연구에서 는 다음의 식과 같은 고립파의 3차근사식을 적용하여 산정된다(Fenton 1972)

= ℎ 1 + + 58 minus 10180 (49)

여기서 는 다음의 식(410)과 같이 주어진다

= tanh minus ℎ (410)

이상의 관계식을 3D-NIT model에 적용하여 고립파를 수치조파한다 전술한 결과에서 최대파력이 작용하는

Fig 41에서 이격거리 0s cm= 인 경우에 고립파의 파고 23456iH cm= 일 때 주변파동장의 변화양상을

Fig 47(a)~(e)에 나타내었다 결과를 살펴보면 단주기규칙파에서의 결과와는 달리 파고의 증가에도 구조물 전면

부에서 쇄파가 발생하지 않았다 이는 상대적으로 긴 파장으로 인하여 Ursell수가 작아지기 때문으로 판단된다

그리고 구조물 전면부에서 고립파로 인한 급격한 처오름현상이 확인되고 연직주상구조물로 인한 회절현상을

약간 확인할 수 있지만 파장이 상대적으로 길기 때문에 회절파라미터가 작아져 결과적으로 단주기파랑보다 회

절현상이 작아진다

연직주상구조물의 전면부에 작용하는 파력분포를 Fig 48에 나타내었다 결과를 살펴보면 모두 정수면에서

최대파력이 작용하고 파고가 증가함에 따라 구조물에 작용하는 최대파력이 거의 선형적으로 증가하는 것을 알

수 있다 이는 기본적으로 규칙파와 달리 쇄파가 발생하지 않고 경사수심으로 인한 고립파의 파고변화가 크게

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 19: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

7

24 이류방정식

3D-NIT model은 수면을 추적하기 위해 VOF법을 이용하고 있다 VOF함수 F는 일정 물리량인 유체의 체적율

로서 0leFle1의 범위를 가진다 여기서 F=1일 경우는 유체셀로 F=0일 경우는 기체셀로 0ltFlt1일 경우는 표면셀

로 각각 판단하여 자유수면을 추적하게 되며 다음의 이류방정식(217)에 의해 VOF함수가 이류된다

( )( ) ( )( ) yx zvFuF wFF Fqt x y z

ee ee parapara parapara+ + + =

para para para para (217)

25 격자설정 방법

3D-NIT model은 기초방정식을 유한차분법으로 차분근사하여 수치계산을 수행한다 그리고 계산영역을 크기

가 일정한 직사각형의 격자로 분할하고 셀 전체에 유체가 있는 경우를 유체셀 셀 전체에 기체가 있는 경우를

기체셀 셀내에 유체와 기체가 혼합되어 있는 경우를 표면셀 셀 전체에 구조물이 있는 경우를 구조물셀로 각각

정의한다 또한 셀 주위에는 직접 계산에 이용되지는 않지만 경계처리시에 필요한 가상셀을 둔다 격자를 설정

한 후에는 각 셀에서의 유속 u v w를 각각 셀 경계인 오른쪽과 위쪽에 위치시키고 압력 p 조파소스의 유량

밀도 q 및 VOF함수 F 를 각각 셀 중심에 위치하도록 하여 변수들을 엇갈리게 격자를 구성하는 엇갈린 격자

(staggerd mesh)를 적용한다

26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파

3D-NIT model은 규칙파뿐만 아니라 불규칙파에 대해서도 계산이 가능한 수치모델로 3D-NIT model을 이용하

여 불규칙파를 검토하는 경우에 조파지점에서의 수위변동 및 물입자속도(수평 및 연직유속)을 사용자가 독자적

으로 입력데이터로 작성할 필요가 있다 일반적으로 불규칙파랑은 선형이론으로부터 얻어진 규칙파의 중첩으로

조파되지만 해석시간이 증가됨에 따라 평균수위가 상승하는 문제가 발생하여 계산이 불가능하게 된다 따라서

불규칙파랑의 조파와 같은 장시간의 해석시간이 요구되는 경우에 평균수위의 상승으로 인하여 요구되는 100파

정도의 파수를 얻기까지는 무리가 있을 수 있고 결과가 얻어졌다고 하여도 신뢰성에 문제가 있다

본 연구에서는 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우에 문제로 지적되는 평균수위상승을 억

제하면서 안정적으로 불규칙파가 조파될 수 있는 시스템을 기술(Fujiwara 2005)한다 그리고 불규칙파의 파운동

을 디지털방식으로 작성하는 Goda방법에 따른 불규칙파의 조파방법도 간략히 기술한다 불규칙파의 조파방법

은 선형이론으로부터 얻어진 성분파의 주파수에 하나씩 순번을 붙여서 이를 무한급수의 합으로 고려하는 것이

다 조파지점에 있어서는 수면파형 η 수평 및 연직유속 (uw)의 시간적인 변동이 필요하게 되며 이들은 각각 식

8

(218)sim(220)로 주어진다

1( ) cos(2 )

M

m m mm

t a f th p e=

= -aring (218)

1

cosh ( )( ) 2 cos(2 )sinh

Mm

m m m mm m

k h zu z t f a f tk h

p p e=

+= -aring (219)

1

sinh ( )( ) 2 sin(2 )sinh

Mm

m m m mm m

k h zw z t f a f tk h

p p e=

+= -aring (220)

여기서 me 은 random한 위상각 mf 은 주파수 ma 은 진폭 mk 은 파수 M은 성분파의 수 h는 수심이다 단

연직좌표 z 는 정수면에서 상방향을 (+)로 취하고 me 및 mf 의 선택방법은 후술되며 진폭 ma 은 다음의 식

(221)로 정의된다

2 ( )ma S f f= D (221)

여기서 fD 는 주파수폭 ( )S f 는 파랑에너지밀도이며 불규칙파의 스펙트럼은 불규칙파를 모의하는 데에

널리 사용되고 있는 식(222)의 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970) 스펙트럼을 적용하였다

2 4 5 413 13 13( ) 0257 exp 103( )S f H T f T F- - -eacute ugrave= -euml ucirc (222)

여기서 13H 은 유의파고 13T 은 유의파주기를 각각 나타낸다 일반적으로 수치해석을 통해 불규칙파를 검

토하는 경우 해석시간이 증가됨에 따라 평균수위가 상승하는 문제가 있다(CDIT 2001) 본 연구에서는 평균수위

상승을 억제하는 방법으로 조파지점에서 수평유속을 산출할 때 각 성분파에 대응하는 Stokes파의 질량수송속도

(mass transport velocity)를 빼주는 방법을 적용한다(Fujiwara 2005) 즉 식(219)에서 질량수송속도를 뺀 수평유속은

식(223)과 같이 표현된다

1

cosh ( )( ) 2 cos(2 )sinh

Mm

mm m m mm m

k h zu z t f a f t Uk h

p p e=

igrave uuml+= - -iacute yacute

icirc thornaring (223)

여기서 Stokes파의 질량수송속도 mU 은 성분파를 나타내는 m 을 제외하여 나타내면 다음의 식(224)와 같이

9

주어진다

2

cosh 4 ( ) 12 sinh (2 )

mm m mm

m m m

H H h z LUT L h L

p p pp+

= (224)

여기서 mz 은 물입자의 평균위치를 나타낸다

27 난수의 발생방법

난수(random numbers)는 random한 현상을 다루는 수치해석에서 많이 사용되는 매우 중요한 부분이다 난수를

발생시키는 방법에는 물리적인 방법과 수식을 이용한 방법이 있으며 물리적인 방법으로 난수를 발생시킬 경우

에는 많은 시간이 소요되며 컴퓨터를 이용한 모의실험에는 사용할 수 없다는 단점이 있다 따라서 수치해석에

사용되는 난수는 수식을 이용하여 발생되며 이러한 방법을 이용한 대표적인 난수발생방법으로 중양제곱법

(mid-squar method) 합동법(congruential method) 그리고 시프트법(shift method) 등이 있다(조 등 1992)

본 연구에서는 합동법에 기초하여 난수를 발생시켰고 난수발생은 IMSL(International Mathematical and Statistical

Library)의 난수발생기(random number generator)를 이용하였으며 그 알고리즘음 다음과 같다(Compaq computer

corporation 2001)

먼저 임의정수 1X 은 seed number이며 mod( )Y b 는 Y 를 b 로 나눈 나머지를 나타낸다 이러한 계산이 임

의주기 동안 진행되면서 1X 은 2X 로 변환되고 연속된 정수 iX 를 산출하는 과정을 반복한다 0과 1사이에 할

당된 난수는 식(225)에 의해 얻어질 수 있으며 상수는 식(226)에 나타낸 특수한 값으로 주어진다

12i iR X q i= = (225)

36 357909 2 2 1a b q= = = - (226)

이러한 과정에서 임의정수 iX 가 352 을 초과할 경우 iX 는 정수 35(2 1)- 로 변환된 후 계산이 수행되며

식(225)로부터 구한 난수는 [01] 사이에 분포한다

이로부터 불규칙파의 각 성분파간의 위상각 me 은 Fig 22에 나타낸 바와 같이 [01] 사이에 분포하는 난수를

발생시킨 후 위상을 조정하기 위해 2p 를 곱하여 [02 ]p 사이에 분포하는 값을 취하는 것으로 하였다

28 주파수의 선택방법

불규칙파를 모의하기 위한 주파수 mf

의 성분파의 진폭이 거의 같도록

Mitsuyasu(Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼에

다음의 식(227)을 이용하여 주파수 mf

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - =

10

주파수 mf 의 선택방법에는 주파수스펙트럼을 등구간으로

하는 등에너지로 분할하는 방법 등이 있다 본 연구에서는

스펙트럼에 대해 등에너지로 스펙트럼을 분할할 수 있는 Goda(1985)

mf 을 선택하였다

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - =

Fig 22 Random phase angle

mf 등구간으로 분할하는 방법과 각각

연구에서는 Bretshneider-

Goda(1985)에 의해 제안된

mf

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - = (227)

11

3장 수치해석의 검증

31 개요

일본의 연안개발기술센터(沿岸開發技術硏究セソタ 2001)에서 개발한 수치파동수조 CADMAS-SURF와 같은

2차원규칙파에 대한 연구는 많이 수행되고 있지만 2차원불규칙파와 3차원불규칙파에 대한 연구는 찾아보기가

어렵다

최근 개발되고 있는 방파제 및 호안의 경우 구조물의 형상이 복잡한 특수방파제가 많이 적용되고 있다 하지

만 이러한 방파제를 2차원으로 적용 ∙ 계산하기에는 반사율 파압분포 및 월파량의 추정치가 실제의 3차원의 경

우와는 상이한 결과가 발생할 것으로 판단된다 따라서 본 연구에서는 3차원수치파동수조인 3D-NIT model의 조

파성능에 대해 먼저 검토한다 그리고 3D-NIT model을 이용하여 규칙파 및 불규칙파를 조파하고 眞田(1998)의

수리실험과 비교 ∙ 검토함으로써 결과의 타당성을 논의한다 또한 불규칙파동장에 경사수심역에 설치된 호안을

대상으로 호안 배후로 전달되는 월파량을 산정하고 이의 결과를 실험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를

검토하고 더불어 파력의 실험치( Chakrabarti 1975)와 비교 ∙ 검토함으로써 결과의 타당성을 논의한다

32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증

불규칙파의 조파성능을 검증하기 위하여 Fig 31과 같은 구조물이 설치되지 않은 수심 219h m= 의 3차원

수치파동수조(부가감쇠영역과 해석영역으로 구성되었으며 격자크기는 1 05 05x m y m z mD = D = D = 로 설

정)에서 유의파고 13 7H m= 유의주기 13 1225secT = 를 목표로 성분파 200개를 선형중첩하여 불규칙파를

조파하였다 그리고 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을 방지하기

위하여 설치된 부가감쇠영역의 길이 aL 는 목표파 파장 0L 의 2배 이상으로 하였다 Fig 32는 조파지점에서의

계산파형을 목표한 파형과 비교한 그림으로 장시간의 해석에도 평균수위상승은 크게 나타나지 않으며 목표한

파형과 비교하여 전체적으로 파형과 위상이 잘 일치하고 있음을 확인할 수 있다

12

Fig 31 Schematic sketch of numerical wave tank

Fig 32 Comparison of target and calculated wave profiles at wave source position

3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 따른 연직원주구조물주변의 파랑변형에 대

하여 해석해 및 2차오더의 회절산란포텐셜을 유도한 眞田(1998)의 수치해석결과 및 수리실험결과와 본 수치해

석결과를 비교ᆞ검토한다

Fig 33은 비교에 적용된 3차원수치파동수조 및 연직원주구조물의 제원을 나타내며 이때 수치파동수조의 수

심은 45h cm= 로 일정하며 입사파고 3H cm= 입사주기 01sect = 의 규칙파에 대하여 수치계산을 수행하

였다 그리고 수치계산에서는 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을

방지하기 위하여 부가감쇠영역을 설치하며(Hinatsu 1992) 부가감쇠영역의 길이는 입사파장 L 의 2배 이상으로

하였다

x축을 따른 y=0 y=25cm의 위치 및 연직원주구조물의 주위에서 무차원최대수면상승고 max2h ( maxh 는 최대수

위값)의 공간분포에 대하여 眞田(1998)의 수치해석해석결과 및 수리실험결과와 비교한 본 계산결과를 Fig 34에

각각 제시하였고 다음의 결과를 살펴보면 원주 전면의 표면에서 가장 큰 무차원최대수면상승고가 나타났고 이

는 원주구조물의 전면에서 구조물에 의해 반사되는 회절산란파와 입사파의 중첩으로 부분중복파가 형성된것으

로 판단된다 그리고 Fig 34 (a)와 (b)에서 본 연구의 수치해석결과가 眞田(1998)의 수리실험치를 전체적으로 잘

재현하고 있으며 그 정도는 매우 높은 것으로 판단된다

()

mh

13

(a) Plan view

(b) Side view

Fig 33 Definition sketch of 3D numerical wave tank for comparison of wave transformation

(a) y=0cm

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zoneWave source

Wave

x

y

O

Open boundary Open boundary

Wave

Calculation zone

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

Wave source

2L 2L

z

O

45

33

50 30

x

Unitcm

14

(b) y=25cm

Fig 34 Comparison of spatial distribution of non-dimensional maximum water levels

33 월파량의 검토

본 절에서는 앞서 검토한 결과를 바탕으로 호안 배후로 전달되는 파랑의 월파량을 산정하고 이의 결과를 실

험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를 검토한다

Fig 35는 본 연구에서 월파량 산정을 위하여 고려된 수치파동수조고 Fig 36은 Fig 35의 수치파동수조에서

호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화를 파라미터로하여 산정된 호안월파량을 Goda(1985)의 실험치와 비교한

결과이다 이 때 적용한 파 조건은 주기 0 1383secT = 파고

0 4H m= 를 목표로 설정하였다 그리고 월파량

산정에 이용한 불규칙파는 파가 안정적으로 판단되는 조파개시후 50sec에서부터 600sec 사이의 파이며 월파량

은 호안의 천단상부에 설치된 수평유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 시간평균하여 산정하였다(Goda

1985)

Fig 36의 결과를 살펴보면 호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화에 따른 월파량의 변화특성을 살펴보면 본

연구의 계산치는 실험치를 잘 재현하고 있을 뿐 아니라 산정된 월파량의 정도는 실험치와 비교하여 상당히 높

은 것으로 판단된다

Fig 35 Numerical setup for wave overtopping over vertical seawall on a sea bottom slope of 110

15

Fig 36 Comparison between experimental and numerical results for wave overtopping rate over vertical seawall on a sea bottom

slope of 110 ( 0 0 0017H L = )

34 월파현상의 재현

Fig 37은 Fig 36의 0 0 075 15ch H h H= = 의 경우에 대한 월파에 따른 주변파동장의 변화를 나타낸

일례이다 그림을 살펴보면 본 연구의 수치파동수조는 기대하는 불규칙파동장을 잘 재현하는 것으로 판단된다

그리고 경사수심역상에는 수심변동으로 인한 천수변형을 확인할 수 있으며 호안의 천단상에서는 호안월파로

인하여 배후면으로 낙하되는 빠른 유속이 관찰된다 따라서 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장의 재현

및 수심변동에 따른 천수변형 호안월파로 인한 배후면의 파동장교란 등에 대해 고정도의 결과도 기대할 수 있

고 따라서 향후 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장하에 복잡한 형태를 가진 특수방파제 등에 의한 주변

파동장의 3차원적인 응답해석 및 월파현상을 확인하는데도 충분히 이용 가능할 것으로 판단된다

16

Fig 37 Spatial variation of irregular waves on a sea bottom slpoe of 110 ( 0 0 075 15ch H h H= = )

17

35 파력의 검증

다음으로 연직원주구조물에 작용하는 파력특성에 대하여 116h a = (a는 연직원주구조물의 반경)

0232H a = 인 경우에 기존의 수리실험결과(Chakrabarti and Tam 1975) 및 수치해석결과(喜岡와 石田 1984 村

上 등 1993)와 본 연구의 수치해석결과를 비교ᆞ검토한다 Fig 38은 해석에 이용된 연직원주구조물의 제원을 나

타내며 무차원최대파력 2max ( 2)F ga Hr 에 대하여 기존의 수리실험 및 수치해석결과와 비교한 것을 Fig

39에 제시하였다 결과를 살펴보면 실험치가 주어져 있는 kagt07(k는 파수 k=2 L)의 범위에서는 본 연구의 수치

해석결과는 수리실험결과를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되며 실험치가 주어지지 않은 kalt05의 범위에서 村

上 등(1993)의 결과는 Stokes 2차파이론의 적용범위를 초과하므로 발산하고 있다 이는 kalt05의 범위는 DLlt02

인 항력이 지배적인 소형구조물의 영역으로 기존의 해석법으로 파력을 산정하는데는 과도한 계산시간으로 파

력산정에 다소 무리가 있으며 항력과 관성력을 동시에 고려할 수 있는 Navier-Stokes의 운동방정식에 근거한 본

연구의 수치해석결과가 타당한 것으로 판단된다

Fig 38 Definition sketch for comparison of wave force acting on the circular cylinder

x

y

zWave

h

a

18

Fig 39 Comparison of non-dimensional maximum wave force acting on the circular cylinder

이상의 3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 의한 파랑변형 및 구조물에 작용하

는 파력의 수치해석결과가 실험치를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되므로 본 연구의 타당성이 검증된다

0 05 1 15 2ka

0

1

2

3

4

5

6F m

axr

ga2 (

H2

)This studyExp(Chakrabarti amp Tam 1975)Cal(Shin 2008)Cal(Murakami et al 1993)Cal(Kioka and Ishida 1984)

19

4 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장

해석에 적용

41 개요

해역에 설치된 구조물은 파력 풍력 조류력 등의 외력을 지속적으로 받기 때문에 구조물의 경우 극한의 파

랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충분한 강도를 가지도록 설계할 필요가 있다 본 연구에서는 해역에서 쇄파

가 발생할 때 원주구조물에 작용하는 쇄파력과 파랑변형을 논의한다 쇄파에 대한 이론 및 실험적 연구는 오래

전부터 많은 연구자들에 의해서 수행되어 왔고 최근에는 과도수파생성법(조 등 2001)에 의한 쇄파현상의 재현

및 비선형파의 3차원수치해석법에 의한 연구가 수행되고 있다(신 2008) 본 논문에서는 3차원불규칙파수치파동

수조 3D-NIT model을 적용하여 쇄파가 발생할 경우에 쇄파가 구조물에 미치는 영향에 대하여 검토하고 이와

연계하여 구조물에 작용하는 쇄파력의 크기를 분석한다 그리고 쇄파전의 영역 쇄파영역 및 쇄파후의 영역에

각각 원주구조물이 설치된 경우에 작용파력과 파랑변형의 특성을 조사하여 3D-NIT model의 적용성을 검토한다

42 수치파동수조

Fig 41과 같은 수심 30h cm= 를 갖는 규칙파동장의 경사수심역에 설치된 원주구조물을 대상으로 파력을

산정하며 적용한 규칙파는 주기 14secT = 파고 23456H cm= 이다 Table 41은 본 연구에서 대상으로

하는 수치파동수조의 특성을 나타내며 여기서 D는 원주구조물의 직경을 d는 경사수심이 이후의 수심을 나타

내고 s는 경사수심 끝단부로부터의 이격거리이다

(a) front view

20

(b) top view Fig 41 Definition sketch of 3D numerical wave tank for analysis of wavebreaking force acting on circular cylinder

Table 41 Condition of numerical analysis for circular cylinder shape of structure slope T(s) H(cm) h(cm) D(cm) d(cm) s(cm)

circular

cylinder

case1 110 14 2 3 4

5 6 30 60 4 0

case2 110 14 4 30 60 4 0 20 40

60 80

43 주변파동장

Fig 42는 원주구조물이 경사수심 끝단부에 위치할 때 파고 23456H cm= 로 변환될 경우의 원주구조물

로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면분포 및 단면분포를 나타낸 것이다 여기

서 파고 23H cm= 인 경우에는 쇄파현상이 발생하지 않지만 4H cm= 인 경우에는 경사수심이 끝나는 지점

에서 쇄파가 발생된다 이것은 수심이 낮아지면서 천수효과로 인해 파고가 쇄파한계를 넘어 쇄파가 발생된 것

으로 판단된다 그리고 56H cm= 인 경우에는 파고가 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생되

는 현상이 나타났다 이는 파고가 높아짐으로 인하여 쇄파한계가 경사수심의 끝단부 이전에서 나타난 것으로

보여진다

Fig 43은 case1에서 쇄파력이 원주구조물에 가장 영향이 많이 미칠 것으로 판단되는 파고 4H cm= 의 경

우에 대하여 원주구조물이 경사수심 끝단부로부터 이격거리 020406080s cm= 로 변환될 경우에 원주구조

물로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면 및 단면적인 변화양상을 나타낸 것이다

여기서 이격거리가 멀어짐에 따라 쇄파후 파의 재생성 과정을 통하여 정상상태의 파랑으로 전이되며 구조물

의 위치에 따른 구조물 전면부에서 처오름이 쇄파대 부분에 구조물이 위치할 경우보다 이격거리가 멀어질수록

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

yx

Wave

DSlope=110

500cm

21

작아지는 것을 확인할 수 있다

(a) 2 14sec 0H cm T s cm= = =

22

(b) 3 14sec 0H cm T s cm= = =

23

(c) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

24

(d) 5 14sec 0H cm T s cm= = =

25

(e) 6 14sec 0H cm T s cm= = =

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height

26

(a) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

27

(b) 4 14sec 20H cm T s cm= = =

28

(c) 4 14sec 40H cm T s cm= = =

29

(d) 4 14sec 60H cm T s cm= = =

30

(e) 4 14sec 80H cm T s cm= = =

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder

31

44 파력

Fig 44는 Fig 41에서 정의된 경사수심의 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 지점에 있어서 파고

23456H cm= 로 변화시킨 경우에 파력의 변화를 나타낸 것이다 결과를 살펴보면 파고 234H cm= 까

지는 파력이 증가하지만 5cm 이상부터는 오히려 파력이 감소하는 것을 알 수 있다 이는 Fig 42의 주변파동장

에서 파고가 5cm 이상부터 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생하여 쇄파로 인한 파랑에너지가

많이 소산된 것으로 판단된다 이러한 결과로 파고가 더 커지더라도 쇄파가 발생하는 위치에 따라 낮은 파고에

서도 높은 파력이 작용할 수 있다는 것이 확인되었다 따라서 수심이 얕아지는 천해역에서 방파제나 기타 구조

물을 설계함에 있어 구조물 전면부에서 쇄파가 발생하지 않도록 주의를 기울일 필요가 있을 것으로 판단된다

Fig 45는 Fig 41 에서 정의된 경사수심 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 일 때 최대로 파력이 작용하는 파

고 4H cm= 에 대하여 구조물의 이격거리 020406080s cm= 로 변화시켜 구조물의 이격거리에 따른 쇄

파력의 크기를 검토한 결과이고 Fig 46은 Fig 45의 이격거리 04080s cm= 의 경우 파력의 시계열을 나타낸

것이다 결과를 살펴보면 구조물의 이격거리가 증가함에 따라 파력이 감소하는 것이 나타났다 하지만 이격거

리 20s cm= 이후에서는 파력의 감소가 줄어든다 이는 쇄파로 인해 어느 정도 에너지가 소산되고 난 이후에

파고가 정상상태에 전이된 결과에 기인하는 것으로 판단된다

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1

0 1 2 3 4 5 6 7 8time(sec)

-10

0

10

20

30

F(N

)

H=2cmH=3cmH=4cmH=5cmH=6cm

32

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2

45 3차원불규칙수치파동수조에 의한 고립파의 적용

본 절에서는 3D-NIT model의 고립파로 적용성에 대하여 검토한다 고립파와 구조물과의 상호간섭을

해석하기 위하여 Fig 41과 같은 3차원수치파동수조를 고려한다 해석영역내에서는 수치적으로 고립파

를 발생시키기 위한 조파소스(Brorsen amp Lasen 1987 김 등 2001)와 무반사조파시스템을 위한 에너지감쇠

영역이 고려되고 3차원파동장에서 고립파의 작용하에 작용파압을 검토하기 위하여 경사수심을 갖는 불

투과지반에 연직주상구조물이 설치된다 조파소스에서 조파강도는 다음의 식(41)로 주어진다

0 20 40 60 80s(cm)

4

8

12

16F(

N)

0 2 4 6 8time(sec)

-5

0

5

10

15

20

F(N

)

s=0cms=40cms=80cm

33

( ) = 2 (41)

여기서 는 발생파의 수평유속성분을 각각 나타내며 본 연구에서는 조파소스강도 로서 식(42)과

같이 Grimshaw(1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사이론에 의한 수평방향유속 를 적용한다(Fenton

1972)

= ℎ[ minus minus + ] (42)

여기서 및 는 다음과 같이 정의된다

= minus 14 + + 1 + ℎ 32 minus 94

= 1940 + 15 minus 65 + 1 + ℎ minus 32 minus 154 + 152

= 1 + ℎ minus 38 minus 4516 + 4516

그리고 는 물입자의 연직방향 평균위치를 나타내며 와 는 다음의 식과 같이 정의된다

= ℎ (43)

= sech (44)

여기서 ℎ는 수심 는 고립파의 입사파고를 나타내며 와 는 각각 다음의 식으로 주어진다

= 34 1 minus 58 + 71128 (45)

= minus ℎ (46)

34

여기서 는 고립파의 파속으로 고립파의 3차근사이론에 의하면 다음의 식과 같이 표현된다

= ℎ 1 + 12 minus 320 + 356 (47)

Ohyama amp Nadaoka(1991)는 수치파동수조내에서 구조물이 설치될 경우 조파소스의 위치에서 반사파

의 영향을 고려하여 조파소스지점에서 연직적분치가 반사파가 없는 경우와 분포형상이 상사되도록 다

음의 식을 고려하고 있다

= 2 + ℎ + ℎ (48)

여기서 와 는 각각 조파소스의 위치에서 수위변동과 조파소스에 의해 기대되는 수위변동이다

본 연구에서 는 다음의 식과 같은 고립파의 3차근사식을 적용하여 산정된다(Fenton 1972)

= ℎ 1 + + 58 minus 10180 (49)

여기서 는 다음의 식(410)과 같이 주어진다

= tanh minus ℎ (410)

이상의 관계식을 3D-NIT model에 적용하여 고립파를 수치조파한다 전술한 결과에서 최대파력이 작용하는

Fig 41에서 이격거리 0s cm= 인 경우에 고립파의 파고 23456iH cm= 일 때 주변파동장의 변화양상을

Fig 47(a)~(e)에 나타내었다 결과를 살펴보면 단주기규칙파에서의 결과와는 달리 파고의 증가에도 구조물 전면

부에서 쇄파가 발생하지 않았다 이는 상대적으로 긴 파장으로 인하여 Ursell수가 작아지기 때문으로 판단된다

그리고 구조물 전면부에서 고립파로 인한 급격한 처오름현상이 확인되고 연직주상구조물로 인한 회절현상을

약간 확인할 수 있지만 파장이 상대적으로 길기 때문에 회절파라미터가 작아져 결과적으로 단주기파랑보다 회

절현상이 작아진다

연직주상구조물의 전면부에 작용하는 파력분포를 Fig 48에 나타내었다 결과를 살펴보면 모두 정수면에서

최대파력이 작용하고 파고가 증가함에 따라 구조물에 작용하는 최대파력이 거의 선형적으로 증가하는 것을 알

수 있다 이는 기본적으로 규칙파와 달리 쇄파가 발생하지 않고 경사수심으로 인한 고립파의 파고변화가 크게

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 20: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

8

(218)sim(220)로 주어진다

1( ) cos(2 )

M

m m mm

t a f th p e=

= -aring (218)

1

cosh ( )( ) 2 cos(2 )sinh

Mm

m m m mm m

k h zu z t f a f tk h

p p e=

+= -aring (219)

1

sinh ( )( ) 2 sin(2 )sinh

Mm

m m m mm m

k h zw z t f a f tk h

p p e=

+= -aring (220)

여기서 me 은 random한 위상각 mf 은 주파수 ma 은 진폭 mk 은 파수 M은 성분파의 수 h는 수심이다 단

연직좌표 z 는 정수면에서 상방향을 (+)로 취하고 me 및 mf 의 선택방법은 후술되며 진폭 ma 은 다음의 식

(221)로 정의된다

2 ( )ma S f f= D (221)

여기서 fD 는 주파수폭 ( )S f 는 파랑에너지밀도이며 불규칙파의 스펙트럼은 불규칙파를 모의하는 데에

널리 사용되고 있는 식(222)의 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970) 스펙트럼을 적용하였다

2 4 5 413 13 13( ) 0257 exp 103( )S f H T f T F- - -eacute ugrave= -euml ucirc (222)

여기서 13H 은 유의파고 13T 은 유의파주기를 각각 나타낸다 일반적으로 수치해석을 통해 불규칙파를 검

토하는 경우 해석시간이 증가됨에 따라 평균수위가 상승하는 문제가 있다(CDIT 2001) 본 연구에서는 평균수위

상승을 억제하는 방법으로 조파지점에서 수평유속을 산출할 때 각 성분파에 대응하는 Stokes파의 질량수송속도

(mass transport velocity)를 빼주는 방법을 적용한다(Fujiwara 2005) 즉 식(219)에서 질량수송속도를 뺀 수평유속은

식(223)과 같이 표현된다

1

cosh ( )( ) 2 cos(2 )sinh

Mm

mm m m mm m

k h zu z t f a f t Uk h

p p e=

igrave uuml+= - -iacute yacute

icirc thornaring (223)

여기서 Stokes파의 질량수송속도 mU 은 성분파를 나타내는 m 을 제외하여 나타내면 다음의 식(224)와 같이

9

주어진다

2

cosh 4 ( ) 12 sinh (2 )

mm m mm

m m m

H H h z LUT L h L

p p pp+

= (224)

여기서 mz 은 물입자의 평균위치를 나타낸다

27 난수의 발생방법

난수(random numbers)는 random한 현상을 다루는 수치해석에서 많이 사용되는 매우 중요한 부분이다 난수를

발생시키는 방법에는 물리적인 방법과 수식을 이용한 방법이 있으며 물리적인 방법으로 난수를 발생시킬 경우

에는 많은 시간이 소요되며 컴퓨터를 이용한 모의실험에는 사용할 수 없다는 단점이 있다 따라서 수치해석에

사용되는 난수는 수식을 이용하여 발생되며 이러한 방법을 이용한 대표적인 난수발생방법으로 중양제곱법

(mid-squar method) 합동법(congruential method) 그리고 시프트법(shift method) 등이 있다(조 등 1992)

본 연구에서는 합동법에 기초하여 난수를 발생시켰고 난수발생은 IMSL(International Mathematical and Statistical

Library)의 난수발생기(random number generator)를 이용하였으며 그 알고리즘음 다음과 같다(Compaq computer

corporation 2001)

먼저 임의정수 1X 은 seed number이며 mod( )Y b 는 Y 를 b 로 나눈 나머지를 나타낸다 이러한 계산이 임

의주기 동안 진행되면서 1X 은 2X 로 변환되고 연속된 정수 iX 를 산출하는 과정을 반복한다 0과 1사이에 할

당된 난수는 식(225)에 의해 얻어질 수 있으며 상수는 식(226)에 나타낸 특수한 값으로 주어진다

12i iR X q i= = (225)

36 357909 2 2 1a b q= = = - (226)

이러한 과정에서 임의정수 iX 가 352 을 초과할 경우 iX 는 정수 35(2 1)- 로 변환된 후 계산이 수행되며

식(225)로부터 구한 난수는 [01] 사이에 분포한다

이로부터 불규칙파의 각 성분파간의 위상각 me 은 Fig 22에 나타낸 바와 같이 [01] 사이에 분포하는 난수를

발생시킨 후 위상을 조정하기 위해 2p 를 곱하여 [02 ]p 사이에 분포하는 값을 취하는 것으로 하였다

28 주파수의 선택방법

불규칙파를 모의하기 위한 주파수 mf

의 성분파의 진폭이 거의 같도록

Mitsuyasu(Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼에

다음의 식(227)을 이용하여 주파수 mf

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - =

10

주파수 mf 의 선택방법에는 주파수스펙트럼을 등구간으로

하는 등에너지로 분할하는 방법 등이 있다 본 연구에서는

스펙트럼에 대해 등에너지로 스펙트럼을 분할할 수 있는 Goda(1985)

mf 을 선택하였다

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - =

Fig 22 Random phase angle

mf 등구간으로 분할하는 방법과 각각

연구에서는 Bretshneider-

Goda(1985)에 의해 제안된

mf

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - = (227)

11

3장 수치해석의 검증

31 개요

일본의 연안개발기술센터(沿岸開發技術硏究セソタ 2001)에서 개발한 수치파동수조 CADMAS-SURF와 같은

2차원규칙파에 대한 연구는 많이 수행되고 있지만 2차원불규칙파와 3차원불규칙파에 대한 연구는 찾아보기가

어렵다

최근 개발되고 있는 방파제 및 호안의 경우 구조물의 형상이 복잡한 특수방파제가 많이 적용되고 있다 하지

만 이러한 방파제를 2차원으로 적용 ∙ 계산하기에는 반사율 파압분포 및 월파량의 추정치가 실제의 3차원의 경

우와는 상이한 결과가 발생할 것으로 판단된다 따라서 본 연구에서는 3차원수치파동수조인 3D-NIT model의 조

파성능에 대해 먼저 검토한다 그리고 3D-NIT model을 이용하여 규칙파 및 불규칙파를 조파하고 眞田(1998)의

수리실험과 비교 ∙ 검토함으로써 결과의 타당성을 논의한다 또한 불규칙파동장에 경사수심역에 설치된 호안을

대상으로 호안 배후로 전달되는 월파량을 산정하고 이의 결과를 실험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를

검토하고 더불어 파력의 실험치( Chakrabarti 1975)와 비교 ∙ 검토함으로써 결과의 타당성을 논의한다

32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증

불규칙파의 조파성능을 검증하기 위하여 Fig 31과 같은 구조물이 설치되지 않은 수심 219h m= 의 3차원

수치파동수조(부가감쇠영역과 해석영역으로 구성되었으며 격자크기는 1 05 05x m y m z mD = D = D = 로 설

정)에서 유의파고 13 7H m= 유의주기 13 1225secT = 를 목표로 성분파 200개를 선형중첩하여 불규칙파를

조파하였다 그리고 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을 방지하기

위하여 설치된 부가감쇠영역의 길이 aL 는 목표파 파장 0L 의 2배 이상으로 하였다 Fig 32는 조파지점에서의

계산파형을 목표한 파형과 비교한 그림으로 장시간의 해석에도 평균수위상승은 크게 나타나지 않으며 목표한

파형과 비교하여 전체적으로 파형과 위상이 잘 일치하고 있음을 확인할 수 있다

12

Fig 31 Schematic sketch of numerical wave tank

Fig 32 Comparison of target and calculated wave profiles at wave source position

3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 따른 연직원주구조물주변의 파랑변형에 대

하여 해석해 및 2차오더의 회절산란포텐셜을 유도한 眞田(1998)의 수치해석결과 및 수리실험결과와 본 수치해

석결과를 비교ᆞ검토한다

Fig 33은 비교에 적용된 3차원수치파동수조 및 연직원주구조물의 제원을 나타내며 이때 수치파동수조의 수

심은 45h cm= 로 일정하며 입사파고 3H cm= 입사주기 01sect = 의 규칙파에 대하여 수치계산을 수행하

였다 그리고 수치계산에서는 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을

방지하기 위하여 부가감쇠영역을 설치하며(Hinatsu 1992) 부가감쇠영역의 길이는 입사파장 L 의 2배 이상으로

하였다

x축을 따른 y=0 y=25cm의 위치 및 연직원주구조물의 주위에서 무차원최대수면상승고 max2h ( maxh 는 최대수

위값)의 공간분포에 대하여 眞田(1998)의 수치해석해석결과 및 수리실험결과와 비교한 본 계산결과를 Fig 34에

각각 제시하였고 다음의 결과를 살펴보면 원주 전면의 표면에서 가장 큰 무차원최대수면상승고가 나타났고 이

는 원주구조물의 전면에서 구조물에 의해 반사되는 회절산란파와 입사파의 중첩으로 부분중복파가 형성된것으

로 판단된다 그리고 Fig 34 (a)와 (b)에서 본 연구의 수치해석결과가 眞田(1998)의 수리실험치를 전체적으로 잘

재현하고 있으며 그 정도는 매우 높은 것으로 판단된다

()

mh

13

(a) Plan view

(b) Side view

Fig 33 Definition sketch of 3D numerical wave tank for comparison of wave transformation

(a) y=0cm

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zoneWave source

Wave

x

y

O

Open boundary Open boundary

Wave

Calculation zone

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

Wave source

2L 2L

z

O

45

33

50 30

x

Unitcm

14

(b) y=25cm

Fig 34 Comparison of spatial distribution of non-dimensional maximum water levels

33 월파량의 검토

본 절에서는 앞서 검토한 결과를 바탕으로 호안 배후로 전달되는 파랑의 월파량을 산정하고 이의 결과를 실

험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를 검토한다

Fig 35는 본 연구에서 월파량 산정을 위하여 고려된 수치파동수조고 Fig 36은 Fig 35의 수치파동수조에서

호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화를 파라미터로하여 산정된 호안월파량을 Goda(1985)의 실험치와 비교한

결과이다 이 때 적용한 파 조건은 주기 0 1383secT = 파고

0 4H m= 를 목표로 설정하였다 그리고 월파량

산정에 이용한 불규칙파는 파가 안정적으로 판단되는 조파개시후 50sec에서부터 600sec 사이의 파이며 월파량

은 호안의 천단상부에 설치된 수평유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 시간평균하여 산정하였다(Goda

1985)

Fig 36의 결과를 살펴보면 호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화에 따른 월파량의 변화특성을 살펴보면 본

연구의 계산치는 실험치를 잘 재현하고 있을 뿐 아니라 산정된 월파량의 정도는 실험치와 비교하여 상당히 높

은 것으로 판단된다

Fig 35 Numerical setup for wave overtopping over vertical seawall on a sea bottom slope of 110

15

Fig 36 Comparison between experimental and numerical results for wave overtopping rate over vertical seawall on a sea bottom

slope of 110 ( 0 0 0017H L = )

34 월파현상의 재현

Fig 37은 Fig 36의 0 0 075 15ch H h H= = 의 경우에 대한 월파에 따른 주변파동장의 변화를 나타낸

일례이다 그림을 살펴보면 본 연구의 수치파동수조는 기대하는 불규칙파동장을 잘 재현하는 것으로 판단된다

그리고 경사수심역상에는 수심변동으로 인한 천수변형을 확인할 수 있으며 호안의 천단상에서는 호안월파로

인하여 배후면으로 낙하되는 빠른 유속이 관찰된다 따라서 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장의 재현

및 수심변동에 따른 천수변형 호안월파로 인한 배후면의 파동장교란 등에 대해 고정도의 결과도 기대할 수 있

고 따라서 향후 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장하에 복잡한 형태를 가진 특수방파제 등에 의한 주변

파동장의 3차원적인 응답해석 및 월파현상을 확인하는데도 충분히 이용 가능할 것으로 판단된다

16

Fig 37 Spatial variation of irregular waves on a sea bottom slpoe of 110 ( 0 0 075 15ch H h H= = )

17

35 파력의 검증

다음으로 연직원주구조물에 작용하는 파력특성에 대하여 116h a = (a는 연직원주구조물의 반경)

0232H a = 인 경우에 기존의 수리실험결과(Chakrabarti and Tam 1975) 및 수치해석결과(喜岡와 石田 1984 村

上 등 1993)와 본 연구의 수치해석결과를 비교ᆞ검토한다 Fig 38은 해석에 이용된 연직원주구조물의 제원을 나

타내며 무차원최대파력 2max ( 2)F ga Hr 에 대하여 기존의 수리실험 및 수치해석결과와 비교한 것을 Fig

39에 제시하였다 결과를 살펴보면 실험치가 주어져 있는 kagt07(k는 파수 k=2 L)의 범위에서는 본 연구의 수치

해석결과는 수리실험결과를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되며 실험치가 주어지지 않은 kalt05의 범위에서 村

上 등(1993)의 결과는 Stokes 2차파이론의 적용범위를 초과하므로 발산하고 있다 이는 kalt05의 범위는 DLlt02

인 항력이 지배적인 소형구조물의 영역으로 기존의 해석법으로 파력을 산정하는데는 과도한 계산시간으로 파

력산정에 다소 무리가 있으며 항력과 관성력을 동시에 고려할 수 있는 Navier-Stokes의 운동방정식에 근거한 본

연구의 수치해석결과가 타당한 것으로 판단된다

Fig 38 Definition sketch for comparison of wave force acting on the circular cylinder

x

y

zWave

h

a

18

Fig 39 Comparison of non-dimensional maximum wave force acting on the circular cylinder

이상의 3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 의한 파랑변형 및 구조물에 작용하

는 파력의 수치해석결과가 실험치를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되므로 본 연구의 타당성이 검증된다

0 05 1 15 2ka

0

1

2

3

4

5

6F m

axr

ga2 (

H2

)This studyExp(Chakrabarti amp Tam 1975)Cal(Shin 2008)Cal(Murakami et al 1993)Cal(Kioka and Ishida 1984)

19

4 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장

해석에 적용

41 개요

해역에 설치된 구조물은 파력 풍력 조류력 등의 외력을 지속적으로 받기 때문에 구조물의 경우 극한의 파

랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충분한 강도를 가지도록 설계할 필요가 있다 본 연구에서는 해역에서 쇄파

가 발생할 때 원주구조물에 작용하는 쇄파력과 파랑변형을 논의한다 쇄파에 대한 이론 및 실험적 연구는 오래

전부터 많은 연구자들에 의해서 수행되어 왔고 최근에는 과도수파생성법(조 등 2001)에 의한 쇄파현상의 재현

및 비선형파의 3차원수치해석법에 의한 연구가 수행되고 있다(신 2008) 본 논문에서는 3차원불규칙파수치파동

수조 3D-NIT model을 적용하여 쇄파가 발생할 경우에 쇄파가 구조물에 미치는 영향에 대하여 검토하고 이와

연계하여 구조물에 작용하는 쇄파력의 크기를 분석한다 그리고 쇄파전의 영역 쇄파영역 및 쇄파후의 영역에

각각 원주구조물이 설치된 경우에 작용파력과 파랑변형의 특성을 조사하여 3D-NIT model의 적용성을 검토한다

42 수치파동수조

Fig 41과 같은 수심 30h cm= 를 갖는 규칙파동장의 경사수심역에 설치된 원주구조물을 대상으로 파력을

산정하며 적용한 규칙파는 주기 14secT = 파고 23456H cm= 이다 Table 41은 본 연구에서 대상으로

하는 수치파동수조의 특성을 나타내며 여기서 D는 원주구조물의 직경을 d는 경사수심이 이후의 수심을 나타

내고 s는 경사수심 끝단부로부터의 이격거리이다

(a) front view

20

(b) top view Fig 41 Definition sketch of 3D numerical wave tank for analysis of wavebreaking force acting on circular cylinder

Table 41 Condition of numerical analysis for circular cylinder shape of structure slope T(s) H(cm) h(cm) D(cm) d(cm) s(cm)

circular

cylinder

case1 110 14 2 3 4

5 6 30 60 4 0

case2 110 14 4 30 60 4 0 20 40

60 80

43 주변파동장

Fig 42는 원주구조물이 경사수심 끝단부에 위치할 때 파고 23456H cm= 로 변환될 경우의 원주구조물

로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면분포 및 단면분포를 나타낸 것이다 여기

서 파고 23H cm= 인 경우에는 쇄파현상이 발생하지 않지만 4H cm= 인 경우에는 경사수심이 끝나는 지점

에서 쇄파가 발생된다 이것은 수심이 낮아지면서 천수효과로 인해 파고가 쇄파한계를 넘어 쇄파가 발생된 것

으로 판단된다 그리고 56H cm= 인 경우에는 파고가 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생되

는 현상이 나타났다 이는 파고가 높아짐으로 인하여 쇄파한계가 경사수심의 끝단부 이전에서 나타난 것으로

보여진다

Fig 43은 case1에서 쇄파력이 원주구조물에 가장 영향이 많이 미칠 것으로 판단되는 파고 4H cm= 의 경

우에 대하여 원주구조물이 경사수심 끝단부로부터 이격거리 020406080s cm= 로 변환될 경우에 원주구조

물로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면 및 단면적인 변화양상을 나타낸 것이다

여기서 이격거리가 멀어짐에 따라 쇄파후 파의 재생성 과정을 통하여 정상상태의 파랑으로 전이되며 구조물

의 위치에 따른 구조물 전면부에서 처오름이 쇄파대 부분에 구조물이 위치할 경우보다 이격거리가 멀어질수록

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

yx

Wave

DSlope=110

500cm

21

작아지는 것을 확인할 수 있다

(a) 2 14sec 0H cm T s cm= = =

22

(b) 3 14sec 0H cm T s cm= = =

23

(c) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

24

(d) 5 14sec 0H cm T s cm= = =

25

(e) 6 14sec 0H cm T s cm= = =

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height

26

(a) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

27

(b) 4 14sec 20H cm T s cm= = =

28

(c) 4 14sec 40H cm T s cm= = =

29

(d) 4 14sec 60H cm T s cm= = =

30

(e) 4 14sec 80H cm T s cm= = =

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder

31

44 파력

Fig 44는 Fig 41에서 정의된 경사수심의 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 지점에 있어서 파고

23456H cm= 로 변화시킨 경우에 파력의 변화를 나타낸 것이다 결과를 살펴보면 파고 234H cm= 까

지는 파력이 증가하지만 5cm 이상부터는 오히려 파력이 감소하는 것을 알 수 있다 이는 Fig 42의 주변파동장

에서 파고가 5cm 이상부터 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생하여 쇄파로 인한 파랑에너지가

많이 소산된 것으로 판단된다 이러한 결과로 파고가 더 커지더라도 쇄파가 발생하는 위치에 따라 낮은 파고에

서도 높은 파력이 작용할 수 있다는 것이 확인되었다 따라서 수심이 얕아지는 천해역에서 방파제나 기타 구조

물을 설계함에 있어 구조물 전면부에서 쇄파가 발생하지 않도록 주의를 기울일 필요가 있을 것으로 판단된다

Fig 45는 Fig 41 에서 정의된 경사수심 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 일 때 최대로 파력이 작용하는 파

고 4H cm= 에 대하여 구조물의 이격거리 020406080s cm= 로 변화시켜 구조물의 이격거리에 따른 쇄

파력의 크기를 검토한 결과이고 Fig 46은 Fig 45의 이격거리 04080s cm= 의 경우 파력의 시계열을 나타낸

것이다 결과를 살펴보면 구조물의 이격거리가 증가함에 따라 파력이 감소하는 것이 나타났다 하지만 이격거

리 20s cm= 이후에서는 파력의 감소가 줄어든다 이는 쇄파로 인해 어느 정도 에너지가 소산되고 난 이후에

파고가 정상상태에 전이된 결과에 기인하는 것으로 판단된다

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1

0 1 2 3 4 5 6 7 8time(sec)

-10

0

10

20

30

F(N

)

H=2cmH=3cmH=4cmH=5cmH=6cm

32

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2

45 3차원불규칙수치파동수조에 의한 고립파의 적용

본 절에서는 3D-NIT model의 고립파로 적용성에 대하여 검토한다 고립파와 구조물과의 상호간섭을

해석하기 위하여 Fig 41과 같은 3차원수치파동수조를 고려한다 해석영역내에서는 수치적으로 고립파

를 발생시키기 위한 조파소스(Brorsen amp Lasen 1987 김 등 2001)와 무반사조파시스템을 위한 에너지감쇠

영역이 고려되고 3차원파동장에서 고립파의 작용하에 작용파압을 검토하기 위하여 경사수심을 갖는 불

투과지반에 연직주상구조물이 설치된다 조파소스에서 조파강도는 다음의 식(41)로 주어진다

0 20 40 60 80s(cm)

4

8

12

16F(

N)

0 2 4 6 8time(sec)

-5

0

5

10

15

20

F(N

)

s=0cms=40cms=80cm

33

( ) = 2 (41)

여기서 는 발생파의 수평유속성분을 각각 나타내며 본 연구에서는 조파소스강도 로서 식(42)과

같이 Grimshaw(1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사이론에 의한 수평방향유속 를 적용한다(Fenton

1972)

= ℎ[ minus minus + ] (42)

여기서 및 는 다음과 같이 정의된다

= minus 14 + + 1 + ℎ 32 minus 94

= 1940 + 15 minus 65 + 1 + ℎ minus 32 minus 154 + 152

= 1 + ℎ minus 38 minus 4516 + 4516

그리고 는 물입자의 연직방향 평균위치를 나타내며 와 는 다음의 식과 같이 정의된다

= ℎ (43)

= sech (44)

여기서 ℎ는 수심 는 고립파의 입사파고를 나타내며 와 는 각각 다음의 식으로 주어진다

= 34 1 minus 58 + 71128 (45)

= minus ℎ (46)

34

여기서 는 고립파의 파속으로 고립파의 3차근사이론에 의하면 다음의 식과 같이 표현된다

= ℎ 1 + 12 minus 320 + 356 (47)

Ohyama amp Nadaoka(1991)는 수치파동수조내에서 구조물이 설치될 경우 조파소스의 위치에서 반사파

의 영향을 고려하여 조파소스지점에서 연직적분치가 반사파가 없는 경우와 분포형상이 상사되도록 다

음의 식을 고려하고 있다

= 2 + ℎ + ℎ (48)

여기서 와 는 각각 조파소스의 위치에서 수위변동과 조파소스에 의해 기대되는 수위변동이다

본 연구에서 는 다음의 식과 같은 고립파의 3차근사식을 적용하여 산정된다(Fenton 1972)

= ℎ 1 + + 58 minus 10180 (49)

여기서 는 다음의 식(410)과 같이 주어진다

= tanh minus ℎ (410)

이상의 관계식을 3D-NIT model에 적용하여 고립파를 수치조파한다 전술한 결과에서 최대파력이 작용하는

Fig 41에서 이격거리 0s cm= 인 경우에 고립파의 파고 23456iH cm= 일 때 주변파동장의 변화양상을

Fig 47(a)~(e)에 나타내었다 결과를 살펴보면 단주기규칙파에서의 결과와는 달리 파고의 증가에도 구조물 전면

부에서 쇄파가 발생하지 않았다 이는 상대적으로 긴 파장으로 인하여 Ursell수가 작아지기 때문으로 판단된다

그리고 구조물 전면부에서 고립파로 인한 급격한 처오름현상이 확인되고 연직주상구조물로 인한 회절현상을

약간 확인할 수 있지만 파장이 상대적으로 길기 때문에 회절파라미터가 작아져 결과적으로 단주기파랑보다 회

절현상이 작아진다

연직주상구조물의 전면부에 작용하는 파력분포를 Fig 48에 나타내었다 결과를 살펴보면 모두 정수면에서

최대파력이 작용하고 파고가 증가함에 따라 구조물에 작용하는 최대파력이 거의 선형적으로 증가하는 것을 알

수 있다 이는 기본적으로 규칙파와 달리 쇄파가 발생하지 않고 경사수심으로 인한 고립파의 파고변화가 크게

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 21: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

9

주어진다

2

cosh 4 ( ) 12 sinh (2 )

mm m mm

m m m

H H h z LUT L h L

p p pp+

= (224)

여기서 mz 은 물입자의 평균위치를 나타낸다

27 난수의 발생방법

난수(random numbers)는 random한 현상을 다루는 수치해석에서 많이 사용되는 매우 중요한 부분이다 난수를

발생시키는 방법에는 물리적인 방법과 수식을 이용한 방법이 있으며 물리적인 방법으로 난수를 발생시킬 경우

에는 많은 시간이 소요되며 컴퓨터를 이용한 모의실험에는 사용할 수 없다는 단점이 있다 따라서 수치해석에

사용되는 난수는 수식을 이용하여 발생되며 이러한 방법을 이용한 대표적인 난수발생방법으로 중양제곱법

(mid-squar method) 합동법(congruential method) 그리고 시프트법(shift method) 등이 있다(조 등 1992)

본 연구에서는 합동법에 기초하여 난수를 발생시켰고 난수발생은 IMSL(International Mathematical and Statistical

Library)의 난수발생기(random number generator)를 이용하였으며 그 알고리즘음 다음과 같다(Compaq computer

corporation 2001)

먼저 임의정수 1X 은 seed number이며 mod( )Y b 는 Y 를 b 로 나눈 나머지를 나타낸다 이러한 계산이 임

의주기 동안 진행되면서 1X 은 2X 로 변환되고 연속된 정수 iX 를 산출하는 과정을 반복한다 0과 1사이에 할

당된 난수는 식(225)에 의해 얻어질 수 있으며 상수는 식(226)에 나타낸 특수한 값으로 주어진다

12i iR X q i= = (225)

36 357909 2 2 1a b q= = = - (226)

이러한 과정에서 임의정수 iX 가 352 을 초과할 경우 iX 는 정수 35(2 1)- 로 변환된 후 계산이 수행되며

식(225)로부터 구한 난수는 [01] 사이에 분포한다

이로부터 불규칙파의 각 성분파간의 위상각 me 은 Fig 22에 나타낸 바와 같이 [01] 사이에 분포하는 난수를

발생시킨 후 위상을 조정하기 위해 2p 를 곱하여 [02 ]p 사이에 분포하는 값을 취하는 것으로 하였다

28 주파수의 선택방법

불규칙파를 모의하기 위한 주파수 mf

의 성분파의 진폭이 거의 같도록

Mitsuyasu(Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼에

다음의 식(227)을 이용하여 주파수 mf

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - =

10

주파수 mf 의 선택방법에는 주파수스펙트럼을 등구간으로

하는 등에너지로 분할하는 방법 등이 있다 본 연구에서는

스펙트럼에 대해 등에너지로 스펙트럼을 분할할 수 있는 Goda(1985)

mf 을 선택하였다

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - =

Fig 22 Random phase angle

mf 등구간으로 분할하는 방법과 각각

연구에서는 Bretshneider-

Goda(1985)에 의해 제안된

mf

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - = (227)

11

3장 수치해석의 검증

31 개요

일본의 연안개발기술센터(沿岸開發技術硏究セソタ 2001)에서 개발한 수치파동수조 CADMAS-SURF와 같은

2차원규칙파에 대한 연구는 많이 수행되고 있지만 2차원불규칙파와 3차원불규칙파에 대한 연구는 찾아보기가

어렵다

최근 개발되고 있는 방파제 및 호안의 경우 구조물의 형상이 복잡한 특수방파제가 많이 적용되고 있다 하지

만 이러한 방파제를 2차원으로 적용 ∙ 계산하기에는 반사율 파압분포 및 월파량의 추정치가 실제의 3차원의 경

우와는 상이한 결과가 발생할 것으로 판단된다 따라서 본 연구에서는 3차원수치파동수조인 3D-NIT model의 조

파성능에 대해 먼저 검토한다 그리고 3D-NIT model을 이용하여 규칙파 및 불규칙파를 조파하고 眞田(1998)의

수리실험과 비교 ∙ 검토함으로써 결과의 타당성을 논의한다 또한 불규칙파동장에 경사수심역에 설치된 호안을

대상으로 호안 배후로 전달되는 월파량을 산정하고 이의 결과를 실험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를

검토하고 더불어 파력의 실험치( Chakrabarti 1975)와 비교 ∙ 검토함으로써 결과의 타당성을 논의한다

32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증

불규칙파의 조파성능을 검증하기 위하여 Fig 31과 같은 구조물이 설치되지 않은 수심 219h m= 의 3차원

수치파동수조(부가감쇠영역과 해석영역으로 구성되었으며 격자크기는 1 05 05x m y m z mD = D = D = 로 설

정)에서 유의파고 13 7H m= 유의주기 13 1225secT = 를 목표로 성분파 200개를 선형중첩하여 불규칙파를

조파하였다 그리고 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을 방지하기

위하여 설치된 부가감쇠영역의 길이 aL 는 목표파 파장 0L 의 2배 이상으로 하였다 Fig 32는 조파지점에서의

계산파형을 목표한 파형과 비교한 그림으로 장시간의 해석에도 평균수위상승은 크게 나타나지 않으며 목표한

파형과 비교하여 전체적으로 파형과 위상이 잘 일치하고 있음을 확인할 수 있다

12

Fig 31 Schematic sketch of numerical wave tank

Fig 32 Comparison of target and calculated wave profiles at wave source position

3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 따른 연직원주구조물주변의 파랑변형에 대

하여 해석해 및 2차오더의 회절산란포텐셜을 유도한 眞田(1998)의 수치해석결과 및 수리실험결과와 본 수치해

석결과를 비교ᆞ검토한다

Fig 33은 비교에 적용된 3차원수치파동수조 및 연직원주구조물의 제원을 나타내며 이때 수치파동수조의 수

심은 45h cm= 로 일정하며 입사파고 3H cm= 입사주기 01sect = 의 규칙파에 대하여 수치계산을 수행하

였다 그리고 수치계산에서는 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을

방지하기 위하여 부가감쇠영역을 설치하며(Hinatsu 1992) 부가감쇠영역의 길이는 입사파장 L 의 2배 이상으로

하였다

x축을 따른 y=0 y=25cm의 위치 및 연직원주구조물의 주위에서 무차원최대수면상승고 max2h ( maxh 는 최대수

위값)의 공간분포에 대하여 眞田(1998)의 수치해석해석결과 및 수리실험결과와 비교한 본 계산결과를 Fig 34에

각각 제시하였고 다음의 결과를 살펴보면 원주 전면의 표면에서 가장 큰 무차원최대수면상승고가 나타났고 이

는 원주구조물의 전면에서 구조물에 의해 반사되는 회절산란파와 입사파의 중첩으로 부분중복파가 형성된것으

로 판단된다 그리고 Fig 34 (a)와 (b)에서 본 연구의 수치해석결과가 眞田(1998)의 수리실험치를 전체적으로 잘

재현하고 있으며 그 정도는 매우 높은 것으로 판단된다

()

mh

13

(a) Plan view

(b) Side view

Fig 33 Definition sketch of 3D numerical wave tank for comparison of wave transformation

(a) y=0cm

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zoneWave source

Wave

x

y

O

Open boundary Open boundary

Wave

Calculation zone

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

Wave source

2L 2L

z

O

45

33

50 30

x

Unitcm

14

(b) y=25cm

Fig 34 Comparison of spatial distribution of non-dimensional maximum water levels

33 월파량의 검토

본 절에서는 앞서 검토한 결과를 바탕으로 호안 배후로 전달되는 파랑의 월파량을 산정하고 이의 결과를 실

험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를 검토한다

Fig 35는 본 연구에서 월파량 산정을 위하여 고려된 수치파동수조고 Fig 36은 Fig 35의 수치파동수조에서

호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화를 파라미터로하여 산정된 호안월파량을 Goda(1985)의 실험치와 비교한

결과이다 이 때 적용한 파 조건은 주기 0 1383secT = 파고

0 4H m= 를 목표로 설정하였다 그리고 월파량

산정에 이용한 불규칙파는 파가 안정적으로 판단되는 조파개시후 50sec에서부터 600sec 사이의 파이며 월파량

은 호안의 천단상부에 설치된 수평유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 시간평균하여 산정하였다(Goda

1985)

Fig 36의 결과를 살펴보면 호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화에 따른 월파량의 변화특성을 살펴보면 본

연구의 계산치는 실험치를 잘 재현하고 있을 뿐 아니라 산정된 월파량의 정도는 실험치와 비교하여 상당히 높

은 것으로 판단된다

Fig 35 Numerical setup for wave overtopping over vertical seawall on a sea bottom slope of 110

15

Fig 36 Comparison between experimental and numerical results for wave overtopping rate over vertical seawall on a sea bottom

slope of 110 ( 0 0 0017H L = )

34 월파현상의 재현

Fig 37은 Fig 36의 0 0 075 15ch H h H= = 의 경우에 대한 월파에 따른 주변파동장의 변화를 나타낸

일례이다 그림을 살펴보면 본 연구의 수치파동수조는 기대하는 불규칙파동장을 잘 재현하는 것으로 판단된다

그리고 경사수심역상에는 수심변동으로 인한 천수변형을 확인할 수 있으며 호안의 천단상에서는 호안월파로

인하여 배후면으로 낙하되는 빠른 유속이 관찰된다 따라서 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장의 재현

및 수심변동에 따른 천수변형 호안월파로 인한 배후면의 파동장교란 등에 대해 고정도의 결과도 기대할 수 있

고 따라서 향후 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장하에 복잡한 형태를 가진 특수방파제 등에 의한 주변

파동장의 3차원적인 응답해석 및 월파현상을 확인하는데도 충분히 이용 가능할 것으로 판단된다

16

Fig 37 Spatial variation of irregular waves on a sea bottom slpoe of 110 ( 0 0 075 15ch H h H= = )

17

35 파력의 검증

다음으로 연직원주구조물에 작용하는 파력특성에 대하여 116h a = (a는 연직원주구조물의 반경)

0232H a = 인 경우에 기존의 수리실험결과(Chakrabarti and Tam 1975) 및 수치해석결과(喜岡와 石田 1984 村

上 등 1993)와 본 연구의 수치해석결과를 비교ᆞ검토한다 Fig 38은 해석에 이용된 연직원주구조물의 제원을 나

타내며 무차원최대파력 2max ( 2)F ga Hr 에 대하여 기존의 수리실험 및 수치해석결과와 비교한 것을 Fig

39에 제시하였다 결과를 살펴보면 실험치가 주어져 있는 kagt07(k는 파수 k=2 L)의 범위에서는 본 연구의 수치

해석결과는 수리실험결과를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되며 실험치가 주어지지 않은 kalt05의 범위에서 村

上 등(1993)의 결과는 Stokes 2차파이론의 적용범위를 초과하므로 발산하고 있다 이는 kalt05의 범위는 DLlt02

인 항력이 지배적인 소형구조물의 영역으로 기존의 해석법으로 파력을 산정하는데는 과도한 계산시간으로 파

력산정에 다소 무리가 있으며 항력과 관성력을 동시에 고려할 수 있는 Navier-Stokes의 운동방정식에 근거한 본

연구의 수치해석결과가 타당한 것으로 판단된다

Fig 38 Definition sketch for comparison of wave force acting on the circular cylinder

x

y

zWave

h

a

18

Fig 39 Comparison of non-dimensional maximum wave force acting on the circular cylinder

이상의 3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 의한 파랑변형 및 구조물에 작용하

는 파력의 수치해석결과가 실험치를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되므로 본 연구의 타당성이 검증된다

0 05 1 15 2ka

0

1

2

3

4

5

6F m

axr

ga2 (

H2

)This studyExp(Chakrabarti amp Tam 1975)Cal(Shin 2008)Cal(Murakami et al 1993)Cal(Kioka and Ishida 1984)

19

4 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장

해석에 적용

41 개요

해역에 설치된 구조물은 파력 풍력 조류력 등의 외력을 지속적으로 받기 때문에 구조물의 경우 극한의 파

랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충분한 강도를 가지도록 설계할 필요가 있다 본 연구에서는 해역에서 쇄파

가 발생할 때 원주구조물에 작용하는 쇄파력과 파랑변형을 논의한다 쇄파에 대한 이론 및 실험적 연구는 오래

전부터 많은 연구자들에 의해서 수행되어 왔고 최근에는 과도수파생성법(조 등 2001)에 의한 쇄파현상의 재현

및 비선형파의 3차원수치해석법에 의한 연구가 수행되고 있다(신 2008) 본 논문에서는 3차원불규칙파수치파동

수조 3D-NIT model을 적용하여 쇄파가 발생할 경우에 쇄파가 구조물에 미치는 영향에 대하여 검토하고 이와

연계하여 구조물에 작용하는 쇄파력의 크기를 분석한다 그리고 쇄파전의 영역 쇄파영역 및 쇄파후의 영역에

각각 원주구조물이 설치된 경우에 작용파력과 파랑변형의 특성을 조사하여 3D-NIT model의 적용성을 검토한다

42 수치파동수조

Fig 41과 같은 수심 30h cm= 를 갖는 규칙파동장의 경사수심역에 설치된 원주구조물을 대상으로 파력을

산정하며 적용한 규칙파는 주기 14secT = 파고 23456H cm= 이다 Table 41은 본 연구에서 대상으로

하는 수치파동수조의 특성을 나타내며 여기서 D는 원주구조물의 직경을 d는 경사수심이 이후의 수심을 나타

내고 s는 경사수심 끝단부로부터의 이격거리이다

(a) front view

20

(b) top view Fig 41 Definition sketch of 3D numerical wave tank for analysis of wavebreaking force acting on circular cylinder

Table 41 Condition of numerical analysis for circular cylinder shape of structure slope T(s) H(cm) h(cm) D(cm) d(cm) s(cm)

circular

cylinder

case1 110 14 2 3 4

5 6 30 60 4 0

case2 110 14 4 30 60 4 0 20 40

60 80

43 주변파동장

Fig 42는 원주구조물이 경사수심 끝단부에 위치할 때 파고 23456H cm= 로 변환될 경우의 원주구조물

로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면분포 및 단면분포를 나타낸 것이다 여기

서 파고 23H cm= 인 경우에는 쇄파현상이 발생하지 않지만 4H cm= 인 경우에는 경사수심이 끝나는 지점

에서 쇄파가 발생된다 이것은 수심이 낮아지면서 천수효과로 인해 파고가 쇄파한계를 넘어 쇄파가 발생된 것

으로 판단된다 그리고 56H cm= 인 경우에는 파고가 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생되

는 현상이 나타났다 이는 파고가 높아짐으로 인하여 쇄파한계가 경사수심의 끝단부 이전에서 나타난 것으로

보여진다

Fig 43은 case1에서 쇄파력이 원주구조물에 가장 영향이 많이 미칠 것으로 판단되는 파고 4H cm= 의 경

우에 대하여 원주구조물이 경사수심 끝단부로부터 이격거리 020406080s cm= 로 변환될 경우에 원주구조

물로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면 및 단면적인 변화양상을 나타낸 것이다

여기서 이격거리가 멀어짐에 따라 쇄파후 파의 재생성 과정을 통하여 정상상태의 파랑으로 전이되며 구조물

의 위치에 따른 구조물 전면부에서 처오름이 쇄파대 부분에 구조물이 위치할 경우보다 이격거리가 멀어질수록

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

yx

Wave

DSlope=110

500cm

21

작아지는 것을 확인할 수 있다

(a) 2 14sec 0H cm T s cm= = =

22

(b) 3 14sec 0H cm T s cm= = =

23

(c) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

24

(d) 5 14sec 0H cm T s cm= = =

25

(e) 6 14sec 0H cm T s cm= = =

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height

26

(a) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

27

(b) 4 14sec 20H cm T s cm= = =

28

(c) 4 14sec 40H cm T s cm= = =

29

(d) 4 14sec 60H cm T s cm= = =

30

(e) 4 14sec 80H cm T s cm= = =

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder

31

44 파력

Fig 44는 Fig 41에서 정의된 경사수심의 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 지점에 있어서 파고

23456H cm= 로 변화시킨 경우에 파력의 변화를 나타낸 것이다 결과를 살펴보면 파고 234H cm= 까

지는 파력이 증가하지만 5cm 이상부터는 오히려 파력이 감소하는 것을 알 수 있다 이는 Fig 42의 주변파동장

에서 파고가 5cm 이상부터 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생하여 쇄파로 인한 파랑에너지가

많이 소산된 것으로 판단된다 이러한 결과로 파고가 더 커지더라도 쇄파가 발생하는 위치에 따라 낮은 파고에

서도 높은 파력이 작용할 수 있다는 것이 확인되었다 따라서 수심이 얕아지는 천해역에서 방파제나 기타 구조

물을 설계함에 있어 구조물 전면부에서 쇄파가 발생하지 않도록 주의를 기울일 필요가 있을 것으로 판단된다

Fig 45는 Fig 41 에서 정의된 경사수심 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 일 때 최대로 파력이 작용하는 파

고 4H cm= 에 대하여 구조물의 이격거리 020406080s cm= 로 변화시켜 구조물의 이격거리에 따른 쇄

파력의 크기를 검토한 결과이고 Fig 46은 Fig 45의 이격거리 04080s cm= 의 경우 파력의 시계열을 나타낸

것이다 결과를 살펴보면 구조물의 이격거리가 증가함에 따라 파력이 감소하는 것이 나타났다 하지만 이격거

리 20s cm= 이후에서는 파력의 감소가 줄어든다 이는 쇄파로 인해 어느 정도 에너지가 소산되고 난 이후에

파고가 정상상태에 전이된 결과에 기인하는 것으로 판단된다

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1

0 1 2 3 4 5 6 7 8time(sec)

-10

0

10

20

30

F(N

)

H=2cmH=3cmH=4cmH=5cmH=6cm

32

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2

45 3차원불규칙수치파동수조에 의한 고립파의 적용

본 절에서는 3D-NIT model의 고립파로 적용성에 대하여 검토한다 고립파와 구조물과의 상호간섭을

해석하기 위하여 Fig 41과 같은 3차원수치파동수조를 고려한다 해석영역내에서는 수치적으로 고립파

를 발생시키기 위한 조파소스(Brorsen amp Lasen 1987 김 등 2001)와 무반사조파시스템을 위한 에너지감쇠

영역이 고려되고 3차원파동장에서 고립파의 작용하에 작용파압을 검토하기 위하여 경사수심을 갖는 불

투과지반에 연직주상구조물이 설치된다 조파소스에서 조파강도는 다음의 식(41)로 주어진다

0 20 40 60 80s(cm)

4

8

12

16F(

N)

0 2 4 6 8time(sec)

-5

0

5

10

15

20

F(N

)

s=0cms=40cms=80cm

33

( ) = 2 (41)

여기서 는 발생파의 수평유속성분을 각각 나타내며 본 연구에서는 조파소스강도 로서 식(42)과

같이 Grimshaw(1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사이론에 의한 수평방향유속 를 적용한다(Fenton

1972)

= ℎ[ minus minus + ] (42)

여기서 및 는 다음과 같이 정의된다

= minus 14 + + 1 + ℎ 32 minus 94

= 1940 + 15 minus 65 + 1 + ℎ minus 32 minus 154 + 152

= 1 + ℎ minus 38 minus 4516 + 4516

그리고 는 물입자의 연직방향 평균위치를 나타내며 와 는 다음의 식과 같이 정의된다

= ℎ (43)

= sech (44)

여기서 ℎ는 수심 는 고립파의 입사파고를 나타내며 와 는 각각 다음의 식으로 주어진다

= 34 1 minus 58 + 71128 (45)

= minus ℎ (46)

34

여기서 는 고립파의 파속으로 고립파의 3차근사이론에 의하면 다음의 식과 같이 표현된다

= ℎ 1 + 12 minus 320 + 356 (47)

Ohyama amp Nadaoka(1991)는 수치파동수조내에서 구조물이 설치될 경우 조파소스의 위치에서 반사파

의 영향을 고려하여 조파소스지점에서 연직적분치가 반사파가 없는 경우와 분포형상이 상사되도록 다

음의 식을 고려하고 있다

= 2 + ℎ + ℎ (48)

여기서 와 는 각각 조파소스의 위치에서 수위변동과 조파소스에 의해 기대되는 수위변동이다

본 연구에서 는 다음의 식과 같은 고립파의 3차근사식을 적용하여 산정된다(Fenton 1972)

= ℎ 1 + + 58 minus 10180 (49)

여기서 는 다음의 식(410)과 같이 주어진다

= tanh minus ℎ (410)

이상의 관계식을 3D-NIT model에 적용하여 고립파를 수치조파한다 전술한 결과에서 최대파력이 작용하는

Fig 41에서 이격거리 0s cm= 인 경우에 고립파의 파고 23456iH cm= 일 때 주변파동장의 변화양상을

Fig 47(a)~(e)에 나타내었다 결과를 살펴보면 단주기규칙파에서의 결과와는 달리 파고의 증가에도 구조물 전면

부에서 쇄파가 발생하지 않았다 이는 상대적으로 긴 파장으로 인하여 Ursell수가 작아지기 때문으로 판단된다

그리고 구조물 전면부에서 고립파로 인한 급격한 처오름현상이 확인되고 연직주상구조물로 인한 회절현상을

약간 확인할 수 있지만 파장이 상대적으로 길기 때문에 회절파라미터가 작아져 결과적으로 단주기파랑보다 회

절현상이 작아진다

연직주상구조물의 전면부에 작용하는 파력분포를 Fig 48에 나타내었다 결과를 살펴보면 모두 정수면에서

최대파력이 작용하고 파고가 증가함에 따라 구조물에 작용하는 최대파력이 거의 선형적으로 증가하는 것을 알

수 있다 이는 기본적으로 규칙파와 달리 쇄파가 발생하지 않고 경사수심으로 인한 고립파의 파고변화가 크게

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 22: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

28 주파수의 선택방법

불규칙파를 모의하기 위한 주파수 mf

의 성분파의 진폭이 거의 같도록

Mitsuyasu(Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼에

다음의 식(227)을 이용하여 주파수 mf

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - =

10

주파수 mf 의 선택방법에는 주파수스펙트럼을 등구간으로

하는 등에너지로 분할하는 방법 등이 있다 본 연구에서는

스펙트럼에 대해 등에너지로 스펙트럼을 분할할 수 있는 Goda(1985)

mf 을 선택하였다

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - =

Fig 22 Random phase angle

mf 등구간으로 분할하는 방법과 각각

연구에서는 Bretshneider-

Goda(1985)에 의해 제안된

mf

14

13

1007 ln[2 (2 1)] 1mf M m m MT

-= - = (227)

11

3장 수치해석의 검증

31 개요

일본의 연안개발기술센터(沿岸開發技術硏究セソタ 2001)에서 개발한 수치파동수조 CADMAS-SURF와 같은

2차원규칙파에 대한 연구는 많이 수행되고 있지만 2차원불규칙파와 3차원불규칙파에 대한 연구는 찾아보기가

어렵다

최근 개발되고 있는 방파제 및 호안의 경우 구조물의 형상이 복잡한 특수방파제가 많이 적용되고 있다 하지

만 이러한 방파제를 2차원으로 적용 ∙ 계산하기에는 반사율 파압분포 및 월파량의 추정치가 실제의 3차원의 경

우와는 상이한 결과가 발생할 것으로 판단된다 따라서 본 연구에서는 3차원수치파동수조인 3D-NIT model의 조

파성능에 대해 먼저 검토한다 그리고 3D-NIT model을 이용하여 규칙파 및 불규칙파를 조파하고 眞田(1998)의

수리실험과 비교 ∙ 검토함으로써 결과의 타당성을 논의한다 또한 불규칙파동장에 경사수심역에 설치된 호안을

대상으로 호안 배후로 전달되는 월파량을 산정하고 이의 결과를 실험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를

검토하고 더불어 파력의 실험치( Chakrabarti 1975)와 비교 ∙ 검토함으로써 결과의 타당성을 논의한다

32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증

불규칙파의 조파성능을 검증하기 위하여 Fig 31과 같은 구조물이 설치되지 않은 수심 219h m= 의 3차원

수치파동수조(부가감쇠영역과 해석영역으로 구성되었으며 격자크기는 1 05 05x m y m z mD = D = D = 로 설

정)에서 유의파고 13 7H m= 유의주기 13 1225secT = 를 목표로 성분파 200개를 선형중첩하여 불규칙파를

조파하였다 그리고 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을 방지하기

위하여 설치된 부가감쇠영역의 길이 aL 는 목표파 파장 0L 의 2배 이상으로 하였다 Fig 32는 조파지점에서의

계산파형을 목표한 파형과 비교한 그림으로 장시간의 해석에도 평균수위상승은 크게 나타나지 않으며 목표한

파형과 비교하여 전체적으로 파형과 위상이 잘 일치하고 있음을 확인할 수 있다

12

Fig 31 Schematic sketch of numerical wave tank

Fig 32 Comparison of target and calculated wave profiles at wave source position

3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 따른 연직원주구조물주변의 파랑변형에 대

하여 해석해 및 2차오더의 회절산란포텐셜을 유도한 眞田(1998)의 수치해석결과 및 수리실험결과와 본 수치해

석결과를 비교ᆞ검토한다

Fig 33은 비교에 적용된 3차원수치파동수조 및 연직원주구조물의 제원을 나타내며 이때 수치파동수조의 수

심은 45h cm= 로 일정하며 입사파고 3H cm= 입사주기 01sect = 의 규칙파에 대하여 수치계산을 수행하

였다 그리고 수치계산에서는 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을

방지하기 위하여 부가감쇠영역을 설치하며(Hinatsu 1992) 부가감쇠영역의 길이는 입사파장 L 의 2배 이상으로

하였다

x축을 따른 y=0 y=25cm의 위치 및 연직원주구조물의 주위에서 무차원최대수면상승고 max2h ( maxh 는 최대수

위값)의 공간분포에 대하여 眞田(1998)의 수치해석해석결과 및 수리실험결과와 비교한 본 계산결과를 Fig 34에

각각 제시하였고 다음의 결과를 살펴보면 원주 전면의 표면에서 가장 큰 무차원최대수면상승고가 나타났고 이

는 원주구조물의 전면에서 구조물에 의해 반사되는 회절산란파와 입사파의 중첩으로 부분중복파가 형성된것으

로 판단된다 그리고 Fig 34 (a)와 (b)에서 본 연구의 수치해석결과가 眞田(1998)의 수리실험치를 전체적으로 잘

재현하고 있으며 그 정도는 매우 높은 것으로 판단된다

()

mh

13

(a) Plan view

(b) Side view

Fig 33 Definition sketch of 3D numerical wave tank for comparison of wave transformation

(a) y=0cm

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zoneWave source

Wave

x

y

O

Open boundary Open boundary

Wave

Calculation zone

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

Wave source

2L 2L

z

O

45

33

50 30

x

Unitcm

14

(b) y=25cm

Fig 34 Comparison of spatial distribution of non-dimensional maximum water levels

33 월파량의 검토

본 절에서는 앞서 검토한 결과를 바탕으로 호안 배후로 전달되는 파랑의 월파량을 산정하고 이의 결과를 실

험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를 검토한다

Fig 35는 본 연구에서 월파량 산정을 위하여 고려된 수치파동수조고 Fig 36은 Fig 35의 수치파동수조에서

호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화를 파라미터로하여 산정된 호안월파량을 Goda(1985)의 실험치와 비교한

결과이다 이 때 적용한 파 조건은 주기 0 1383secT = 파고

0 4H m= 를 목표로 설정하였다 그리고 월파량

산정에 이용한 불규칙파는 파가 안정적으로 판단되는 조파개시후 50sec에서부터 600sec 사이의 파이며 월파량

은 호안의 천단상부에 설치된 수평유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 시간평균하여 산정하였다(Goda

1985)

Fig 36의 결과를 살펴보면 호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화에 따른 월파량의 변화특성을 살펴보면 본

연구의 계산치는 실험치를 잘 재현하고 있을 뿐 아니라 산정된 월파량의 정도는 실험치와 비교하여 상당히 높

은 것으로 판단된다

Fig 35 Numerical setup for wave overtopping over vertical seawall on a sea bottom slope of 110

15

Fig 36 Comparison between experimental and numerical results for wave overtopping rate over vertical seawall on a sea bottom

slope of 110 ( 0 0 0017H L = )

34 월파현상의 재현

Fig 37은 Fig 36의 0 0 075 15ch H h H= = 의 경우에 대한 월파에 따른 주변파동장의 변화를 나타낸

일례이다 그림을 살펴보면 본 연구의 수치파동수조는 기대하는 불규칙파동장을 잘 재현하는 것으로 판단된다

그리고 경사수심역상에는 수심변동으로 인한 천수변형을 확인할 수 있으며 호안의 천단상에서는 호안월파로

인하여 배후면으로 낙하되는 빠른 유속이 관찰된다 따라서 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장의 재현

및 수심변동에 따른 천수변형 호안월파로 인한 배후면의 파동장교란 등에 대해 고정도의 결과도 기대할 수 있

고 따라서 향후 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장하에 복잡한 형태를 가진 특수방파제 등에 의한 주변

파동장의 3차원적인 응답해석 및 월파현상을 확인하는데도 충분히 이용 가능할 것으로 판단된다

16

Fig 37 Spatial variation of irregular waves on a sea bottom slpoe of 110 ( 0 0 075 15ch H h H= = )

17

35 파력의 검증

다음으로 연직원주구조물에 작용하는 파력특성에 대하여 116h a = (a는 연직원주구조물의 반경)

0232H a = 인 경우에 기존의 수리실험결과(Chakrabarti and Tam 1975) 및 수치해석결과(喜岡와 石田 1984 村

上 등 1993)와 본 연구의 수치해석결과를 비교ᆞ검토한다 Fig 38은 해석에 이용된 연직원주구조물의 제원을 나

타내며 무차원최대파력 2max ( 2)F ga Hr 에 대하여 기존의 수리실험 및 수치해석결과와 비교한 것을 Fig

39에 제시하였다 결과를 살펴보면 실험치가 주어져 있는 kagt07(k는 파수 k=2 L)의 범위에서는 본 연구의 수치

해석결과는 수리실험결과를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되며 실험치가 주어지지 않은 kalt05의 범위에서 村

上 등(1993)의 결과는 Stokes 2차파이론의 적용범위를 초과하므로 발산하고 있다 이는 kalt05의 범위는 DLlt02

인 항력이 지배적인 소형구조물의 영역으로 기존의 해석법으로 파력을 산정하는데는 과도한 계산시간으로 파

력산정에 다소 무리가 있으며 항력과 관성력을 동시에 고려할 수 있는 Navier-Stokes의 운동방정식에 근거한 본

연구의 수치해석결과가 타당한 것으로 판단된다

Fig 38 Definition sketch for comparison of wave force acting on the circular cylinder

x

y

zWave

h

a

18

Fig 39 Comparison of non-dimensional maximum wave force acting on the circular cylinder

이상의 3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 의한 파랑변형 및 구조물에 작용하

는 파력의 수치해석결과가 실험치를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되므로 본 연구의 타당성이 검증된다

0 05 1 15 2ka

0

1

2

3

4

5

6F m

axr

ga2 (

H2

)This studyExp(Chakrabarti amp Tam 1975)Cal(Shin 2008)Cal(Murakami et al 1993)Cal(Kioka and Ishida 1984)

19

4 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장

해석에 적용

41 개요

해역에 설치된 구조물은 파력 풍력 조류력 등의 외력을 지속적으로 받기 때문에 구조물의 경우 극한의 파

랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충분한 강도를 가지도록 설계할 필요가 있다 본 연구에서는 해역에서 쇄파

가 발생할 때 원주구조물에 작용하는 쇄파력과 파랑변형을 논의한다 쇄파에 대한 이론 및 실험적 연구는 오래

전부터 많은 연구자들에 의해서 수행되어 왔고 최근에는 과도수파생성법(조 등 2001)에 의한 쇄파현상의 재현

및 비선형파의 3차원수치해석법에 의한 연구가 수행되고 있다(신 2008) 본 논문에서는 3차원불규칙파수치파동

수조 3D-NIT model을 적용하여 쇄파가 발생할 경우에 쇄파가 구조물에 미치는 영향에 대하여 검토하고 이와

연계하여 구조물에 작용하는 쇄파력의 크기를 분석한다 그리고 쇄파전의 영역 쇄파영역 및 쇄파후의 영역에

각각 원주구조물이 설치된 경우에 작용파력과 파랑변형의 특성을 조사하여 3D-NIT model의 적용성을 검토한다

42 수치파동수조

Fig 41과 같은 수심 30h cm= 를 갖는 규칙파동장의 경사수심역에 설치된 원주구조물을 대상으로 파력을

산정하며 적용한 규칙파는 주기 14secT = 파고 23456H cm= 이다 Table 41은 본 연구에서 대상으로

하는 수치파동수조의 특성을 나타내며 여기서 D는 원주구조물의 직경을 d는 경사수심이 이후의 수심을 나타

내고 s는 경사수심 끝단부로부터의 이격거리이다

(a) front view

20

(b) top view Fig 41 Definition sketch of 3D numerical wave tank for analysis of wavebreaking force acting on circular cylinder

Table 41 Condition of numerical analysis for circular cylinder shape of structure slope T(s) H(cm) h(cm) D(cm) d(cm) s(cm)

circular

cylinder

case1 110 14 2 3 4

5 6 30 60 4 0

case2 110 14 4 30 60 4 0 20 40

60 80

43 주변파동장

Fig 42는 원주구조물이 경사수심 끝단부에 위치할 때 파고 23456H cm= 로 변환될 경우의 원주구조물

로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면분포 및 단면분포를 나타낸 것이다 여기

서 파고 23H cm= 인 경우에는 쇄파현상이 발생하지 않지만 4H cm= 인 경우에는 경사수심이 끝나는 지점

에서 쇄파가 발생된다 이것은 수심이 낮아지면서 천수효과로 인해 파고가 쇄파한계를 넘어 쇄파가 발생된 것

으로 판단된다 그리고 56H cm= 인 경우에는 파고가 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생되

는 현상이 나타났다 이는 파고가 높아짐으로 인하여 쇄파한계가 경사수심의 끝단부 이전에서 나타난 것으로

보여진다

Fig 43은 case1에서 쇄파력이 원주구조물에 가장 영향이 많이 미칠 것으로 판단되는 파고 4H cm= 의 경

우에 대하여 원주구조물이 경사수심 끝단부로부터 이격거리 020406080s cm= 로 변환될 경우에 원주구조

물로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면 및 단면적인 변화양상을 나타낸 것이다

여기서 이격거리가 멀어짐에 따라 쇄파후 파의 재생성 과정을 통하여 정상상태의 파랑으로 전이되며 구조물

의 위치에 따른 구조물 전면부에서 처오름이 쇄파대 부분에 구조물이 위치할 경우보다 이격거리가 멀어질수록

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

yx

Wave

DSlope=110

500cm

21

작아지는 것을 확인할 수 있다

(a) 2 14sec 0H cm T s cm= = =

22

(b) 3 14sec 0H cm T s cm= = =

23

(c) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

24

(d) 5 14sec 0H cm T s cm= = =

25

(e) 6 14sec 0H cm T s cm= = =

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height

26

(a) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

27

(b) 4 14sec 20H cm T s cm= = =

28

(c) 4 14sec 40H cm T s cm= = =

29

(d) 4 14sec 60H cm T s cm= = =

30

(e) 4 14sec 80H cm T s cm= = =

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder

31

44 파력

Fig 44는 Fig 41에서 정의된 경사수심의 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 지점에 있어서 파고

23456H cm= 로 변화시킨 경우에 파력의 변화를 나타낸 것이다 결과를 살펴보면 파고 234H cm= 까

지는 파력이 증가하지만 5cm 이상부터는 오히려 파력이 감소하는 것을 알 수 있다 이는 Fig 42의 주변파동장

에서 파고가 5cm 이상부터 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생하여 쇄파로 인한 파랑에너지가

많이 소산된 것으로 판단된다 이러한 결과로 파고가 더 커지더라도 쇄파가 발생하는 위치에 따라 낮은 파고에

서도 높은 파력이 작용할 수 있다는 것이 확인되었다 따라서 수심이 얕아지는 천해역에서 방파제나 기타 구조

물을 설계함에 있어 구조물 전면부에서 쇄파가 발생하지 않도록 주의를 기울일 필요가 있을 것으로 판단된다

Fig 45는 Fig 41 에서 정의된 경사수심 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 일 때 최대로 파력이 작용하는 파

고 4H cm= 에 대하여 구조물의 이격거리 020406080s cm= 로 변화시켜 구조물의 이격거리에 따른 쇄

파력의 크기를 검토한 결과이고 Fig 46은 Fig 45의 이격거리 04080s cm= 의 경우 파력의 시계열을 나타낸

것이다 결과를 살펴보면 구조물의 이격거리가 증가함에 따라 파력이 감소하는 것이 나타났다 하지만 이격거

리 20s cm= 이후에서는 파력의 감소가 줄어든다 이는 쇄파로 인해 어느 정도 에너지가 소산되고 난 이후에

파고가 정상상태에 전이된 결과에 기인하는 것으로 판단된다

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1

0 1 2 3 4 5 6 7 8time(sec)

-10

0

10

20

30

F(N

)

H=2cmH=3cmH=4cmH=5cmH=6cm

32

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2

45 3차원불규칙수치파동수조에 의한 고립파의 적용

본 절에서는 3D-NIT model의 고립파로 적용성에 대하여 검토한다 고립파와 구조물과의 상호간섭을

해석하기 위하여 Fig 41과 같은 3차원수치파동수조를 고려한다 해석영역내에서는 수치적으로 고립파

를 발생시키기 위한 조파소스(Brorsen amp Lasen 1987 김 등 2001)와 무반사조파시스템을 위한 에너지감쇠

영역이 고려되고 3차원파동장에서 고립파의 작용하에 작용파압을 검토하기 위하여 경사수심을 갖는 불

투과지반에 연직주상구조물이 설치된다 조파소스에서 조파강도는 다음의 식(41)로 주어진다

0 20 40 60 80s(cm)

4

8

12

16F(

N)

0 2 4 6 8time(sec)

-5

0

5

10

15

20

F(N

)

s=0cms=40cms=80cm

33

( ) = 2 (41)

여기서 는 발생파의 수평유속성분을 각각 나타내며 본 연구에서는 조파소스강도 로서 식(42)과

같이 Grimshaw(1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사이론에 의한 수평방향유속 를 적용한다(Fenton

1972)

= ℎ[ minus minus + ] (42)

여기서 및 는 다음과 같이 정의된다

= minus 14 + + 1 + ℎ 32 minus 94

= 1940 + 15 minus 65 + 1 + ℎ minus 32 minus 154 + 152

= 1 + ℎ minus 38 minus 4516 + 4516

그리고 는 물입자의 연직방향 평균위치를 나타내며 와 는 다음의 식과 같이 정의된다

= ℎ (43)

= sech (44)

여기서 ℎ는 수심 는 고립파의 입사파고를 나타내며 와 는 각각 다음의 식으로 주어진다

= 34 1 minus 58 + 71128 (45)

= minus ℎ (46)

34

여기서 는 고립파의 파속으로 고립파의 3차근사이론에 의하면 다음의 식과 같이 표현된다

= ℎ 1 + 12 minus 320 + 356 (47)

Ohyama amp Nadaoka(1991)는 수치파동수조내에서 구조물이 설치될 경우 조파소스의 위치에서 반사파

의 영향을 고려하여 조파소스지점에서 연직적분치가 반사파가 없는 경우와 분포형상이 상사되도록 다

음의 식을 고려하고 있다

= 2 + ℎ + ℎ (48)

여기서 와 는 각각 조파소스의 위치에서 수위변동과 조파소스에 의해 기대되는 수위변동이다

본 연구에서 는 다음의 식과 같은 고립파의 3차근사식을 적용하여 산정된다(Fenton 1972)

= ℎ 1 + + 58 minus 10180 (49)

여기서 는 다음의 식(410)과 같이 주어진다

= tanh minus ℎ (410)

이상의 관계식을 3D-NIT model에 적용하여 고립파를 수치조파한다 전술한 결과에서 최대파력이 작용하는

Fig 41에서 이격거리 0s cm= 인 경우에 고립파의 파고 23456iH cm= 일 때 주변파동장의 변화양상을

Fig 47(a)~(e)에 나타내었다 결과를 살펴보면 단주기규칙파에서의 결과와는 달리 파고의 증가에도 구조물 전면

부에서 쇄파가 발생하지 않았다 이는 상대적으로 긴 파장으로 인하여 Ursell수가 작아지기 때문으로 판단된다

그리고 구조물 전면부에서 고립파로 인한 급격한 처오름현상이 확인되고 연직주상구조물로 인한 회절현상을

약간 확인할 수 있지만 파장이 상대적으로 길기 때문에 회절파라미터가 작아져 결과적으로 단주기파랑보다 회

절현상이 작아진다

연직주상구조물의 전면부에 작용하는 파력분포를 Fig 48에 나타내었다 결과를 살펴보면 모두 정수면에서

최대파력이 작용하고 파고가 증가함에 따라 구조물에 작용하는 최대파력이 거의 선형적으로 증가하는 것을 알

수 있다 이는 기본적으로 규칙파와 달리 쇄파가 발생하지 않고 경사수심으로 인한 고립파의 파고변화가 크게

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 23: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

11

3장 수치해석의 검증

31 개요

일본의 연안개발기술센터(沿岸開發技術硏究セソタ 2001)에서 개발한 수치파동수조 CADMAS-SURF와 같은

2차원규칙파에 대한 연구는 많이 수행되고 있지만 2차원불규칙파와 3차원불규칙파에 대한 연구는 찾아보기가

어렵다

최근 개발되고 있는 방파제 및 호안의 경우 구조물의 형상이 복잡한 특수방파제가 많이 적용되고 있다 하지

만 이러한 방파제를 2차원으로 적용 ∙ 계산하기에는 반사율 파압분포 및 월파량의 추정치가 실제의 3차원의 경

우와는 상이한 결과가 발생할 것으로 판단된다 따라서 본 연구에서는 3차원수치파동수조인 3D-NIT model의 조

파성능에 대해 먼저 검토한다 그리고 3D-NIT model을 이용하여 규칙파 및 불규칙파를 조파하고 眞田(1998)의

수리실험과 비교 ∙ 검토함으로써 결과의 타당성을 논의한다 또한 불규칙파동장에 경사수심역에 설치된 호안을

대상으로 호안 배후로 전달되는 월파량을 산정하고 이의 결과를 실험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를

검토하고 더불어 파력의 실험치( Chakrabarti 1975)와 비교 ∙ 검토함으로써 결과의 타당성을 논의한다

32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증

불규칙파의 조파성능을 검증하기 위하여 Fig 31과 같은 구조물이 설치되지 않은 수심 219h m= 의 3차원

수치파동수조(부가감쇠영역과 해석영역으로 구성되었으며 격자크기는 1 05 05x m y m z mD = D = D = 로 설

정)에서 유의파고 13 7H m= 유의주기 13 1225secT = 를 목표로 성분파 200개를 선형중첩하여 불규칙파를

조파하였다 그리고 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을 방지하기

위하여 설치된 부가감쇠영역의 길이 aL 는 목표파 파장 0L 의 2배 이상으로 하였다 Fig 32는 조파지점에서의

계산파형을 목표한 파형과 비교한 그림으로 장시간의 해석에도 평균수위상승은 크게 나타나지 않으며 목표한

파형과 비교하여 전체적으로 파형과 위상이 잘 일치하고 있음을 확인할 수 있다

12

Fig 31 Schematic sketch of numerical wave tank

Fig 32 Comparison of target and calculated wave profiles at wave source position

3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 따른 연직원주구조물주변의 파랑변형에 대

하여 해석해 및 2차오더의 회절산란포텐셜을 유도한 眞田(1998)의 수치해석결과 및 수리실험결과와 본 수치해

석결과를 비교ᆞ검토한다

Fig 33은 비교에 적용된 3차원수치파동수조 및 연직원주구조물의 제원을 나타내며 이때 수치파동수조의 수

심은 45h cm= 로 일정하며 입사파고 3H cm= 입사주기 01sect = 의 규칙파에 대하여 수치계산을 수행하

였다 그리고 수치계산에서는 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을

방지하기 위하여 부가감쇠영역을 설치하며(Hinatsu 1992) 부가감쇠영역의 길이는 입사파장 L 의 2배 이상으로

하였다

x축을 따른 y=0 y=25cm의 위치 및 연직원주구조물의 주위에서 무차원최대수면상승고 max2h ( maxh 는 최대수

위값)의 공간분포에 대하여 眞田(1998)의 수치해석해석결과 및 수리실험결과와 비교한 본 계산결과를 Fig 34에

각각 제시하였고 다음의 결과를 살펴보면 원주 전면의 표면에서 가장 큰 무차원최대수면상승고가 나타났고 이

는 원주구조물의 전면에서 구조물에 의해 반사되는 회절산란파와 입사파의 중첩으로 부분중복파가 형성된것으

로 판단된다 그리고 Fig 34 (a)와 (b)에서 본 연구의 수치해석결과가 眞田(1998)의 수리실험치를 전체적으로 잘

재현하고 있으며 그 정도는 매우 높은 것으로 판단된다

()

mh

13

(a) Plan view

(b) Side view

Fig 33 Definition sketch of 3D numerical wave tank for comparison of wave transformation

(a) y=0cm

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zoneWave source

Wave

x

y

O

Open boundary Open boundary

Wave

Calculation zone

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

Wave source

2L 2L

z

O

45

33

50 30

x

Unitcm

14

(b) y=25cm

Fig 34 Comparison of spatial distribution of non-dimensional maximum water levels

33 월파량의 검토

본 절에서는 앞서 검토한 결과를 바탕으로 호안 배후로 전달되는 파랑의 월파량을 산정하고 이의 결과를 실

험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를 검토한다

Fig 35는 본 연구에서 월파량 산정을 위하여 고려된 수치파동수조고 Fig 36은 Fig 35의 수치파동수조에서

호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화를 파라미터로하여 산정된 호안월파량을 Goda(1985)의 실험치와 비교한

결과이다 이 때 적용한 파 조건은 주기 0 1383secT = 파고

0 4H m= 를 목표로 설정하였다 그리고 월파량

산정에 이용한 불규칙파는 파가 안정적으로 판단되는 조파개시후 50sec에서부터 600sec 사이의 파이며 월파량

은 호안의 천단상부에 설치된 수평유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 시간평균하여 산정하였다(Goda

1985)

Fig 36의 결과를 살펴보면 호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화에 따른 월파량의 변화특성을 살펴보면 본

연구의 계산치는 실험치를 잘 재현하고 있을 뿐 아니라 산정된 월파량의 정도는 실험치와 비교하여 상당히 높

은 것으로 판단된다

Fig 35 Numerical setup for wave overtopping over vertical seawall on a sea bottom slope of 110

15

Fig 36 Comparison between experimental and numerical results for wave overtopping rate over vertical seawall on a sea bottom

slope of 110 ( 0 0 0017H L = )

34 월파현상의 재현

Fig 37은 Fig 36의 0 0 075 15ch H h H= = 의 경우에 대한 월파에 따른 주변파동장의 변화를 나타낸

일례이다 그림을 살펴보면 본 연구의 수치파동수조는 기대하는 불규칙파동장을 잘 재현하는 것으로 판단된다

그리고 경사수심역상에는 수심변동으로 인한 천수변형을 확인할 수 있으며 호안의 천단상에서는 호안월파로

인하여 배후면으로 낙하되는 빠른 유속이 관찰된다 따라서 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장의 재현

및 수심변동에 따른 천수변형 호안월파로 인한 배후면의 파동장교란 등에 대해 고정도의 결과도 기대할 수 있

고 따라서 향후 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장하에 복잡한 형태를 가진 특수방파제 등에 의한 주변

파동장의 3차원적인 응답해석 및 월파현상을 확인하는데도 충분히 이용 가능할 것으로 판단된다

16

Fig 37 Spatial variation of irregular waves on a sea bottom slpoe of 110 ( 0 0 075 15ch H h H= = )

17

35 파력의 검증

다음으로 연직원주구조물에 작용하는 파력특성에 대하여 116h a = (a는 연직원주구조물의 반경)

0232H a = 인 경우에 기존의 수리실험결과(Chakrabarti and Tam 1975) 및 수치해석결과(喜岡와 石田 1984 村

上 등 1993)와 본 연구의 수치해석결과를 비교ᆞ검토한다 Fig 38은 해석에 이용된 연직원주구조물의 제원을 나

타내며 무차원최대파력 2max ( 2)F ga Hr 에 대하여 기존의 수리실험 및 수치해석결과와 비교한 것을 Fig

39에 제시하였다 결과를 살펴보면 실험치가 주어져 있는 kagt07(k는 파수 k=2 L)의 범위에서는 본 연구의 수치

해석결과는 수리실험결과를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되며 실험치가 주어지지 않은 kalt05의 범위에서 村

上 등(1993)의 결과는 Stokes 2차파이론의 적용범위를 초과하므로 발산하고 있다 이는 kalt05의 범위는 DLlt02

인 항력이 지배적인 소형구조물의 영역으로 기존의 해석법으로 파력을 산정하는데는 과도한 계산시간으로 파

력산정에 다소 무리가 있으며 항력과 관성력을 동시에 고려할 수 있는 Navier-Stokes의 운동방정식에 근거한 본

연구의 수치해석결과가 타당한 것으로 판단된다

Fig 38 Definition sketch for comparison of wave force acting on the circular cylinder

x

y

zWave

h

a

18

Fig 39 Comparison of non-dimensional maximum wave force acting on the circular cylinder

이상의 3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 의한 파랑변형 및 구조물에 작용하

는 파력의 수치해석결과가 실험치를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되므로 본 연구의 타당성이 검증된다

0 05 1 15 2ka

0

1

2

3

4

5

6F m

axr

ga2 (

H2

)This studyExp(Chakrabarti amp Tam 1975)Cal(Shin 2008)Cal(Murakami et al 1993)Cal(Kioka and Ishida 1984)

19

4 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장

해석에 적용

41 개요

해역에 설치된 구조물은 파력 풍력 조류력 등의 외력을 지속적으로 받기 때문에 구조물의 경우 극한의 파

랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충분한 강도를 가지도록 설계할 필요가 있다 본 연구에서는 해역에서 쇄파

가 발생할 때 원주구조물에 작용하는 쇄파력과 파랑변형을 논의한다 쇄파에 대한 이론 및 실험적 연구는 오래

전부터 많은 연구자들에 의해서 수행되어 왔고 최근에는 과도수파생성법(조 등 2001)에 의한 쇄파현상의 재현

및 비선형파의 3차원수치해석법에 의한 연구가 수행되고 있다(신 2008) 본 논문에서는 3차원불규칙파수치파동

수조 3D-NIT model을 적용하여 쇄파가 발생할 경우에 쇄파가 구조물에 미치는 영향에 대하여 검토하고 이와

연계하여 구조물에 작용하는 쇄파력의 크기를 분석한다 그리고 쇄파전의 영역 쇄파영역 및 쇄파후의 영역에

각각 원주구조물이 설치된 경우에 작용파력과 파랑변형의 특성을 조사하여 3D-NIT model의 적용성을 검토한다

42 수치파동수조

Fig 41과 같은 수심 30h cm= 를 갖는 규칙파동장의 경사수심역에 설치된 원주구조물을 대상으로 파력을

산정하며 적용한 규칙파는 주기 14secT = 파고 23456H cm= 이다 Table 41은 본 연구에서 대상으로

하는 수치파동수조의 특성을 나타내며 여기서 D는 원주구조물의 직경을 d는 경사수심이 이후의 수심을 나타

내고 s는 경사수심 끝단부로부터의 이격거리이다

(a) front view

20

(b) top view Fig 41 Definition sketch of 3D numerical wave tank for analysis of wavebreaking force acting on circular cylinder

Table 41 Condition of numerical analysis for circular cylinder shape of structure slope T(s) H(cm) h(cm) D(cm) d(cm) s(cm)

circular

cylinder

case1 110 14 2 3 4

5 6 30 60 4 0

case2 110 14 4 30 60 4 0 20 40

60 80

43 주변파동장

Fig 42는 원주구조물이 경사수심 끝단부에 위치할 때 파고 23456H cm= 로 변환될 경우의 원주구조물

로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면분포 및 단면분포를 나타낸 것이다 여기

서 파고 23H cm= 인 경우에는 쇄파현상이 발생하지 않지만 4H cm= 인 경우에는 경사수심이 끝나는 지점

에서 쇄파가 발생된다 이것은 수심이 낮아지면서 천수효과로 인해 파고가 쇄파한계를 넘어 쇄파가 발생된 것

으로 판단된다 그리고 56H cm= 인 경우에는 파고가 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생되

는 현상이 나타났다 이는 파고가 높아짐으로 인하여 쇄파한계가 경사수심의 끝단부 이전에서 나타난 것으로

보여진다

Fig 43은 case1에서 쇄파력이 원주구조물에 가장 영향이 많이 미칠 것으로 판단되는 파고 4H cm= 의 경

우에 대하여 원주구조물이 경사수심 끝단부로부터 이격거리 020406080s cm= 로 변환될 경우에 원주구조

물로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면 및 단면적인 변화양상을 나타낸 것이다

여기서 이격거리가 멀어짐에 따라 쇄파후 파의 재생성 과정을 통하여 정상상태의 파랑으로 전이되며 구조물

의 위치에 따른 구조물 전면부에서 처오름이 쇄파대 부분에 구조물이 위치할 경우보다 이격거리가 멀어질수록

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

yx

Wave

DSlope=110

500cm

21

작아지는 것을 확인할 수 있다

(a) 2 14sec 0H cm T s cm= = =

22

(b) 3 14sec 0H cm T s cm= = =

23

(c) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

24

(d) 5 14sec 0H cm T s cm= = =

25

(e) 6 14sec 0H cm T s cm= = =

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height

26

(a) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

27

(b) 4 14sec 20H cm T s cm= = =

28

(c) 4 14sec 40H cm T s cm= = =

29

(d) 4 14sec 60H cm T s cm= = =

30

(e) 4 14sec 80H cm T s cm= = =

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder

31

44 파력

Fig 44는 Fig 41에서 정의된 경사수심의 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 지점에 있어서 파고

23456H cm= 로 변화시킨 경우에 파력의 변화를 나타낸 것이다 결과를 살펴보면 파고 234H cm= 까

지는 파력이 증가하지만 5cm 이상부터는 오히려 파력이 감소하는 것을 알 수 있다 이는 Fig 42의 주변파동장

에서 파고가 5cm 이상부터 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생하여 쇄파로 인한 파랑에너지가

많이 소산된 것으로 판단된다 이러한 결과로 파고가 더 커지더라도 쇄파가 발생하는 위치에 따라 낮은 파고에

서도 높은 파력이 작용할 수 있다는 것이 확인되었다 따라서 수심이 얕아지는 천해역에서 방파제나 기타 구조

물을 설계함에 있어 구조물 전면부에서 쇄파가 발생하지 않도록 주의를 기울일 필요가 있을 것으로 판단된다

Fig 45는 Fig 41 에서 정의된 경사수심 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 일 때 최대로 파력이 작용하는 파

고 4H cm= 에 대하여 구조물의 이격거리 020406080s cm= 로 변화시켜 구조물의 이격거리에 따른 쇄

파력의 크기를 검토한 결과이고 Fig 46은 Fig 45의 이격거리 04080s cm= 의 경우 파력의 시계열을 나타낸

것이다 결과를 살펴보면 구조물의 이격거리가 증가함에 따라 파력이 감소하는 것이 나타났다 하지만 이격거

리 20s cm= 이후에서는 파력의 감소가 줄어든다 이는 쇄파로 인해 어느 정도 에너지가 소산되고 난 이후에

파고가 정상상태에 전이된 결과에 기인하는 것으로 판단된다

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1

0 1 2 3 4 5 6 7 8time(sec)

-10

0

10

20

30

F(N

)

H=2cmH=3cmH=4cmH=5cmH=6cm

32

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2

45 3차원불규칙수치파동수조에 의한 고립파의 적용

본 절에서는 3D-NIT model의 고립파로 적용성에 대하여 검토한다 고립파와 구조물과의 상호간섭을

해석하기 위하여 Fig 41과 같은 3차원수치파동수조를 고려한다 해석영역내에서는 수치적으로 고립파

를 발생시키기 위한 조파소스(Brorsen amp Lasen 1987 김 등 2001)와 무반사조파시스템을 위한 에너지감쇠

영역이 고려되고 3차원파동장에서 고립파의 작용하에 작용파압을 검토하기 위하여 경사수심을 갖는 불

투과지반에 연직주상구조물이 설치된다 조파소스에서 조파강도는 다음의 식(41)로 주어진다

0 20 40 60 80s(cm)

4

8

12

16F(

N)

0 2 4 6 8time(sec)

-5

0

5

10

15

20

F(N

)

s=0cms=40cms=80cm

33

( ) = 2 (41)

여기서 는 발생파의 수평유속성분을 각각 나타내며 본 연구에서는 조파소스강도 로서 식(42)과

같이 Grimshaw(1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사이론에 의한 수평방향유속 를 적용한다(Fenton

1972)

= ℎ[ minus minus + ] (42)

여기서 및 는 다음과 같이 정의된다

= minus 14 + + 1 + ℎ 32 minus 94

= 1940 + 15 minus 65 + 1 + ℎ minus 32 minus 154 + 152

= 1 + ℎ minus 38 minus 4516 + 4516

그리고 는 물입자의 연직방향 평균위치를 나타내며 와 는 다음의 식과 같이 정의된다

= ℎ (43)

= sech (44)

여기서 ℎ는 수심 는 고립파의 입사파고를 나타내며 와 는 각각 다음의 식으로 주어진다

= 34 1 minus 58 + 71128 (45)

= minus ℎ (46)

34

여기서 는 고립파의 파속으로 고립파의 3차근사이론에 의하면 다음의 식과 같이 표현된다

= ℎ 1 + 12 minus 320 + 356 (47)

Ohyama amp Nadaoka(1991)는 수치파동수조내에서 구조물이 설치될 경우 조파소스의 위치에서 반사파

의 영향을 고려하여 조파소스지점에서 연직적분치가 반사파가 없는 경우와 분포형상이 상사되도록 다

음의 식을 고려하고 있다

= 2 + ℎ + ℎ (48)

여기서 와 는 각각 조파소스의 위치에서 수위변동과 조파소스에 의해 기대되는 수위변동이다

본 연구에서 는 다음의 식과 같은 고립파의 3차근사식을 적용하여 산정된다(Fenton 1972)

= ℎ 1 + + 58 minus 10180 (49)

여기서 는 다음의 식(410)과 같이 주어진다

= tanh minus ℎ (410)

이상의 관계식을 3D-NIT model에 적용하여 고립파를 수치조파한다 전술한 결과에서 최대파력이 작용하는

Fig 41에서 이격거리 0s cm= 인 경우에 고립파의 파고 23456iH cm= 일 때 주변파동장의 변화양상을

Fig 47(a)~(e)에 나타내었다 결과를 살펴보면 단주기규칙파에서의 결과와는 달리 파고의 증가에도 구조물 전면

부에서 쇄파가 발생하지 않았다 이는 상대적으로 긴 파장으로 인하여 Ursell수가 작아지기 때문으로 판단된다

그리고 구조물 전면부에서 고립파로 인한 급격한 처오름현상이 확인되고 연직주상구조물로 인한 회절현상을

약간 확인할 수 있지만 파장이 상대적으로 길기 때문에 회절파라미터가 작아져 결과적으로 단주기파랑보다 회

절현상이 작아진다

연직주상구조물의 전면부에 작용하는 파력분포를 Fig 48에 나타내었다 결과를 살펴보면 모두 정수면에서

최대파력이 작용하고 파고가 증가함에 따라 구조물에 작용하는 최대파력이 거의 선형적으로 증가하는 것을 알

수 있다 이는 기본적으로 규칙파와 달리 쇄파가 발생하지 않고 경사수심으로 인한 고립파의 파고변화가 크게

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 24: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

12

Fig 31 Schematic sketch of numerical wave tank

Fig 32 Comparison of target and calculated wave profiles at wave source position

3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 따른 연직원주구조물주변의 파랑변형에 대

하여 해석해 및 2차오더의 회절산란포텐셜을 유도한 眞田(1998)의 수치해석결과 및 수리실험결과와 본 수치해

석결과를 비교ᆞ검토한다

Fig 33은 비교에 적용된 3차원수치파동수조 및 연직원주구조물의 제원을 나타내며 이때 수치파동수조의 수

심은 45h cm= 로 일정하며 입사파고 3H cm= 입사주기 01sect = 의 규칙파에 대하여 수치계산을 수행하

였다 그리고 수치계산에서는 개경계에서 발생할 수 있는 파랑의 재반사가 해석영역의 파동장에 미치는 영향을

방지하기 위하여 부가감쇠영역을 설치하며(Hinatsu 1992) 부가감쇠영역의 길이는 입사파장 L 의 2배 이상으로

하였다

x축을 따른 y=0 y=25cm의 위치 및 연직원주구조물의 주위에서 무차원최대수면상승고 max2h ( maxh 는 최대수

위값)의 공간분포에 대하여 眞田(1998)의 수치해석해석결과 및 수리실험결과와 비교한 본 계산결과를 Fig 34에

각각 제시하였고 다음의 결과를 살펴보면 원주 전면의 표면에서 가장 큰 무차원최대수면상승고가 나타났고 이

는 원주구조물의 전면에서 구조물에 의해 반사되는 회절산란파와 입사파의 중첩으로 부분중복파가 형성된것으

로 판단된다 그리고 Fig 34 (a)와 (b)에서 본 연구의 수치해석결과가 眞田(1998)의 수리실험치를 전체적으로 잘

재현하고 있으며 그 정도는 매우 높은 것으로 판단된다

()

mh

13

(a) Plan view

(b) Side view

Fig 33 Definition sketch of 3D numerical wave tank for comparison of wave transformation

(a) y=0cm

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zoneWave source

Wave

x

y

O

Open boundary Open boundary

Wave

Calculation zone

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

Wave source

2L 2L

z

O

45

33

50 30

x

Unitcm

14

(b) y=25cm

Fig 34 Comparison of spatial distribution of non-dimensional maximum water levels

33 월파량의 검토

본 절에서는 앞서 검토한 결과를 바탕으로 호안 배후로 전달되는 파랑의 월파량을 산정하고 이의 결과를 실

험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를 검토한다

Fig 35는 본 연구에서 월파량 산정을 위하여 고려된 수치파동수조고 Fig 36은 Fig 35의 수치파동수조에서

호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화를 파라미터로하여 산정된 호안월파량을 Goda(1985)의 실험치와 비교한

결과이다 이 때 적용한 파 조건은 주기 0 1383secT = 파고

0 4H m= 를 목표로 설정하였다 그리고 월파량

산정에 이용한 불규칙파는 파가 안정적으로 판단되는 조파개시후 50sec에서부터 600sec 사이의 파이며 월파량

은 호안의 천단상부에 설치된 수평유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 시간평균하여 산정하였다(Goda

1985)

Fig 36의 결과를 살펴보면 호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화에 따른 월파량의 변화특성을 살펴보면 본

연구의 계산치는 실험치를 잘 재현하고 있을 뿐 아니라 산정된 월파량의 정도는 실험치와 비교하여 상당히 높

은 것으로 판단된다

Fig 35 Numerical setup for wave overtopping over vertical seawall on a sea bottom slope of 110

15

Fig 36 Comparison between experimental and numerical results for wave overtopping rate over vertical seawall on a sea bottom

slope of 110 ( 0 0 0017H L = )

34 월파현상의 재현

Fig 37은 Fig 36의 0 0 075 15ch H h H= = 의 경우에 대한 월파에 따른 주변파동장의 변화를 나타낸

일례이다 그림을 살펴보면 본 연구의 수치파동수조는 기대하는 불규칙파동장을 잘 재현하는 것으로 판단된다

그리고 경사수심역상에는 수심변동으로 인한 천수변형을 확인할 수 있으며 호안의 천단상에서는 호안월파로

인하여 배후면으로 낙하되는 빠른 유속이 관찰된다 따라서 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장의 재현

및 수심변동에 따른 천수변형 호안월파로 인한 배후면의 파동장교란 등에 대해 고정도의 결과도 기대할 수 있

고 따라서 향후 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장하에 복잡한 형태를 가진 특수방파제 등에 의한 주변

파동장의 3차원적인 응답해석 및 월파현상을 확인하는데도 충분히 이용 가능할 것으로 판단된다

16

Fig 37 Spatial variation of irregular waves on a sea bottom slpoe of 110 ( 0 0 075 15ch H h H= = )

17

35 파력의 검증

다음으로 연직원주구조물에 작용하는 파력특성에 대하여 116h a = (a는 연직원주구조물의 반경)

0232H a = 인 경우에 기존의 수리실험결과(Chakrabarti and Tam 1975) 및 수치해석결과(喜岡와 石田 1984 村

上 등 1993)와 본 연구의 수치해석결과를 비교ᆞ검토한다 Fig 38은 해석에 이용된 연직원주구조물의 제원을 나

타내며 무차원최대파력 2max ( 2)F ga Hr 에 대하여 기존의 수리실험 및 수치해석결과와 비교한 것을 Fig

39에 제시하였다 결과를 살펴보면 실험치가 주어져 있는 kagt07(k는 파수 k=2 L)의 범위에서는 본 연구의 수치

해석결과는 수리실험결과를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되며 실험치가 주어지지 않은 kalt05의 범위에서 村

上 등(1993)의 결과는 Stokes 2차파이론의 적용범위를 초과하므로 발산하고 있다 이는 kalt05의 범위는 DLlt02

인 항력이 지배적인 소형구조물의 영역으로 기존의 해석법으로 파력을 산정하는데는 과도한 계산시간으로 파

력산정에 다소 무리가 있으며 항력과 관성력을 동시에 고려할 수 있는 Navier-Stokes의 운동방정식에 근거한 본

연구의 수치해석결과가 타당한 것으로 판단된다

Fig 38 Definition sketch for comparison of wave force acting on the circular cylinder

x

y

zWave

h

a

18

Fig 39 Comparison of non-dimensional maximum wave force acting on the circular cylinder

이상의 3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 의한 파랑변형 및 구조물에 작용하

는 파력의 수치해석결과가 실험치를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되므로 본 연구의 타당성이 검증된다

0 05 1 15 2ka

0

1

2

3

4

5

6F m

axr

ga2 (

H2

)This studyExp(Chakrabarti amp Tam 1975)Cal(Shin 2008)Cal(Murakami et al 1993)Cal(Kioka and Ishida 1984)

19

4 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장

해석에 적용

41 개요

해역에 설치된 구조물은 파력 풍력 조류력 등의 외력을 지속적으로 받기 때문에 구조물의 경우 극한의 파

랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충분한 강도를 가지도록 설계할 필요가 있다 본 연구에서는 해역에서 쇄파

가 발생할 때 원주구조물에 작용하는 쇄파력과 파랑변형을 논의한다 쇄파에 대한 이론 및 실험적 연구는 오래

전부터 많은 연구자들에 의해서 수행되어 왔고 최근에는 과도수파생성법(조 등 2001)에 의한 쇄파현상의 재현

및 비선형파의 3차원수치해석법에 의한 연구가 수행되고 있다(신 2008) 본 논문에서는 3차원불규칙파수치파동

수조 3D-NIT model을 적용하여 쇄파가 발생할 경우에 쇄파가 구조물에 미치는 영향에 대하여 검토하고 이와

연계하여 구조물에 작용하는 쇄파력의 크기를 분석한다 그리고 쇄파전의 영역 쇄파영역 및 쇄파후의 영역에

각각 원주구조물이 설치된 경우에 작용파력과 파랑변형의 특성을 조사하여 3D-NIT model의 적용성을 검토한다

42 수치파동수조

Fig 41과 같은 수심 30h cm= 를 갖는 규칙파동장의 경사수심역에 설치된 원주구조물을 대상으로 파력을

산정하며 적용한 규칙파는 주기 14secT = 파고 23456H cm= 이다 Table 41은 본 연구에서 대상으로

하는 수치파동수조의 특성을 나타내며 여기서 D는 원주구조물의 직경을 d는 경사수심이 이후의 수심을 나타

내고 s는 경사수심 끝단부로부터의 이격거리이다

(a) front view

20

(b) top view Fig 41 Definition sketch of 3D numerical wave tank for analysis of wavebreaking force acting on circular cylinder

Table 41 Condition of numerical analysis for circular cylinder shape of structure slope T(s) H(cm) h(cm) D(cm) d(cm) s(cm)

circular

cylinder

case1 110 14 2 3 4

5 6 30 60 4 0

case2 110 14 4 30 60 4 0 20 40

60 80

43 주변파동장

Fig 42는 원주구조물이 경사수심 끝단부에 위치할 때 파고 23456H cm= 로 변환될 경우의 원주구조물

로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면분포 및 단면분포를 나타낸 것이다 여기

서 파고 23H cm= 인 경우에는 쇄파현상이 발생하지 않지만 4H cm= 인 경우에는 경사수심이 끝나는 지점

에서 쇄파가 발생된다 이것은 수심이 낮아지면서 천수효과로 인해 파고가 쇄파한계를 넘어 쇄파가 발생된 것

으로 판단된다 그리고 56H cm= 인 경우에는 파고가 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생되

는 현상이 나타났다 이는 파고가 높아짐으로 인하여 쇄파한계가 경사수심의 끝단부 이전에서 나타난 것으로

보여진다

Fig 43은 case1에서 쇄파력이 원주구조물에 가장 영향이 많이 미칠 것으로 판단되는 파고 4H cm= 의 경

우에 대하여 원주구조물이 경사수심 끝단부로부터 이격거리 020406080s cm= 로 변환될 경우에 원주구조

물로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면 및 단면적인 변화양상을 나타낸 것이다

여기서 이격거리가 멀어짐에 따라 쇄파후 파의 재생성 과정을 통하여 정상상태의 파랑으로 전이되며 구조물

의 위치에 따른 구조물 전면부에서 처오름이 쇄파대 부분에 구조물이 위치할 경우보다 이격거리가 멀어질수록

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

yx

Wave

DSlope=110

500cm

21

작아지는 것을 확인할 수 있다

(a) 2 14sec 0H cm T s cm= = =

22

(b) 3 14sec 0H cm T s cm= = =

23

(c) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

24

(d) 5 14sec 0H cm T s cm= = =

25

(e) 6 14sec 0H cm T s cm= = =

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height

26

(a) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

27

(b) 4 14sec 20H cm T s cm= = =

28

(c) 4 14sec 40H cm T s cm= = =

29

(d) 4 14sec 60H cm T s cm= = =

30

(e) 4 14sec 80H cm T s cm= = =

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder

31

44 파력

Fig 44는 Fig 41에서 정의된 경사수심의 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 지점에 있어서 파고

23456H cm= 로 변화시킨 경우에 파력의 변화를 나타낸 것이다 결과를 살펴보면 파고 234H cm= 까

지는 파력이 증가하지만 5cm 이상부터는 오히려 파력이 감소하는 것을 알 수 있다 이는 Fig 42의 주변파동장

에서 파고가 5cm 이상부터 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생하여 쇄파로 인한 파랑에너지가

많이 소산된 것으로 판단된다 이러한 결과로 파고가 더 커지더라도 쇄파가 발생하는 위치에 따라 낮은 파고에

서도 높은 파력이 작용할 수 있다는 것이 확인되었다 따라서 수심이 얕아지는 천해역에서 방파제나 기타 구조

물을 설계함에 있어 구조물 전면부에서 쇄파가 발생하지 않도록 주의를 기울일 필요가 있을 것으로 판단된다

Fig 45는 Fig 41 에서 정의된 경사수심 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 일 때 최대로 파력이 작용하는 파

고 4H cm= 에 대하여 구조물의 이격거리 020406080s cm= 로 변화시켜 구조물의 이격거리에 따른 쇄

파력의 크기를 검토한 결과이고 Fig 46은 Fig 45의 이격거리 04080s cm= 의 경우 파력의 시계열을 나타낸

것이다 결과를 살펴보면 구조물의 이격거리가 증가함에 따라 파력이 감소하는 것이 나타났다 하지만 이격거

리 20s cm= 이후에서는 파력의 감소가 줄어든다 이는 쇄파로 인해 어느 정도 에너지가 소산되고 난 이후에

파고가 정상상태에 전이된 결과에 기인하는 것으로 판단된다

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1

0 1 2 3 4 5 6 7 8time(sec)

-10

0

10

20

30

F(N

)

H=2cmH=3cmH=4cmH=5cmH=6cm

32

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2

45 3차원불규칙수치파동수조에 의한 고립파의 적용

본 절에서는 3D-NIT model의 고립파로 적용성에 대하여 검토한다 고립파와 구조물과의 상호간섭을

해석하기 위하여 Fig 41과 같은 3차원수치파동수조를 고려한다 해석영역내에서는 수치적으로 고립파

를 발생시키기 위한 조파소스(Brorsen amp Lasen 1987 김 등 2001)와 무반사조파시스템을 위한 에너지감쇠

영역이 고려되고 3차원파동장에서 고립파의 작용하에 작용파압을 검토하기 위하여 경사수심을 갖는 불

투과지반에 연직주상구조물이 설치된다 조파소스에서 조파강도는 다음의 식(41)로 주어진다

0 20 40 60 80s(cm)

4

8

12

16F(

N)

0 2 4 6 8time(sec)

-5

0

5

10

15

20

F(N

)

s=0cms=40cms=80cm

33

( ) = 2 (41)

여기서 는 발생파의 수평유속성분을 각각 나타내며 본 연구에서는 조파소스강도 로서 식(42)과

같이 Grimshaw(1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사이론에 의한 수평방향유속 를 적용한다(Fenton

1972)

= ℎ[ minus minus + ] (42)

여기서 및 는 다음과 같이 정의된다

= minus 14 + + 1 + ℎ 32 minus 94

= 1940 + 15 minus 65 + 1 + ℎ minus 32 minus 154 + 152

= 1 + ℎ minus 38 minus 4516 + 4516

그리고 는 물입자의 연직방향 평균위치를 나타내며 와 는 다음의 식과 같이 정의된다

= ℎ (43)

= sech (44)

여기서 ℎ는 수심 는 고립파의 입사파고를 나타내며 와 는 각각 다음의 식으로 주어진다

= 34 1 minus 58 + 71128 (45)

= minus ℎ (46)

34

여기서 는 고립파의 파속으로 고립파의 3차근사이론에 의하면 다음의 식과 같이 표현된다

= ℎ 1 + 12 minus 320 + 356 (47)

Ohyama amp Nadaoka(1991)는 수치파동수조내에서 구조물이 설치될 경우 조파소스의 위치에서 반사파

의 영향을 고려하여 조파소스지점에서 연직적분치가 반사파가 없는 경우와 분포형상이 상사되도록 다

음의 식을 고려하고 있다

= 2 + ℎ + ℎ (48)

여기서 와 는 각각 조파소스의 위치에서 수위변동과 조파소스에 의해 기대되는 수위변동이다

본 연구에서 는 다음의 식과 같은 고립파의 3차근사식을 적용하여 산정된다(Fenton 1972)

= ℎ 1 + + 58 minus 10180 (49)

여기서 는 다음의 식(410)과 같이 주어진다

= tanh minus ℎ (410)

이상의 관계식을 3D-NIT model에 적용하여 고립파를 수치조파한다 전술한 결과에서 최대파력이 작용하는

Fig 41에서 이격거리 0s cm= 인 경우에 고립파의 파고 23456iH cm= 일 때 주변파동장의 변화양상을

Fig 47(a)~(e)에 나타내었다 결과를 살펴보면 단주기규칙파에서의 결과와는 달리 파고의 증가에도 구조물 전면

부에서 쇄파가 발생하지 않았다 이는 상대적으로 긴 파장으로 인하여 Ursell수가 작아지기 때문으로 판단된다

그리고 구조물 전면부에서 고립파로 인한 급격한 처오름현상이 확인되고 연직주상구조물로 인한 회절현상을

약간 확인할 수 있지만 파장이 상대적으로 길기 때문에 회절파라미터가 작아져 결과적으로 단주기파랑보다 회

절현상이 작아진다

연직주상구조물의 전면부에 작용하는 파력분포를 Fig 48에 나타내었다 결과를 살펴보면 모두 정수면에서

최대파력이 작용하고 파고가 증가함에 따라 구조물에 작용하는 최대파력이 거의 선형적으로 증가하는 것을 알

수 있다 이는 기본적으로 규칙파와 달리 쇄파가 발생하지 않고 경사수심으로 인한 고립파의 파고변화가 크게

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 25: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

13

(a) Plan view

(b) Side view

Fig 33 Definition sketch of 3D numerical wave tank for comparison of wave transformation

(a) y=0cm

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zoneWave source

Wave

x

y

O

Open boundary Open boundary

Wave

Calculation zone

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

Wave source

2L 2L

z

O

45

33

50 30

x

Unitcm

14

(b) y=25cm

Fig 34 Comparison of spatial distribution of non-dimensional maximum water levels

33 월파량의 검토

본 절에서는 앞서 검토한 결과를 바탕으로 호안 배후로 전달되는 파랑의 월파량을 산정하고 이의 결과를 실

험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를 검토한다

Fig 35는 본 연구에서 월파량 산정을 위하여 고려된 수치파동수조고 Fig 36은 Fig 35의 수치파동수조에서

호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화를 파라미터로하여 산정된 호안월파량을 Goda(1985)의 실험치와 비교한

결과이다 이 때 적용한 파 조건은 주기 0 1383secT = 파고

0 4H m= 를 목표로 설정하였다 그리고 월파량

산정에 이용한 불규칙파는 파가 안정적으로 판단되는 조파개시후 50sec에서부터 600sec 사이의 파이며 월파량

은 호안의 천단상부에 설치된 수평유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 시간평균하여 산정하였다(Goda

1985)

Fig 36의 결과를 살펴보면 호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화에 따른 월파량의 변화특성을 살펴보면 본

연구의 계산치는 실험치를 잘 재현하고 있을 뿐 아니라 산정된 월파량의 정도는 실험치와 비교하여 상당히 높

은 것으로 판단된다

Fig 35 Numerical setup for wave overtopping over vertical seawall on a sea bottom slope of 110

15

Fig 36 Comparison between experimental and numerical results for wave overtopping rate over vertical seawall on a sea bottom

slope of 110 ( 0 0 0017H L = )

34 월파현상의 재현

Fig 37은 Fig 36의 0 0 075 15ch H h H= = 의 경우에 대한 월파에 따른 주변파동장의 변화를 나타낸

일례이다 그림을 살펴보면 본 연구의 수치파동수조는 기대하는 불규칙파동장을 잘 재현하는 것으로 판단된다

그리고 경사수심역상에는 수심변동으로 인한 천수변형을 확인할 수 있으며 호안의 천단상에서는 호안월파로

인하여 배후면으로 낙하되는 빠른 유속이 관찰된다 따라서 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장의 재현

및 수심변동에 따른 천수변형 호안월파로 인한 배후면의 파동장교란 등에 대해 고정도의 결과도 기대할 수 있

고 따라서 향후 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장하에 복잡한 형태를 가진 특수방파제 등에 의한 주변

파동장의 3차원적인 응답해석 및 월파현상을 확인하는데도 충분히 이용 가능할 것으로 판단된다

16

Fig 37 Spatial variation of irregular waves on a sea bottom slpoe of 110 ( 0 0 075 15ch H h H= = )

17

35 파력의 검증

다음으로 연직원주구조물에 작용하는 파력특성에 대하여 116h a = (a는 연직원주구조물의 반경)

0232H a = 인 경우에 기존의 수리실험결과(Chakrabarti and Tam 1975) 및 수치해석결과(喜岡와 石田 1984 村

上 등 1993)와 본 연구의 수치해석결과를 비교ᆞ검토한다 Fig 38은 해석에 이용된 연직원주구조물의 제원을 나

타내며 무차원최대파력 2max ( 2)F ga Hr 에 대하여 기존의 수리실험 및 수치해석결과와 비교한 것을 Fig

39에 제시하였다 결과를 살펴보면 실험치가 주어져 있는 kagt07(k는 파수 k=2 L)의 범위에서는 본 연구의 수치

해석결과는 수리실험결과를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되며 실험치가 주어지지 않은 kalt05의 범위에서 村

上 등(1993)의 결과는 Stokes 2차파이론의 적용범위를 초과하므로 발산하고 있다 이는 kalt05의 범위는 DLlt02

인 항력이 지배적인 소형구조물의 영역으로 기존의 해석법으로 파력을 산정하는데는 과도한 계산시간으로 파

력산정에 다소 무리가 있으며 항력과 관성력을 동시에 고려할 수 있는 Navier-Stokes의 운동방정식에 근거한 본

연구의 수치해석결과가 타당한 것으로 판단된다

Fig 38 Definition sketch for comparison of wave force acting on the circular cylinder

x

y

zWave

h

a

18

Fig 39 Comparison of non-dimensional maximum wave force acting on the circular cylinder

이상의 3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 의한 파랑변형 및 구조물에 작용하

는 파력의 수치해석결과가 실험치를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되므로 본 연구의 타당성이 검증된다

0 05 1 15 2ka

0

1

2

3

4

5

6F m

axr

ga2 (

H2

)This studyExp(Chakrabarti amp Tam 1975)Cal(Shin 2008)Cal(Murakami et al 1993)Cal(Kioka and Ishida 1984)

19

4 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장

해석에 적용

41 개요

해역에 설치된 구조물은 파력 풍력 조류력 등의 외력을 지속적으로 받기 때문에 구조물의 경우 극한의 파

랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충분한 강도를 가지도록 설계할 필요가 있다 본 연구에서는 해역에서 쇄파

가 발생할 때 원주구조물에 작용하는 쇄파력과 파랑변형을 논의한다 쇄파에 대한 이론 및 실험적 연구는 오래

전부터 많은 연구자들에 의해서 수행되어 왔고 최근에는 과도수파생성법(조 등 2001)에 의한 쇄파현상의 재현

및 비선형파의 3차원수치해석법에 의한 연구가 수행되고 있다(신 2008) 본 논문에서는 3차원불규칙파수치파동

수조 3D-NIT model을 적용하여 쇄파가 발생할 경우에 쇄파가 구조물에 미치는 영향에 대하여 검토하고 이와

연계하여 구조물에 작용하는 쇄파력의 크기를 분석한다 그리고 쇄파전의 영역 쇄파영역 및 쇄파후의 영역에

각각 원주구조물이 설치된 경우에 작용파력과 파랑변형의 특성을 조사하여 3D-NIT model의 적용성을 검토한다

42 수치파동수조

Fig 41과 같은 수심 30h cm= 를 갖는 규칙파동장의 경사수심역에 설치된 원주구조물을 대상으로 파력을

산정하며 적용한 규칙파는 주기 14secT = 파고 23456H cm= 이다 Table 41은 본 연구에서 대상으로

하는 수치파동수조의 특성을 나타내며 여기서 D는 원주구조물의 직경을 d는 경사수심이 이후의 수심을 나타

내고 s는 경사수심 끝단부로부터의 이격거리이다

(a) front view

20

(b) top view Fig 41 Definition sketch of 3D numerical wave tank for analysis of wavebreaking force acting on circular cylinder

Table 41 Condition of numerical analysis for circular cylinder shape of structure slope T(s) H(cm) h(cm) D(cm) d(cm) s(cm)

circular

cylinder

case1 110 14 2 3 4

5 6 30 60 4 0

case2 110 14 4 30 60 4 0 20 40

60 80

43 주변파동장

Fig 42는 원주구조물이 경사수심 끝단부에 위치할 때 파고 23456H cm= 로 변환될 경우의 원주구조물

로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면분포 및 단면분포를 나타낸 것이다 여기

서 파고 23H cm= 인 경우에는 쇄파현상이 발생하지 않지만 4H cm= 인 경우에는 경사수심이 끝나는 지점

에서 쇄파가 발생된다 이것은 수심이 낮아지면서 천수효과로 인해 파고가 쇄파한계를 넘어 쇄파가 발생된 것

으로 판단된다 그리고 56H cm= 인 경우에는 파고가 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생되

는 현상이 나타났다 이는 파고가 높아짐으로 인하여 쇄파한계가 경사수심의 끝단부 이전에서 나타난 것으로

보여진다

Fig 43은 case1에서 쇄파력이 원주구조물에 가장 영향이 많이 미칠 것으로 판단되는 파고 4H cm= 의 경

우에 대하여 원주구조물이 경사수심 끝단부로부터 이격거리 020406080s cm= 로 변환될 경우에 원주구조

물로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면 및 단면적인 변화양상을 나타낸 것이다

여기서 이격거리가 멀어짐에 따라 쇄파후 파의 재생성 과정을 통하여 정상상태의 파랑으로 전이되며 구조물

의 위치에 따른 구조물 전면부에서 처오름이 쇄파대 부분에 구조물이 위치할 경우보다 이격거리가 멀어질수록

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

yx

Wave

DSlope=110

500cm

21

작아지는 것을 확인할 수 있다

(a) 2 14sec 0H cm T s cm= = =

22

(b) 3 14sec 0H cm T s cm= = =

23

(c) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

24

(d) 5 14sec 0H cm T s cm= = =

25

(e) 6 14sec 0H cm T s cm= = =

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height

26

(a) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

27

(b) 4 14sec 20H cm T s cm= = =

28

(c) 4 14sec 40H cm T s cm= = =

29

(d) 4 14sec 60H cm T s cm= = =

30

(e) 4 14sec 80H cm T s cm= = =

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder

31

44 파력

Fig 44는 Fig 41에서 정의된 경사수심의 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 지점에 있어서 파고

23456H cm= 로 변화시킨 경우에 파력의 변화를 나타낸 것이다 결과를 살펴보면 파고 234H cm= 까

지는 파력이 증가하지만 5cm 이상부터는 오히려 파력이 감소하는 것을 알 수 있다 이는 Fig 42의 주변파동장

에서 파고가 5cm 이상부터 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생하여 쇄파로 인한 파랑에너지가

많이 소산된 것으로 판단된다 이러한 결과로 파고가 더 커지더라도 쇄파가 발생하는 위치에 따라 낮은 파고에

서도 높은 파력이 작용할 수 있다는 것이 확인되었다 따라서 수심이 얕아지는 천해역에서 방파제나 기타 구조

물을 설계함에 있어 구조물 전면부에서 쇄파가 발생하지 않도록 주의를 기울일 필요가 있을 것으로 판단된다

Fig 45는 Fig 41 에서 정의된 경사수심 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 일 때 최대로 파력이 작용하는 파

고 4H cm= 에 대하여 구조물의 이격거리 020406080s cm= 로 변화시켜 구조물의 이격거리에 따른 쇄

파력의 크기를 검토한 결과이고 Fig 46은 Fig 45의 이격거리 04080s cm= 의 경우 파력의 시계열을 나타낸

것이다 결과를 살펴보면 구조물의 이격거리가 증가함에 따라 파력이 감소하는 것이 나타났다 하지만 이격거

리 20s cm= 이후에서는 파력의 감소가 줄어든다 이는 쇄파로 인해 어느 정도 에너지가 소산되고 난 이후에

파고가 정상상태에 전이된 결과에 기인하는 것으로 판단된다

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1

0 1 2 3 4 5 6 7 8time(sec)

-10

0

10

20

30

F(N

)

H=2cmH=3cmH=4cmH=5cmH=6cm

32

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2

45 3차원불규칙수치파동수조에 의한 고립파의 적용

본 절에서는 3D-NIT model의 고립파로 적용성에 대하여 검토한다 고립파와 구조물과의 상호간섭을

해석하기 위하여 Fig 41과 같은 3차원수치파동수조를 고려한다 해석영역내에서는 수치적으로 고립파

를 발생시키기 위한 조파소스(Brorsen amp Lasen 1987 김 등 2001)와 무반사조파시스템을 위한 에너지감쇠

영역이 고려되고 3차원파동장에서 고립파의 작용하에 작용파압을 검토하기 위하여 경사수심을 갖는 불

투과지반에 연직주상구조물이 설치된다 조파소스에서 조파강도는 다음의 식(41)로 주어진다

0 20 40 60 80s(cm)

4

8

12

16F(

N)

0 2 4 6 8time(sec)

-5

0

5

10

15

20

F(N

)

s=0cms=40cms=80cm

33

( ) = 2 (41)

여기서 는 발생파의 수평유속성분을 각각 나타내며 본 연구에서는 조파소스강도 로서 식(42)과

같이 Grimshaw(1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사이론에 의한 수평방향유속 를 적용한다(Fenton

1972)

= ℎ[ minus minus + ] (42)

여기서 및 는 다음과 같이 정의된다

= minus 14 + + 1 + ℎ 32 minus 94

= 1940 + 15 minus 65 + 1 + ℎ minus 32 minus 154 + 152

= 1 + ℎ minus 38 minus 4516 + 4516

그리고 는 물입자의 연직방향 평균위치를 나타내며 와 는 다음의 식과 같이 정의된다

= ℎ (43)

= sech (44)

여기서 ℎ는 수심 는 고립파의 입사파고를 나타내며 와 는 각각 다음의 식으로 주어진다

= 34 1 minus 58 + 71128 (45)

= minus ℎ (46)

34

여기서 는 고립파의 파속으로 고립파의 3차근사이론에 의하면 다음의 식과 같이 표현된다

= ℎ 1 + 12 minus 320 + 356 (47)

Ohyama amp Nadaoka(1991)는 수치파동수조내에서 구조물이 설치될 경우 조파소스의 위치에서 반사파

의 영향을 고려하여 조파소스지점에서 연직적분치가 반사파가 없는 경우와 분포형상이 상사되도록 다

음의 식을 고려하고 있다

= 2 + ℎ + ℎ (48)

여기서 와 는 각각 조파소스의 위치에서 수위변동과 조파소스에 의해 기대되는 수위변동이다

본 연구에서 는 다음의 식과 같은 고립파의 3차근사식을 적용하여 산정된다(Fenton 1972)

= ℎ 1 + + 58 minus 10180 (49)

여기서 는 다음의 식(410)과 같이 주어진다

= tanh minus ℎ (410)

이상의 관계식을 3D-NIT model에 적용하여 고립파를 수치조파한다 전술한 결과에서 최대파력이 작용하는

Fig 41에서 이격거리 0s cm= 인 경우에 고립파의 파고 23456iH cm= 일 때 주변파동장의 변화양상을

Fig 47(a)~(e)에 나타내었다 결과를 살펴보면 단주기규칙파에서의 결과와는 달리 파고의 증가에도 구조물 전면

부에서 쇄파가 발생하지 않았다 이는 상대적으로 긴 파장으로 인하여 Ursell수가 작아지기 때문으로 판단된다

그리고 구조물 전면부에서 고립파로 인한 급격한 처오름현상이 확인되고 연직주상구조물로 인한 회절현상을

약간 확인할 수 있지만 파장이 상대적으로 길기 때문에 회절파라미터가 작아져 결과적으로 단주기파랑보다 회

절현상이 작아진다

연직주상구조물의 전면부에 작용하는 파력분포를 Fig 48에 나타내었다 결과를 살펴보면 모두 정수면에서

최대파력이 작용하고 파고가 증가함에 따라 구조물에 작용하는 최대파력이 거의 선형적으로 증가하는 것을 알

수 있다 이는 기본적으로 규칙파와 달리 쇄파가 발생하지 않고 경사수심으로 인한 고립파의 파고변화가 크게

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 26: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

14

(b) y=25cm

Fig 34 Comparison of spatial distribution of non-dimensional maximum water levels

33 월파량의 검토

본 절에서는 앞서 검토한 결과를 바탕으로 호안 배후로 전달되는 파랑의 월파량을 산정하고 이의 결과를 실

험치와 비교하여 산정된 월파량의 정도를 검토한다

Fig 35는 본 연구에서 월파량 산정을 위하여 고려된 수치파동수조고 Fig 36은 Fig 35의 수치파동수조에서

호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화를 파라미터로하여 산정된 호안월파량을 Goda(1985)의 실험치와 비교한

결과이다 이 때 적용한 파 조건은 주기 0 1383secT = 파고

0 4H m= 를 목표로 설정하였다 그리고 월파량

산정에 이용한 불규칙파는 파가 안정적으로 판단되는 조파개시후 50sec에서부터 600sec 사이의 파이며 월파량

은 호안의 천단상부에 설치된 수평유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 시간평균하여 산정하였다(Goda

1985)

Fig 36의 결과를 살펴보면 호안의 전면수심 h 천단고 ch 의 변화에 따른 월파량의 변화특성을 살펴보면 본

연구의 계산치는 실험치를 잘 재현하고 있을 뿐 아니라 산정된 월파량의 정도는 실험치와 비교하여 상당히 높

은 것으로 판단된다

Fig 35 Numerical setup for wave overtopping over vertical seawall on a sea bottom slope of 110

15

Fig 36 Comparison between experimental and numerical results for wave overtopping rate over vertical seawall on a sea bottom

slope of 110 ( 0 0 0017H L = )

34 월파현상의 재현

Fig 37은 Fig 36의 0 0 075 15ch H h H= = 의 경우에 대한 월파에 따른 주변파동장의 변화를 나타낸

일례이다 그림을 살펴보면 본 연구의 수치파동수조는 기대하는 불규칙파동장을 잘 재현하는 것으로 판단된다

그리고 경사수심역상에는 수심변동으로 인한 천수변형을 확인할 수 있으며 호안의 천단상에서는 호안월파로

인하여 배후면으로 낙하되는 빠른 유속이 관찰된다 따라서 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장의 재현

및 수심변동에 따른 천수변형 호안월파로 인한 배후면의 파동장교란 등에 대해 고정도의 결과도 기대할 수 있

고 따라서 향후 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장하에 복잡한 형태를 가진 특수방파제 등에 의한 주변

파동장의 3차원적인 응답해석 및 월파현상을 확인하는데도 충분히 이용 가능할 것으로 판단된다

16

Fig 37 Spatial variation of irregular waves on a sea bottom slpoe of 110 ( 0 0 075 15ch H h H= = )

17

35 파력의 검증

다음으로 연직원주구조물에 작용하는 파력특성에 대하여 116h a = (a는 연직원주구조물의 반경)

0232H a = 인 경우에 기존의 수리실험결과(Chakrabarti and Tam 1975) 및 수치해석결과(喜岡와 石田 1984 村

上 등 1993)와 본 연구의 수치해석결과를 비교ᆞ검토한다 Fig 38은 해석에 이용된 연직원주구조물의 제원을 나

타내며 무차원최대파력 2max ( 2)F ga Hr 에 대하여 기존의 수리실험 및 수치해석결과와 비교한 것을 Fig

39에 제시하였다 결과를 살펴보면 실험치가 주어져 있는 kagt07(k는 파수 k=2 L)의 범위에서는 본 연구의 수치

해석결과는 수리실험결과를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되며 실험치가 주어지지 않은 kalt05의 범위에서 村

上 등(1993)의 결과는 Stokes 2차파이론의 적용범위를 초과하므로 발산하고 있다 이는 kalt05의 범위는 DLlt02

인 항력이 지배적인 소형구조물의 영역으로 기존의 해석법으로 파력을 산정하는데는 과도한 계산시간으로 파

력산정에 다소 무리가 있으며 항력과 관성력을 동시에 고려할 수 있는 Navier-Stokes의 운동방정식에 근거한 본

연구의 수치해석결과가 타당한 것으로 판단된다

Fig 38 Definition sketch for comparison of wave force acting on the circular cylinder

x

y

zWave

h

a

18

Fig 39 Comparison of non-dimensional maximum wave force acting on the circular cylinder

이상의 3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 의한 파랑변형 및 구조물에 작용하

는 파력의 수치해석결과가 실험치를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되므로 본 연구의 타당성이 검증된다

0 05 1 15 2ka

0

1

2

3

4

5

6F m

axr

ga2 (

H2

)This studyExp(Chakrabarti amp Tam 1975)Cal(Shin 2008)Cal(Murakami et al 1993)Cal(Kioka and Ishida 1984)

19

4 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장

해석에 적용

41 개요

해역에 설치된 구조물은 파력 풍력 조류력 등의 외력을 지속적으로 받기 때문에 구조물의 경우 극한의 파

랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충분한 강도를 가지도록 설계할 필요가 있다 본 연구에서는 해역에서 쇄파

가 발생할 때 원주구조물에 작용하는 쇄파력과 파랑변형을 논의한다 쇄파에 대한 이론 및 실험적 연구는 오래

전부터 많은 연구자들에 의해서 수행되어 왔고 최근에는 과도수파생성법(조 등 2001)에 의한 쇄파현상의 재현

및 비선형파의 3차원수치해석법에 의한 연구가 수행되고 있다(신 2008) 본 논문에서는 3차원불규칙파수치파동

수조 3D-NIT model을 적용하여 쇄파가 발생할 경우에 쇄파가 구조물에 미치는 영향에 대하여 검토하고 이와

연계하여 구조물에 작용하는 쇄파력의 크기를 분석한다 그리고 쇄파전의 영역 쇄파영역 및 쇄파후의 영역에

각각 원주구조물이 설치된 경우에 작용파력과 파랑변형의 특성을 조사하여 3D-NIT model의 적용성을 검토한다

42 수치파동수조

Fig 41과 같은 수심 30h cm= 를 갖는 규칙파동장의 경사수심역에 설치된 원주구조물을 대상으로 파력을

산정하며 적용한 규칙파는 주기 14secT = 파고 23456H cm= 이다 Table 41은 본 연구에서 대상으로

하는 수치파동수조의 특성을 나타내며 여기서 D는 원주구조물의 직경을 d는 경사수심이 이후의 수심을 나타

내고 s는 경사수심 끝단부로부터의 이격거리이다

(a) front view

20

(b) top view Fig 41 Definition sketch of 3D numerical wave tank for analysis of wavebreaking force acting on circular cylinder

Table 41 Condition of numerical analysis for circular cylinder shape of structure slope T(s) H(cm) h(cm) D(cm) d(cm) s(cm)

circular

cylinder

case1 110 14 2 3 4

5 6 30 60 4 0

case2 110 14 4 30 60 4 0 20 40

60 80

43 주변파동장

Fig 42는 원주구조물이 경사수심 끝단부에 위치할 때 파고 23456H cm= 로 변환될 경우의 원주구조물

로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면분포 및 단면분포를 나타낸 것이다 여기

서 파고 23H cm= 인 경우에는 쇄파현상이 발생하지 않지만 4H cm= 인 경우에는 경사수심이 끝나는 지점

에서 쇄파가 발생된다 이것은 수심이 낮아지면서 천수효과로 인해 파고가 쇄파한계를 넘어 쇄파가 발생된 것

으로 판단된다 그리고 56H cm= 인 경우에는 파고가 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생되

는 현상이 나타났다 이는 파고가 높아짐으로 인하여 쇄파한계가 경사수심의 끝단부 이전에서 나타난 것으로

보여진다

Fig 43은 case1에서 쇄파력이 원주구조물에 가장 영향이 많이 미칠 것으로 판단되는 파고 4H cm= 의 경

우에 대하여 원주구조물이 경사수심 끝단부로부터 이격거리 020406080s cm= 로 변환될 경우에 원주구조

물로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면 및 단면적인 변화양상을 나타낸 것이다

여기서 이격거리가 멀어짐에 따라 쇄파후 파의 재생성 과정을 통하여 정상상태의 파랑으로 전이되며 구조물

의 위치에 따른 구조물 전면부에서 처오름이 쇄파대 부분에 구조물이 위치할 경우보다 이격거리가 멀어질수록

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

yx

Wave

DSlope=110

500cm

21

작아지는 것을 확인할 수 있다

(a) 2 14sec 0H cm T s cm= = =

22

(b) 3 14sec 0H cm T s cm= = =

23

(c) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

24

(d) 5 14sec 0H cm T s cm= = =

25

(e) 6 14sec 0H cm T s cm= = =

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height

26

(a) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

27

(b) 4 14sec 20H cm T s cm= = =

28

(c) 4 14sec 40H cm T s cm= = =

29

(d) 4 14sec 60H cm T s cm= = =

30

(e) 4 14sec 80H cm T s cm= = =

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder

31

44 파력

Fig 44는 Fig 41에서 정의된 경사수심의 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 지점에 있어서 파고

23456H cm= 로 변화시킨 경우에 파력의 변화를 나타낸 것이다 결과를 살펴보면 파고 234H cm= 까

지는 파력이 증가하지만 5cm 이상부터는 오히려 파력이 감소하는 것을 알 수 있다 이는 Fig 42의 주변파동장

에서 파고가 5cm 이상부터 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생하여 쇄파로 인한 파랑에너지가

많이 소산된 것으로 판단된다 이러한 결과로 파고가 더 커지더라도 쇄파가 발생하는 위치에 따라 낮은 파고에

서도 높은 파력이 작용할 수 있다는 것이 확인되었다 따라서 수심이 얕아지는 천해역에서 방파제나 기타 구조

물을 설계함에 있어 구조물 전면부에서 쇄파가 발생하지 않도록 주의를 기울일 필요가 있을 것으로 판단된다

Fig 45는 Fig 41 에서 정의된 경사수심 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 일 때 최대로 파력이 작용하는 파

고 4H cm= 에 대하여 구조물의 이격거리 020406080s cm= 로 변화시켜 구조물의 이격거리에 따른 쇄

파력의 크기를 검토한 결과이고 Fig 46은 Fig 45의 이격거리 04080s cm= 의 경우 파력의 시계열을 나타낸

것이다 결과를 살펴보면 구조물의 이격거리가 증가함에 따라 파력이 감소하는 것이 나타났다 하지만 이격거

리 20s cm= 이후에서는 파력의 감소가 줄어든다 이는 쇄파로 인해 어느 정도 에너지가 소산되고 난 이후에

파고가 정상상태에 전이된 결과에 기인하는 것으로 판단된다

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1

0 1 2 3 4 5 6 7 8time(sec)

-10

0

10

20

30

F(N

)

H=2cmH=3cmH=4cmH=5cmH=6cm

32

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2

45 3차원불규칙수치파동수조에 의한 고립파의 적용

본 절에서는 3D-NIT model의 고립파로 적용성에 대하여 검토한다 고립파와 구조물과의 상호간섭을

해석하기 위하여 Fig 41과 같은 3차원수치파동수조를 고려한다 해석영역내에서는 수치적으로 고립파

를 발생시키기 위한 조파소스(Brorsen amp Lasen 1987 김 등 2001)와 무반사조파시스템을 위한 에너지감쇠

영역이 고려되고 3차원파동장에서 고립파의 작용하에 작용파압을 검토하기 위하여 경사수심을 갖는 불

투과지반에 연직주상구조물이 설치된다 조파소스에서 조파강도는 다음의 식(41)로 주어진다

0 20 40 60 80s(cm)

4

8

12

16F(

N)

0 2 4 6 8time(sec)

-5

0

5

10

15

20

F(N

)

s=0cms=40cms=80cm

33

( ) = 2 (41)

여기서 는 발생파의 수평유속성분을 각각 나타내며 본 연구에서는 조파소스강도 로서 식(42)과

같이 Grimshaw(1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사이론에 의한 수평방향유속 를 적용한다(Fenton

1972)

= ℎ[ minus minus + ] (42)

여기서 및 는 다음과 같이 정의된다

= minus 14 + + 1 + ℎ 32 minus 94

= 1940 + 15 minus 65 + 1 + ℎ minus 32 minus 154 + 152

= 1 + ℎ minus 38 minus 4516 + 4516

그리고 는 물입자의 연직방향 평균위치를 나타내며 와 는 다음의 식과 같이 정의된다

= ℎ (43)

= sech (44)

여기서 ℎ는 수심 는 고립파의 입사파고를 나타내며 와 는 각각 다음의 식으로 주어진다

= 34 1 minus 58 + 71128 (45)

= minus ℎ (46)

34

여기서 는 고립파의 파속으로 고립파의 3차근사이론에 의하면 다음의 식과 같이 표현된다

= ℎ 1 + 12 minus 320 + 356 (47)

Ohyama amp Nadaoka(1991)는 수치파동수조내에서 구조물이 설치될 경우 조파소스의 위치에서 반사파

의 영향을 고려하여 조파소스지점에서 연직적분치가 반사파가 없는 경우와 분포형상이 상사되도록 다

음의 식을 고려하고 있다

= 2 + ℎ + ℎ (48)

여기서 와 는 각각 조파소스의 위치에서 수위변동과 조파소스에 의해 기대되는 수위변동이다

본 연구에서 는 다음의 식과 같은 고립파의 3차근사식을 적용하여 산정된다(Fenton 1972)

= ℎ 1 + + 58 minus 10180 (49)

여기서 는 다음의 식(410)과 같이 주어진다

= tanh minus ℎ (410)

이상의 관계식을 3D-NIT model에 적용하여 고립파를 수치조파한다 전술한 결과에서 최대파력이 작용하는

Fig 41에서 이격거리 0s cm= 인 경우에 고립파의 파고 23456iH cm= 일 때 주변파동장의 변화양상을

Fig 47(a)~(e)에 나타내었다 결과를 살펴보면 단주기규칙파에서의 결과와는 달리 파고의 증가에도 구조물 전면

부에서 쇄파가 발생하지 않았다 이는 상대적으로 긴 파장으로 인하여 Ursell수가 작아지기 때문으로 판단된다

그리고 구조물 전면부에서 고립파로 인한 급격한 처오름현상이 확인되고 연직주상구조물로 인한 회절현상을

약간 확인할 수 있지만 파장이 상대적으로 길기 때문에 회절파라미터가 작아져 결과적으로 단주기파랑보다 회

절현상이 작아진다

연직주상구조물의 전면부에 작용하는 파력분포를 Fig 48에 나타내었다 결과를 살펴보면 모두 정수면에서

최대파력이 작용하고 파고가 증가함에 따라 구조물에 작용하는 최대파력이 거의 선형적으로 증가하는 것을 알

수 있다 이는 기본적으로 규칙파와 달리 쇄파가 발생하지 않고 경사수심으로 인한 고립파의 파고변화가 크게

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 27: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

15

Fig 36 Comparison between experimental and numerical results for wave overtopping rate over vertical seawall on a sea bottom

slope of 110 ( 0 0 0017H L = )

34 월파현상의 재현

Fig 37은 Fig 36의 0 0 075 15ch H h H= = 의 경우에 대한 월파에 따른 주변파동장의 변화를 나타낸

일례이다 그림을 살펴보면 본 연구의 수치파동수조는 기대하는 불규칙파동장을 잘 재현하는 것으로 판단된다

그리고 경사수심역상에는 수심변동으로 인한 천수변형을 확인할 수 있으며 호안의 천단상에서는 호안월파로

인하여 배후면으로 낙하되는 빠른 유속이 관찰된다 따라서 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장의 재현

및 수심변동에 따른 천수변형 호안월파로 인한 배후면의 파동장교란 등에 대해 고정도의 결과도 기대할 수 있

고 따라서 향후 본 연구의 수치파동수조는 불규칙파동장하에 복잡한 형태를 가진 특수방파제 등에 의한 주변

파동장의 3차원적인 응답해석 및 월파현상을 확인하는데도 충분히 이용 가능할 것으로 판단된다

16

Fig 37 Spatial variation of irregular waves on a sea bottom slpoe of 110 ( 0 0 075 15ch H h H= = )

17

35 파력의 검증

다음으로 연직원주구조물에 작용하는 파력특성에 대하여 116h a = (a는 연직원주구조물의 반경)

0232H a = 인 경우에 기존의 수리실험결과(Chakrabarti and Tam 1975) 및 수치해석결과(喜岡와 石田 1984 村

上 등 1993)와 본 연구의 수치해석결과를 비교ᆞ검토한다 Fig 38은 해석에 이용된 연직원주구조물의 제원을 나

타내며 무차원최대파력 2max ( 2)F ga Hr 에 대하여 기존의 수리실험 및 수치해석결과와 비교한 것을 Fig

39에 제시하였다 결과를 살펴보면 실험치가 주어져 있는 kagt07(k는 파수 k=2 L)의 범위에서는 본 연구의 수치

해석결과는 수리실험결과를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되며 실험치가 주어지지 않은 kalt05의 범위에서 村

上 등(1993)의 결과는 Stokes 2차파이론의 적용범위를 초과하므로 발산하고 있다 이는 kalt05의 범위는 DLlt02

인 항력이 지배적인 소형구조물의 영역으로 기존의 해석법으로 파력을 산정하는데는 과도한 계산시간으로 파

력산정에 다소 무리가 있으며 항력과 관성력을 동시에 고려할 수 있는 Navier-Stokes의 운동방정식에 근거한 본

연구의 수치해석결과가 타당한 것으로 판단된다

Fig 38 Definition sketch for comparison of wave force acting on the circular cylinder

x

y

zWave

h

a

18

Fig 39 Comparison of non-dimensional maximum wave force acting on the circular cylinder

이상의 3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 의한 파랑변형 및 구조물에 작용하

는 파력의 수치해석결과가 실험치를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되므로 본 연구의 타당성이 검증된다

0 05 1 15 2ka

0

1

2

3

4

5

6F m

axr

ga2 (

H2

)This studyExp(Chakrabarti amp Tam 1975)Cal(Shin 2008)Cal(Murakami et al 1993)Cal(Kioka and Ishida 1984)

19

4 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장

해석에 적용

41 개요

해역에 설치된 구조물은 파력 풍력 조류력 등의 외력을 지속적으로 받기 때문에 구조물의 경우 극한의 파

랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충분한 강도를 가지도록 설계할 필요가 있다 본 연구에서는 해역에서 쇄파

가 발생할 때 원주구조물에 작용하는 쇄파력과 파랑변형을 논의한다 쇄파에 대한 이론 및 실험적 연구는 오래

전부터 많은 연구자들에 의해서 수행되어 왔고 최근에는 과도수파생성법(조 등 2001)에 의한 쇄파현상의 재현

및 비선형파의 3차원수치해석법에 의한 연구가 수행되고 있다(신 2008) 본 논문에서는 3차원불규칙파수치파동

수조 3D-NIT model을 적용하여 쇄파가 발생할 경우에 쇄파가 구조물에 미치는 영향에 대하여 검토하고 이와

연계하여 구조물에 작용하는 쇄파력의 크기를 분석한다 그리고 쇄파전의 영역 쇄파영역 및 쇄파후의 영역에

각각 원주구조물이 설치된 경우에 작용파력과 파랑변형의 특성을 조사하여 3D-NIT model의 적용성을 검토한다

42 수치파동수조

Fig 41과 같은 수심 30h cm= 를 갖는 규칙파동장의 경사수심역에 설치된 원주구조물을 대상으로 파력을

산정하며 적용한 규칙파는 주기 14secT = 파고 23456H cm= 이다 Table 41은 본 연구에서 대상으로

하는 수치파동수조의 특성을 나타내며 여기서 D는 원주구조물의 직경을 d는 경사수심이 이후의 수심을 나타

내고 s는 경사수심 끝단부로부터의 이격거리이다

(a) front view

20

(b) top view Fig 41 Definition sketch of 3D numerical wave tank for analysis of wavebreaking force acting on circular cylinder

Table 41 Condition of numerical analysis for circular cylinder shape of structure slope T(s) H(cm) h(cm) D(cm) d(cm) s(cm)

circular

cylinder

case1 110 14 2 3 4

5 6 30 60 4 0

case2 110 14 4 30 60 4 0 20 40

60 80

43 주변파동장

Fig 42는 원주구조물이 경사수심 끝단부에 위치할 때 파고 23456H cm= 로 변환될 경우의 원주구조물

로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면분포 및 단면분포를 나타낸 것이다 여기

서 파고 23H cm= 인 경우에는 쇄파현상이 발생하지 않지만 4H cm= 인 경우에는 경사수심이 끝나는 지점

에서 쇄파가 발생된다 이것은 수심이 낮아지면서 천수효과로 인해 파고가 쇄파한계를 넘어 쇄파가 발생된 것

으로 판단된다 그리고 56H cm= 인 경우에는 파고가 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생되

는 현상이 나타났다 이는 파고가 높아짐으로 인하여 쇄파한계가 경사수심의 끝단부 이전에서 나타난 것으로

보여진다

Fig 43은 case1에서 쇄파력이 원주구조물에 가장 영향이 많이 미칠 것으로 판단되는 파고 4H cm= 의 경

우에 대하여 원주구조물이 경사수심 끝단부로부터 이격거리 020406080s cm= 로 변환될 경우에 원주구조

물로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면 및 단면적인 변화양상을 나타낸 것이다

여기서 이격거리가 멀어짐에 따라 쇄파후 파의 재생성 과정을 통하여 정상상태의 파랑으로 전이되며 구조물

의 위치에 따른 구조물 전면부에서 처오름이 쇄파대 부분에 구조물이 위치할 경우보다 이격거리가 멀어질수록

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

yx

Wave

DSlope=110

500cm

21

작아지는 것을 확인할 수 있다

(a) 2 14sec 0H cm T s cm= = =

22

(b) 3 14sec 0H cm T s cm= = =

23

(c) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

24

(d) 5 14sec 0H cm T s cm= = =

25

(e) 6 14sec 0H cm T s cm= = =

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height

26

(a) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

27

(b) 4 14sec 20H cm T s cm= = =

28

(c) 4 14sec 40H cm T s cm= = =

29

(d) 4 14sec 60H cm T s cm= = =

30

(e) 4 14sec 80H cm T s cm= = =

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder

31

44 파력

Fig 44는 Fig 41에서 정의된 경사수심의 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 지점에 있어서 파고

23456H cm= 로 변화시킨 경우에 파력의 변화를 나타낸 것이다 결과를 살펴보면 파고 234H cm= 까

지는 파력이 증가하지만 5cm 이상부터는 오히려 파력이 감소하는 것을 알 수 있다 이는 Fig 42의 주변파동장

에서 파고가 5cm 이상부터 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생하여 쇄파로 인한 파랑에너지가

많이 소산된 것으로 판단된다 이러한 결과로 파고가 더 커지더라도 쇄파가 발생하는 위치에 따라 낮은 파고에

서도 높은 파력이 작용할 수 있다는 것이 확인되었다 따라서 수심이 얕아지는 천해역에서 방파제나 기타 구조

물을 설계함에 있어 구조물 전면부에서 쇄파가 발생하지 않도록 주의를 기울일 필요가 있을 것으로 판단된다

Fig 45는 Fig 41 에서 정의된 경사수심 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 일 때 최대로 파력이 작용하는 파

고 4H cm= 에 대하여 구조물의 이격거리 020406080s cm= 로 변화시켜 구조물의 이격거리에 따른 쇄

파력의 크기를 검토한 결과이고 Fig 46은 Fig 45의 이격거리 04080s cm= 의 경우 파력의 시계열을 나타낸

것이다 결과를 살펴보면 구조물의 이격거리가 증가함에 따라 파력이 감소하는 것이 나타났다 하지만 이격거

리 20s cm= 이후에서는 파력의 감소가 줄어든다 이는 쇄파로 인해 어느 정도 에너지가 소산되고 난 이후에

파고가 정상상태에 전이된 결과에 기인하는 것으로 판단된다

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1

0 1 2 3 4 5 6 7 8time(sec)

-10

0

10

20

30

F(N

)

H=2cmH=3cmH=4cmH=5cmH=6cm

32

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2

45 3차원불규칙수치파동수조에 의한 고립파의 적용

본 절에서는 3D-NIT model의 고립파로 적용성에 대하여 검토한다 고립파와 구조물과의 상호간섭을

해석하기 위하여 Fig 41과 같은 3차원수치파동수조를 고려한다 해석영역내에서는 수치적으로 고립파

를 발생시키기 위한 조파소스(Brorsen amp Lasen 1987 김 등 2001)와 무반사조파시스템을 위한 에너지감쇠

영역이 고려되고 3차원파동장에서 고립파의 작용하에 작용파압을 검토하기 위하여 경사수심을 갖는 불

투과지반에 연직주상구조물이 설치된다 조파소스에서 조파강도는 다음의 식(41)로 주어진다

0 20 40 60 80s(cm)

4

8

12

16F(

N)

0 2 4 6 8time(sec)

-5

0

5

10

15

20

F(N

)

s=0cms=40cms=80cm

33

( ) = 2 (41)

여기서 는 발생파의 수평유속성분을 각각 나타내며 본 연구에서는 조파소스강도 로서 식(42)과

같이 Grimshaw(1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사이론에 의한 수평방향유속 를 적용한다(Fenton

1972)

= ℎ[ minus minus + ] (42)

여기서 및 는 다음과 같이 정의된다

= minus 14 + + 1 + ℎ 32 minus 94

= 1940 + 15 minus 65 + 1 + ℎ minus 32 minus 154 + 152

= 1 + ℎ minus 38 minus 4516 + 4516

그리고 는 물입자의 연직방향 평균위치를 나타내며 와 는 다음의 식과 같이 정의된다

= ℎ (43)

= sech (44)

여기서 ℎ는 수심 는 고립파의 입사파고를 나타내며 와 는 각각 다음의 식으로 주어진다

= 34 1 minus 58 + 71128 (45)

= minus ℎ (46)

34

여기서 는 고립파의 파속으로 고립파의 3차근사이론에 의하면 다음의 식과 같이 표현된다

= ℎ 1 + 12 minus 320 + 356 (47)

Ohyama amp Nadaoka(1991)는 수치파동수조내에서 구조물이 설치될 경우 조파소스의 위치에서 반사파

의 영향을 고려하여 조파소스지점에서 연직적분치가 반사파가 없는 경우와 분포형상이 상사되도록 다

음의 식을 고려하고 있다

= 2 + ℎ + ℎ (48)

여기서 와 는 각각 조파소스의 위치에서 수위변동과 조파소스에 의해 기대되는 수위변동이다

본 연구에서 는 다음의 식과 같은 고립파의 3차근사식을 적용하여 산정된다(Fenton 1972)

= ℎ 1 + + 58 minus 10180 (49)

여기서 는 다음의 식(410)과 같이 주어진다

= tanh minus ℎ (410)

이상의 관계식을 3D-NIT model에 적용하여 고립파를 수치조파한다 전술한 결과에서 최대파력이 작용하는

Fig 41에서 이격거리 0s cm= 인 경우에 고립파의 파고 23456iH cm= 일 때 주변파동장의 변화양상을

Fig 47(a)~(e)에 나타내었다 결과를 살펴보면 단주기규칙파에서의 결과와는 달리 파고의 증가에도 구조물 전면

부에서 쇄파가 발생하지 않았다 이는 상대적으로 긴 파장으로 인하여 Ursell수가 작아지기 때문으로 판단된다

그리고 구조물 전면부에서 고립파로 인한 급격한 처오름현상이 확인되고 연직주상구조물로 인한 회절현상을

약간 확인할 수 있지만 파장이 상대적으로 길기 때문에 회절파라미터가 작아져 결과적으로 단주기파랑보다 회

절현상이 작아진다

연직주상구조물의 전면부에 작용하는 파력분포를 Fig 48에 나타내었다 결과를 살펴보면 모두 정수면에서

최대파력이 작용하고 파고가 증가함에 따라 구조물에 작용하는 최대파력이 거의 선형적으로 증가하는 것을 알

수 있다 이는 기본적으로 규칙파와 달리 쇄파가 발생하지 않고 경사수심으로 인한 고립파의 파고변화가 크게

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 28: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

16

Fig 37 Spatial variation of irregular waves on a sea bottom slpoe of 110 ( 0 0 075 15ch H h H= = )

17

35 파력의 검증

다음으로 연직원주구조물에 작용하는 파력특성에 대하여 116h a = (a는 연직원주구조물의 반경)

0232H a = 인 경우에 기존의 수리실험결과(Chakrabarti and Tam 1975) 및 수치해석결과(喜岡와 石田 1984 村

上 등 1993)와 본 연구의 수치해석결과를 비교ᆞ검토한다 Fig 38은 해석에 이용된 연직원주구조물의 제원을 나

타내며 무차원최대파력 2max ( 2)F ga Hr 에 대하여 기존의 수리실험 및 수치해석결과와 비교한 것을 Fig

39에 제시하였다 결과를 살펴보면 실험치가 주어져 있는 kagt07(k는 파수 k=2 L)의 범위에서는 본 연구의 수치

해석결과는 수리실험결과를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되며 실험치가 주어지지 않은 kalt05의 범위에서 村

上 등(1993)의 결과는 Stokes 2차파이론의 적용범위를 초과하므로 발산하고 있다 이는 kalt05의 범위는 DLlt02

인 항력이 지배적인 소형구조물의 영역으로 기존의 해석법으로 파력을 산정하는데는 과도한 계산시간으로 파

력산정에 다소 무리가 있으며 항력과 관성력을 동시에 고려할 수 있는 Navier-Stokes의 운동방정식에 근거한 본

연구의 수치해석결과가 타당한 것으로 판단된다

Fig 38 Definition sketch for comparison of wave force acting on the circular cylinder

x

y

zWave

h

a

18

Fig 39 Comparison of non-dimensional maximum wave force acting on the circular cylinder

이상의 3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 의한 파랑변형 및 구조물에 작용하

는 파력의 수치해석결과가 실험치를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되므로 본 연구의 타당성이 검증된다

0 05 1 15 2ka

0

1

2

3

4

5

6F m

axr

ga2 (

H2

)This studyExp(Chakrabarti amp Tam 1975)Cal(Shin 2008)Cal(Murakami et al 1993)Cal(Kioka and Ishida 1984)

19

4 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장

해석에 적용

41 개요

해역에 설치된 구조물은 파력 풍력 조류력 등의 외력을 지속적으로 받기 때문에 구조물의 경우 극한의 파

랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충분한 강도를 가지도록 설계할 필요가 있다 본 연구에서는 해역에서 쇄파

가 발생할 때 원주구조물에 작용하는 쇄파력과 파랑변형을 논의한다 쇄파에 대한 이론 및 실험적 연구는 오래

전부터 많은 연구자들에 의해서 수행되어 왔고 최근에는 과도수파생성법(조 등 2001)에 의한 쇄파현상의 재현

및 비선형파의 3차원수치해석법에 의한 연구가 수행되고 있다(신 2008) 본 논문에서는 3차원불규칙파수치파동

수조 3D-NIT model을 적용하여 쇄파가 발생할 경우에 쇄파가 구조물에 미치는 영향에 대하여 검토하고 이와

연계하여 구조물에 작용하는 쇄파력의 크기를 분석한다 그리고 쇄파전의 영역 쇄파영역 및 쇄파후의 영역에

각각 원주구조물이 설치된 경우에 작용파력과 파랑변형의 특성을 조사하여 3D-NIT model의 적용성을 검토한다

42 수치파동수조

Fig 41과 같은 수심 30h cm= 를 갖는 규칙파동장의 경사수심역에 설치된 원주구조물을 대상으로 파력을

산정하며 적용한 규칙파는 주기 14secT = 파고 23456H cm= 이다 Table 41은 본 연구에서 대상으로

하는 수치파동수조의 특성을 나타내며 여기서 D는 원주구조물의 직경을 d는 경사수심이 이후의 수심을 나타

내고 s는 경사수심 끝단부로부터의 이격거리이다

(a) front view

20

(b) top view Fig 41 Definition sketch of 3D numerical wave tank for analysis of wavebreaking force acting on circular cylinder

Table 41 Condition of numerical analysis for circular cylinder shape of structure slope T(s) H(cm) h(cm) D(cm) d(cm) s(cm)

circular

cylinder

case1 110 14 2 3 4

5 6 30 60 4 0

case2 110 14 4 30 60 4 0 20 40

60 80

43 주변파동장

Fig 42는 원주구조물이 경사수심 끝단부에 위치할 때 파고 23456H cm= 로 변환될 경우의 원주구조물

로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면분포 및 단면분포를 나타낸 것이다 여기

서 파고 23H cm= 인 경우에는 쇄파현상이 발생하지 않지만 4H cm= 인 경우에는 경사수심이 끝나는 지점

에서 쇄파가 발생된다 이것은 수심이 낮아지면서 천수효과로 인해 파고가 쇄파한계를 넘어 쇄파가 발생된 것

으로 판단된다 그리고 56H cm= 인 경우에는 파고가 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생되

는 현상이 나타났다 이는 파고가 높아짐으로 인하여 쇄파한계가 경사수심의 끝단부 이전에서 나타난 것으로

보여진다

Fig 43은 case1에서 쇄파력이 원주구조물에 가장 영향이 많이 미칠 것으로 판단되는 파고 4H cm= 의 경

우에 대하여 원주구조물이 경사수심 끝단부로부터 이격거리 020406080s cm= 로 변환될 경우에 원주구조

물로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면 및 단면적인 변화양상을 나타낸 것이다

여기서 이격거리가 멀어짐에 따라 쇄파후 파의 재생성 과정을 통하여 정상상태의 파랑으로 전이되며 구조물

의 위치에 따른 구조물 전면부에서 처오름이 쇄파대 부분에 구조물이 위치할 경우보다 이격거리가 멀어질수록

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

yx

Wave

DSlope=110

500cm

21

작아지는 것을 확인할 수 있다

(a) 2 14sec 0H cm T s cm= = =

22

(b) 3 14sec 0H cm T s cm= = =

23

(c) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

24

(d) 5 14sec 0H cm T s cm= = =

25

(e) 6 14sec 0H cm T s cm= = =

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height

26

(a) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

27

(b) 4 14sec 20H cm T s cm= = =

28

(c) 4 14sec 40H cm T s cm= = =

29

(d) 4 14sec 60H cm T s cm= = =

30

(e) 4 14sec 80H cm T s cm= = =

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder

31

44 파력

Fig 44는 Fig 41에서 정의된 경사수심의 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 지점에 있어서 파고

23456H cm= 로 변화시킨 경우에 파력의 변화를 나타낸 것이다 결과를 살펴보면 파고 234H cm= 까

지는 파력이 증가하지만 5cm 이상부터는 오히려 파력이 감소하는 것을 알 수 있다 이는 Fig 42의 주변파동장

에서 파고가 5cm 이상부터 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생하여 쇄파로 인한 파랑에너지가

많이 소산된 것으로 판단된다 이러한 결과로 파고가 더 커지더라도 쇄파가 발생하는 위치에 따라 낮은 파고에

서도 높은 파력이 작용할 수 있다는 것이 확인되었다 따라서 수심이 얕아지는 천해역에서 방파제나 기타 구조

물을 설계함에 있어 구조물 전면부에서 쇄파가 발생하지 않도록 주의를 기울일 필요가 있을 것으로 판단된다

Fig 45는 Fig 41 에서 정의된 경사수심 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 일 때 최대로 파력이 작용하는 파

고 4H cm= 에 대하여 구조물의 이격거리 020406080s cm= 로 변화시켜 구조물의 이격거리에 따른 쇄

파력의 크기를 검토한 결과이고 Fig 46은 Fig 45의 이격거리 04080s cm= 의 경우 파력의 시계열을 나타낸

것이다 결과를 살펴보면 구조물의 이격거리가 증가함에 따라 파력이 감소하는 것이 나타났다 하지만 이격거

리 20s cm= 이후에서는 파력의 감소가 줄어든다 이는 쇄파로 인해 어느 정도 에너지가 소산되고 난 이후에

파고가 정상상태에 전이된 결과에 기인하는 것으로 판단된다

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1

0 1 2 3 4 5 6 7 8time(sec)

-10

0

10

20

30

F(N

)

H=2cmH=3cmH=4cmH=5cmH=6cm

32

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2

45 3차원불규칙수치파동수조에 의한 고립파의 적용

본 절에서는 3D-NIT model의 고립파로 적용성에 대하여 검토한다 고립파와 구조물과의 상호간섭을

해석하기 위하여 Fig 41과 같은 3차원수치파동수조를 고려한다 해석영역내에서는 수치적으로 고립파

를 발생시키기 위한 조파소스(Brorsen amp Lasen 1987 김 등 2001)와 무반사조파시스템을 위한 에너지감쇠

영역이 고려되고 3차원파동장에서 고립파의 작용하에 작용파압을 검토하기 위하여 경사수심을 갖는 불

투과지반에 연직주상구조물이 설치된다 조파소스에서 조파강도는 다음의 식(41)로 주어진다

0 20 40 60 80s(cm)

4

8

12

16F(

N)

0 2 4 6 8time(sec)

-5

0

5

10

15

20

F(N

)

s=0cms=40cms=80cm

33

( ) = 2 (41)

여기서 는 발생파의 수평유속성분을 각각 나타내며 본 연구에서는 조파소스강도 로서 식(42)과

같이 Grimshaw(1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사이론에 의한 수평방향유속 를 적용한다(Fenton

1972)

= ℎ[ minus minus + ] (42)

여기서 및 는 다음과 같이 정의된다

= minus 14 + + 1 + ℎ 32 minus 94

= 1940 + 15 minus 65 + 1 + ℎ minus 32 minus 154 + 152

= 1 + ℎ minus 38 minus 4516 + 4516

그리고 는 물입자의 연직방향 평균위치를 나타내며 와 는 다음의 식과 같이 정의된다

= ℎ (43)

= sech (44)

여기서 ℎ는 수심 는 고립파의 입사파고를 나타내며 와 는 각각 다음의 식으로 주어진다

= 34 1 minus 58 + 71128 (45)

= minus ℎ (46)

34

여기서 는 고립파의 파속으로 고립파의 3차근사이론에 의하면 다음의 식과 같이 표현된다

= ℎ 1 + 12 minus 320 + 356 (47)

Ohyama amp Nadaoka(1991)는 수치파동수조내에서 구조물이 설치될 경우 조파소스의 위치에서 반사파

의 영향을 고려하여 조파소스지점에서 연직적분치가 반사파가 없는 경우와 분포형상이 상사되도록 다

음의 식을 고려하고 있다

= 2 + ℎ + ℎ (48)

여기서 와 는 각각 조파소스의 위치에서 수위변동과 조파소스에 의해 기대되는 수위변동이다

본 연구에서 는 다음의 식과 같은 고립파의 3차근사식을 적용하여 산정된다(Fenton 1972)

= ℎ 1 + + 58 minus 10180 (49)

여기서 는 다음의 식(410)과 같이 주어진다

= tanh minus ℎ (410)

이상의 관계식을 3D-NIT model에 적용하여 고립파를 수치조파한다 전술한 결과에서 최대파력이 작용하는

Fig 41에서 이격거리 0s cm= 인 경우에 고립파의 파고 23456iH cm= 일 때 주변파동장의 변화양상을

Fig 47(a)~(e)에 나타내었다 결과를 살펴보면 단주기규칙파에서의 결과와는 달리 파고의 증가에도 구조물 전면

부에서 쇄파가 발생하지 않았다 이는 상대적으로 긴 파장으로 인하여 Ursell수가 작아지기 때문으로 판단된다

그리고 구조물 전면부에서 고립파로 인한 급격한 처오름현상이 확인되고 연직주상구조물로 인한 회절현상을

약간 확인할 수 있지만 파장이 상대적으로 길기 때문에 회절파라미터가 작아져 결과적으로 단주기파랑보다 회

절현상이 작아진다

연직주상구조물의 전면부에 작용하는 파력분포를 Fig 48에 나타내었다 결과를 살펴보면 모두 정수면에서

최대파력이 작용하고 파고가 증가함에 따라 구조물에 작용하는 최대파력이 거의 선형적으로 증가하는 것을 알

수 있다 이는 기본적으로 규칙파와 달리 쇄파가 발생하지 않고 경사수심으로 인한 고립파의 파고변화가 크게

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 29: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

17

35 파력의 검증

다음으로 연직원주구조물에 작용하는 파력특성에 대하여 116h a = (a는 연직원주구조물의 반경)

0232H a = 인 경우에 기존의 수리실험결과(Chakrabarti and Tam 1975) 및 수치해석결과(喜岡와 石田 1984 村

上 등 1993)와 본 연구의 수치해석결과를 비교ᆞ검토한다 Fig 38은 해석에 이용된 연직원주구조물의 제원을 나

타내며 무차원최대파력 2max ( 2)F ga Hr 에 대하여 기존의 수리실험 및 수치해석결과와 비교한 것을 Fig

39에 제시하였다 결과를 살펴보면 실험치가 주어져 있는 kagt07(k는 파수 k=2 L)의 범위에서는 본 연구의 수치

해석결과는 수리실험결과를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되며 실험치가 주어지지 않은 kalt05의 범위에서 村

上 등(1993)의 결과는 Stokes 2차파이론의 적용범위를 초과하므로 발산하고 있다 이는 kalt05의 범위는 DLlt02

인 항력이 지배적인 소형구조물의 영역으로 기존의 해석법으로 파력을 산정하는데는 과도한 계산시간으로 파

력산정에 다소 무리가 있으며 항력과 관성력을 동시에 고려할 수 있는 Navier-Stokes의 운동방정식에 근거한 본

연구의 수치해석결과가 타당한 것으로 판단된다

Fig 38 Definition sketch for comparison of wave force acting on the circular cylinder

x

y

zWave

h

a

18

Fig 39 Comparison of non-dimensional maximum wave force acting on the circular cylinder

이상의 3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 의한 파랑변형 및 구조물에 작용하

는 파력의 수치해석결과가 실험치를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되므로 본 연구의 타당성이 검증된다

0 05 1 15 2ka

0

1

2

3

4

5

6F m

axr

ga2 (

H2

)This studyExp(Chakrabarti amp Tam 1975)Cal(Shin 2008)Cal(Murakami et al 1993)Cal(Kioka and Ishida 1984)

19

4 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장

해석에 적용

41 개요

해역에 설치된 구조물은 파력 풍력 조류력 등의 외력을 지속적으로 받기 때문에 구조물의 경우 극한의 파

랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충분한 강도를 가지도록 설계할 필요가 있다 본 연구에서는 해역에서 쇄파

가 발생할 때 원주구조물에 작용하는 쇄파력과 파랑변형을 논의한다 쇄파에 대한 이론 및 실험적 연구는 오래

전부터 많은 연구자들에 의해서 수행되어 왔고 최근에는 과도수파생성법(조 등 2001)에 의한 쇄파현상의 재현

및 비선형파의 3차원수치해석법에 의한 연구가 수행되고 있다(신 2008) 본 논문에서는 3차원불규칙파수치파동

수조 3D-NIT model을 적용하여 쇄파가 발생할 경우에 쇄파가 구조물에 미치는 영향에 대하여 검토하고 이와

연계하여 구조물에 작용하는 쇄파력의 크기를 분석한다 그리고 쇄파전의 영역 쇄파영역 및 쇄파후의 영역에

각각 원주구조물이 설치된 경우에 작용파력과 파랑변형의 특성을 조사하여 3D-NIT model의 적용성을 검토한다

42 수치파동수조

Fig 41과 같은 수심 30h cm= 를 갖는 규칙파동장의 경사수심역에 설치된 원주구조물을 대상으로 파력을

산정하며 적용한 규칙파는 주기 14secT = 파고 23456H cm= 이다 Table 41은 본 연구에서 대상으로

하는 수치파동수조의 특성을 나타내며 여기서 D는 원주구조물의 직경을 d는 경사수심이 이후의 수심을 나타

내고 s는 경사수심 끝단부로부터의 이격거리이다

(a) front view

20

(b) top view Fig 41 Definition sketch of 3D numerical wave tank for analysis of wavebreaking force acting on circular cylinder

Table 41 Condition of numerical analysis for circular cylinder shape of structure slope T(s) H(cm) h(cm) D(cm) d(cm) s(cm)

circular

cylinder

case1 110 14 2 3 4

5 6 30 60 4 0

case2 110 14 4 30 60 4 0 20 40

60 80

43 주변파동장

Fig 42는 원주구조물이 경사수심 끝단부에 위치할 때 파고 23456H cm= 로 변환될 경우의 원주구조물

로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면분포 및 단면분포를 나타낸 것이다 여기

서 파고 23H cm= 인 경우에는 쇄파현상이 발생하지 않지만 4H cm= 인 경우에는 경사수심이 끝나는 지점

에서 쇄파가 발생된다 이것은 수심이 낮아지면서 천수효과로 인해 파고가 쇄파한계를 넘어 쇄파가 발생된 것

으로 판단된다 그리고 56H cm= 인 경우에는 파고가 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생되

는 현상이 나타났다 이는 파고가 높아짐으로 인하여 쇄파한계가 경사수심의 끝단부 이전에서 나타난 것으로

보여진다

Fig 43은 case1에서 쇄파력이 원주구조물에 가장 영향이 많이 미칠 것으로 판단되는 파고 4H cm= 의 경

우에 대하여 원주구조물이 경사수심 끝단부로부터 이격거리 020406080s cm= 로 변환될 경우에 원주구조

물로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면 및 단면적인 변화양상을 나타낸 것이다

여기서 이격거리가 멀어짐에 따라 쇄파후 파의 재생성 과정을 통하여 정상상태의 파랑으로 전이되며 구조물

의 위치에 따른 구조물 전면부에서 처오름이 쇄파대 부분에 구조물이 위치할 경우보다 이격거리가 멀어질수록

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

yx

Wave

DSlope=110

500cm

21

작아지는 것을 확인할 수 있다

(a) 2 14sec 0H cm T s cm= = =

22

(b) 3 14sec 0H cm T s cm= = =

23

(c) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

24

(d) 5 14sec 0H cm T s cm= = =

25

(e) 6 14sec 0H cm T s cm= = =

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height

26

(a) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

27

(b) 4 14sec 20H cm T s cm= = =

28

(c) 4 14sec 40H cm T s cm= = =

29

(d) 4 14sec 60H cm T s cm= = =

30

(e) 4 14sec 80H cm T s cm= = =

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder

31

44 파력

Fig 44는 Fig 41에서 정의된 경사수심의 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 지점에 있어서 파고

23456H cm= 로 변화시킨 경우에 파력의 변화를 나타낸 것이다 결과를 살펴보면 파고 234H cm= 까

지는 파력이 증가하지만 5cm 이상부터는 오히려 파력이 감소하는 것을 알 수 있다 이는 Fig 42의 주변파동장

에서 파고가 5cm 이상부터 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생하여 쇄파로 인한 파랑에너지가

많이 소산된 것으로 판단된다 이러한 결과로 파고가 더 커지더라도 쇄파가 발생하는 위치에 따라 낮은 파고에

서도 높은 파력이 작용할 수 있다는 것이 확인되었다 따라서 수심이 얕아지는 천해역에서 방파제나 기타 구조

물을 설계함에 있어 구조물 전면부에서 쇄파가 발생하지 않도록 주의를 기울일 필요가 있을 것으로 판단된다

Fig 45는 Fig 41 에서 정의된 경사수심 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 일 때 최대로 파력이 작용하는 파

고 4H cm= 에 대하여 구조물의 이격거리 020406080s cm= 로 변화시켜 구조물의 이격거리에 따른 쇄

파력의 크기를 검토한 결과이고 Fig 46은 Fig 45의 이격거리 04080s cm= 의 경우 파력의 시계열을 나타낸

것이다 결과를 살펴보면 구조물의 이격거리가 증가함에 따라 파력이 감소하는 것이 나타났다 하지만 이격거

리 20s cm= 이후에서는 파력의 감소가 줄어든다 이는 쇄파로 인해 어느 정도 에너지가 소산되고 난 이후에

파고가 정상상태에 전이된 결과에 기인하는 것으로 판단된다

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1

0 1 2 3 4 5 6 7 8time(sec)

-10

0

10

20

30

F(N

)

H=2cmH=3cmH=4cmH=5cmH=6cm

32

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2

45 3차원불규칙수치파동수조에 의한 고립파의 적용

본 절에서는 3D-NIT model의 고립파로 적용성에 대하여 검토한다 고립파와 구조물과의 상호간섭을

해석하기 위하여 Fig 41과 같은 3차원수치파동수조를 고려한다 해석영역내에서는 수치적으로 고립파

를 발생시키기 위한 조파소스(Brorsen amp Lasen 1987 김 등 2001)와 무반사조파시스템을 위한 에너지감쇠

영역이 고려되고 3차원파동장에서 고립파의 작용하에 작용파압을 검토하기 위하여 경사수심을 갖는 불

투과지반에 연직주상구조물이 설치된다 조파소스에서 조파강도는 다음의 식(41)로 주어진다

0 20 40 60 80s(cm)

4

8

12

16F(

N)

0 2 4 6 8time(sec)

-5

0

5

10

15

20

F(N

)

s=0cms=40cms=80cm

33

( ) = 2 (41)

여기서 는 발생파의 수평유속성분을 각각 나타내며 본 연구에서는 조파소스강도 로서 식(42)과

같이 Grimshaw(1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사이론에 의한 수평방향유속 를 적용한다(Fenton

1972)

= ℎ[ minus minus + ] (42)

여기서 및 는 다음과 같이 정의된다

= minus 14 + + 1 + ℎ 32 minus 94

= 1940 + 15 minus 65 + 1 + ℎ minus 32 minus 154 + 152

= 1 + ℎ minus 38 minus 4516 + 4516

그리고 는 물입자의 연직방향 평균위치를 나타내며 와 는 다음의 식과 같이 정의된다

= ℎ (43)

= sech (44)

여기서 ℎ는 수심 는 고립파의 입사파고를 나타내며 와 는 각각 다음의 식으로 주어진다

= 34 1 minus 58 + 71128 (45)

= minus ℎ (46)

34

여기서 는 고립파의 파속으로 고립파의 3차근사이론에 의하면 다음의 식과 같이 표현된다

= ℎ 1 + 12 minus 320 + 356 (47)

Ohyama amp Nadaoka(1991)는 수치파동수조내에서 구조물이 설치될 경우 조파소스의 위치에서 반사파

의 영향을 고려하여 조파소스지점에서 연직적분치가 반사파가 없는 경우와 분포형상이 상사되도록 다

음의 식을 고려하고 있다

= 2 + ℎ + ℎ (48)

여기서 와 는 각각 조파소스의 위치에서 수위변동과 조파소스에 의해 기대되는 수위변동이다

본 연구에서 는 다음의 식과 같은 고립파의 3차근사식을 적용하여 산정된다(Fenton 1972)

= ℎ 1 + + 58 minus 10180 (49)

여기서 는 다음의 식(410)과 같이 주어진다

= tanh minus ℎ (410)

이상의 관계식을 3D-NIT model에 적용하여 고립파를 수치조파한다 전술한 결과에서 최대파력이 작용하는

Fig 41에서 이격거리 0s cm= 인 경우에 고립파의 파고 23456iH cm= 일 때 주변파동장의 변화양상을

Fig 47(a)~(e)에 나타내었다 결과를 살펴보면 단주기규칙파에서의 결과와는 달리 파고의 증가에도 구조물 전면

부에서 쇄파가 발생하지 않았다 이는 상대적으로 긴 파장으로 인하여 Ursell수가 작아지기 때문으로 판단된다

그리고 구조물 전면부에서 고립파로 인한 급격한 처오름현상이 확인되고 연직주상구조물로 인한 회절현상을

약간 확인할 수 있지만 파장이 상대적으로 길기 때문에 회절파라미터가 작아져 결과적으로 단주기파랑보다 회

절현상이 작아진다

연직주상구조물의 전면부에 작용하는 파력분포를 Fig 48에 나타내었다 결과를 살펴보면 모두 정수면에서

최대파력이 작용하고 파고가 증가함에 따라 구조물에 작용하는 최대파력이 거의 선형적으로 증가하는 것을 알

수 있다 이는 기본적으로 규칙파와 달리 쇄파가 발생하지 않고 경사수심으로 인한 고립파의 파고변화가 크게

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 30: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

18

Fig 39 Comparison of non-dimensional maximum wave force acting on the circular cylinder

이상의 3차원파동장에 설치된 연직원주구조물과 파랑과의 비선형간섭에 의한 파랑변형 및 구조물에 작용하

는 파력의 수치해석결과가 실험치를 잘 재현하고 있는 것으로 판단되므로 본 연구의 타당성이 검증된다

0 05 1 15 2ka

0

1

2

3

4

5

6F m

axr

ga2 (

H2

)This studyExp(Chakrabarti amp Tam 1975)Cal(Shin 2008)Cal(Murakami et al 1993)Cal(Kioka and Ishida 1984)

19

4 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장

해석에 적용

41 개요

해역에 설치된 구조물은 파력 풍력 조류력 등의 외력을 지속적으로 받기 때문에 구조물의 경우 극한의 파

랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충분한 강도를 가지도록 설계할 필요가 있다 본 연구에서는 해역에서 쇄파

가 발생할 때 원주구조물에 작용하는 쇄파력과 파랑변형을 논의한다 쇄파에 대한 이론 및 실험적 연구는 오래

전부터 많은 연구자들에 의해서 수행되어 왔고 최근에는 과도수파생성법(조 등 2001)에 의한 쇄파현상의 재현

및 비선형파의 3차원수치해석법에 의한 연구가 수행되고 있다(신 2008) 본 논문에서는 3차원불규칙파수치파동

수조 3D-NIT model을 적용하여 쇄파가 발생할 경우에 쇄파가 구조물에 미치는 영향에 대하여 검토하고 이와

연계하여 구조물에 작용하는 쇄파력의 크기를 분석한다 그리고 쇄파전의 영역 쇄파영역 및 쇄파후의 영역에

각각 원주구조물이 설치된 경우에 작용파력과 파랑변형의 특성을 조사하여 3D-NIT model의 적용성을 검토한다

42 수치파동수조

Fig 41과 같은 수심 30h cm= 를 갖는 규칙파동장의 경사수심역에 설치된 원주구조물을 대상으로 파력을

산정하며 적용한 규칙파는 주기 14secT = 파고 23456H cm= 이다 Table 41은 본 연구에서 대상으로

하는 수치파동수조의 특성을 나타내며 여기서 D는 원주구조물의 직경을 d는 경사수심이 이후의 수심을 나타

내고 s는 경사수심 끝단부로부터의 이격거리이다

(a) front view

20

(b) top view Fig 41 Definition sketch of 3D numerical wave tank for analysis of wavebreaking force acting on circular cylinder

Table 41 Condition of numerical analysis for circular cylinder shape of structure slope T(s) H(cm) h(cm) D(cm) d(cm) s(cm)

circular

cylinder

case1 110 14 2 3 4

5 6 30 60 4 0

case2 110 14 4 30 60 4 0 20 40

60 80

43 주변파동장

Fig 42는 원주구조물이 경사수심 끝단부에 위치할 때 파고 23456H cm= 로 변환될 경우의 원주구조물

로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면분포 및 단면분포를 나타낸 것이다 여기

서 파고 23H cm= 인 경우에는 쇄파현상이 발생하지 않지만 4H cm= 인 경우에는 경사수심이 끝나는 지점

에서 쇄파가 발생된다 이것은 수심이 낮아지면서 천수효과로 인해 파고가 쇄파한계를 넘어 쇄파가 발생된 것

으로 판단된다 그리고 56H cm= 인 경우에는 파고가 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생되

는 현상이 나타났다 이는 파고가 높아짐으로 인하여 쇄파한계가 경사수심의 끝단부 이전에서 나타난 것으로

보여진다

Fig 43은 case1에서 쇄파력이 원주구조물에 가장 영향이 많이 미칠 것으로 판단되는 파고 4H cm= 의 경

우에 대하여 원주구조물이 경사수심 끝단부로부터 이격거리 020406080s cm= 로 변환될 경우에 원주구조

물로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면 및 단면적인 변화양상을 나타낸 것이다

여기서 이격거리가 멀어짐에 따라 쇄파후 파의 재생성 과정을 통하여 정상상태의 파랑으로 전이되며 구조물

의 위치에 따른 구조물 전면부에서 처오름이 쇄파대 부분에 구조물이 위치할 경우보다 이격거리가 멀어질수록

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

yx

Wave

DSlope=110

500cm

21

작아지는 것을 확인할 수 있다

(a) 2 14sec 0H cm T s cm= = =

22

(b) 3 14sec 0H cm T s cm= = =

23

(c) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

24

(d) 5 14sec 0H cm T s cm= = =

25

(e) 6 14sec 0H cm T s cm= = =

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height

26

(a) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

27

(b) 4 14sec 20H cm T s cm= = =

28

(c) 4 14sec 40H cm T s cm= = =

29

(d) 4 14sec 60H cm T s cm= = =

30

(e) 4 14sec 80H cm T s cm= = =

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder

31

44 파력

Fig 44는 Fig 41에서 정의된 경사수심의 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 지점에 있어서 파고

23456H cm= 로 변화시킨 경우에 파력의 변화를 나타낸 것이다 결과를 살펴보면 파고 234H cm= 까

지는 파력이 증가하지만 5cm 이상부터는 오히려 파력이 감소하는 것을 알 수 있다 이는 Fig 42의 주변파동장

에서 파고가 5cm 이상부터 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생하여 쇄파로 인한 파랑에너지가

많이 소산된 것으로 판단된다 이러한 결과로 파고가 더 커지더라도 쇄파가 발생하는 위치에 따라 낮은 파고에

서도 높은 파력이 작용할 수 있다는 것이 확인되었다 따라서 수심이 얕아지는 천해역에서 방파제나 기타 구조

물을 설계함에 있어 구조물 전면부에서 쇄파가 발생하지 않도록 주의를 기울일 필요가 있을 것으로 판단된다

Fig 45는 Fig 41 에서 정의된 경사수심 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 일 때 최대로 파력이 작용하는 파

고 4H cm= 에 대하여 구조물의 이격거리 020406080s cm= 로 변화시켜 구조물의 이격거리에 따른 쇄

파력의 크기를 검토한 결과이고 Fig 46은 Fig 45의 이격거리 04080s cm= 의 경우 파력의 시계열을 나타낸

것이다 결과를 살펴보면 구조물의 이격거리가 증가함에 따라 파력이 감소하는 것이 나타났다 하지만 이격거

리 20s cm= 이후에서는 파력의 감소가 줄어든다 이는 쇄파로 인해 어느 정도 에너지가 소산되고 난 이후에

파고가 정상상태에 전이된 결과에 기인하는 것으로 판단된다

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1

0 1 2 3 4 5 6 7 8time(sec)

-10

0

10

20

30

F(N

)

H=2cmH=3cmH=4cmH=5cmH=6cm

32

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2

45 3차원불규칙수치파동수조에 의한 고립파의 적용

본 절에서는 3D-NIT model의 고립파로 적용성에 대하여 검토한다 고립파와 구조물과의 상호간섭을

해석하기 위하여 Fig 41과 같은 3차원수치파동수조를 고려한다 해석영역내에서는 수치적으로 고립파

를 발생시키기 위한 조파소스(Brorsen amp Lasen 1987 김 등 2001)와 무반사조파시스템을 위한 에너지감쇠

영역이 고려되고 3차원파동장에서 고립파의 작용하에 작용파압을 검토하기 위하여 경사수심을 갖는 불

투과지반에 연직주상구조물이 설치된다 조파소스에서 조파강도는 다음의 식(41)로 주어진다

0 20 40 60 80s(cm)

4

8

12

16F(

N)

0 2 4 6 8time(sec)

-5

0

5

10

15

20

F(N

)

s=0cms=40cms=80cm

33

( ) = 2 (41)

여기서 는 발생파의 수평유속성분을 각각 나타내며 본 연구에서는 조파소스강도 로서 식(42)과

같이 Grimshaw(1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사이론에 의한 수평방향유속 를 적용한다(Fenton

1972)

= ℎ[ minus minus + ] (42)

여기서 및 는 다음과 같이 정의된다

= minus 14 + + 1 + ℎ 32 minus 94

= 1940 + 15 minus 65 + 1 + ℎ minus 32 minus 154 + 152

= 1 + ℎ minus 38 minus 4516 + 4516

그리고 는 물입자의 연직방향 평균위치를 나타내며 와 는 다음의 식과 같이 정의된다

= ℎ (43)

= sech (44)

여기서 ℎ는 수심 는 고립파의 입사파고를 나타내며 와 는 각각 다음의 식으로 주어진다

= 34 1 minus 58 + 71128 (45)

= minus ℎ (46)

34

여기서 는 고립파의 파속으로 고립파의 3차근사이론에 의하면 다음의 식과 같이 표현된다

= ℎ 1 + 12 minus 320 + 356 (47)

Ohyama amp Nadaoka(1991)는 수치파동수조내에서 구조물이 설치될 경우 조파소스의 위치에서 반사파

의 영향을 고려하여 조파소스지점에서 연직적분치가 반사파가 없는 경우와 분포형상이 상사되도록 다

음의 식을 고려하고 있다

= 2 + ℎ + ℎ (48)

여기서 와 는 각각 조파소스의 위치에서 수위변동과 조파소스에 의해 기대되는 수위변동이다

본 연구에서 는 다음의 식과 같은 고립파의 3차근사식을 적용하여 산정된다(Fenton 1972)

= ℎ 1 + + 58 minus 10180 (49)

여기서 는 다음의 식(410)과 같이 주어진다

= tanh minus ℎ (410)

이상의 관계식을 3D-NIT model에 적용하여 고립파를 수치조파한다 전술한 결과에서 최대파력이 작용하는

Fig 41에서 이격거리 0s cm= 인 경우에 고립파의 파고 23456iH cm= 일 때 주변파동장의 변화양상을

Fig 47(a)~(e)에 나타내었다 결과를 살펴보면 단주기규칙파에서의 결과와는 달리 파고의 증가에도 구조물 전면

부에서 쇄파가 발생하지 않았다 이는 상대적으로 긴 파장으로 인하여 Ursell수가 작아지기 때문으로 판단된다

그리고 구조물 전면부에서 고립파로 인한 급격한 처오름현상이 확인되고 연직주상구조물로 인한 회절현상을

약간 확인할 수 있지만 파장이 상대적으로 길기 때문에 회절파라미터가 작아져 결과적으로 단주기파랑보다 회

절현상이 작아진다

연직주상구조물의 전면부에 작용하는 파력분포를 Fig 48에 나타내었다 결과를 살펴보면 모두 정수면에서

최대파력이 작용하고 파고가 증가함에 따라 구조물에 작용하는 최대파력이 거의 선형적으로 증가하는 것을 알

수 있다 이는 기본적으로 규칙파와 달리 쇄파가 발생하지 않고 경사수심으로 인한 고립파의 파고변화가 크게

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 31: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

19

4 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장

해석에 적용

41 개요

해역에 설치된 구조물은 파력 풍력 조류력 등의 외력을 지속적으로 받기 때문에 구조물의 경우 극한의 파

랑환경조건하에서도 견딜 수 있는 충분한 강도를 가지도록 설계할 필요가 있다 본 연구에서는 해역에서 쇄파

가 발생할 때 원주구조물에 작용하는 쇄파력과 파랑변형을 논의한다 쇄파에 대한 이론 및 실험적 연구는 오래

전부터 많은 연구자들에 의해서 수행되어 왔고 최근에는 과도수파생성법(조 등 2001)에 의한 쇄파현상의 재현

및 비선형파의 3차원수치해석법에 의한 연구가 수행되고 있다(신 2008) 본 논문에서는 3차원불규칙파수치파동

수조 3D-NIT model을 적용하여 쇄파가 발생할 경우에 쇄파가 구조물에 미치는 영향에 대하여 검토하고 이와

연계하여 구조물에 작용하는 쇄파력의 크기를 분석한다 그리고 쇄파전의 영역 쇄파영역 및 쇄파후의 영역에

각각 원주구조물이 설치된 경우에 작용파력과 파랑변형의 특성을 조사하여 3D-NIT model의 적용성을 검토한다

42 수치파동수조

Fig 41과 같은 수심 30h cm= 를 갖는 규칙파동장의 경사수심역에 설치된 원주구조물을 대상으로 파력을

산정하며 적용한 규칙파는 주기 14secT = 파고 23456H cm= 이다 Table 41은 본 연구에서 대상으로

하는 수치파동수조의 특성을 나타내며 여기서 D는 원주구조물의 직경을 d는 경사수심이 이후의 수심을 나타

내고 s는 경사수심 끝단부로부터의 이격거리이다

(a) front view

20

(b) top view Fig 41 Definition sketch of 3D numerical wave tank for analysis of wavebreaking force acting on circular cylinder

Table 41 Condition of numerical analysis for circular cylinder shape of structure slope T(s) H(cm) h(cm) D(cm) d(cm) s(cm)

circular

cylinder

case1 110 14 2 3 4

5 6 30 60 4 0

case2 110 14 4 30 60 4 0 20 40

60 80

43 주변파동장

Fig 42는 원주구조물이 경사수심 끝단부에 위치할 때 파고 23456H cm= 로 변환될 경우의 원주구조물

로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면분포 및 단면분포를 나타낸 것이다 여기

서 파고 23H cm= 인 경우에는 쇄파현상이 발생하지 않지만 4H cm= 인 경우에는 경사수심이 끝나는 지점

에서 쇄파가 발생된다 이것은 수심이 낮아지면서 천수효과로 인해 파고가 쇄파한계를 넘어 쇄파가 발생된 것

으로 판단된다 그리고 56H cm= 인 경우에는 파고가 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생되

는 현상이 나타났다 이는 파고가 높아짐으로 인하여 쇄파한계가 경사수심의 끝단부 이전에서 나타난 것으로

보여진다

Fig 43은 case1에서 쇄파력이 원주구조물에 가장 영향이 많이 미칠 것으로 판단되는 파고 4H cm= 의 경

우에 대하여 원주구조물이 경사수심 끝단부로부터 이격거리 020406080s cm= 로 변환될 경우에 원주구조

물로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면 및 단면적인 변화양상을 나타낸 것이다

여기서 이격거리가 멀어짐에 따라 쇄파후 파의 재생성 과정을 통하여 정상상태의 파랑으로 전이되며 구조물

의 위치에 따른 구조물 전면부에서 처오름이 쇄파대 부분에 구조물이 위치할 경우보다 이격거리가 멀어질수록

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

yx

Wave

DSlope=110

500cm

21

작아지는 것을 확인할 수 있다

(a) 2 14sec 0H cm T s cm= = =

22

(b) 3 14sec 0H cm T s cm= = =

23

(c) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

24

(d) 5 14sec 0H cm T s cm= = =

25

(e) 6 14sec 0H cm T s cm= = =

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height

26

(a) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

27

(b) 4 14sec 20H cm T s cm= = =

28

(c) 4 14sec 40H cm T s cm= = =

29

(d) 4 14sec 60H cm T s cm= = =

30

(e) 4 14sec 80H cm T s cm= = =

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder

31

44 파력

Fig 44는 Fig 41에서 정의된 경사수심의 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 지점에 있어서 파고

23456H cm= 로 변화시킨 경우에 파력의 변화를 나타낸 것이다 결과를 살펴보면 파고 234H cm= 까

지는 파력이 증가하지만 5cm 이상부터는 오히려 파력이 감소하는 것을 알 수 있다 이는 Fig 42의 주변파동장

에서 파고가 5cm 이상부터 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생하여 쇄파로 인한 파랑에너지가

많이 소산된 것으로 판단된다 이러한 결과로 파고가 더 커지더라도 쇄파가 발생하는 위치에 따라 낮은 파고에

서도 높은 파력이 작용할 수 있다는 것이 확인되었다 따라서 수심이 얕아지는 천해역에서 방파제나 기타 구조

물을 설계함에 있어 구조물 전면부에서 쇄파가 발생하지 않도록 주의를 기울일 필요가 있을 것으로 판단된다

Fig 45는 Fig 41 에서 정의된 경사수심 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 일 때 최대로 파력이 작용하는 파

고 4H cm= 에 대하여 구조물의 이격거리 020406080s cm= 로 변화시켜 구조물의 이격거리에 따른 쇄

파력의 크기를 검토한 결과이고 Fig 46은 Fig 45의 이격거리 04080s cm= 의 경우 파력의 시계열을 나타낸

것이다 결과를 살펴보면 구조물의 이격거리가 증가함에 따라 파력이 감소하는 것이 나타났다 하지만 이격거

리 20s cm= 이후에서는 파력의 감소가 줄어든다 이는 쇄파로 인해 어느 정도 에너지가 소산되고 난 이후에

파고가 정상상태에 전이된 결과에 기인하는 것으로 판단된다

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1

0 1 2 3 4 5 6 7 8time(sec)

-10

0

10

20

30

F(N

)

H=2cmH=3cmH=4cmH=5cmH=6cm

32

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2

45 3차원불규칙수치파동수조에 의한 고립파의 적용

본 절에서는 3D-NIT model의 고립파로 적용성에 대하여 검토한다 고립파와 구조물과의 상호간섭을

해석하기 위하여 Fig 41과 같은 3차원수치파동수조를 고려한다 해석영역내에서는 수치적으로 고립파

를 발생시키기 위한 조파소스(Brorsen amp Lasen 1987 김 등 2001)와 무반사조파시스템을 위한 에너지감쇠

영역이 고려되고 3차원파동장에서 고립파의 작용하에 작용파압을 검토하기 위하여 경사수심을 갖는 불

투과지반에 연직주상구조물이 설치된다 조파소스에서 조파강도는 다음의 식(41)로 주어진다

0 20 40 60 80s(cm)

4

8

12

16F(

N)

0 2 4 6 8time(sec)

-5

0

5

10

15

20

F(N

)

s=0cms=40cms=80cm

33

( ) = 2 (41)

여기서 는 발생파의 수평유속성분을 각각 나타내며 본 연구에서는 조파소스강도 로서 식(42)과

같이 Grimshaw(1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사이론에 의한 수평방향유속 를 적용한다(Fenton

1972)

= ℎ[ minus minus + ] (42)

여기서 및 는 다음과 같이 정의된다

= minus 14 + + 1 + ℎ 32 minus 94

= 1940 + 15 minus 65 + 1 + ℎ minus 32 minus 154 + 152

= 1 + ℎ minus 38 minus 4516 + 4516

그리고 는 물입자의 연직방향 평균위치를 나타내며 와 는 다음의 식과 같이 정의된다

= ℎ (43)

= sech (44)

여기서 ℎ는 수심 는 고립파의 입사파고를 나타내며 와 는 각각 다음의 식으로 주어진다

= 34 1 minus 58 + 71128 (45)

= minus ℎ (46)

34

여기서 는 고립파의 파속으로 고립파의 3차근사이론에 의하면 다음의 식과 같이 표현된다

= ℎ 1 + 12 minus 320 + 356 (47)

Ohyama amp Nadaoka(1991)는 수치파동수조내에서 구조물이 설치될 경우 조파소스의 위치에서 반사파

의 영향을 고려하여 조파소스지점에서 연직적분치가 반사파가 없는 경우와 분포형상이 상사되도록 다

음의 식을 고려하고 있다

= 2 + ℎ + ℎ (48)

여기서 와 는 각각 조파소스의 위치에서 수위변동과 조파소스에 의해 기대되는 수위변동이다

본 연구에서 는 다음의 식과 같은 고립파의 3차근사식을 적용하여 산정된다(Fenton 1972)

= ℎ 1 + + 58 minus 10180 (49)

여기서 는 다음의 식(410)과 같이 주어진다

= tanh minus ℎ (410)

이상의 관계식을 3D-NIT model에 적용하여 고립파를 수치조파한다 전술한 결과에서 최대파력이 작용하는

Fig 41에서 이격거리 0s cm= 인 경우에 고립파의 파고 23456iH cm= 일 때 주변파동장의 변화양상을

Fig 47(a)~(e)에 나타내었다 결과를 살펴보면 단주기규칙파에서의 결과와는 달리 파고의 증가에도 구조물 전면

부에서 쇄파가 발생하지 않았다 이는 상대적으로 긴 파장으로 인하여 Ursell수가 작아지기 때문으로 판단된다

그리고 구조물 전면부에서 고립파로 인한 급격한 처오름현상이 확인되고 연직주상구조물로 인한 회절현상을

약간 확인할 수 있지만 파장이 상대적으로 길기 때문에 회절파라미터가 작아져 결과적으로 단주기파랑보다 회

절현상이 작아진다

연직주상구조물의 전면부에 작용하는 파력분포를 Fig 48에 나타내었다 결과를 살펴보면 모두 정수면에서

최대파력이 작용하고 파고가 증가함에 따라 구조물에 작용하는 최대파력이 거의 선형적으로 증가하는 것을 알

수 있다 이는 기본적으로 규칙파와 달리 쇄파가 발생하지 않고 경사수심으로 인한 고립파의 파고변화가 크게

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 32: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

20

(b) top view Fig 41 Definition sketch of 3D numerical wave tank for analysis of wavebreaking force acting on circular cylinder

Table 41 Condition of numerical analysis for circular cylinder shape of structure slope T(s) H(cm) h(cm) D(cm) d(cm) s(cm)

circular

cylinder

case1 110 14 2 3 4

5 6 30 60 4 0

case2 110 14 4 30 60 4 0 20 40

60 80

43 주변파동장

Fig 42는 원주구조물이 경사수심 끝단부에 위치할 때 파고 23456H cm= 로 변환될 경우의 원주구조물

로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면분포 및 단면분포를 나타낸 것이다 여기

서 파고 23H cm= 인 경우에는 쇄파현상이 발생하지 않지만 4H cm= 인 경우에는 경사수심이 끝나는 지점

에서 쇄파가 발생된다 이것은 수심이 낮아지면서 천수효과로 인해 파고가 쇄파한계를 넘어 쇄파가 발생된 것

으로 판단된다 그리고 56H cm= 인 경우에는 파고가 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생되

는 현상이 나타났다 이는 파고가 높아짐으로 인하여 쇄파한계가 경사수심의 끝단부 이전에서 나타난 것으로

보여진다

Fig 43은 case1에서 쇄파력이 원주구조물에 가장 영향이 많이 미칠 것으로 판단되는 파고 4H cm= 의 경

우에 대하여 원주구조물이 경사수심 끝단부로부터 이격거리 020406080s cm= 로 변환될 경우에 원주구조

물로 인한 파랑의 회절현상 및 쇄파현상을 나타내는 주변파동장의 평면 및 단면적인 변화양상을 나타낸 것이다

여기서 이격거리가 멀어짐에 따라 쇄파후 파의 재생성 과정을 통하여 정상상태의 파랑으로 전이되며 구조물

의 위치에 따른 구조물 전면부에서 처오름이 쇄파대 부분에 구조물이 위치할 경우보다 이격거리가 멀어질수록

Addeddissipation

zone

Addeddissipation

zone

yx

Wave

DSlope=110

500cm

21

작아지는 것을 확인할 수 있다

(a) 2 14sec 0H cm T s cm= = =

22

(b) 3 14sec 0H cm T s cm= = =

23

(c) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

24

(d) 5 14sec 0H cm T s cm= = =

25

(e) 6 14sec 0H cm T s cm= = =

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height

26

(a) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

27

(b) 4 14sec 20H cm T s cm= = =

28

(c) 4 14sec 40H cm T s cm= = =

29

(d) 4 14sec 60H cm T s cm= = =

30

(e) 4 14sec 80H cm T s cm= = =

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder

31

44 파력

Fig 44는 Fig 41에서 정의된 경사수심의 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 지점에 있어서 파고

23456H cm= 로 변화시킨 경우에 파력의 변화를 나타낸 것이다 결과를 살펴보면 파고 234H cm= 까

지는 파력이 증가하지만 5cm 이상부터는 오히려 파력이 감소하는 것을 알 수 있다 이는 Fig 42의 주변파동장

에서 파고가 5cm 이상부터 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생하여 쇄파로 인한 파랑에너지가

많이 소산된 것으로 판단된다 이러한 결과로 파고가 더 커지더라도 쇄파가 발생하는 위치에 따라 낮은 파고에

서도 높은 파력이 작용할 수 있다는 것이 확인되었다 따라서 수심이 얕아지는 천해역에서 방파제나 기타 구조

물을 설계함에 있어 구조물 전면부에서 쇄파가 발생하지 않도록 주의를 기울일 필요가 있을 것으로 판단된다

Fig 45는 Fig 41 에서 정의된 경사수심 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 일 때 최대로 파력이 작용하는 파

고 4H cm= 에 대하여 구조물의 이격거리 020406080s cm= 로 변화시켜 구조물의 이격거리에 따른 쇄

파력의 크기를 검토한 결과이고 Fig 46은 Fig 45의 이격거리 04080s cm= 의 경우 파력의 시계열을 나타낸

것이다 결과를 살펴보면 구조물의 이격거리가 증가함에 따라 파력이 감소하는 것이 나타났다 하지만 이격거

리 20s cm= 이후에서는 파력의 감소가 줄어든다 이는 쇄파로 인해 어느 정도 에너지가 소산되고 난 이후에

파고가 정상상태에 전이된 결과에 기인하는 것으로 판단된다

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1

0 1 2 3 4 5 6 7 8time(sec)

-10

0

10

20

30

F(N

)

H=2cmH=3cmH=4cmH=5cmH=6cm

32

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2

45 3차원불규칙수치파동수조에 의한 고립파의 적용

본 절에서는 3D-NIT model의 고립파로 적용성에 대하여 검토한다 고립파와 구조물과의 상호간섭을

해석하기 위하여 Fig 41과 같은 3차원수치파동수조를 고려한다 해석영역내에서는 수치적으로 고립파

를 발생시키기 위한 조파소스(Brorsen amp Lasen 1987 김 등 2001)와 무반사조파시스템을 위한 에너지감쇠

영역이 고려되고 3차원파동장에서 고립파의 작용하에 작용파압을 검토하기 위하여 경사수심을 갖는 불

투과지반에 연직주상구조물이 설치된다 조파소스에서 조파강도는 다음의 식(41)로 주어진다

0 20 40 60 80s(cm)

4

8

12

16F(

N)

0 2 4 6 8time(sec)

-5

0

5

10

15

20

F(N

)

s=0cms=40cms=80cm

33

( ) = 2 (41)

여기서 는 발생파의 수평유속성분을 각각 나타내며 본 연구에서는 조파소스강도 로서 식(42)과

같이 Grimshaw(1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사이론에 의한 수평방향유속 를 적용한다(Fenton

1972)

= ℎ[ minus minus + ] (42)

여기서 및 는 다음과 같이 정의된다

= minus 14 + + 1 + ℎ 32 minus 94

= 1940 + 15 minus 65 + 1 + ℎ minus 32 minus 154 + 152

= 1 + ℎ minus 38 minus 4516 + 4516

그리고 는 물입자의 연직방향 평균위치를 나타내며 와 는 다음의 식과 같이 정의된다

= ℎ (43)

= sech (44)

여기서 ℎ는 수심 는 고립파의 입사파고를 나타내며 와 는 각각 다음의 식으로 주어진다

= 34 1 minus 58 + 71128 (45)

= minus ℎ (46)

34

여기서 는 고립파의 파속으로 고립파의 3차근사이론에 의하면 다음의 식과 같이 표현된다

= ℎ 1 + 12 minus 320 + 356 (47)

Ohyama amp Nadaoka(1991)는 수치파동수조내에서 구조물이 설치될 경우 조파소스의 위치에서 반사파

의 영향을 고려하여 조파소스지점에서 연직적분치가 반사파가 없는 경우와 분포형상이 상사되도록 다

음의 식을 고려하고 있다

= 2 + ℎ + ℎ (48)

여기서 와 는 각각 조파소스의 위치에서 수위변동과 조파소스에 의해 기대되는 수위변동이다

본 연구에서 는 다음의 식과 같은 고립파의 3차근사식을 적용하여 산정된다(Fenton 1972)

= ℎ 1 + + 58 minus 10180 (49)

여기서 는 다음의 식(410)과 같이 주어진다

= tanh minus ℎ (410)

이상의 관계식을 3D-NIT model에 적용하여 고립파를 수치조파한다 전술한 결과에서 최대파력이 작용하는

Fig 41에서 이격거리 0s cm= 인 경우에 고립파의 파고 23456iH cm= 일 때 주변파동장의 변화양상을

Fig 47(a)~(e)에 나타내었다 결과를 살펴보면 단주기규칙파에서의 결과와는 달리 파고의 증가에도 구조물 전면

부에서 쇄파가 발생하지 않았다 이는 상대적으로 긴 파장으로 인하여 Ursell수가 작아지기 때문으로 판단된다

그리고 구조물 전면부에서 고립파로 인한 급격한 처오름현상이 확인되고 연직주상구조물로 인한 회절현상을

약간 확인할 수 있지만 파장이 상대적으로 길기 때문에 회절파라미터가 작아져 결과적으로 단주기파랑보다 회

절현상이 작아진다

연직주상구조물의 전면부에 작용하는 파력분포를 Fig 48에 나타내었다 결과를 살펴보면 모두 정수면에서

최대파력이 작용하고 파고가 증가함에 따라 구조물에 작용하는 최대파력이 거의 선형적으로 증가하는 것을 알

수 있다 이는 기본적으로 규칙파와 달리 쇄파가 발생하지 않고 경사수심으로 인한 고립파의 파고변화가 크게

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 33: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

21

작아지는 것을 확인할 수 있다

(a) 2 14sec 0H cm T s cm= = =

22

(b) 3 14sec 0H cm T s cm= = =

23

(c) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

24

(d) 5 14sec 0H cm T s cm= = =

25

(e) 6 14sec 0H cm T s cm= = =

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height

26

(a) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

27

(b) 4 14sec 20H cm T s cm= = =

28

(c) 4 14sec 40H cm T s cm= = =

29

(d) 4 14sec 60H cm T s cm= = =

30

(e) 4 14sec 80H cm T s cm= = =

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder

31

44 파력

Fig 44는 Fig 41에서 정의된 경사수심의 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 지점에 있어서 파고

23456H cm= 로 변화시킨 경우에 파력의 변화를 나타낸 것이다 결과를 살펴보면 파고 234H cm= 까

지는 파력이 증가하지만 5cm 이상부터는 오히려 파력이 감소하는 것을 알 수 있다 이는 Fig 42의 주변파동장

에서 파고가 5cm 이상부터 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생하여 쇄파로 인한 파랑에너지가

많이 소산된 것으로 판단된다 이러한 결과로 파고가 더 커지더라도 쇄파가 발생하는 위치에 따라 낮은 파고에

서도 높은 파력이 작용할 수 있다는 것이 확인되었다 따라서 수심이 얕아지는 천해역에서 방파제나 기타 구조

물을 설계함에 있어 구조물 전면부에서 쇄파가 발생하지 않도록 주의를 기울일 필요가 있을 것으로 판단된다

Fig 45는 Fig 41 에서 정의된 경사수심 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 일 때 최대로 파력이 작용하는 파

고 4H cm= 에 대하여 구조물의 이격거리 020406080s cm= 로 변화시켜 구조물의 이격거리에 따른 쇄

파력의 크기를 검토한 결과이고 Fig 46은 Fig 45의 이격거리 04080s cm= 의 경우 파력의 시계열을 나타낸

것이다 결과를 살펴보면 구조물의 이격거리가 증가함에 따라 파력이 감소하는 것이 나타났다 하지만 이격거

리 20s cm= 이후에서는 파력의 감소가 줄어든다 이는 쇄파로 인해 어느 정도 에너지가 소산되고 난 이후에

파고가 정상상태에 전이된 결과에 기인하는 것으로 판단된다

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1

0 1 2 3 4 5 6 7 8time(sec)

-10

0

10

20

30

F(N

)

H=2cmH=3cmH=4cmH=5cmH=6cm

32

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2

45 3차원불규칙수치파동수조에 의한 고립파의 적용

본 절에서는 3D-NIT model의 고립파로 적용성에 대하여 검토한다 고립파와 구조물과의 상호간섭을

해석하기 위하여 Fig 41과 같은 3차원수치파동수조를 고려한다 해석영역내에서는 수치적으로 고립파

를 발생시키기 위한 조파소스(Brorsen amp Lasen 1987 김 등 2001)와 무반사조파시스템을 위한 에너지감쇠

영역이 고려되고 3차원파동장에서 고립파의 작용하에 작용파압을 검토하기 위하여 경사수심을 갖는 불

투과지반에 연직주상구조물이 설치된다 조파소스에서 조파강도는 다음의 식(41)로 주어진다

0 20 40 60 80s(cm)

4

8

12

16F(

N)

0 2 4 6 8time(sec)

-5

0

5

10

15

20

F(N

)

s=0cms=40cms=80cm

33

( ) = 2 (41)

여기서 는 발생파의 수평유속성분을 각각 나타내며 본 연구에서는 조파소스강도 로서 식(42)과

같이 Grimshaw(1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사이론에 의한 수평방향유속 를 적용한다(Fenton

1972)

= ℎ[ minus minus + ] (42)

여기서 및 는 다음과 같이 정의된다

= minus 14 + + 1 + ℎ 32 minus 94

= 1940 + 15 minus 65 + 1 + ℎ minus 32 minus 154 + 152

= 1 + ℎ minus 38 minus 4516 + 4516

그리고 는 물입자의 연직방향 평균위치를 나타내며 와 는 다음의 식과 같이 정의된다

= ℎ (43)

= sech (44)

여기서 ℎ는 수심 는 고립파의 입사파고를 나타내며 와 는 각각 다음의 식으로 주어진다

= 34 1 minus 58 + 71128 (45)

= minus ℎ (46)

34

여기서 는 고립파의 파속으로 고립파의 3차근사이론에 의하면 다음의 식과 같이 표현된다

= ℎ 1 + 12 minus 320 + 356 (47)

Ohyama amp Nadaoka(1991)는 수치파동수조내에서 구조물이 설치될 경우 조파소스의 위치에서 반사파

의 영향을 고려하여 조파소스지점에서 연직적분치가 반사파가 없는 경우와 분포형상이 상사되도록 다

음의 식을 고려하고 있다

= 2 + ℎ + ℎ (48)

여기서 와 는 각각 조파소스의 위치에서 수위변동과 조파소스에 의해 기대되는 수위변동이다

본 연구에서 는 다음의 식과 같은 고립파의 3차근사식을 적용하여 산정된다(Fenton 1972)

= ℎ 1 + + 58 minus 10180 (49)

여기서 는 다음의 식(410)과 같이 주어진다

= tanh minus ℎ (410)

이상의 관계식을 3D-NIT model에 적용하여 고립파를 수치조파한다 전술한 결과에서 최대파력이 작용하는

Fig 41에서 이격거리 0s cm= 인 경우에 고립파의 파고 23456iH cm= 일 때 주변파동장의 변화양상을

Fig 47(a)~(e)에 나타내었다 결과를 살펴보면 단주기규칙파에서의 결과와는 달리 파고의 증가에도 구조물 전면

부에서 쇄파가 발생하지 않았다 이는 상대적으로 긴 파장으로 인하여 Ursell수가 작아지기 때문으로 판단된다

그리고 구조물 전면부에서 고립파로 인한 급격한 처오름현상이 확인되고 연직주상구조물로 인한 회절현상을

약간 확인할 수 있지만 파장이 상대적으로 길기 때문에 회절파라미터가 작아져 결과적으로 단주기파랑보다 회

절현상이 작아진다

연직주상구조물의 전면부에 작용하는 파력분포를 Fig 48에 나타내었다 결과를 살펴보면 모두 정수면에서

최대파력이 작용하고 파고가 증가함에 따라 구조물에 작용하는 최대파력이 거의 선형적으로 증가하는 것을 알

수 있다 이는 기본적으로 규칙파와 달리 쇄파가 발생하지 않고 경사수심으로 인한 고립파의 파고변화가 크게

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 34: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

22

(b) 3 14sec 0H cm T s cm= = =

23

(c) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

24

(d) 5 14sec 0H cm T s cm= = =

25

(e) 6 14sec 0H cm T s cm= = =

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height

26

(a) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

27

(b) 4 14sec 20H cm T s cm= = =

28

(c) 4 14sec 40H cm T s cm= = =

29

(d) 4 14sec 60H cm T s cm= = =

30

(e) 4 14sec 80H cm T s cm= = =

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder

31

44 파력

Fig 44는 Fig 41에서 정의된 경사수심의 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 지점에 있어서 파고

23456H cm= 로 변화시킨 경우에 파력의 변화를 나타낸 것이다 결과를 살펴보면 파고 234H cm= 까

지는 파력이 증가하지만 5cm 이상부터는 오히려 파력이 감소하는 것을 알 수 있다 이는 Fig 42의 주변파동장

에서 파고가 5cm 이상부터 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생하여 쇄파로 인한 파랑에너지가

많이 소산된 것으로 판단된다 이러한 결과로 파고가 더 커지더라도 쇄파가 발생하는 위치에 따라 낮은 파고에

서도 높은 파력이 작용할 수 있다는 것이 확인되었다 따라서 수심이 얕아지는 천해역에서 방파제나 기타 구조

물을 설계함에 있어 구조물 전면부에서 쇄파가 발생하지 않도록 주의를 기울일 필요가 있을 것으로 판단된다

Fig 45는 Fig 41 에서 정의된 경사수심 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 일 때 최대로 파력이 작용하는 파

고 4H cm= 에 대하여 구조물의 이격거리 020406080s cm= 로 변화시켜 구조물의 이격거리에 따른 쇄

파력의 크기를 검토한 결과이고 Fig 46은 Fig 45의 이격거리 04080s cm= 의 경우 파력의 시계열을 나타낸

것이다 결과를 살펴보면 구조물의 이격거리가 증가함에 따라 파력이 감소하는 것이 나타났다 하지만 이격거

리 20s cm= 이후에서는 파력의 감소가 줄어든다 이는 쇄파로 인해 어느 정도 에너지가 소산되고 난 이후에

파고가 정상상태에 전이된 결과에 기인하는 것으로 판단된다

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1

0 1 2 3 4 5 6 7 8time(sec)

-10

0

10

20

30

F(N

)

H=2cmH=3cmH=4cmH=5cmH=6cm

32

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2

45 3차원불규칙수치파동수조에 의한 고립파의 적용

본 절에서는 3D-NIT model의 고립파로 적용성에 대하여 검토한다 고립파와 구조물과의 상호간섭을

해석하기 위하여 Fig 41과 같은 3차원수치파동수조를 고려한다 해석영역내에서는 수치적으로 고립파

를 발생시키기 위한 조파소스(Brorsen amp Lasen 1987 김 등 2001)와 무반사조파시스템을 위한 에너지감쇠

영역이 고려되고 3차원파동장에서 고립파의 작용하에 작용파압을 검토하기 위하여 경사수심을 갖는 불

투과지반에 연직주상구조물이 설치된다 조파소스에서 조파강도는 다음의 식(41)로 주어진다

0 20 40 60 80s(cm)

4

8

12

16F(

N)

0 2 4 6 8time(sec)

-5

0

5

10

15

20

F(N

)

s=0cms=40cms=80cm

33

( ) = 2 (41)

여기서 는 발생파의 수평유속성분을 각각 나타내며 본 연구에서는 조파소스강도 로서 식(42)과

같이 Grimshaw(1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사이론에 의한 수평방향유속 를 적용한다(Fenton

1972)

= ℎ[ minus minus + ] (42)

여기서 및 는 다음과 같이 정의된다

= minus 14 + + 1 + ℎ 32 minus 94

= 1940 + 15 minus 65 + 1 + ℎ minus 32 minus 154 + 152

= 1 + ℎ minus 38 minus 4516 + 4516

그리고 는 물입자의 연직방향 평균위치를 나타내며 와 는 다음의 식과 같이 정의된다

= ℎ (43)

= sech (44)

여기서 ℎ는 수심 는 고립파의 입사파고를 나타내며 와 는 각각 다음의 식으로 주어진다

= 34 1 minus 58 + 71128 (45)

= minus ℎ (46)

34

여기서 는 고립파의 파속으로 고립파의 3차근사이론에 의하면 다음의 식과 같이 표현된다

= ℎ 1 + 12 minus 320 + 356 (47)

Ohyama amp Nadaoka(1991)는 수치파동수조내에서 구조물이 설치될 경우 조파소스의 위치에서 반사파

의 영향을 고려하여 조파소스지점에서 연직적분치가 반사파가 없는 경우와 분포형상이 상사되도록 다

음의 식을 고려하고 있다

= 2 + ℎ + ℎ (48)

여기서 와 는 각각 조파소스의 위치에서 수위변동과 조파소스에 의해 기대되는 수위변동이다

본 연구에서 는 다음의 식과 같은 고립파의 3차근사식을 적용하여 산정된다(Fenton 1972)

= ℎ 1 + + 58 minus 10180 (49)

여기서 는 다음의 식(410)과 같이 주어진다

= tanh minus ℎ (410)

이상의 관계식을 3D-NIT model에 적용하여 고립파를 수치조파한다 전술한 결과에서 최대파력이 작용하는

Fig 41에서 이격거리 0s cm= 인 경우에 고립파의 파고 23456iH cm= 일 때 주변파동장의 변화양상을

Fig 47(a)~(e)에 나타내었다 결과를 살펴보면 단주기규칙파에서의 결과와는 달리 파고의 증가에도 구조물 전면

부에서 쇄파가 발생하지 않았다 이는 상대적으로 긴 파장으로 인하여 Ursell수가 작아지기 때문으로 판단된다

그리고 구조물 전면부에서 고립파로 인한 급격한 처오름현상이 확인되고 연직주상구조물로 인한 회절현상을

약간 확인할 수 있지만 파장이 상대적으로 길기 때문에 회절파라미터가 작아져 결과적으로 단주기파랑보다 회

절현상이 작아진다

연직주상구조물의 전면부에 작용하는 파력분포를 Fig 48에 나타내었다 결과를 살펴보면 모두 정수면에서

최대파력이 작용하고 파고가 증가함에 따라 구조물에 작용하는 최대파력이 거의 선형적으로 증가하는 것을 알

수 있다 이는 기본적으로 규칙파와 달리 쇄파가 발생하지 않고 경사수심으로 인한 고립파의 파고변화가 크게

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 35: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

23

(c) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

24

(d) 5 14sec 0H cm T s cm= = =

25

(e) 6 14sec 0H cm T s cm= = =

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height

26

(a) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

27

(b) 4 14sec 20H cm T s cm= = =

28

(c) 4 14sec 40H cm T s cm= = =

29

(d) 4 14sec 60H cm T s cm= = =

30

(e) 4 14sec 80H cm T s cm= = =

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder

31

44 파력

Fig 44는 Fig 41에서 정의된 경사수심의 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 지점에 있어서 파고

23456H cm= 로 변화시킨 경우에 파력의 변화를 나타낸 것이다 결과를 살펴보면 파고 234H cm= 까

지는 파력이 증가하지만 5cm 이상부터는 오히려 파력이 감소하는 것을 알 수 있다 이는 Fig 42의 주변파동장

에서 파고가 5cm 이상부터 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생하여 쇄파로 인한 파랑에너지가

많이 소산된 것으로 판단된다 이러한 결과로 파고가 더 커지더라도 쇄파가 발생하는 위치에 따라 낮은 파고에

서도 높은 파력이 작용할 수 있다는 것이 확인되었다 따라서 수심이 얕아지는 천해역에서 방파제나 기타 구조

물을 설계함에 있어 구조물 전면부에서 쇄파가 발생하지 않도록 주의를 기울일 필요가 있을 것으로 판단된다

Fig 45는 Fig 41 에서 정의된 경사수심 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 일 때 최대로 파력이 작용하는 파

고 4H cm= 에 대하여 구조물의 이격거리 020406080s cm= 로 변화시켜 구조물의 이격거리에 따른 쇄

파력의 크기를 검토한 결과이고 Fig 46은 Fig 45의 이격거리 04080s cm= 의 경우 파력의 시계열을 나타낸

것이다 결과를 살펴보면 구조물의 이격거리가 증가함에 따라 파력이 감소하는 것이 나타났다 하지만 이격거

리 20s cm= 이후에서는 파력의 감소가 줄어든다 이는 쇄파로 인해 어느 정도 에너지가 소산되고 난 이후에

파고가 정상상태에 전이된 결과에 기인하는 것으로 판단된다

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1

0 1 2 3 4 5 6 7 8time(sec)

-10

0

10

20

30

F(N

)

H=2cmH=3cmH=4cmH=5cmH=6cm

32

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2

45 3차원불규칙수치파동수조에 의한 고립파의 적용

본 절에서는 3D-NIT model의 고립파로 적용성에 대하여 검토한다 고립파와 구조물과의 상호간섭을

해석하기 위하여 Fig 41과 같은 3차원수치파동수조를 고려한다 해석영역내에서는 수치적으로 고립파

를 발생시키기 위한 조파소스(Brorsen amp Lasen 1987 김 등 2001)와 무반사조파시스템을 위한 에너지감쇠

영역이 고려되고 3차원파동장에서 고립파의 작용하에 작용파압을 검토하기 위하여 경사수심을 갖는 불

투과지반에 연직주상구조물이 설치된다 조파소스에서 조파강도는 다음의 식(41)로 주어진다

0 20 40 60 80s(cm)

4

8

12

16F(

N)

0 2 4 6 8time(sec)

-5

0

5

10

15

20

F(N

)

s=0cms=40cms=80cm

33

( ) = 2 (41)

여기서 는 발생파의 수평유속성분을 각각 나타내며 본 연구에서는 조파소스강도 로서 식(42)과

같이 Grimshaw(1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사이론에 의한 수평방향유속 를 적용한다(Fenton

1972)

= ℎ[ minus minus + ] (42)

여기서 및 는 다음과 같이 정의된다

= minus 14 + + 1 + ℎ 32 minus 94

= 1940 + 15 minus 65 + 1 + ℎ minus 32 minus 154 + 152

= 1 + ℎ minus 38 minus 4516 + 4516

그리고 는 물입자의 연직방향 평균위치를 나타내며 와 는 다음의 식과 같이 정의된다

= ℎ (43)

= sech (44)

여기서 ℎ는 수심 는 고립파의 입사파고를 나타내며 와 는 각각 다음의 식으로 주어진다

= 34 1 minus 58 + 71128 (45)

= minus ℎ (46)

34

여기서 는 고립파의 파속으로 고립파의 3차근사이론에 의하면 다음의 식과 같이 표현된다

= ℎ 1 + 12 minus 320 + 356 (47)

Ohyama amp Nadaoka(1991)는 수치파동수조내에서 구조물이 설치될 경우 조파소스의 위치에서 반사파

의 영향을 고려하여 조파소스지점에서 연직적분치가 반사파가 없는 경우와 분포형상이 상사되도록 다

음의 식을 고려하고 있다

= 2 + ℎ + ℎ (48)

여기서 와 는 각각 조파소스의 위치에서 수위변동과 조파소스에 의해 기대되는 수위변동이다

본 연구에서 는 다음의 식과 같은 고립파의 3차근사식을 적용하여 산정된다(Fenton 1972)

= ℎ 1 + + 58 minus 10180 (49)

여기서 는 다음의 식(410)과 같이 주어진다

= tanh minus ℎ (410)

이상의 관계식을 3D-NIT model에 적용하여 고립파를 수치조파한다 전술한 결과에서 최대파력이 작용하는

Fig 41에서 이격거리 0s cm= 인 경우에 고립파의 파고 23456iH cm= 일 때 주변파동장의 변화양상을

Fig 47(a)~(e)에 나타내었다 결과를 살펴보면 단주기규칙파에서의 결과와는 달리 파고의 증가에도 구조물 전면

부에서 쇄파가 발생하지 않았다 이는 상대적으로 긴 파장으로 인하여 Ursell수가 작아지기 때문으로 판단된다

그리고 구조물 전면부에서 고립파로 인한 급격한 처오름현상이 확인되고 연직주상구조물로 인한 회절현상을

약간 확인할 수 있지만 파장이 상대적으로 길기 때문에 회절파라미터가 작아져 결과적으로 단주기파랑보다 회

절현상이 작아진다

연직주상구조물의 전면부에 작용하는 파력분포를 Fig 48에 나타내었다 결과를 살펴보면 모두 정수면에서

최대파력이 작용하고 파고가 증가함에 따라 구조물에 작용하는 최대파력이 거의 선형적으로 증가하는 것을 알

수 있다 이는 기본적으로 규칙파와 달리 쇄파가 발생하지 않고 경사수심으로 인한 고립파의 파고변화가 크게

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 36: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

24

(d) 5 14sec 0H cm T s cm= = =

25

(e) 6 14sec 0H cm T s cm= = =

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height

26

(a) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

27

(b) 4 14sec 20H cm T s cm= = =

28

(c) 4 14sec 40H cm T s cm= = =

29

(d) 4 14sec 60H cm T s cm= = =

30

(e) 4 14sec 80H cm T s cm= = =

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder

31

44 파력

Fig 44는 Fig 41에서 정의된 경사수심의 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 지점에 있어서 파고

23456H cm= 로 변화시킨 경우에 파력의 변화를 나타낸 것이다 결과를 살펴보면 파고 234H cm= 까

지는 파력이 증가하지만 5cm 이상부터는 오히려 파력이 감소하는 것을 알 수 있다 이는 Fig 42의 주변파동장

에서 파고가 5cm 이상부터 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생하여 쇄파로 인한 파랑에너지가

많이 소산된 것으로 판단된다 이러한 결과로 파고가 더 커지더라도 쇄파가 발생하는 위치에 따라 낮은 파고에

서도 높은 파력이 작용할 수 있다는 것이 확인되었다 따라서 수심이 얕아지는 천해역에서 방파제나 기타 구조

물을 설계함에 있어 구조물 전면부에서 쇄파가 발생하지 않도록 주의를 기울일 필요가 있을 것으로 판단된다

Fig 45는 Fig 41 에서 정의된 경사수심 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 일 때 최대로 파력이 작용하는 파

고 4H cm= 에 대하여 구조물의 이격거리 020406080s cm= 로 변화시켜 구조물의 이격거리에 따른 쇄

파력의 크기를 검토한 결과이고 Fig 46은 Fig 45의 이격거리 04080s cm= 의 경우 파력의 시계열을 나타낸

것이다 결과를 살펴보면 구조물의 이격거리가 증가함에 따라 파력이 감소하는 것이 나타났다 하지만 이격거

리 20s cm= 이후에서는 파력의 감소가 줄어든다 이는 쇄파로 인해 어느 정도 에너지가 소산되고 난 이후에

파고가 정상상태에 전이된 결과에 기인하는 것으로 판단된다

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1

0 1 2 3 4 5 6 7 8time(sec)

-10

0

10

20

30

F(N

)

H=2cmH=3cmH=4cmH=5cmH=6cm

32

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2

45 3차원불규칙수치파동수조에 의한 고립파의 적용

본 절에서는 3D-NIT model의 고립파로 적용성에 대하여 검토한다 고립파와 구조물과의 상호간섭을

해석하기 위하여 Fig 41과 같은 3차원수치파동수조를 고려한다 해석영역내에서는 수치적으로 고립파

를 발생시키기 위한 조파소스(Brorsen amp Lasen 1987 김 등 2001)와 무반사조파시스템을 위한 에너지감쇠

영역이 고려되고 3차원파동장에서 고립파의 작용하에 작용파압을 검토하기 위하여 경사수심을 갖는 불

투과지반에 연직주상구조물이 설치된다 조파소스에서 조파강도는 다음의 식(41)로 주어진다

0 20 40 60 80s(cm)

4

8

12

16F(

N)

0 2 4 6 8time(sec)

-5

0

5

10

15

20

F(N

)

s=0cms=40cms=80cm

33

( ) = 2 (41)

여기서 는 발생파의 수평유속성분을 각각 나타내며 본 연구에서는 조파소스강도 로서 식(42)과

같이 Grimshaw(1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사이론에 의한 수평방향유속 를 적용한다(Fenton

1972)

= ℎ[ minus minus + ] (42)

여기서 및 는 다음과 같이 정의된다

= minus 14 + + 1 + ℎ 32 minus 94

= 1940 + 15 minus 65 + 1 + ℎ minus 32 minus 154 + 152

= 1 + ℎ minus 38 minus 4516 + 4516

그리고 는 물입자의 연직방향 평균위치를 나타내며 와 는 다음의 식과 같이 정의된다

= ℎ (43)

= sech (44)

여기서 ℎ는 수심 는 고립파의 입사파고를 나타내며 와 는 각각 다음의 식으로 주어진다

= 34 1 minus 58 + 71128 (45)

= minus ℎ (46)

34

여기서 는 고립파의 파속으로 고립파의 3차근사이론에 의하면 다음의 식과 같이 표현된다

= ℎ 1 + 12 minus 320 + 356 (47)

Ohyama amp Nadaoka(1991)는 수치파동수조내에서 구조물이 설치될 경우 조파소스의 위치에서 반사파

의 영향을 고려하여 조파소스지점에서 연직적분치가 반사파가 없는 경우와 분포형상이 상사되도록 다

음의 식을 고려하고 있다

= 2 + ℎ + ℎ (48)

여기서 와 는 각각 조파소스의 위치에서 수위변동과 조파소스에 의해 기대되는 수위변동이다

본 연구에서 는 다음의 식과 같은 고립파의 3차근사식을 적용하여 산정된다(Fenton 1972)

= ℎ 1 + + 58 minus 10180 (49)

여기서 는 다음의 식(410)과 같이 주어진다

= tanh minus ℎ (410)

이상의 관계식을 3D-NIT model에 적용하여 고립파를 수치조파한다 전술한 결과에서 최대파력이 작용하는

Fig 41에서 이격거리 0s cm= 인 경우에 고립파의 파고 23456iH cm= 일 때 주변파동장의 변화양상을

Fig 47(a)~(e)에 나타내었다 결과를 살펴보면 단주기규칙파에서의 결과와는 달리 파고의 증가에도 구조물 전면

부에서 쇄파가 발생하지 않았다 이는 상대적으로 긴 파장으로 인하여 Ursell수가 작아지기 때문으로 판단된다

그리고 구조물 전면부에서 고립파로 인한 급격한 처오름현상이 확인되고 연직주상구조물로 인한 회절현상을

약간 확인할 수 있지만 파장이 상대적으로 길기 때문에 회절파라미터가 작아져 결과적으로 단주기파랑보다 회

절현상이 작아진다

연직주상구조물의 전면부에 작용하는 파력분포를 Fig 48에 나타내었다 결과를 살펴보면 모두 정수면에서

최대파력이 작용하고 파고가 증가함에 따라 구조물에 작용하는 최대파력이 거의 선형적으로 증가하는 것을 알

수 있다 이는 기본적으로 규칙파와 달리 쇄파가 발생하지 않고 경사수심으로 인한 고립파의 파고변화가 크게

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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bull 谷本勝利 広鶴谷 一 中野晋 (1984) 1983年日本海中部地震津波における津波力と埋立護岸の被災原因の

檢討 第31回海岸工學講演會論文集 pp257-261

bull 村上啓介 吉田明德 入江 功 (1993) 任意斷面形狀の鉛直柱体と波の非線型干涉解析法 海岸工學論文

集 40(2) pp846-850

bull 眞田 武 (1998) 大型海洋構造物による非線形回折散亂波の2次近似解析解とその応用に関する硏究 工

學博士學位論文 名古屋大學大學院

bull 沿岸開發技術硏究センタ(2001) CADMAS-SURF 數値波動水路の開發ᆞ硏究

71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 37: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

25

(e) 6 14sec 0H cm T s cm= = =

Fig 42 Free surface evolution according to the change of wave height

26

(a) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

27

(b) 4 14sec 20H cm T s cm= = =

28

(c) 4 14sec 40H cm T s cm= = =

29

(d) 4 14sec 60H cm T s cm= = =

30

(e) 4 14sec 80H cm T s cm= = =

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder

31

44 파력

Fig 44는 Fig 41에서 정의된 경사수심의 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 지점에 있어서 파고

23456H cm= 로 변화시킨 경우에 파력의 변화를 나타낸 것이다 결과를 살펴보면 파고 234H cm= 까

지는 파력이 증가하지만 5cm 이상부터는 오히려 파력이 감소하는 것을 알 수 있다 이는 Fig 42의 주변파동장

에서 파고가 5cm 이상부터 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생하여 쇄파로 인한 파랑에너지가

많이 소산된 것으로 판단된다 이러한 결과로 파고가 더 커지더라도 쇄파가 발생하는 위치에 따라 낮은 파고에

서도 높은 파력이 작용할 수 있다는 것이 확인되었다 따라서 수심이 얕아지는 천해역에서 방파제나 기타 구조

물을 설계함에 있어 구조물 전면부에서 쇄파가 발생하지 않도록 주의를 기울일 필요가 있을 것으로 판단된다

Fig 45는 Fig 41 에서 정의된 경사수심 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 일 때 최대로 파력이 작용하는 파

고 4H cm= 에 대하여 구조물의 이격거리 020406080s cm= 로 변화시켜 구조물의 이격거리에 따른 쇄

파력의 크기를 검토한 결과이고 Fig 46은 Fig 45의 이격거리 04080s cm= 의 경우 파력의 시계열을 나타낸

것이다 결과를 살펴보면 구조물의 이격거리가 증가함에 따라 파력이 감소하는 것이 나타났다 하지만 이격거

리 20s cm= 이후에서는 파력의 감소가 줄어든다 이는 쇄파로 인해 어느 정도 에너지가 소산되고 난 이후에

파고가 정상상태에 전이된 결과에 기인하는 것으로 판단된다

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1

0 1 2 3 4 5 6 7 8time(sec)

-10

0

10

20

30

F(N

)

H=2cmH=3cmH=4cmH=5cmH=6cm

32

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2

45 3차원불규칙수치파동수조에 의한 고립파의 적용

본 절에서는 3D-NIT model의 고립파로 적용성에 대하여 검토한다 고립파와 구조물과의 상호간섭을

해석하기 위하여 Fig 41과 같은 3차원수치파동수조를 고려한다 해석영역내에서는 수치적으로 고립파

를 발생시키기 위한 조파소스(Brorsen amp Lasen 1987 김 등 2001)와 무반사조파시스템을 위한 에너지감쇠

영역이 고려되고 3차원파동장에서 고립파의 작용하에 작용파압을 검토하기 위하여 경사수심을 갖는 불

투과지반에 연직주상구조물이 설치된다 조파소스에서 조파강도는 다음의 식(41)로 주어진다

0 20 40 60 80s(cm)

4

8

12

16F(

N)

0 2 4 6 8time(sec)

-5

0

5

10

15

20

F(N

)

s=0cms=40cms=80cm

33

( ) = 2 (41)

여기서 는 발생파의 수평유속성분을 각각 나타내며 본 연구에서는 조파소스강도 로서 식(42)과

같이 Grimshaw(1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사이론에 의한 수평방향유속 를 적용한다(Fenton

1972)

= ℎ[ minus minus + ] (42)

여기서 및 는 다음과 같이 정의된다

= minus 14 + + 1 + ℎ 32 minus 94

= 1940 + 15 minus 65 + 1 + ℎ minus 32 minus 154 + 152

= 1 + ℎ minus 38 minus 4516 + 4516

그리고 는 물입자의 연직방향 평균위치를 나타내며 와 는 다음의 식과 같이 정의된다

= ℎ (43)

= sech (44)

여기서 ℎ는 수심 는 고립파의 입사파고를 나타내며 와 는 각각 다음의 식으로 주어진다

= 34 1 minus 58 + 71128 (45)

= minus ℎ (46)

34

여기서 는 고립파의 파속으로 고립파의 3차근사이론에 의하면 다음의 식과 같이 표현된다

= ℎ 1 + 12 minus 320 + 356 (47)

Ohyama amp Nadaoka(1991)는 수치파동수조내에서 구조물이 설치될 경우 조파소스의 위치에서 반사파

의 영향을 고려하여 조파소스지점에서 연직적분치가 반사파가 없는 경우와 분포형상이 상사되도록 다

음의 식을 고려하고 있다

= 2 + ℎ + ℎ (48)

여기서 와 는 각각 조파소스의 위치에서 수위변동과 조파소스에 의해 기대되는 수위변동이다

본 연구에서 는 다음의 식과 같은 고립파의 3차근사식을 적용하여 산정된다(Fenton 1972)

= ℎ 1 + + 58 minus 10180 (49)

여기서 는 다음의 식(410)과 같이 주어진다

= tanh minus ℎ (410)

이상의 관계식을 3D-NIT model에 적용하여 고립파를 수치조파한다 전술한 결과에서 최대파력이 작용하는

Fig 41에서 이격거리 0s cm= 인 경우에 고립파의 파고 23456iH cm= 일 때 주변파동장의 변화양상을

Fig 47(a)~(e)에 나타내었다 결과를 살펴보면 단주기규칙파에서의 결과와는 달리 파고의 증가에도 구조물 전면

부에서 쇄파가 발생하지 않았다 이는 상대적으로 긴 파장으로 인하여 Ursell수가 작아지기 때문으로 판단된다

그리고 구조물 전면부에서 고립파로 인한 급격한 처오름현상이 확인되고 연직주상구조물로 인한 회절현상을

약간 확인할 수 있지만 파장이 상대적으로 길기 때문에 회절파라미터가 작아져 결과적으로 단주기파랑보다 회

절현상이 작아진다

연직주상구조물의 전면부에 작용하는 파력분포를 Fig 48에 나타내었다 결과를 살펴보면 모두 정수면에서

최대파력이 작용하고 파고가 증가함에 따라 구조물에 작용하는 최대파력이 거의 선형적으로 증가하는 것을 알

수 있다 이는 기본적으로 규칙파와 달리 쇄파가 발생하지 않고 경사수심으로 인한 고립파의 파고변화가 크게

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 38: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

26

(a) 4 14sec 0H cm T s cm= = =

27

(b) 4 14sec 20H cm T s cm= = =

28

(c) 4 14sec 40H cm T s cm= = =

29

(d) 4 14sec 60H cm T s cm= = =

30

(e) 4 14sec 80H cm T s cm= = =

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder

31

44 파력

Fig 44는 Fig 41에서 정의된 경사수심의 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 지점에 있어서 파고

23456H cm= 로 변화시킨 경우에 파력의 변화를 나타낸 것이다 결과를 살펴보면 파고 234H cm= 까

지는 파력이 증가하지만 5cm 이상부터는 오히려 파력이 감소하는 것을 알 수 있다 이는 Fig 42의 주변파동장

에서 파고가 5cm 이상부터 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생하여 쇄파로 인한 파랑에너지가

많이 소산된 것으로 판단된다 이러한 결과로 파고가 더 커지더라도 쇄파가 발생하는 위치에 따라 낮은 파고에

서도 높은 파력이 작용할 수 있다는 것이 확인되었다 따라서 수심이 얕아지는 천해역에서 방파제나 기타 구조

물을 설계함에 있어 구조물 전면부에서 쇄파가 발생하지 않도록 주의를 기울일 필요가 있을 것으로 판단된다

Fig 45는 Fig 41 에서 정의된 경사수심 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 일 때 최대로 파력이 작용하는 파

고 4H cm= 에 대하여 구조물의 이격거리 020406080s cm= 로 변화시켜 구조물의 이격거리에 따른 쇄

파력의 크기를 검토한 결과이고 Fig 46은 Fig 45의 이격거리 04080s cm= 의 경우 파력의 시계열을 나타낸

것이다 결과를 살펴보면 구조물의 이격거리가 증가함에 따라 파력이 감소하는 것이 나타났다 하지만 이격거

리 20s cm= 이후에서는 파력의 감소가 줄어든다 이는 쇄파로 인해 어느 정도 에너지가 소산되고 난 이후에

파고가 정상상태에 전이된 결과에 기인하는 것으로 판단된다

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1

0 1 2 3 4 5 6 7 8time(sec)

-10

0

10

20

30

F(N

)

H=2cmH=3cmH=4cmH=5cmH=6cm

32

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2

45 3차원불규칙수치파동수조에 의한 고립파의 적용

본 절에서는 3D-NIT model의 고립파로 적용성에 대하여 검토한다 고립파와 구조물과의 상호간섭을

해석하기 위하여 Fig 41과 같은 3차원수치파동수조를 고려한다 해석영역내에서는 수치적으로 고립파

를 발생시키기 위한 조파소스(Brorsen amp Lasen 1987 김 등 2001)와 무반사조파시스템을 위한 에너지감쇠

영역이 고려되고 3차원파동장에서 고립파의 작용하에 작용파압을 검토하기 위하여 경사수심을 갖는 불

투과지반에 연직주상구조물이 설치된다 조파소스에서 조파강도는 다음의 식(41)로 주어진다

0 20 40 60 80s(cm)

4

8

12

16F(

N)

0 2 4 6 8time(sec)

-5

0

5

10

15

20

F(N

)

s=0cms=40cms=80cm

33

( ) = 2 (41)

여기서 는 발생파의 수평유속성분을 각각 나타내며 본 연구에서는 조파소스강도 로서 식(42)과

같이 Grimshaw(1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사이론에 의한 수평방향유속 를 적용한다(Fenton

1972)

= ℎ[ minus minus + ] (42)

여기서 및 는 다음과 같이 정의된다

= minus 14 + + 1 + ℎ 32 minus 94

= 1940 + 15 minus 65 + 1 + ℎ minus 32 minus 154 + 152

= 1 + ℎ minus 38 minus 4516 + 4516

그리고 는 물입자의 연직방향 평균위치를 나타내며 와 는 다음의 식과 같이 정의된다

= ℎ (43)

= sech (44)

여기서 ℎ는 수심 는 고립파의 입사파고를 나타내며 와 는 각각 다음의 식으로 주어진다

= 34 1 minus 58 + 71128 (45)

= minus ℎ (46)

34

여기서 는 고립파의 파속으로 고립파의 3차근사이론에 의하면 다음의 식과 같이 표현된다

= ℎ 1 + 12 minus 320 + 356 (47)

Ohyama amp Nadaoka(1991)는 수치파동수조내에서 구조물이 설치될 경우 조파소스의 위치에서 반사파

의 영향을 고려하여 조파소스지점에서 연직적분치가 반사파가 없는 경우와 분포형상이 상사되도록 다

음의 식을 고려하고 있다

= 2 + ℎ + ℎ (48)

여기서 와 는 각각 조파소스의 위치에서 수위변동과 조파소스에 의해 기대되는 수위변동이다

본 연구에서 는 다음의 식과 같은 고립파의 3차근사식을 적용하여 산정된다(Fenton 1972)

= ℎ 1 + + 58 minus 10180 (49)

여기서 는 다음의 식(410)과 같이 주어진다

= tanh minus ℎ (410)

이상의 관계식을 3D-NIT model에 적용하여 고립파를 수치조파한다 전술한 결과에서 최대파력이 작용하는

Fig 41에서 이격거리 0s cm= 인 경우에 고립파의 파고 23456iH cm= 일 때 주변파동장의 변화양상을

Fig 47(a)~(e)에 나타내었다 결과를 살펴보면 단주기규칙파에서의 결과와는 달리 파고의 증가에도 구조물 전면

부에서 쇄파가 발생하지 않았다 이는 상대적으로 긴 파장으로 인하여 Ursell수가 작아지기 때문으로 판단된다

그리고 구조물 전면부에서 고립파로 인한 급격한 처오름현상이 확인되고 연직주상구조물로 인한 회절현상을

약간 확인할 수 있지만 파장이 상대적으로 길기 때문에 회절파라미터가 작아져 결과적으로 단주기파랑보다 회

절현상이 작아진다

연직주상구조물의 전면부에 작용하는 파력분포를 Fig 48에 나타내었다 결과를 살펴보면 모두 정수면에서

최대파력이 작용하고 파고가 증가함에 따라 구조물에 작용하는 최대파력이 거의 선형적으로 증가하는 것을 알

수 있다 이는 기본적으로 규칙파와 달리 쇄파가 발생하지 않고 경사수심으로 인한 고립파의 파고변화가 크게

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

lt참고문헌gt

bull 김도삼 이광호 허동수 김정수 (2001) VOF법에 기초한 불투과 잠제 주변 파동장의 해석 대한토목학

회논문집 Vol21No1 pp31-35

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 39: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

27

(b) 4 14sec 20H cm T s cm= = =

28

(c) 4 14sec 40H cm T s cm= = =

29

(d) 4 14sec 60H cm T s cm= = =

30

(e) 4 14sec 80H cm T s cm= = =

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder

31

44 파력

Fig 44는 Fig 41에서 정의된 경사수심의 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 지점에 있어서 파고

23456H cm= 로 변화시킨 경우에 파력의 변화를 나타낸 것이다 결과를 살펴보면 파고 234H cm= 까

지는 파력이 증가하지만 5cm 이상부터는 오히려 파력이 감소하는 것을 알 수 있다 이는 Fig 42의 주변파동장

에서 파고가 5cm 이상부터 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생하여 쇄파로 인한 파랑에너지가

많이 소산된 것으로 판단된다 이러한 결과로 파고가 더 커지더라도 쇄파가 발생하는 위치에 따라 낮은 파고에

서도 높은 파력이 작용할 수 있다는 것이 확인되었다 따라서 수심이 얕아지는 천해역에서 방파제나 기타 구조

물을 설계함에 있어 구조물 전면부에서 쇄파가 발생하지 않도록 주의를 기울일 필요가 있을 것으로 판단된다

Fig 45는 Fig 41 에서 정의된 경사수심 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 일 때 최대로 파력이 작용하는 파

고 4H cm= 에 대하여 구조물의 이격거리 020406080s cm= 로 변화시켜 구조물의 이격거리에 따른 쇄

파력의 크기를 검토한 결과이고 Fig 46은 Fig 45의 이격거리 04080s cm= 의 경우 파력의 시계열을 나타낸

것이다 결과를 살펴보면 구조물의 이격거리가 증가함에 따라 파력이 감소하는 것이 나타났다 하지만 이격거

리 20s cm= 이후에서는 파력의 감소가 줄어든다 이는 쇄파로 인해 어느 정도 에너지가 소산되고 난 이후에

파고가 정상상태에 전이된 결과에 기인하는 것으로 판단된다

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1

0 1 2 3 4 5 6 7 8time(sec)

-10

0

10

20

30

F(N

)

H=2cmH=3cmH=4cmH=5cmH=6cm

32

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2

45 3차원불규칙수치파동수조에 의한 고립파의 적용

본 절에서는 3D-NIT model의 고립파로 적용성에 대하여 검토한다 고립파와 구조물과의 상호간섭을

해석하기 위하여 Fig 41과 같은 3차원수치파동수조를 고려한다 해석영역내에서는 수치적으로 고립파

를 발생시키기 위한 조파소스(Brorsen amp Lasen 1987 김 등 2001)와 무반사조파시스템을 위한 에너지감쇠

영역이 고려되고 3차원파동장에서 고립파의 작용하에 작용파압을 검토하기 위하여 경사수심을 갖는 불

투과지반에 연직주상구조물이 설치된다 조파소스에서 조파강도는 다음의 식(41)로 주어진다

0 20 40 60 80s(cm)

4

8

12

16F(

N)

0 2 4 6 8time(sec)

-5

0

5

10

15

20

F(N

)

s=0cms=40cms=80cm

33

( ) = 2 (41)

여기서 는 발생파의 수평유속성분을 각각 나타내며 본 연구에서는 조파소스강도 로서 식(42)과

같이 Grimshaw(1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사이론에 의한 수평방향유속 를 적용한다(Fenton

1972)

= ℎ[ minus minus + ] (42)

여기서 및 는 다음과 같이 정의된다

= minus 14 + + 1 + ℎ 32 minus 94

= 1940 + 15 minus 65 + 1 + ℎ minus 32 minus 154 + 152

= 1 + ℎ minus 38 minus 4516 + 4516

그리고 는 물입자의 연직방향 평균위치를 나타내며 와 는 다음의 식과 같이 정의된다

= ℎ (43)

= sech (44)

여기서 ℎ는 수심 는 고립파의 입사파고를 나타내며 와 는 각각 다음의 식으로 주어진다

= 34 1 minus 58 + 71128 (45)

= minus ℎ (46)

34

여기서 는 고립파의 파속으로 고립파의 3차근사이론에 의하면 다음의 식과 같이 표현된다

= ℎ 1 + 12 minus 320 + 356 (47)

Ohyama amp Nadaoka(1991)는 수치파동수조내에서 구조물이 설치될 경우 조파소스의 위치에서 반사파

의 영향을 고려하여 조파소스지점에서 연직적분치가 반사파가 없는 경우와 분포형상이 상사되도록 다

음의 식을 고려하고 있다

= 2 + ℎ + ℎ (48)

여기서 와 는 각각 조파소스의 위치에서 수위변동과 조파소스에 의해 기대되는 수위변동이다

본 연구에서 는 다음의 식과 같은 고립파의 3차근사식을 적용하여 산정된다(Fenton 1972)

= ℎ 1 + + 58 minus 10180 (49)

여기서 는 다음의 식(410)과 같이 주어진다

= tanh minus ℎ (410)

이상의 관계식을 3D-NIT model에 적용하여 고립파를 수치조파한다 전술한 결과에서 최대파력이 작용하는

Fig 41에서 이격거리 0s cm= 인 경우에 고립파의 파고 23456iH cm= 일 때 주변파동장의 변화양상을

Fig 47(a)~(e)에 나타내었다 결과를 살펴보면 단주기규칙파에서의 결과와는 달리 파고의 증가에도 구조물 전면

부에서 쇄파가 발생하지 않았다 이는 상대적으로 긴 파장으로 인하여 Ursell수가 작아지기 때문으로 판단된다

그리고 구조물 전면부에서 고립파로 인한 급격한 처오름현상이 확인되고 연직주상구조물로 인한 회절현상을

약간 확인할 수 있지만 파장이 상대적으로 길기 때문에 회절파라미터가 작아져 결과적으로 단주기파랑보다 회

절현상이 작아진다

연직주상구조물의 전면부에 작용하는 파력분포를 Fig 48에 나타내었다 결과를 살펴보면 모두 정수면에서

최대파력이 작용하고 파고가 증가함에 따라 구조물에 작용하는 최대파력이 거의 선형적으로 증가하는 것을 알

수 있다 이는 기본적으로 규칙파와 달리 쇄파가 발생하지 않고 경사수심으로 인한 고립파의 파고변화가 크게

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 40: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

28

(c) 4 14sec 40H cm T s cm= = =

29

(d) 4 14sec 60H cm T s cm= = =

30

(e) 4 14sec 80H cm T s cm= = =

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder

31

44 파력

Fig 44는 Fig 41에서 정의된 경사수심의 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 지점에 있어서 파고

23456H cm= 로 변화시킨 경우에 파력의 변화를 나타낸 것이다 결과를 살펴보면 파고 234H cm= 까

지는 파력이 증가하지만 5cm 이상부터는 오히려 파력이 감소하는 것을 알 수 있다 이는 Fig 42의 주변파동장

에서 파고가 5cm 이상부터 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생하여 쇄파로 인한 파랑에너지가

많이 소산된 것으로 판단된다 이러한 결과로 파고가 더 커지더라도 쇄파가 발생하는 위치에 따라 낮은 파고에

서도 높은 파력이 작용할 수 있다는 것이 확인되었다 따라서 수심이 얕아지는 천해역에서 방파제나 기타 구조

물을 설계함에 있어 구조물 전면부에서 쇄파가 발생하지 않도록 주의를 기울일 필요가 있을 것으로 판단된다

Fig 45는 Fig 41 에서 정의된 경사수심 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 일 때 최대로 파력이 작용하는 파

고 4H cm= 에 대하여 구조물의 이격거리 020406080s cm= 로 변화시켜 구조물의 이격거리에 따른 쇄

파력의 크기를 검토한 결과이고 Fig 46은 Fig 45의 이격거리 04080s cm= 의 경우 파력의 시계열을 나타낸

것이다 결과를 살펴보면 구조물의 이격거리가 증가함에 따라 파력이 감소하는 것이 나타났다 하지만 이격거

리 20s cm= 이후에서는 파력의 감소가 줄어든다 이는 쇄파로 인해 어느 정도 에너지가 소산되고 난 이후에

파고가 정상상태에 전이된 결과에 기인하는 것으로 판단된다

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1

0 1 2 3 4 5 6 7 8time(sec)

-10

0

10

20

30

F(N

)

H=2cmH=3cmH=4cmH=5cmH=6cm

32

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2

45 3차원불규칙수치파동수조에 의한 고립파의 적용

본 절에서는 3D-NIT model의 고립파로 적용성에 대하여 검토한다 고립파와 구조물과의 상호간섭을

해석하기 위하여 Fig 41과 같은 3차원수치파동수조를 고려한다 해석영역내에서는 수치적으로 고립파

를 발생시키기 위한 조파소스(Brorsen amp Lasen 1987 김 등 2001)와 무반사조파시스템을 위한 에너지감쇠

영역이 고려되고 3차원파동장에서 고립파의 작용하에 작용파압을 검토하기 위하여 경사수심을 갖는 불

투과지반에 연직주상구조물이 설치된다 조파소스에서 조파강도는 다음의 식(41)로 주어진다

0 20 40 60 80s(cm)

4

8

12

16F(

N)

0 2 4 6 8time(sec)

-5

0

5

10

15

20

F(N

)

s=0cms=40cms=80cm

33

( ) = 2 (41)

여기서 는 발생파의 수평유속성분을 각각 나타내며 본 연구에서는 조파소스강도 로서 식(42)과

같이 Grimshaw(1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사이론에 의한 수평방향유속 를 적용한다(Fenton

1972)

= ℎ[ minus minus + ] (42)

여기서 및 는 다음과 같이 정의된다

= minus 14 + + 1 + ℎ 32 minus 94

= 1940 + 15 minus 65 + 1 + ℎ minus 32 minus 154 + 152

= 1 + ℎ minus 38 minus 4516 + 4516

그리고 는 물입자의 연직방향 평균위치를 나타내며 와 는 다음의 식과 같이 정의된다

= ℎ (43)

= sech (44)

여기서 ℎ는 수심 는 고립파의 입사파고를 나타내며 와 는 각각 다음의 식으로 주어진다

= 34 1 minus 58 + 71128 (45)

= minus ℎ (46)

34

여기서 는 고립파의 파속으로 고립파의 3차근사이론에 의하면 다음의 식과 같이 표현된다

= ℎ 1 + 12 minus 320 + 356 (47)

Ohyama amp Nadaoka(1991)는 수치파동수조내에서 구조물이 설치될 경우 조파소스의 위치에서 반사파

의 영향을 고려하여 조파소스지점에서 연직적분치가 반사파가 없는 경우와 분포형상이 상사되도록 다

음의 식을 고려하고 있다

= 2 + ℎ + ℎ (48)

여기서 와 는 각각 조파소스의 위치에서 수위변동과 조파소스에 의해 기대되는 수위변동이다

본 연구에서 는 다음의 식과 같은 고립파의 3차근사식을 적용하여 산정된다(Fenton 1972)

= ℎ 1 + + 58 minus 10180 (49)

여기서 는 다음의 식(410)과 같이 주어진다

= tanh minus ℎ (410)

이상의 관계식을 3D-NIT model에 적용하여 고립파를 수치조파한다 전술한 결과에서 최대파력이 작용하는

Fig 41에서 이격거리 0s cm= 인 경우에 고립파의 파고 23456iH cm= 일 때 주변파동장의 변화양상을

Fig 47(a)~(e)에 나타내었다 결과를 살펴보면 단주기규칙파에서의 결과와는 달리 파고의 증가에도 구조물 전면

부에서 쇄파가 발생하지 않았다 이는 상대적으로 긴 파장으로 인하여 Ursell수가 작아지기 때문으로 판단된다

그리고 구조물 전면부에서 고립파로 인한 급격한 처오름현상이 확인되고 연직주상구조물로 인한 회절현상을

약간 확인할 수 있지만 파장이 상대적으로 길기 때문에 회절파라미터가 작아져 결과적으로 단주기파랑보다 회

절현상이 작아진다

연직주상구조물의 전면부에 작용하는 파력분포를 Fig 48에 나타내었다 결과를 살펴보면 모두 정수면에서

최대파력이 작용하고 파고가 증가함에 따라 구조물에 작용하는 최대파력이 거의 선형적으로 증가하는 것을 알

수 있다 이는 기본적으로 규칙파와 달리 쇄파가 발생하지 않고 경사수심으로 인한 고립파의 파고변화가 크게

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 41: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

29

(d) 4 14sec 60H cm T s cm= = =

30

(e) 4 14sec 80H cm T s cm= = =

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder

31

44 파력

Fig 44는 Fig 41에서 정의된 경사수심의 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 지점에 있어서 파고

23456H cm= 로 변화시킨 경우에 파력의 변화를 나타낸 것이다 결과를 살펴보면 파고 234H cm= 까

지는 파력이 증가하지만 5cm 이상부터는 오히려 파력이 감소하는 것을 알 수 있다 이는 Fig 42의 주변파동장

에서 파고가 5cm 이상부터 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생하여 쇄파로 인한 파랑에너지가

많이 소산된 것으로 판단된다 이러한 결과로 파고가 더 커지더라도 쇄파가 발생하는 위치에 따라 낮은 파고에

서도 높은 파력이 작용할 수 있다는 것이 확인되었다 따라서 수심이 얕아지는 천해역에서 방파제나 기타 구조

물을 설계함에 있어 구조물 전면부에서 쇄파가 발생하지 않도록 주의를 기울일 필요가 있을 것으로 판단된다

Fig 45는 Fig 41 에서 정의된 경사수심 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 일 때 최대로 파력이 작용하는 파

고 4H cm= 에 대하여 구조물의 이격거리 020406080s cm= 로 변화시켜 구조물의 이격거리에 따른 쇄

파력의 크기를 검토한 결과이고 Fig 46은 Fig 45의 이격거리 04080s cm= 의 경우 파력의 시계열을 나타낸

것이다 결과를 살펴보면 구조물의 이격거리가 증가함에 따라 파력이 감소하는 것이 나타났다 하지만 이격거

리 20s cm= 이후에서는 파력의 감소가 줄어든다 이는 쇄파로 인해 어느 정도 에너지가 소산되고 난 이후에

파고가 정상상태에 전이된 결과에 기인하는 것으로 판단된다

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1

0 1 2 3 4 5 6 7 8time(sec)

-10

0

10

20

30

F(N

)

H=2cmH=3cmH=4cmH=5cmH=6cm

32

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2

45 3차원불규칙수치파동수조에 의한 고립파의 적용

본 절에서는 3D-NIT model의 고립파로 적용성에 대하여 검토한다 고립파와 구조물과의 상호간섭을

해석하기 위하여 Fig 41과 같은 3차원수치파동수조를 고려한다 해석영역내에서는 수치적으로 고립파

를 발생시키기 위한 조파소스(Brorsen amp Lasen 1987 김 등 2001)와 무반사조파시스템을 위한 에너지감쇠

영역이 고려되고 3차원파동장에서 고립파의 작용하에 작용파압을 검토하기 위하여 경사수심을 갖는 불

투과지반에 연직주상구조물이 설치된다 조파소스에서 조파강도는 다음의 식(41)로 주어진다

0 20 40 60 80s(cm)

4

8

12

16F(

N)

0 2 4 6 8time(sec)

-5

0

5

10

15

20

F(N

)

s=0cms=40cms=80cm

33

( ) = 2 (41)

여기서 는 발생파의 수평유속성분을 각각 나타내며 본 연구에서는 조파소스강도 로서 식(42)과

같이 Grimshaw(1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사이론에 의한 수평방향유속 를 적용한다(Fenton

1972)

= ℎ[ minus minus + ] (42)

여기서 및 는 다음과 같이 정의된다

= minus 14 + + 1 + ℎ 32 minus 94

= 1940 + 15 minus 65 + 1 + ℎ minus 32 minus 154 + 152

= 1 + ℎ minus 38 minus 4516 + 4516

그리고 는 물입자의 연직방향 평균위치를 나타내며 와 는 다음의 식과 같이 정의된다

= ℎ (43)

= sech (44)

여기서 ℎ는 수심 는 고립파의 입사파고를 나타내며 와 는 각각 다음의 식으로 주어진다

= 34 1 minus 58 + 71128 (45)

= minus ℎ (46)

34

여기서 는 고립파의 파속으로 고립파의 3차근사이론에 의하면 다음의 식과 같이 표현된다

= ℎ 1 + 12 minus 320 + 356 (47)

Ohyama amp Nadaoka(1991)는 수치파동수조내에서 구조물이 설치될 경우 조파소스의 위치에서 반사파

의 영향을 고려하여 조파소스지점에서 연직적분치가 반사파가 없는 경우와 분포형상이 상사되도록 다

음의 식을 고려하고 있다

= 2 + ℎ + ℎ (48)

여기서 와 는 각각 조파소스의 위치에서 수위변동과 조파소스에 의해 기대되는 수위변동이다

본 연구에서 는 다음의 식과 같은 고립파의 3차근사식을 적용하여 산정된다(Fenton 1972)

= ℎ 1 + + 58 minus 10180 (49)

여기서 는 다음의 식(410)과 같이 주어진다

= tanh minus ℎ (410)

이상의 관계식을 3D-NIT model에 적용하여 고립파를 수치조파한다 전술한 결과에서 최대파력이 작용하는

Fig 41에서 이격거리 0s cm= 인 경우에 고립파의 파고 23456iH cm= 일 때 주변파동장의 변화양상을

Fig 47(a)~(e)에 나타내었다 결과를 살펴보면 단주기규칙파에서의 결과와는 달리 파고의 증가에도 구조물 전면

부에서 쇄파가 발생하지 않았다 이는 상대적으로 긴 파장으로 인하여 Ursell수가 작아지기 때문으로 판단된다

그리고 구조물 전면부에서 고립파로 인한 급격한 처오름현상이 확인되고 연직주상구조물로 인한 회절현상을

약간 확인할 수 있지만 파장이 상대적으로 길기 때문에 회절파라미터가 작아져 결과적으로 단주기파랑보다 회

절현상이 작아진다

연직주상구조물의 전면부에 작용하는 파력분포를 Fig 48에 나타내었다 결과를 살펴보면 모두 정수면에서

최대파력이 작용하고 파고가 증가함에 따라 구조물에 작용하는 최대파력이 거의 선형적으로 증가하는 것을 알

수 있다 이는 기본적으로 규칙파와 달리 쇄파가 발생하지 않고 경사수심으로 인한 고립파의 파고변화가 크게

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 42: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

30

(e) 4 14sec 80H cm T s cm= = =

Fig 43 Free surface evolution according to position of circular cylinder

31

44 파력

Fig 44는 Fig 41에서 정의된 경사수심의 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 지점에 있어서 파고

23456H cm= 로 변화시킨 경우에 파력의 변화를 나타낸 것이다 결과를 살펴보면 파고 234H cm= 까

지는 파력이 증가하지만 5cm 이상부터는 오히려 파력이 감소하는 것을 알 수 있다 이는 Fig 42의 주변파동장

에서 파고가 5cm 이상부터 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생하여 쇄파로 인한 파랑에너지가

많이 소산된 것으로 판단된다 이러한 결과로 파고가 더 커지더라도 쇄파가 발생하는 위치에 따라 낮은 파고에

서도 높은 파력이 작용할 수 있다는 것이 확인되었다 따라서 수심이 얕아지는 천해역에서 방파제나 기타 구조

물을 설계함에 있어 구조물 전면부에서 쇄파가 발생하지 않도록 주의를 기울일 필요가 있을 것으로 판단된다

Fig 45는 Fig 41 에서 정의된 경사수심 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 일 때 최대로 파력이 작용하는 파

고 4H cm= 에 대하여 구조물의 이격거리 020406080s cm= 로 변화시켜 구조물의 이격거리에 따른 쇄

파력의 크기를 검토한 결과이고 Fig 46은 Fig 45의 이격거리 04080s cm= 의 경우 파력의 시계열을 나타낸

것이다 결과를 살펴보면 구조물의 이격거리가 증가함에 따라 파력이 감소하는 것이 나타났다 하지만 이격거

리 20s cm= 이후에서는 파력의 감소가 줄어든다 이는 쇄파로 인해 어느 정도 에너지가 소산되고 난 이후에

파고가 정상상태에 전이된 결과에 기인하는 것으로 판단된다

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1

0 1 2 3 4 5 6 7 8time(sec)

-10

0

10

20

30

F(N

)

H=2cmH=3cmH=4cmH=5cmH=6cm

32

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2

45 3차원불규칙수치파동수조에 의한 고립파의 적용

본 절에서는 3D-NIT model의 고립파로 적용성에 대하여 검토한다 고립파와 구조물과의 상호간섭을

해석하기 위하여 Fig 41과 같은 3차원수치파동수조를 고려한다 해석영역내에서는 수치적으로 고립파

를 발생시키기 위한 조파소스(Brorsen amp Lasen 1987 김 등 2001)와 무반사조파시스템을 위한 에너지감쇠

영역이 고려되고 3차원파동장에서 고립파의 작용하에 작용파압을 검토하기 위하여 경사수심을 갖는 불

투과지반에 연직주상구조물이 설치된다 조파소스에서 조파강도는 다음의 식(41)로 주어진다

0 20 40 60 80s(cm)

4

8

12

16F(

N)

0 2 4 6 8time(sec)

-5

0

5

10

15

20

F(N

)

s=0cms=40cms=80cm

33

( ) = 2 (41)

여기서 는 발생파의 수평유속성분을 각각 나타내며 본 연구에서는 조파소스강도 로서 식(42)과

같이 Grimshaw(1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사이론에 의한 수평방향유속 를 적용한다(Fenton

1972)

= ℎ[ minus minus + ] (42)

여기서 및 는 다음과 같이 정의된다

= minus 14 + + 1 + ℎ 32 minus 94

= 1940 + 15 minus 65 + 1 + ℎ minus 32 minus 154 + 152

= 1 + ℎ minus 38 minus 4516 + 4516

그리고 는 물입자의 연직방향 평균위치를 나타내며 와 는 다음의 식과 같이 정의된다

= ℎ (43)

= sech (44)

여기서 ℎ는 수심 는 고립파의 입사파고를 나타내며 와 는 각각 다음의 식으로 주어진다

= 34 1 minus 58 + 71128 (45)

= minus ℎ (46)

34

여기서 는 고립파의 파속으로 고립파의 3차근사이론에 의하면 다음의 식과 같이 표현된다

= ℎ 1 + 12 minus 320 + 356 (47)

Ohyama amp Nadaoka(1991)는 수치파동수조내에서 구조물이 설치될 경우 조파소스의 위치에서 반사파

의 영향을 고려하여 조파소스지점에서 연직적분치가 반사파가 없는 경우와 분포형상이 상사되도록 다

음의 식을 고려하고 있다

= 2 + ℎ + ℎ (48)

여기서 와 는 각각 조파소스의 위치에서 수위변동과 조파소스에 의해 기대되는 수위변동이다

본 연구에서 는 다음의 식과 같은 고립파의 3차근사식을 적용하여 산정된다(Fenton 1972)

= ℎ 1 + + 58 minus 10180 (49)

여기서 는 다음의 식(410)과 같이 주어진다

= tanh minus ℎ (410)

이상의 관계식을 3D-NIT model에 적용하여 고립파를 수치조파한다 전술한 결과에서 최대파력이 작용하는

Fig 41에서 이격거리 0s cm= 인 경우에 고립파의 파고 23456iH cm= 일 때 주변파동장의 변화양상을

Fig 47(a)~(e)에 나타내었다 결과를 살펴보면 단주기규칙파에서의 결과와는 달리 파고의 증가에도 구조물 전면

부에서 쇄파가 발생하지 않았다 이는 상대적으로 긴 파장으로 인하여 Ursell수가 작아지기 때문으로 판단된다

그리고 구조물 전면부에서 고립파로 인한 급격한 처오름현상이 확인되고 연직주상구조물로 인한 회절현상을

약간 확인할 수 있지만 파장이 상대적으로 길기 때문에 회절파라미터가 작아져 결과적으로 단주기파랑보다 회

절현상이 작아진다

연직주상구조물의 전면부에 작용하는 파력분포를 Fig 48에 나타내었다 결과를 살펴보면 모두 정수면에서

최대파력이 작용하고 파고가 증가함에 따라 구조물에 작용하는 최대파력이 거의 선형적으로 증가하는 것을 알

수 있다 이는 기본적으로 규칙파와 달리 쇄파가 발생하지 않고 경사수심으로 인한 고립파의 파고변화가 크게

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 43: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

31

44 파력

Fig 44는 Fig 41에서 정의된 경사수심의 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 지점에 있어서 파고

23456H cm= 로 변화시킨 경우에 파력의 변화를 나타낸 것이다 결과를 살펴보면 파고 234H cm= 까

지는 파력이 증가하지만 5cm 이상부터는 오히려 파력이 감소하는 것을 알 수 있다 이는 Fig 42의 주변파동장

에서 파고가 5cm 이상부터 경사수심의 끝단부보다 이전 지점에서 쇄파가 발생하여 쇄파로 인한 파랑에너지가

많이 소산된 것으로 판단된다 이러한 결과로 파고가 더 커지더라도 쇄파가 발생하는 위치에 따라 낮은 파고에

서도 높은 파력이 작용할 수 있다는 것이 확인되었다 따라서 수심이 얕아지는 천해역에서 방파제나 기타 구조

물을 설계함에 있어 구조물 전면부에서 쇄파가 발생하지 않도록 주의를 기울일 필요가 있을 것으로 판단된다

Fig 45는 Fig 41 에서 정의된 경사수심 끝단부로부터 이격거리 0s cm= 일 때 최대로 파력이 작용하는 파

고 4H cm= 에 대하여 구조물의 이격거리 020406080s cm= 로 변화시켜 구조물의 이격거리에 따른 쇄

파력의 크기를 검토한 결과이고 Fig 46은 Fig 45의 이격거리 04080s cm= 의 경우 파력의 시계열을 나타낸

것이다 결과를 살펴보면 구조물의 이격거리가 증가함에 따라 파력이 감소하는 것이 나타났다 하지만 이격거

리 20s cm= 이후에서는 파력의 감소가 줄어든다 이는 쇄파로 인해 어느 정도 에너지가 소산되고 난 이후에

파고가 정상상태에 전이된 결과에 기인하는 것으로 판단된다

Fig 44 Wave force acting on circular cylinder in case1

0 1 2 3 4 5 6 7 8time(sec)

-10

0

10

20

30

F(N

)

H=2cmH=3cmH=4cmH=5cmH=6cm

32

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2

45 3차원불규칙수치파동수조에 의한 고립파의 적용

본 절에서는 3D-NIT model의 고립파로 적용성에 대하여 검토한다 고립파와 구조물과의 상호간섭을

해석하기 위하여 Fig 41과 같은 3차원수치파동수조를 고려한다 해석영역내에서는 수치적으로 고립파

를 발생시키기 위한 조파소스(Brorsen amp Lasen 1987 김 등 2001)와 무반사조파시스템을 위한 에너지감쇠

영역이 고려되고 3차원파동장에서 고립파의 작용하에 작용파압을 검토하기 위하여 경사수심을 갖는 불

투과지반에 연직주상구조물이 설치된다 조파소스에서 조파강도는 다음의 식(41)로 주어진다

0 20 40 60 80s(cm)

4

8

12

16F(

N)

0 2 4 6 8time(sec)

-5

0

5

10

15

20

F(N

)

s=0cms=40cms=80cm

33

( ) = 2 (41)

여기서 는 발생파의 수평유속성분을 각각 나타내며 본 연구에서는 조파소스강도 로서 식(42)과

같이 Grimshaw(1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사이론에 의한 수평방향유속 를 적용한다(Fenton

1972)

= ℎ[ minus minus + ] (42)

여기서 및 는 다음과 같이 정의된다

= minus 14 + + 1 + ℎ 32 minus 94

= 1940 + 15 minus 65 + 1 + ℎ minus 32 minus 154 + 152

= 1 + ℎ minus 38 minus 4516 + 4516

그리고 는 물입자의 연직방향 평균위치를 나타내며 와 는 다음의 식과 같이 정의된다

= ℎ (43)

= sech (44)

여기서 ℎ는 수심 는 고립파의 입사파고를 나타내며 와 는 각각 다음의 식으로 주어진다

= 34 1 minus 58 + 71128 (45)

= minus ℎ (46)

34

여기서 는 고립파의 파속으로 고립파의 3차근사이론에 의하면 다음의 식과 같이 표현된다

= ℎ 1 + 12 minus 320 + 356 (47)

Ohyama amp Nadaoka(1991)는 수치파동수조내에서 구조물이 설치될 경우 조파소스의 위치에서 반사파

의 영향을 고려하여 조파소스지점에서 연직적분치가 반사파가 없는 경우와 분포형상이 상사되도록 다

음의 식을 고려하고 있다

= 2 + ℎ + ℎ (48)

여기서 와 는 각각 조파소스의 위치에서 수위변동과 조파소스에 의해 기대되는 수위변동이다

본 연구에서 는 다음의 식과 같은 고립파의 3차근사식을 적용하여 산정된다(Fenton 1972)

= ℎ 1 + + 58 minus 10180 (49)

여기서 는 다음의 식(410)과 같이 주어진다

= tanh minus ℎ (410)

이상의 관계식을 3D-NIT model에 적용하여 고립파를 수치조파한다 전술한 결과에서 최대파력이 작용하는

Fig 41에서 이격거리 0s cm= 인 경우에 고립파의 파고 23456iH cm= 일 때 주변파동장의 변화양상을

Fig 47(a)~(e)에 나타내었다 결과를 살펴보면 단주기규칙파에서의 결과와는 달리 파고의 증가에도 구조물 전면

부에서 쇄파가 발생하지 않았다 이는 상대적으로 긴 파장으로 인하여 Ursell수가 작아지기 때문으로 판단된다

그리고 구조물 전면부에서 고립파로 인한 급격한 처오름현상이 확인되고 연직주상구조물로 인한 회절현상을

약간 확인할 수 있지만 파장이 상대적으로 길기 때문에 회절파라미터가 작아져 결과적으로 단주기파랑보다 회

절현상이 작아진다

연직주상구조물의 전면부에 작용하는 파력분포를 Fig 48에 나타내었다 결과를 살펴보면 모두 정수면에서

최대파력이 작용하고 파고가 증가함에 따라 구조물에 작용하는 최대파력이 거의 선형적으로 증가하는 것을 알

수 있다 이는 기본적으로 규칙파와 달리 쇄파가 발생하지 않고 경사수심으로 인한 고립파의 파고변화가 크게

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 44: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

32

Fig 45 Wave force acting on circular cylinder in case2

Fig 46 Wave force acting on circular cylinder in case2

45 3차원불규칙수치파동수조에 의한 고립파의 적용

본 절에서는 3D-NIT model의 고립파로 적용성에 대하여 검토한다 고립파와 구조물과의 상호간섭을

해석하기 위하여 Fig 41과 같은 3차원수치파동수조를 고려한다 해석영역내에서는 수치적으로 고립파

를 발생시키기 위한 조파소스(Brorsen amp Lasen 1987 김 등 2001)와 무반사조파시스템을 위한 에너지감쇠

영역이 고려되고 3차원파동장에서 고립파의 작용하에 작용파압을 검토하기 위하여 경사수심을 갖는 불

투과지반에 연직주상구조물이 설치된다 조파소스에서 조파강도는 다음의 식(41)로 주어진다

0 20 40 60 80s(cm)

4

8

12

16F(

N)

0 2 4 6 8time(sec)

-5

0

5

10

15

20

F(N

)

s=0cms=40cms=80cm

33

( ) = 2 (41)

여기서 는 발생파의 수평유속성분을 각각 나타내며 본 연구에서는 조파소스강도 로서 식(42)과

같이 Grimshaw(1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사이론에 의한 수평방향유속 를 적용한다(Fenton

1972)

= ℎ[ minus minus + ] (42)

여기서 및 는 다음과 같이 정의된다

= minus 14 + + 1 + ℎ 32 minus 94

= 1940 + 15 minus 65 + 1 + ℎ minus 32 minus 154 + 152

= 1 + ℎ minus 38 minus 4516 + 4516

그리고 는 물입자의 연직방향 평균위치를 나타내며 와 는 다음의 식과 같이 정의된다

= ℎ (43)

= sech (44)

여기서 ℎ는 수심 는 고립파의 입사파고를 나타내며 와 는 각각 다음의 식으로 주어진다

= 34 1 minus 58 + 71128 (45)

= minus ℎ (46)

34

여기서 는 고립파의 파속으로 고립파의 3차근사이론에 의하면 다음의 식과 같이 표현된다

= ℎ 1 + 12 minus 320 + 356 (47)

Ohyama amp Nadaoka(1991)는 수치파동수조내에서 구조물이 설치될 경우 조파소스의 위치에서 반사파

의 영향을 고려하여 조파소스지점에서 연직적분치가 반사파가 없는 경우와 분포형상이 상사되도록 다

음의 식을 고려하고 있다

= 2 + ℎ + ℎ (48)

여기서 와 는 각각 조파소스의 위치에서 수위변동과 조파소스에 의해 기대되는 수위변동이다

본 연구에서 는 다음의 식과 같은 고립파의 3차근사식을 적용하여 산정된다(Fenton 1972)

= ℎ 1 + + 58 minus 10180 (49)

여기서 는 다음의 식(410)과 같이 주어진다

= tanh minus ℎ (410)

이상의 관계식을 3D-NIT model에 적용하여 고립파를 수치조파한다 전술한 결과에서 최대파력이 작용하는

Fig 41에서 이격거리 0s cm= 인 경우에 고립파의 파고 23456iH cm= 일 때 주변파동장의 변화양상을

Fig 47(a)~(e)에 나타내었다 결과를 살펴보면 단주기규칙파에서의 결과와는 달리 파고의 증가에도 구조물 전면

부에서 쇄파가 발생하지 않았다 이는 상대적으로 긴 파장으로 인하여 Ursell수가 작아지기 때문으로 판단된다

그리고 구조물 전면부에서 고립파로 인한 급격한 처오름현상이 확인되고 연직주상구조물로 인한 회절현상을

약간 확인할 수 있지만 파장이 상대적으로 길기 때문에 회절파라미터가 작아져 결과적으로 단주기파랑보다 회

절현상이 작아진다

연직주상구조물의 전면부에 작용하는 파력분포를 Fig 48에 나타내었다 결과를 살펴보면 모두 정수면에서

최대파력이 작용하고 파고가 증가함에 따라 구조물에 작용하는 최대파력이 거의 선형적으로 증가하는 것을 알

수 있다 이는 기본적으로 규칙파와 달리 쇄파가 발생하지 않고 경사수심으로 인한 고립파의 파고변화가 크게

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 45: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

33

( ) = 2 (41)

여기서 는 발생파의 수평유속성분을 각각 나타내며 본 연구에서는 조파소스강도 로서 식(42)과

같이 Grimshaw(1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사이론에 의한 수평방향유속 를 적용한다(Fenton

1972)

= ℎ[ minus minus + ] (42)

여기서 및 는 다음과 같이 정의된다

= minus 14 + + 1 + ℎ 32 minus 94

= 1940 + 15 minus 65 + 1 + ℎ minus 32 minus 154 + 152

= 1 + ℎ minus 38 minus 4516 + 4516

그리고 는 물입자의 연직방향 평균위치를 나타내며 와 는 다음의 식과 같이 정의된다

= ℎ (43)

= sech (44)

여기서 ℎ는 수심 는 고립파의 입사파고를 나타내며 와 는 각각 다음의 식으로 주어진다

= 34 1 minus 58 + 71128 (45)

= minus ℎ (46)

34

여기서 는 고립파의 파속으로 고립파의 3차근사이론에 의하면 다음의 식과 같이 표현된다

= ℎ 1 + 12 minus 320 + 356 (47)

Ohyama amp Nadaoka(1991)는 수치파동수조내에서 구조물이 설치될 경우 조파소스의 위치에서 반사파

의 영향을 고려하여 조파소스지점에서 연직적분치가 반사파가 없는 경우와 분포형상이 상사되도록 다

음의 식을 고려하고 있다

= 2 + ℎ + ℎ (48)

여기서 와 는 각각 조파소스의 위치에서 수위변동과 조파소스에 의해 기대되는 수위변동이다

본 연구에서 는 다음의 식과 같은 고립파의 3차근사식을 적용하여 산정된다(Fenton 1972)

= ℎ 1 + + 58 minus 10180 (49)

여기서 는 다음의 식(410)과 같이 주어진다

= tanh minus ℎ (410)

이상의 관계식을 3D-NIT model에 적용하여 고립파를 수치조파한다 전술한 결과에서 최대파력이 작용하는

Fig 41에서 이격거리 0s cm= 인 경우에 고립파의 파고 23456iH cm= 일 때 주변파동장의 변화양상을

Fig 47(a)~(e)에 나타내었다 결과를 살펴보면 단주기규칙파에서의 결과와는 달리 파고의 증가에도 구조물 전면

부에서 쇄파가 발생하지 않았다 이는 상대적으로 긴 파장으로 인하여 Ursell수가 작아지기 때문으로 판단된다

그리고 구조물 전면부에서 고립파로 인한 급격한 처오름현상이 확인되고 연직주상구조물로 인한 회절현상을

약간 확인할 수 있지만 파장이 상대적으로 길기 때문에 회절파라미터가 작아져 결과적으로 단주기파랑보다 회

절현상이 작아진다

연직주상구조물의 전면부에 작용하는 파력분포를 Fig 48에 나타내었다 결과를 살펴보면 모두 정수면에서

최대파력이 작용하고 파고가 증가함에 따라 구조물에 작용하는 최대파력이 거의 선형적으로 증가하는 것을 알

수 있다 이는 기본적으로 규칙파와 달리 쇄파가 발생하지 않고 경사수심으로 인한 고립파의 파고변화가 크게

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 46: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

34

여기서 는 고립파의 파속으로 고립파의 3차근사이론에 의하면 다음의 식과 같이 표현된다

= ℎ 1 + 12 minus 320 + 356 (47)

Ohyama amp Nadaoka(1991)는 수치파동수조내에서 구조물이 설치될 경우 조파소스의 위치에서 반사파

의 영향을 고려하여 조파소스지점에서 연직적분치가 반사파가 없는 경우와 분포형상이 상사되도록 다

음의 식을 고려하고 있다

= 2 + ℎ + ℎ (48)

여기서 와 는 각각 조파소스의 위치에서 수위변동과 조파소스에 의해 기대되는 수위변동이다

본 연구에서 는 다음의 식과 같은 고립파의 3차근사식을 적용하여 산정된다(Fenton 1972)

= ℎ 1 + + 58 minus 10180 (49)

여기서 는 다음의 식(410)과 같이 주어진다

= tanh minus ℎ (410)

이상의 관계식을 3D-NIT model에 적용하여 고립파를 수치조파한다 전술한 결과에서 최대파력이 작용하는

Fig 41에서 이격거리 0s cm= 인 경우에 고립파의 파고 23456iH cm= 일 때 주변파동장의 변화양상을

Fig 47(a)~(e)에 나타내었다 결과를 살펴보면 단주기규칙파에서의 결과와는 달리 파고의 증가에도 구조물 전면

부에서 쇄파가 발생하지 않았다 이는 상대적으로 긴 파장으로 인하여 Ursell수가 작아지기 때문으로 판단된다

그리고 구조물 전면부에서 고립파로 인한 급격한 처오름현상이 확인되고 연직주상구조물로 인한 회절현상을

약간 확인할 수 있지만 파장이 상대적으로 길기 때문에 회절파라미터가 작아져 결과적으로 단주기파랑보다 회

절현상이 작아진다

연직주상구조물의 전면부에 작용하는 파력분포를 Fig 48에 나타내었다 결과를 살펴보면 모두 정수면에서

최대파력이 작용하고 파고가 증가함에 따라 구조물에 작용하는 최대파력이 거의 선형적으로 증가하는 것을 알

수 있다 이는 기본적으로 규칙파와 달리 쇄파가 발생하지 않고 경사수심으로 인한 고립파의 파고변화가 크게

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 47: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

35

발생하지 않은 결과에 기여한다 한편 Fig 48에 제시하는 고립파의 파력분포를 谷本(1984)에 의해 제시된 방파

제에 작용하는 지진해일파력분포와 비교하면 연직상의 분포형상이 거의 동일하지만 연직상으로 일정분포를 나

타내는 谷本의 결과와는 약간 상이하다 이것은 얕은 수심에 의한 천수효과가 谷本의 결과에서는 고려되어 있

지 않기 때문이다

(a) 2iH cm=

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

lt참고문헌gt

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 48: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

36

(b) 3iH cm=

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 49: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

37

(c) 4iH cm=

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 50: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

38

(d) 5iH cm=

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 51: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

39

(e) 5iH cm=

Fig 47 Free surface evolution according to the change of solitary wave height

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 52: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

40

Fig 48 Wave force acting on circular cylinder according to the change of solitary wave height

이상의 3차원파동장에 설치된 연직주상구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 규칙파 및

고립파에 대해 경사수심에서 쇄파 원주구조물로 인한 회절현상 및 원주구조물에 작용하는 파력을 계산함으로

써 불규칙파 뿐만 아니라 규칙파 및 고립파에도 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 적용성이 확인될 수 있

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 53: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

41

5 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 젹

적용

51 개요

특수방파제는 파력에 대해서 중량으로 저항할 수 있는 형식의 것으로 주로 혼성제의 직립부를 소파성능이

나 내파안정성 등의 면에서 개량한 구조이다

예전에는 일반적으로 단순한 형태의 직립제 경사제 혼성제를 사용하여 외해로부터 파랑을 막아서 항내의

정온을 유지하고 토사의 이동과 토사의 항내 유 ∙ 출입 방지 항내시설의 보존을 위한 목적으로 설치된 구조물

이었다 하지만 최근들어 환경문제와 더불어 친환경적인 워터프론트인프라구축이 대두되고 있다 따라서 최근

들어 지금까지의 파랑제어만이 주목적이던 방파제의 개념과 달리 저탄소 녹색성장에 걸맞게 친환경적이고 보

다 효과적인 파랑제어를 목적으로 복잡한 파랑변형을 유도시켜 반사파를 저감시킴과 동시에 주변환경과의 경

관을 고려한 설계로 시공된 방파제라 할 수 있으며 방파제의 기존기능은 물론 항내의 해수유통 및 예기치 못한

자연재해에 효과적 대비하기 위해 설치되는 구조물이다 다음의 Fig 51은 특수방파제의 종류를 나타낸 것이다

(a) 곡면슬리트케이슨제

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 54: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

42

(b) 반원형슬리트케이슨제

(c) 2중원통형오픈슬리트케이슨제

(d) 유선형이중슬리트케이슨제

(e) 군함형돌출슬리트케이슨제

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 55: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

43

(f) 전단면소파피복케이슨제

(g) 곡면이중슬리트케이슨제

(h) 곡면돌출형슬리트케이슨제

(i) 벌집형단일슬리트케이슨식

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 56: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

44

(j) 요철형단일(이중)슬리트케이슨식

(k) 쌍곡면이중슬리트케이슨식

(l) 파력분산형사면슬리트케이슨

(m) 인인터터록록킹킹연연파파방방지지케케이이슨슨

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 57: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

45

(n) 오륜형케이슨

(o) 해해수수소소통통형형곡곡면면슬슬리리트트케케이이슨슨

(p) 내부원통형장대케이슨

(q) 요철곡면오픈슬리트케이슨

Fig 51 Type of specialized breakwater

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 58: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

46

52 O O O 서컨테이너안벽

521 수치파동수조

수심 170195h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 52(a)의 육각슬리트케이슨단면과 Fig 52(b)의 요철

곡면슬리트케이슨식 안벽구조물을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주

기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원수치실험에 적용하는 3차원불규칙

파수치파동수조 3D-NIT model은 직접적으로 경사입사파랑을 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직

각입사파랑에 대해 수치파동수조내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적

인 검토가 가능하지만 경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터 반사되는 반사파의 소파를 위해 수치파동

수조 측면에서 부가적인 계산영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원수치해

석에서는 직각입사파랑과 구조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 59: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

47

(a) 육각슬리트케이슨

(b) 요철곡면슬리트케이슨

Fig 52 Shape of specialized breakwater applied to the west quay wall of O O O harbor

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 60: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

48

522 반사율

유의주기 13 70155secT = 유의파고 13 1425H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 170195h m=

의 3차원수치파동수조에서 Fig 53과 같이 구조물로부터 파장 L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로

y축방향으로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토

하였다 실험에 사용된 3차원파동수조는 길이 3125m 폭 435m 높이 315m인 직사각형수조이다 본 연구에서는

반사율을 추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였다 반사율의 추정결과를 Table 51에

나타내었으며 결과를 살펴보면 육각슬리트케이슨보다 요철곡면슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이

는 육각슬리트의 경우 슬리트 상부 전면까지 상치콘크리트가 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으

로 반사율이 크게 나타난 것으로 판단되며 유의주기 13 7secT = 인 경우는 반사율이 많이 저감되었고 유의주

기 13 155secT = 인 경우는 반사율의 저감이 크게 나타나지 않았다 이는 슬리트케이슨 특성상 장주기의 파랑

제어는 다소 무리가 있는것으로 판단되지만 대상지역에 평상시 발생하는 평상파랑의 경우는 단주기파랑이 발

생하므로 단주기파랑일 때( 13 137sec 14T H m= = )의 수위에 따른 반사율 저감율이 6248와 1841로 각각

나타났다 이는 요철곡면슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실 내부에서

상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율이 저감한 것으로 판단된다 이러한 결과를 통해 복잡한 특수방파제

의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으로 검토된

점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로 판단된다

Fig 53 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 61: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

49

Table 51 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection coefficient Reduction Rate of Reflection Coefficient

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 086835 -

13 131905 14 700sech m H m T= = = 089541 -

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 077673 -

13 131700 14 700sech m H m T= = = 047784 -

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 082569 491

13 131905 14 700sech m H m T= = = 033597 6248

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 071199 833

13 131700 14 700sech m H m T= = = 038985 1841

523 월파유량

Table 52는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 안벽의 월파유량의 결과를 제시하며

Fig 54는 Table 52의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서

부터 600sec 사이의 파이며 월파량 q는 호안 전면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월

파량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 54의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철곡면슬리트케이슨의 경우가 육각슬리트케이슨단면보다 월파량이

감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 육각슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 직립의 불투과벽체에 가

깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부에

서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 55는 육각슬리트케이슨단면 및 요철곡면슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인 3

차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 62: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

50

Table 52 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m )

Case1

육각슬리트

케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0057465

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0001019

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0001486

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

Case2

요철곡면

슬리트케이슨

13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0001584

13 131905 14 700sech m H m T= = = 0000000

13 131700 25 1550sech m H m T= = = 0000000

13 131700 14 700sech m H m T= = = 0000000

(a) 육각슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

(b) 요철곡면슬리트케이슨( 13 13195 155sec 25h m T H m= = = )

Fig 54 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

0

002

004

006

008

01

012

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 63: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

51

(a) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 25 1550sech m H m T= = = )

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 64: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

52

(b) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131905 14 70sech m H m T= = = )

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 65: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

53

(c) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 25 1550sech m H m T= = = )

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 66: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

54

(d) 육각슬리트케이슨 및 요철곡면슬리트케이슨의 주변파동장( 13 131700 14 70sech m H m T= = = )

Fig 55 Free surface evolution according to incident wave condition

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 67: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

55

53 O O O 신항만방파제

531 수치파동수조

수심 19122291h m= 를 갖는 불규칙파동장에 설치된 Fig 56(a)의 유공슬리트케이슨단면과 Fig 56(b)의

요철형이중슬리트케이슨을 대상으로 월파량 반사율 및 전달율을 산정하며 적용한 불규칙파는 유의주기

13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 목표로 각각 성분파 200개를 선형중첩하였다

3차원불규칙파수치파동수조 3D-NIT model은 구조물로부터 반사파의 영향을 최소화하기 위한 무반사형식의

조파소스와 수치파동수조의 양 끝단에서 반사파를 제어하기 위해 에너지감쇠영역을 고려하고 있다

본 연구에서 적용한 수치파동수조의 해상도는 파진행방향으로는 슬리트케이슨 방파제를 재현하기 위하여

05x mD = 의 격자를 채용하였고 수치파동수조의 폭방향에 대해서는 05y mD = 수치파동수조의 높이방향에

대해서는 05z mD = 의 일정한 격자해상도를 각각 적용하였다 슬리트케이슨제는 케이슨의 전면에 돌출된 유

수실에 의해 경사입사파랑에 대한 소파효과를 기대할 수 있다 그러나 3차원 수치실험에 적용하는 3D-NIT

model은 직접적으로 경사입사파랑를 조파하는 것이 불가능하다 이를 극복하기 위해 직각입사파랑에 대해 수치

파동수조 내에 구조물을 경사지게 설치하는 경우에는 경사입사파랑에 대해서도 직접적인 검토가 가능하지만

경사지게 입사하는 파랑에 의한 구조물로부터의 반사파의 소파를 위해 수치파동수조 측면에서 부가적인 계산

영역이 필요하며 따라서 계산시간 또한 급격하게 증가하게 된다 본 3차원 수치해석에서는 직각입사파랑과 구

조물과의 간섭현상만을 검토하는 것으로 한다

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 68: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

Fig 56 Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of

56

(a) 유공슬리트케이슨

(b) 요철형이중슬리트케이슨

Shape of specialized breakwater applied to the breakwater of O O O new harbor

harbor

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 69: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

57

532 반사율

유의주기 13 1083secT = 유의파고 13 41H m= 를 가진 불규칙파를 대상으로 수심 2291h m= 의 3차원

수치파동수조에서 Fig 57과 같이 구조물로부터 파장L 만큼 떨어진 지점에 파고계간의 간격 4L 로 y축방향으

로 7개의 지점에 설치한 파고계를 평균하여 슬리트케이슨제에 의해 발생하는 반사파의 특성을 검토하였다 실

험에 사용된 3차원 파동수조는 길이 320m 폭 335m 높이 32m인 직사각형수조이다 본 연구에서는 반사율을

추정하기 위하여 Goda and Suzuki(1976)에 의한 2점법을 사용하였고 전달율의 추정은 입사파 에너지에 대한 투

과된 파에너지의 비로 산정하였다 반사율 및 전달율의 추정결과를 Table 53에 나타내었으며 결과를 살펴보면

유공슬리트케이슨보다 요철형이중슬리트케이슨이 반사율이 낮게 추정되었다 이는 유공슬리트케이슨의 경우

수면이 직벽에 가까운 상치콘크리트부에 위치하게 되고 그에 따른 상치콘크리트의 영향으로 반사율이 크게 나

타난 것으로 판단되며 요철형이중슬리트케이슨의 경우 복잡한 형태로 주어지는 본체 전면 슬리트부의 유수실

내부에서 상당량의 파랑에너지가 소산된 결과 반사율 저감율이 2356로 나타났다 이러한 결과를 통해 복잡한

특수방파제의 경우 탁월한 파랑제어효과를 나타내지만 대부분 막대한 시간과 경비가 소요되는 수리모형실험으

로 검토된 점을 감안하면 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 통해 수리모형실험을 대체할 수 있을 것으로

판단된다

Fig 57 Definition sketch of the numerical wave tank with specialized breakwater

Table 53 Comparison of the reflection coefficient according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Reflection Coefficient Transmission Coefficient 유공슬리트

케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0887 0065

요철형이중 슬리트케이슨 13 131905 25 1550sech m H m T= = = 0678 0028

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

lt참고문헌gt

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 70: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

58

533 월파유량

Table 54는 슬리트케이슨을 갖는 안벽의 단면형상 및 단면특성에 따른 월파량의 결과를 제시하며 Fig 58은

Table 54의 결과를 도식화하여 나타낸 그림이다 그리고 월파량의 산정에 이용한 불규칙파는 0sec에서부터

600sec 사이의 파이며 월파량 q는 방파제 후면상부에 설치된 유속계로부터 얻어진 월파량을 합하고 이를 월파

량 산정시까지의 경과시간으로 나누어 산정하였다(Goda 1985)

Fig 58의 결과를 살펴보면 전체적으로 요철형이중슬리트케이슨의 경우가 유공슬리트케이슨단면보다 월파량

이 감소하는 것을 확인할 수 있다 이러한 현상은 유공슬리트케이슨단면의 본체의 형상이 집립의 불투과벽체에

가깝고 또한 본체의 불투과벽체의 비율이 슬리트부가 차지하는 비율보다 상대적으로 크기 때문에 본체 전면부

에서 수위의 급격한 처오름으로 인한 것으로 판단된다

Fig 59는 유공슬리트케이슨단면 및 요철형이중슬리트케이슨에 대한 구조물 주변에서 수위의 시 ∙ 공간적인

3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 결과를 보면 3차원수치파동수조는 유수실의 영향으로 유수실이 존재하

는 부분과 유수실이 존재하지 않는 단면과의 수면변동이 구분되는 수면변동의 3차원적인 특성을 잘 재현하고

있음을 확인할 수 있다

Table 54 Comparison of overtopping rate according to the type of specialized breakwater and incident wave condition

Classification Overtopping rate ( 3 secm m ) 유공슬리트

케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0057465

요철형이중 슬리트케이슨 13 132291 41 1083sech m H m T= = = 0001584

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 71: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

59

(a) 유공슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

(b) 요철형이중슬리트케이슨( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

Fig 58 Time variation of overtopping rate

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

accumulated overtopping rate vQ

instantaneous overtopping rate sq

0 100 200 300 400 500 600time(sec)

000200400600801

01201401601802

q s(m

3 sec

m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Qv(m

3 m)

instantaneous overtopping rate sq

accumulated overtopping rate vQ

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 72: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

60

Fig 59 Free surface evolution according to time variation ( 13 132291 41 1083sech m H m T= = = )

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 73: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

61

6 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의

해석에 적용

61 개요

최근 지구환경문제와 에너지원의 다각화를 위한 일환으로 파랑에너지를 이용하는 신재생에너지의 기술개발

이 유럽과 일본 등을 중심으로 활발히 추진 및 실용화되고 있다 파랑에너지를 활용한 발전방식은 해안선을 따

라 이용이 가능하고 반복적으로 생산이 가능하며 더불어 높은 에너지밀도에 의해 작은 크기의 장치로 큰 전력

을 발생시킬 수 있으므로 경제성이 높은 것으로 알려져 있다 특히 케이슨내의 공기실에서 파랑에 의한 수면의

상하운동으로 유도되는 공기흐름을 이용하는 진동수주형파력발전시스템은 가장 효율적인 파랑에너지흡수장치

로 알려져 있고 따라서 상업화에 가장 근접한 파력발전장치 중에 하나이다 본 연구에서는 진동수주형파력발전

구조물에서 터빈(Wells터빈)에 직접 작용하는 공기흐름속도를 규칙파랑에 대해 CADMAS-SURF를 통한 2차원

수치해석에 의한 유수실내부의 수위변동으로부터 추산한 공기속도와 3차원혼상류해석법에 기초한 TWOPM-

3D(이 등 2011)에 의한 수치실험을 통한 결과를 비교 ∙ 검토하여 수위변동으로부터 추산한 공기속도의 타당성

을 논의하고 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model의 OWC(Oscillating Water Column)파력발전구조물로의 적용성

을 검토한다

62 수치파동수조

Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의

상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 Fig 61에서 수심 10h m=

파고 2H m= 6A m= 의 조건을 고려한다 이의 경우는 LIMPET(Heath et al 2000)와 동일한 형태를 가지게 되

며 여기서는 파랑유입구높이 678D m= 로 하여 주기 3 ~ 10secT = 에 대해 규칙파계산을 수행한다

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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學博士學位論文 名古屋大學大學院

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 74: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

62

Fig 61 Definition sketch of the numerical wave tank with wave power converter of OWC

63 공기실 내부에서의 수위변동

OWC구조물에 대해 공기실내에서 공기흐름을 비교 middot 검토한다 Fig 61에 나타내는 구조물은 고정식파력발

전시스템에서 가장 많이 적용되는 구조물의 일반형으로 케이슨의 상부에 공기흐름을 이용하여 Wells터빈으로

부터 전기에너지를 생산하는 구조물이다 따라서 공기를 비압축성으로 가정하여 CADMAS-SURF(沿岸開發技

術硏究センタ 2001)로부터 얻어지는 수위변동에 다음의 식(614)를 적용하여 산정한 공기흐름속도와 3차원혼

상류해석법 TWOPM-3D(이 등 2011)으로부터 직접적으로 공기흐름속도를 산정한 결과를 비교한다

w w i i i

a a

A AdVA dt A t

1 122

h h hh + -- += raquo

D (614)

여기서 는 공기실내에서 평균공기흐름속도 는 공기실의 단면적(Fig 61에서 = ) 는 터빈부의

단면적(Fig 61에서 =2) 는 공기실내에서 평균수면진동 는 시간차분간격을 나타낸다

CADMAS-SURF의 결과는 공기의 바압축성을 가정하여 유수실 내부로부터 얻어지는 수위변동을 통한 공기

흐름속도를 산정한 것이다 여기서 파랑유입구높이 를 파라미터로하여 주기 = 3~10 에 대한 최대공

기흐름속도 의 수치해석결과를 Fig 62에 제시한다 그림에서 주어지는 전체적인 경향은 특정한 주기대에

서 의 최대치가 나타나며 이후에 주기가 길어질수록 가 감소하는 경향을 볼 수 있고 CADMAS-

SURF에 의한 산정치가 본 수치해석결과치보다 약간 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다 두 결과에서 차이는

CADMAS-SURF에 의한 결과는 간접적인 방법으로 수면변동으로부터 공기흐름속도를 역추정하는 반면에 본

혼상류해석법에서는 공기흐름속도를 직접적으로 계산하기 때문에 공기실 내 및 터빈이 설치되는 수축부 근방

에서 공기흐름이 갖는 운동에너지가 일부 소산되었기 때문이다 이와 같은 공기가 갖는 운동에너지의 소산과정

은 CADMAS-SURF에서는 평가될 수 없다 그러나 두 결과에서 차이는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있고 주

기 및 파랑유입구높이의 변화에 따른 두 결과는 매우 합리적으로 대응하는 것으로 판단된다

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

lt참고문헌gt

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集 40(2) pp846-850

bull 眞田 武 (1998) 大型海洋構造物による非線形回折散亂波の2次近似解析解とその応用に関する硏究 工

學博士學位論文 名古屋大學大學院

bull 沿岸開發技術硏究センタ(2001) CADMAS-SURF 數値波動水路の開發ᆞ硏究

71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 75: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

63

Fig 62 Comparison of maximum air velocities in the air-chamber

64 공기흐름속도의 해석

Fig 62의 결과에서 최대공기흐름속도를 가지는 Fig 61에서 13 136 ( ) 6sec ( ) 2D m T T H H m= = = 에 대해

서 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 적용하였다 Fig 63은 Bretshneider-Mitsuyasu (Mitsuyasu 1970)의 스펙트럼

의 Target wave와 3D-NIT model의 조파위치에서 파고 및 구조물의 위치에서 수위변동에 대한 스펙트럼을 나타내

었다 여기서 각각에 대한 스펙트럼의 피크치가 잘 일치하는것으로 판단되며 따라서 피크주기가 잘 재현되는

것으로 판단된다 그리고 구조물이 위치하는 지점의 스펙트럼에서 주파수가 02보다 큰 부분에서는 약간 상이

한 경향이 나타나는 것을 알 수 있다 이는 파가 전파되면서 단주기성분이 장주기성분으로 파랑에너지의 차이

에 의해 단주기성분이 감소하는 것으로 판단되며 Target wave보다 S ( f )의 최대치가 감소하는 것은 수심에 대한

영향과 물의 점성으로 인한 파고감쇠 및 단주기성분과 장주기성분의 상호간 파랑에너지의 차이 등으로 파고가

감소하여 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

lt참고문헌gt

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bull 眞田 武 (1998) 大型海洋構造物による非線形回折散亂波の2次近似解析解とその応用に関する硏究 工

學博士學位論文 名古屋大學大學院

bull 沿岸開發技術硏究センタ(2001) CADMAS-SURF 數値波動水路の開發ᆞ硏究

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감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 76: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

64

Fig 63 Comparison of frequency spectrum

Fig 64는 3차원불규칙파수치파동수조에서 구조물의 유무에 따른 구조물의 공기실내부에서 수위변동의 시계

열이다 여기서 구조물이 존재할 때가 수위변동값이 크게 나타나며 이는 직벽 구조물로 인한 반사와 공기실 폭

에 대한 특정 주기대에 있어서 대한 공진이 발생하여 수위변동이 증가한 것으로 판단된다 결과를 살펴보면 구

조물이 존재하지 않는 경우에는 수위변동과 공기속도가 거의 비슷한 양상을 나타내지만 구조물이 존재하는 경

우에는 입사파랑이 최대가 되는 160sec경우보다 230sec와 같이 작은 파가 도달했을 경우가 구조물이 존재할 경

우에 공기실내부에서 오히려 수위변동이 더 큰 것을 알 수 있다 이는 구조물의 공기실내부에서 공진현상이 나

타난 것으로 판단된다 그리고 Fig 65는 Fig 64의 수위변동에 식(614)를 적용하여 파력발전구조물의 공기실내부

에서 파고를 공기속도를 나타낸 결과이다 여기서 Fig 64의 최대수위변동을 나타내는 230sec에서 최대공기속도

가 발생되지 않고 160sec에서 최대공기속도가 나타났다 이러한 결과는 식(614)에 나타내는 바와 같이 수위변동

의 크기가 바로 공기흐름속도로 변환되는 것이 아니라 수위변동의 시간변화율이 공기흐름속도로 변환되기 때

문이다

0 02 04 06 08 1f (Hz)

0

05

1

15

2

25

3

35

S( f

) (m

2 sec

)

Target waveWave sourceLocation of structure

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

lt참고문헌gt

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bull 沿岸開發技術硏究センタ(2001) CADMAS-SURF 數値波動水路の開發ᆞ硏究

71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 77: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

65

Fig 64 Elevation change at the structure location

Fig 65 Air velocity change at the structure location

Fig 66은 OWC파력발전구조물의 주변에서 수위의 시 middot 공간적인 3차원변화과정을 나타낸 것으로 제시된 그

림에서 직벽의 공기실의 영향으로 공기실의 전면부를 통한 반사파로 인해 파고가 높아지는 것을 알 수 있다 또

한 공기실내부에서의 공진으로 인해 위상차가 발생하는 것을 확인할 수 있다

()

mh

0 50 100 150 200 250 300time(sec)

-4-3-2-101234

V(m

sec

)

StructureNo structure

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

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7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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bull 김도삼 이광호 유현상 김창훈 손병규 (2004) 불규칙파동장에 있어서 Vof법에 의한 투과성잠제의

파랑제 특성에 관한 연구 한국 해안 ∙ 해양공학회지 Vol16 No3 pp121-129

bull 신동훈 (2008) 鉛直柱狀構造物에 作用하는 非線形波力과 構造物에 의한 非線形波浪變形 및 地形變動

의 解析 박사논문 한국해양대학교

bull 이광호 이상기 신동훈 김도삼 (2008) 복수 연직 주상구조물에 작용하는 비선형파력과 구조물에 의

한 비선형파랑변형의 3차원 해석 한국해양공학회지 제 20권 제1호 pp1-13

bull 이광호 신동훈 김도삼 (2008) 강비선형해석법에 의한 대형연직원주구조물에 작용하는 쇄파후의 파

력 및 파랑변형 한국해양공학회지 제 20권 제 4호 pp401-412

bull 이광호 박정현 백동진 조성 김도삼 (2011) 진동수주형 파력발전구조물의 최적형상에 대한 검토 한

국해안 ∙ 해양공학회 논문집 23(5) pp345-357

bull 조영석 권순일 한영훈 김미화 신혜정 (1992) 난수 발생기의 비교 Youngnam Statistical Letters Vol3

No2 pp 75-87

bull 조효제 구자삼 이상길 (2001) 과도 수파중의 복합실린더에 작용하는 쇄파력에 관한 연구 한국해양

공학회지 제15권 제4호 pp3-8

bull 허동수 김창훈 이광호 김도삼 (2005) 파 ∙ 구조물 ∙ 지반의 비선형 동적응답해석을 위한 직접수치해

석기법의 개발 한국해안 bull 해양공학회지 Vol17 No2 pp86-97

bull Brorsen M and Larsen J (1987) Source generation of nonlinear gravity waves with boundary integral equation

method Coastal Engrg Vol 11 pp 93-113

bull CDIT(2001) Research and Development of Numerical Wave Channel(CADMAS-SURF) CDIT library No12

Japan

bull Chakrabarti SK and Tam WA (1975) Interaction of waves with large vertical cylinder J Ship Res 19 pp23-33

bull Compaq Computer Corporation (2001) IMSL SRATLIBRARY ndash chapter 18 random number generation

Compaq Visual fortran Version 66 pp1159-1245

bull Fenton J (1972) A ninth-order solution for the solitary wave Part 2 J of Fluid Mech Vol 53 pp 257-271

bull Fujiwara R (2005) A method for generation irregular waves using CADMAS-SURF and applicability for wave

transformation and overtopping Coastal Eng JSCE Vol 52 pp41-45

bull Goda Y (1985) Random seas and design of maritime structures University of Tokyo press 323p

70

bull Goda Y and Suzuki Y (1976) Estimation of incident and reflected waves in random wave experiments Proc 15th

Coastal Engr Conf Vol 1 pp828-845

bull Grimshaw R (1971) The solitary wave in water of variable depth Part 2 J of Fluid Mech Vol 46 pp 611-622

bull Heath T Whittaker TJT and Boake CB(2000) The design construction and operation of the LIMPET wave

energy converter(Islay Scotland) Proceedings of 4th European Wave Energy Conference pp49-55

bull Hinatsu M (1992) Numerical simulation of unsteady viscous nonlinear waves using moving grid system fitted on a

free surface J Kansai Soc Nav Archit Japan 217 pp1-11

bull Hur DS (2004) Deformation of multi-directional random waves passing over an impermeable submerged

breakwater installed on a sloping bed Ocean Eng Vol31 pp1295-1311

bull Hur DS and Mizutani N (2003) Numerical estimation of the wave forces action on a three-dimensionalbody on

submerged breakwater Coastal Eng Vol47 pp329-345

bull Mitsuyasu H(1970) On the growth of spectrum of wind-generated waves(2)-spectral shape of wind waves at finite

fetch Proc Japanese Conf on Coastal Eng JSCE pp1-7

bull Ohyama T and Nadaoka K (1991) Development of a numerical wave tank for analysis of non-linear and irregular

wave field Fluid Dyna Res Vol 8 pp 231-251

bull Troch P (1997) VOFbreak a numerical model for simulation of wave interaction with rubble mound breakwater

Proc 27th IAHR Congress San Francisco USA pp1366-1371

bull Van der Meer JW Petit HAH Vaan den Bosch P Klopmanm G and Broekens RD (1992) Numerical

simulation of wave motion on and in coastal structures Proc 23rd ICCE Venice Italy pp1772-1784

bull 喜岡 涉 石田 昭 (1984) 円柱に作用する第2次近似回折波波力 海岸工學講演会論文集 31 pp620-624

bull 谷本勝利 広鶴谷 一 中野晋 (1984) 1983年日本海中部地震津波における津波力と埋立護岸の被災原因の

檢討 第31回海岸工學講演會論文集 pp257-261

bull 村上啓介 吉田明德 入江 功 (1993) 任意斷面形狀の鉛直柱体と波の非線型干涉解析法 海岸工學論文

集 40(2) pp846-850

bull 眞田 武 (1998) 大型海洋構造物による非線形回折散亂波の2次近似解析解とその応用に関する硏究 工

學博士學位論文 名古屋大學大學院

bull 沿岸開發技術硏究センタ(2001) CADMAS-SURF 數値波動水路の開發ᆞ硏究

71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 78: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

66

Fig 66 Free surface evolution on OWC wave power converter ( 13 13100 20 60sech m H m T= = = )

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

lt참고문헌gt

bull 김도삼 이광호 허동수 김정수 (2001) VOF법에 기초한 불투과 잠제 주변 파동장의 해석 대한토목학

회논문집 Vol21No1 pp31-35

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파랑제 특성에 관한 연구 한국 해안 ∙ 해양공학회지 Vol16 No3 pp121-129

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의 解析 박사논문 한국해양대학교

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한 비선형파랑변형의 3차원 해석 한국해양공학회지 제 20권 제1호 pp1-13

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력 및 파랑변형 한국해양공학회지 제 20권 제 4호 pp401-412

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공학회지 제15권 제4호 pp3-8

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석기법의 개발 한국해안 bull 해양공학회지 Vol17 No2 pp86-97

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Proc 27th IAHR Congress San Francisco USA pp1366-1371

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simulation of wave motion on and in coastal structures Proc 23rd ICCE Venice Italy pp1772-1784

bull 喜岡 涉 石田 昭 (1984) 円柱に作用する第2次近似回折波波力 海岸工學講演会論文集 31 pp620-624

bull 谷本勝利 広鶴谷 一 中野晋 (1984) 1983年日本海中部地震津波における津波力と埋立護岸の被災原因の

檢討 第31回海岸工學講演會論文集 pp257-261

bull 村上啓介 吉田明德 入江 功 (1993) 任意斷面形狀の鉛直柱体と波の非線型干涉解析法 海岸工學論文

集 40(2) pp846-850

bull 眞田 武 (1998) 大型海洋構造物による非線形回折散亂波の2次近似解析解とその応用に関する硏究 工

學博士學位論文 名古屋大學大學院

bull 沿岸開發技術硏究センタ(2001) CADMAS-SURF 數値波動水路の開發ᆞ硏究

71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 79: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

67

Fig 67은 Fig 65의 결과에 대한 공기속도의 스펙트럼을 나타내는 결과이다 여기서 구조물이 존재할 때의 피

크주파수는 구조물이 존재하지 않을 경우보다 장주기인 왼쪽으로 이동한 것을 알 수 있다 이는 공기실내부에

서 공진이 발생하여 유의주기가 이동된 것으로 판단된다

Fig 67 Comparison of frequency spectrum for air velocity

이상의 3차원파동장에 설치된 OWC파력발전구조물에 본 연구에서 제안하는 3D-NIT model을 적용하여 파력

발전구조물의 공기실내부에서 수위변동을 통한 공기속도를 추산한 결과 타당한 값과 경향을 얻었으므로 공기

흐름속도의 해석에 본 연구의 3D-NIT model의 적용성이 검증된다

0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1f (Hz)

0

2

4

6

8

10

S( f

) (m

2 sec

2 )sec

StructureNo structure

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

lt참고문헌gt

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71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 80: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

68

7장 결론

본 연구에서는 3차원VOF법에 기초하여 쇄파시 자유수면변동까지도 정밀하게 추적할 수 있는 3D-NIT model

을 이용하여 불규칙파의 조파특성과 그에 의한 월파유량을 검토하였으며 3차원에서도 안정적으로 불규칙파가

조파될 수 있는 새로운 조파시스템을 제안하였다 그리고 본 연구의 조파방법으로 조파된 불규칙파를 실험치와

비교 middot 검토함으로써 본 연구의 3D-NIT model의 적용성을 검증하였다 또한 불규칙파동장의 경사수심역에 설치

된 호안구조물을 대상으로 호안배후로 전달되는 월파량의 해석 원주구조물에 작용하는 쇄파력에 적용하였고

더불어 국내현장의 특수방파제에 본 3D-NIT model을 적용하여 반사율 월파량 등을 검토하였으며 이로부터 얻

어진 주요한 사항을 아래에 기술한다

1 3D-NIT model을 이용하여 불규칙파를 검토하는 경우 평균수위상승문제에 대하여 안정적으로 불규칙파를

조파할 수 있는 새로운 조파시스템을 구축하였다

2 본 연구에서 제안한 3D-NIT model에 의한 규칙파 및 불규칙파의 조파파랑을 실험치와 비교 ∙ 검토한 결과

수리실험을 잘 재현하므로 본 3D-NIT model의 적용성이 확인되었다

3 불규칙파동장의 경사수심역에 설치된 호안구조물을 대상으로 산정된 호안배후로 전달되는 월파량을 실험

치와 비교 middot 검토한 결과 본 연구에서 산정된 월파량은 높은 정도를 나타내었다

4 경사수심을 갖거나 복잡한 형태를 가진 특수방파제에 의한 파랑변형 및 동적응답해석에 3D-NIT model을

활용한 결과 타당한 결과를 나타내었으므로 막대한 시간과 경제적 면이 요구되는 3차원수리실험을 충분히 대

체할 수 있을 것으로 판단된다

5 OWC파력발전구조물의 내부유수실에서 공기흐름의 불규칙현상에 3D-NIT model을 적용하여 타당한 공기

흐름속도의 패턴을 얻은 점을 고려하면 OWC파력발전구조물에서 최적형상의 해석에 본 해석모델의 적용성을

확인할 수 있었다

69

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bull Mitsuyasu H(1970) On the growth of spectrum of wind-generated waves(2)-spectral shape of wind waves at finite

fetch Proc Japanese Conf on Coastal Eng JSCE pp1-7

bull Ohyama T and Nadaoka K (1991) Development of a numerical wave tank for analysis of non-linear and irregular

wave field Fluid Dyna Res Vol 8 pp 231-251

bull Troch P (1997) VOFbreak a numerical model for simulation of wave interaction with rubble mound breakwater

Proc 27th IAHR Congress San Francisco USA pp1366-1371

bull Van der Meer JW Petit HAH Vaan den Bosch P Klopmanm G and Broekens RD (1992) Numerical

simulation of wave motion on and in coastal structures Proc 23rd ICCE Venice Italy pp1772-1784

bull 喜岡 涉 石田 昭 (1984) 円柱に作用する第2次近似回折波波力 海岸工學講演会論文集 31 pp620-624

bull 谷本勝利 広鶴谷 一 中野晋 (1984) 1983年日本海中部地震津波における津波力と埋立護岸の被災原因の

檢討 第31回海岸工學講演會論文集 pp257-261

bull 村上啓介 吉田明德 入江 功 (1993) 任意斷面形狀の鉛直柱体と波の非線型干涉解析法 海岸工學論文

集 40(2) pp846-850

bull 眞田 武 (1998) 大型海洋構造物による非線形回折散亂波の2次近似解析解とその応用に関する硏究 工

學博士學位論文 名古屋大學大學院

bull 沿岸開發技術硏究センタ(2001) CADMAS-SURF 數値波動水路の開發ᆞ硏究

71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 81: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

69

lt참고문헌gt

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의 解析 박사논문 한국해양대학교

bull 이광호 이상기 신동훈 김도삼 (2008) 복수 연직 주상구조물에 작용하는 비선형파력과 구조물에 의

한 비선형파랑변형의 3차원 해석 한국해양공학회지 제 20권 제1호 pp1-13

bull 이광호 신동훈 김도삼 (2008) 강비선형해석법에 의한 대형연직원주구조물에 작용하는 쇄파후의 파

력 및 파랑변형 한국해양공학회지 제 20권 제 4호 pp401-412

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공학회지 제15권 제4호 pp3-8

bull 허동수 김창훈 이광호 김도삼 (2005) 파 ∙ 구조물 ∙ 지반의 비선형 동적응답해석을 위한 직접수치해

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Japan

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Compaq Visual fortran Version 66 pp1159-1245

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bull Fujiwara R (2005) A method for generation irregular waves using CADMAS-SURF and applicability for wave

transformation and overtopping Coastal Eng JSCE Vol 52 pp41-45

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70

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Coastal Engr Conf Vol 1 pp828-845

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bull Heath T Whittaker TJT and Boake CB(2000) The design construction and operation of the LIMPET wave

energy converter(Islay Scotland) Proceedings of 4th European Wave Energy Conference pp49-55

bull Hinatsu M (1992) Numerical simulation of unsteady viscous nonlinear waves using moving grid system fitted on a

free surface J Kansai Soc Nav Archit Japan 217 pp1-11

bull Hur DS (2004) Deformation of multi-directional random waves passing over an impermeable submerged

breakwater installed on a sloping bed Ocean Eng Vol31 pp1295-1311

bull Hur DS and Mizutani N (2003) Numerical estimation of the wave forces action on a three-dimensionalbody on

submerged breakwater Coastal Eng Vol47 pp329-345

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fetch Proc Japanese Conf on Coastal Eng JSCE pp1-7

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wave field Fluid Dyna Res Vol 8 pp 231-251

bull Troch P (1997) VOFbreak a numerical model for simulation of wave interaction with rubble mound breakwater

Proc 27th IAHR Congress San Francisco USA pp1366-1371

bull Van der Meer JW Petit HAH Vaan den Bosch P Klopmanm G and Broekens RD (1992) Numerical

simulation of wave motion on and in coastal structures Proc 23rd ICCE Venice Italy pp1772-1784

bull 喜岡 涉 石田 昭 (1984) 円柱に作用する第2次近似回折波波力 海岸工學講演会論文集 31 pp620-624

bull 谷本勝利 広鶴谷 一 中野晋 (1984) 1983年日本海中部地震津波における津波力と埋立護岸の被災原因の

檢討 第31回海岸工學講演會論文集 pp257-261

bull 村上啓介 吉田明德 入江 功 (1993) 任意斷面形狀の鉛直柱体と波の非線型干涉解析法 海岸工學論文

集 40(2) pp846-850

bull 眞田 武 (1998) 大型海洋構造物による非線形回折散亂波の2次近似解析解とその応用に関する硏究 工

學博士學位論文 名古屋大學大學院

bull 沿岸開發技術硏究センタ(2001) CADMAS-SURF 數値波動水路の開發ᆞ硏究

71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 82: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

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bull Goda Y and Suzuki Y (1976) Estimation of incident and reflected waves in random wave experiments Proc 15th

Coastal Engr Conf Vol 1 pp828-845

bull Grimshaw R (1971) The solitary wave in water of variable depth Part 2 J of Fluid Mech Vol 46 pp 611-622

bull Heath T Whittaker TJT and Boake CB(2000) The design construction and operation of the LIMPET wave

energy converter(Islay Scotland) Proceedings of 4th European Wave Energy Conference pp49-55

bull Hinatsu M (1992) Numerical simulation of unsteady viscous nonlinear waves using moving grid system fitted on a

free surface J Kansai Soc Nav Archit Japan 217 pp1-11

bull Hur DS (2004) Deformation of multi-directional random waves passing over an impermeable submerged

breakwater installed on a sloping bed Ocean Eng Vol31 pp1295-1311

bull Hur DS and Mizutani N (2003) Numerical estimation of the wave forces action on a three-dimensionalbody on

submerged breakwater Coastal Eng Vol47 pp329-345

bull Mitsuyasu H(1970) On the growth of spectrum of wind-generated waves(2)-spectral shape of wind waves at finite

fetch Proc Japanese Conf on Coastal Eng JSCE pp1-7

bull Ohyama T and Nadaoka K (1991) Development of a numerical wave tank for analysis of non-linear and irregular

wave field Fluid Dyna Res Vol 8 pp 231-251

bull Troch P (1997) VOFbreak a numerical model for simulation of wave interaction with rubble mound breakwater

Proc 27th IAHR Congress San Francisco USA pp1366-1371

bull Van der Meer JW Petit HAH Vaan den Bosch P Klopmanm G and Broekens RD (1992) Numerical

simulation of wave motion on and in coastal structures Proc 23rd ICCE Venice Italy pp1772-1784

bull 喜岡 涉 石田 昭 (1984) 円柱に作用する第2次近似回折波波力 海岸工學講演会論文集 31 pp620-624

bull 谷本勝利 広鶴谷 一 中野晋 (1984) 1983年日本海中部地震津波における津波力と埋立護岸の被災原因の

檢討 第31回海岸工學講演會論文集 pp257-261

bull 村上啓介 吉田明德 入江 功 (1993) 任意斷面形狀の鉛直柱体と波の非線型干涉解析法 海岸工學論文

集 40(2) pp846-850

bull 眞田 武 (1998) 大型海洋構造物による非線形回折散亂波の2次近似解析解とその応用に関する硏究 工

學博士學位論文 名古屋大學大學院

bull 沿岸開發技術硏究センタ(2001) CADMAS-SURF 數値波動水路の開發ᆞ硏究

71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 83: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

71

감사의 글

아무것도 모르던 내가 과연 잘 해낼 수 있을까 라는 생각으로 시작한 대학원 생활이 어느덧 2 년이라는

시간이 흘러 대학원 석사과정을 졸업을 앞둔 지금 힘들고 어려운 점도 많았지만 되돌아보면 좀 더 열심히 하지

못한 아쉬움이 많이 남는 것 같습니다 그러나 대학원생활을 통하여 알게 된 좋은 선배님들과 후배님들이

앞으로 저에게 큰 힘이 될 것 같습니다 지금까지 저에게 많은 도움이 되어주셔서 늘 감사합니다

학부생부터 지금까지 큰 가르침을 주시는 김도삼 교수님께 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 아무것도

알지 못하는 부족한 저를 해안공학연구실에 받아주시고 학문적인 가르침뿐만 아니라 어느 곳에서도 배울 수

없는 인생을 살아가는 방법까지도 가르쳐 주시고 항상 많은 것을 가르쳐 주시는데 제가 많이 부족하여 항상

죄송스러운 마음이 듭니다 이제 박사과정에 진학하여 조금이라도 덜 부끄러운 사람이 될 수 있도록

노력하겠습니다

한국해양대학교에서 많은 가르침을 주신 이중우 교수님 경감수 교수님 김태형 교수님과 논문의 완성을

위하여 많은 조언을 주신 김태곤 교수님께 감사의 말씀을 드립니다 또한 이 논문을 위하여 시간을 내어주신

경상대학교 배기성 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다

사회생활을 하셔서 바쁘신데도 항상 연구실 후배들을 챙겨주시는 성호형과 낙훈이형 항상 후배들이 잘

되도록 많은 조언과 상담도 해주셔서 진심으로 감사의 말씀을 드립니다 그리고 일본에서도 부족한 후배를

챙겨주고 이번 수리실험에서도 많은 도움을 주신 광호형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 항상

연구실의 발전을 위해 힘써주시는 광수형 승현이형 조성형 지민이형에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고

이 논문을 위하여 많은 프로그램을 코딩해주시고 여러 가지()를 경험하게 해준 창훈이형에게도 감사의

말씀을 드립니다 그리고 함께 생활하며 고생했던 연구실 멤버들과 당구라는 신세계를 가르쳐준 현석이형

많은 가르침을 준 선욱이형 나를 연구실에 들어오게 만든 물귀신() 동기 진우 같이 연구실을 이끌어간다고

고생한 석사 동기 보배랑 성심이 이제부터 연구실을 잘 이끌어야 할 정현이 영신인 줄 알았는데 알고 보니

그냥 토익신인 민지 모든 일에 열심히 하는 주식 천재 흥원이 아직 적응을 못한 것 같은 골프천재 경훈이

모두 재능과 맡은 임무는 다르지만 포기하지 않고 항상 노력하여 모두 성공하였으면 좋겠습니다

해안공학연구실의 발전을 기원합니다

그리고 03학번 동기들과 항상 바쁘다는 핑계로 자주 보지 못한 선용이형 민성이 영철이형 창한이형에게

미안하고 다른 연구실이지만 많은 도움을 주신 선배님들과 후배님들 많은 도움을 준 웅기형 성진이형 현기형

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론
Page 84: 3차원불규칙파수치파동수조(3D-NIT Model)의 개발 및 그의 적용에 …repository.kmou.ac.kr/bitstream/2014.oak/8086/1/000002174135.pdf · 한국해양대학교 대학원

72

진호형 그리고 동기들 성규 규광이 기홍이 효상이 그리고 민선이 홀로 과사를 지키며 남몰래 토목과의

발전에 기여하는 조교누나에게도 감사의 말씀을 드립니다 그리고 필리핀에서 만난 소중한 추억을 만들게 해준

제라드형 다스형 노아형 리치형 리키누나 루시에게도 감사의 말씀을 드립니다

마지막으로 무사히 대학원 생활을 할 수 있도록 도와주신 가족들에게 죄송하고 감사합니다 항상

챙겨주려고 하시는 할머니와 항상 믿어주시고 밀어주시는 부모님 그리고 이제 곧 결혼해야 될 우리형 모두

감사하고 사랑합니다

그리고 미처 언급하지 못했던 모든 분들에게 진심으로 감사드리며 건승하시고 항상 건강하시길 바랍니다

2012년 1월 백동진 드림

  • 1장 서론
    • 11 연구의 배경 및 목적
    • 12 연구의 구성
      • 2장 수치해석이론
        • 21 개요
        • 22 3차원수치파동수조의 기초방정식
        • 23 난류모델
        • 24 이류방정식
        • 25 격자설정방법
        • 26 3차원수치파동수조에 의한 불규칙파 조파
        • 27 난수의 발생방법
        • 28 주파수의 선택방법
          • 3장 수치해석의 검증
            • 31 개요
            • 32 3차원불규칙파수치파동수조의 조파검증
            • 33 월파량의 검토
            • 34 월파현상의 재현
            • 35 파력의 검증
              • 4장 연직주상구조물에 작용하는 파력 및 주변파동장해석에 적용
                • 41 개요
                • 42 수치파동수조
                • 43 주변파동장
                • 44 파력
                • 45 3차원불규칙파수치파동수조에 의한 고립파의 적용
                  • 5장 국내현장에 시공된시공예정인 특수방파제에 적용
                    • 51 개요
                    • 52 O O O 서컨테이너안벽
                      • 521 수치파동수조
                      • 522 반사율
                      • 523 월파유량
                        • 53 O O O 신항만방파제
                          • 531 수치파동수조
                          • 532 반사율
                          • 533 월파유량
                              • 6장 OWC파력발전구조물에서 공기흐름속도의 해석에 적용
                                • 61 개요
                                • 62수치파동수조
                                • 63공기실 내부에서의 수위변동
                                • 64공기흐름속도의 해석
                                  • 7장 결론