한국해안․해양공학회 학술발표논문집 (2009) 2009년 11월 5일-11월 6일
제18권, pp. 224-227
무반사조파시스템을 이용한 항주파의 조파방법에 관하여
On Generation of Ship Induced Waves Using Non-Reflected
Wave Generation System
허동수
1, 이우동
2Dong Soo Hur
1and Woo Dong Lee
21. 서 론
항만의 주된 기능은 화물을 원활하게 중계하는 것이며, 항만가동률은 선박에서 화물을 싣고 내리 는 하역작업에 달려 있다. 하역작업의 효율성을 높이기 위해서는 접안선박의 동요를 줄이는 것이 우선되어야 한다. 그렇기 위해서는 무엇보다 중요 한 것이 항내정온도를 확보하는 것이다. 항내정온 도는 악천후 시에는 파랑, 해류, 조류, 바람 등의 해양 물리적 환경의 영향을 받지만, 평상시에는 항내를 운항하는 선박에 의해 발생하는 항주파 (Ship induced wave)의 영향을 더 크게 받게 된다.선박의 항행으로 인하여 발생하는 항주파는 일 반적으로 외해에서 전파되면서 파랑에너지가 감쇠 되어 결국 소멸하기 때문에 연안역에 큰 영향을 미치지 않는 경우가 대부분이지만, 항내처럼 면적 이 좁은 수역, 항로/운하 등과 같은 협수로, 해안에 근접할 경우, 선박간의 항로가 교차할 경우 항주파 로 인한 피해가 종종 발생하고 있는 실정이다. 이러한 항주파에 관한 발생원리 및 전파양상에 관하여서는 예전부터 많은 연구자들에 의해서 다 양한 연구들이 이루어졌다. 항주파의 물리적인 메 커니즘에 대한 분석은 Kaivin(1887)에 의해 처음으 로 시도되었다. 이후, 모형선박을 이용한 다양한 실험들(Johnson, 1968; Sorensen, 1969; Newman, 1977)이 이루어졌으며, 아울러 다양한 실험 자료 를 분석하여 항주파고산정을 위한 경험식을 제한 하였다(日本海難防止協會, 1971; Sorensen and Weggel, 1984). 근래에 와서는 컴퓨터의 발달로 인 하여 여러 연구자들이 수치모델을 이용한 연구들 을 수행하고 있으며, 이들 대부분의 연구는 완경 사방정식(森田ら, 1995)이나, Boussinesq 방정식 (Jiang et al., 2002; 신승호와 정대득, 2003; 김재수 등, 2008) 등과 같은 적분방정식을 이용하는 평면 2차원 모델들이다. 최근에는 상업용 모델 (FLOW-3DⓇ)을 이용한 수치모의가 이루어지고 있 다(강영승 등, 2008). 따라서 본 연구에서는 무반사조파가 가능한 3차 원 수치해석기법(LES-WASS-3D; 허동수와 이우동, 2007)을 이용하여 항주파의 조파방법에 관하여 고 찰하는 것을 목적으로 한다.
2. 수치해석기법
LES-WASS-3D(허동수와 이우동, 2007)는 기초방정 식으로서 무반사조파를 위한 조파소스(조파원천)항 이 포함된 연속방정식 (1)과 투과성구조물에 대한 적 용을 위하여, 유체저항을 도입한 수정된 Navier-Stokes 운동방정식 (2)-(4)와 자유수면을 모의하기 위한 VOF 함수의 이류방정식 (5)로 구성된 3차원 수치해석기법 으로 파ㆍ구조물ㆍ해저지반의 상호작용의 영향을 직 접 고려할 수 있다. 또한, 기존의 3차원 수치해석기법 (Hur and Mizutani, 2003; Hur, 2004)을 토대로 sub-grid scale 모델을 이용하는 Large Eddy Simulation 기법 (Sub-Grid Scale model; Smagorinsky, 1963)을 도입하여 격자크기 보다 작은 난류구조의 구현이 가능하다.1 국립경상대학교 해양과학대학 해양토목공학과 부교수 2 일본나고야대학 공학연구과 사회기반공학전공 박사과정
Speed of ship 5.50m/sec Ship induced wave Height 1.44m Period 3.52sec Length 19.38m (1)
(2)
(3)
(4) (5) 투과성구조물의 유체저항으로서 관성저항(Sakakiyama and Kajima, 1992), 난류저항(Ergun, 1952; van Gent, 1995) 및 층류저항(van Gent, 1995; Liu and Masliyah, 1999)을 도입하여 투과 성구조물의 입경 및 공극에 따른 유체저항의 특성 을 재현할 수 있다. 여기서, u, v, w는 x, y, z방향의 속도성분,ϒv 는 체적공극율(volume porosity), ϒx, ϒy, ϒz는 x, y, z방향에 대한 면적투과율(surface permeability) 을 나타내며, β는 부가감쇠영역을 제외하고는 0 으로 주어지는 파랑감쇠계수이다. 또한, υt는 동 점성계수와 와동점성계수의 합을 나타내고, 투과 성구조물내의 유체저항으로서 Mx, My, Mz는 관성저 항을 Dx, Dy, Dz는 층류저항을 Fx, Fy, Fz는 난류저 항을 각각 의미하며, q*는 조파소스(조파원천)의 유량밀도를 나타낸다.
3. 해석결과
3.1 수치파동수조 및 입사조건
본 연구에서는 무반사조파시스템을 이용하는 3 차원 수치파동수조에서 항주파의 조파방법에 대해 검토하기 위하여 Fig. 1과 같은 3차원 수치파동수조 를 이용하였다. 파의 재반사를 방지하기위해 조파소 스(조파원천) 및 부가감쇠영역을 설치하였다.Fig. 1. Definition sketch of 3-D numerical wave basin
Table 1. Ship induced wave conditions used in this
study.
(6)(a) t=6.0sec (b) t=9.5sec (c) t=13.0sec
(d) t=16.5sec (e) t=20.0sec (f) t=23.5sec
(g) t=27.0sec (h) t=30.5sec (i) t=34.0sec
Fig. 2. Spatial distributions of free surfaces according to a ship moving
항주파는 1,000TEU급 컨테이너선을 기준으로 산 정하였으며, 운항속도 및 항주파의 파장과 주기는 일본항만설계기준을 참고하였으며, 운항속도는 항 내를 기준으로 5.50m/sec, 항주파의 파장은 19.38m, 항주파의 주기는 3.52sec를 적용하였다. 또한 항주 파의 파고(H0)는 日本海難防止協會(1971)에서 제안 한 경험식 (6)을 이용하여 산정하였으며, Table 1에 제시된 바와 같다. 여기서 LS는 선박의 길이, VK는 만재항해속도, EHPW는 조파마력을 의미한다. 선박에 의해 발생되는 항주파는 일반적으로 횡 파(Transverse wave)와 종파(Diverging wave)로의 조
합으로 이루어지는 3차원적인 파랑이다. 항주파에 있어서 종파보다는 횡파에 의한 피해가 더 많은 것을 감안하여 본 연구에서는 횡파만을 고려하여 항주파를 재현하였다.
3.2 항주파의 조파 시뮬레이션
Fig. 2는 1,000TEU급 컨테이너선이 5.5m/sec의 운항속도로 200m의 해역을 운항하는 동안의 항주 파의 수면형을 나타낸 것이다.
Fig. 2로부터 알 수 있듯이 쐐기(Wedge)형태의 Kelvin wash(Kaivin, 1887)의 형상이 잘 나타남을
알 수 있다. 무반사조파시스템을 이용한 항주파의 재현에 대 한 상세한 내용에 대해서는 학술대회에서 발표하 기로 한다.
4. 결론 및 고찰
본 연구에서는 3차원 수치파동수조내에서 무반 사조파시스템을 이용하여 항주파를 재현하기 위하 여, 장시간 조파에 따른 재반사에 대해 자유로운 무반사조파시스템을 도입한 LES-WASS-3D(허동수 와 이우동, 2007)를 이용하여 시뮬레이션을 실시하 였다. 항주파의 재현은 1,000TEU급 컨테이너선을 기준 으로 산정하였으며, 운항속도 5.50m/sec, 항주파의 파장 19.38m, 항주파의 주기 3.52sec를 적용하여 항 주파를 재현한 결과 쐐기(Wedge)형태의 Kelvin wash(Kaivin, 1887)의 형상을 잘 재현함을 알 수 있 었으며, 무반사조파시스템을 도입하고 있는 3차원 수치해석기법(LES-WASS-3D)을 이용하여 항주파에 의한 파동장해석의 적용 가능성을 확인하였다. 이상의 배경에 근거하여 본 연구와 같은 무반사조 파시스템을 이용한 항주파의 재현에 있어서 수리모 형실험에서 해석하기 어려운 부분까지 고정도의 해 석이 가능하다면, 경제적인 측면과 시간적인 측면을 모두 수용함으로서 공학적으로 크게 공헌할 것으로 판단된다.참고문헌
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