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공학석사 학위논문

를 이용한 파랑 중 고정 구조물 주위의 PIV

유동해석

Flow analysis around the fixed body in waves through PIV analysis

지도교수 조 효 제

년 월 2009 1

한국해양대학교 대학원

해양시스템공학과

이 언 주

을 의 으로 함 本 論文 李炳成 工學碩士 學位論文 認准

위 원 장 현 범 수 인 ( ) 위 원 도 덕 희 인 ( ) 위 원 조 효 제 인 ( )

년 월 일 2009 1 7

한국해양대학교 대학원

Contents

Contents Abstract

제 1 장 서론 . ...1 연구 배경

1.1. ...1 기존의 연구

1.2. ...2 연구 내용

1.3. ...3

제 2 장 이론 해석 . ...5 지배 방정식

2.1. ...5 경계조건

2.2. ...5 차 근사식

2.3. Stock's 1 ...6 차 근사식

2.4. Stock's 2 ...7 차 근사식

2.5. Stock's 3 ...9

제 3 장 . PIV 실험개요 ... ...15 실험 재원

3.1. ...15 기법

3.2. PIV (Particle Image Velocity) ...19

제 4 장 . PIV 기법을 이용한 쇄파현상 해석 ...24 실험방법

4.1. ...24 실험결과 및 해석

4.2. ...24

제 5 장 . PIV 기법을 이용한 실린더 주변유동 해석 ...28 실험방법

5.1. ...28 실험결과 및 해석

5.2. ...31 구조물 전 후 파고 변화

5.2.1. ․ ...31 실린더 주변 유동 특성

5.2.2. ...37

제 6 장 결론 . ...89

참고 문헌 ...91

Flow analysis around the fixed body in waves through PIV analysis

Lee Eon-Ju

Department of MARINE SYSTEM

Graduate School, KOREA MARITIME University

Abstract

The purpose of this study is to provide a basic foundation to select a maximum wave force when the ocean structure is laid out, an experiment was conducted by using a cylinder model that was designed for a reduced scale.

First, the experiments were performed by changing maximum wave slopes in regular wave conditions. In addition, the further experiment by changing the cylinder's diameter was conducted.

Furthermore, the experiments were also conducted to select a maximum wave force directly after the wave breaking in irregular wave conditions. More importantly, the results of this experimental study were compared with the theoretical results from literature.

Further investigations will be needed to confirm the present results, regarding to the flow structure around the fixed body(cylinder) in breaking wave(irregular wave). For the future research, a comparative study will be recommended between results of the cylinder model and results of the regular wave model.

제 1 장 서 론 .

연구 배경 1.1.

해양공학에서 실제 해양 구조물이 다수의 원주로 이루어져 있는 경우가 대부분 이기 때문에 원형구조물 주위의 유동장 해석은 유체역학적으로 대단히 중요한 부분이다 원형구조물 주위의 유동은 구조물의 거동과 주위 유체의 운동에 따른. 유동의 박리로 상당한 복잡성을 띤다(Williamson 1996). 따라서 시간의 변화에 따른 유동특성을 파악할 필요가 있다 특히. , 유체역학적 문제에 있어 가장 기본 적인 문제는 유동장의 흐름특성을 파악하는 일이며 가시화 기법을 통해 정성적, 유동 특성뿐만 아니라 정량적인 유동장의 특성을 파악하는 일이 상당히 중요하 다.

최근 해양 개발의 영역이 심해로 확장되면서 해양개발 구조물의 안전성과 효율 성을 지배하는 중요한 요소인 쇄파에 관한 문제가 대두되고 있다 해양파의 에. 너지 집중에 의해 발생하는 쇄파는 다양한 해양현상의 원인으로 작용하기 때문 에 쇄파의 특성에 관한 연구는 매우 중요하다.

근래에 유체역학 관련 연구자들이 PIV(Particle Image Velocity)를 이용하여 복잡한 유동장의 계측들을 하고 있으며, 조선해양공학의 여러 분야에도 응용이 이루어지고 있다 특히 물체후류의 와동과 같은 복잡한 유동구조를 파악하기 위. 하여 PIV기법을 이용하고 있다 현범수 등( 2000). PIV기법은 유동장의 3차원적 속도 성분을 전 영역에 걸쳐 연속적으로 계측 할 수 있으며 운동에너지 와도, , , 난류강도 레이놀즈응력 등 다양한 정량적 측정이 이루어지고 있다, .

본 논문에서 활용하고 있는 2차원 수조에서 규칙파나 불규칙파를 생성시키는 실험은 오래 전부터 많은 연구자들에 의하여 수행되어왔다 특히 구조물 설계에. 서 최대파력산정을 위한 쇄파에 대한 연구가 활발해지면서 쇄파의 동역학적 유, 동특성을 파악하기 위하여 수조실험을 수행하고 있다 이동연 등( 1996, 이수룡 등 2007). 또한 Kolaini와 Tulin(1993)은 각수조를 이용하여 다방향파를 발생시 켜 그중 쇄파의 발생기법에 대해서도 보고를 한바가 있다.

차원 수조를 이용하여 규칙파의 쇄파를 생성시키는 방법으로서는 일반적으로 2

해안선에서 쇄파가 일어나는 원리와 같이 경사각이 완만한 경사면을 수조바닥에 두고 규칙파가 진행함에 따라 점점 파고가 증가하여 쇄파를 발생시키는 방법이

있다 또한 여러 개의 주파수를 가지는 규칙파를 발생시켜 각 성분파들의 위상. 속도를 이용하여 파정을 한 점에 이르게 하는 방법도 있다.

본 논문에서는 쇄파 유동구조의 이론적인 계산결과와 실험결과를 비교하기 위 하여 두개의 파를 합성시켜 쇄파를 발생시키는 방법을 사용하였으며 각각 다른, 주파수를 가지는 두 개의 규칙파를 합성하여 쇄파를 생성시켜 이러한 유동에 기법을 적용하여 유동의 운동학적 구조를 해석하였다 그리고 이들의 실험결

PIV .

과는 퍼텐셜 이론에 근거한 stock's wave이론결과와 비교하여 파면의 형상과 유 체입자의 속도분포를 나타내었다.

또한 PIV기법을 이용하여 2차원 조파수조에서 규칙파와 불규칙파를 생성시켰 을 때, 이로 인해 발생되는 고정된 원형구조물 주위의 유동특성을 파악하였다. 실험은 0.7~1.1주기에서 각각 규칙파와 불규칙파를 생성하였으며 원형구조물의, 직경을 달리한 실험도 수행하여 직경의 변화에 따른 주위유동변화도 파악하였 다.

기존의 연구 1.2.

쇄파는 강한 비선형적 특성 때문에 현상의 이론적 수치적 해석에 한계가 있으, 며 이에 따라 실험적 연구가 활발히 수행되어 왔다, . Ramberg & Griffin(1987) 과 Chan & Melville(1988)는 바람과 바닥 효과를 무시한 이차원 파랑집중기법을 적용하여 단일 쇄파를 생성하였으며 이들은 주파수 성분파의 위상을 조절함으, 로서 파랑을 변조하여 쇄파를 시뮬레이션 하였다 또한 이동연 등. (1996)은 차2 원 수조의 임의 지점에서 쇄파를 만드는 실험방법을 수행하였으며, 조효제 등 은 과도수파 생성법에 의한 쇄파현상 재현 및 비선형파의 차원 수치해석

(2001) 3

법에 대한 연구를 하였고, 이수룡 등(2007)은 구조물이 없을 때의 쇄파상태의 파면 상승량과 유체입자의 속도를 측정하고 쇄파중의 구조물에 작용하는 파력, 을 파악하였으며 박종천 등, (1996)은 차원 진행규칙파열에서의 쇄파현상에 따2 른 비선형성 파의 특성에 관한 수치적 연구를 수행하였다. 또한 홍기용 등 은 실험을 통하여 다방향 불규칙파의 집중에 의해 발생하는 쇄파의 파형 (2002)

특성을 고찰함으로써 방향성을 고려한 실해역 쇄파의 운동학적 특성을 규명하였 으며 조규남 등, (1996)은 해양구조물 설계를 위한 해상상태의 특성규명과 쇄파

모델의 원형 해양구조물 설계에의 적용문제에 대한 기본적인 연구를 수행하였 다.

근래에는 최상현 & 류용욱 (2005)이 PIV기법과 BIV기법을 적용하여 구조물에 대한 충격 및 월파를 생성하는 쇄파의 운동장에 대한 측정을 수행하여 파랑이, 구조물에 충돌한 이후 생성되는 기포영역을 포괄한 쇄파의 운동장에 대한 실험 적 연구 결과를 제시하였고, 정광효 등(2006)은 차원 수조에서 사각형 단면을2 가지는 구조물과 규칙파의 상호간섭에 의한 유체 흐름의 특성을 PIV를 이용하여 실험적 연구를 수행하였으며, 현범수 등(2000)은 PIV 기법을 사용하여 쇄파와 몰수체의 상호작용에 의한 점성유동장의변화를 가시와 함과 아울러 순간유동장 을 해석하였다.

연구 내용 1.3.

본 논문은 해양구조물 설계 시 고려사항인 최대파력산정을 위한 기초 연구로 써 해양구조물을 간략화한 원형실린더모형을 이용하여 실험이 수행되었다, .

먼저 규칙파일 때 최대파경사각의 변화에 따라 고정 구조물 주위의 유동구조, 에 미치는 영향에 대한 실험을 수행하였으며 실린더직경의 변화에 따른 실험도, 수행하였다.

또한 최대파력산정을 위하여 불규칙파의 쇄파발생 직후의 유동구조특성을 파 악하기 위한 실험과 이론전개를 병행하여 비교하였으며 차후 고정 원형실린더, 구조물에 이러한 쇄파를 발생시켰을 때 구조물 주위의 유동구조해석을 수행하여 규칙파일 때와 비교분석할 예정이다.

각 장의 내용을 요약하면 아래와 같다.

제 1 장에서는 연구 배경 및 기존 연구와 본 논문의 연구 내용을 기술하였다.

제 2 장에서는 두 개의 파를 합성하였을 경우 속도퍼텐셜 파면의 형상 유체, , 입자의 유속을 삼차 항까지 섭동법을 이용하여 수학적으로 표현하였다.

제 3 장에서는 PIV시스템의 재원 및 실험기법에 대하여 기술하였다.

제 4 장에서는 PIV기법을 이용하여 수행한 쇄파현상의 실험과 이론을 비교하여 나타내었다.

제 장에서는 파랑 중 고정된 실린더 주변의 유동특성 파악을 위해5 PIV기법을 이용하여 수행한 실험을 설명하고, 이를 속도장(Velocity Field), 속도분포

와도 로 분석하여 기술하였다 (Contour), (Vorticity) .

제 장에서는 본 연구에서 얻은 주요한 결과를 총괄하여 결론을 맺는다6 .

제 2 장 이론 해석 .

섭동법에 의해서 성분 합성파에 대하여 차 근사해 까지 계산하였다2 3 .

지배 방정식 2.1.

유체는 비점성 비압축성이라 가정하고, 유동은 비회전성으로 가정하였으며, 표면장력은 무시하였다. 속도 퍼텐셜은 유체영역 내부에서 라플라스 방정식과 베르누이 방정식을 만족한다.

^

^

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^ 

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 속도포텐셜   수평방향거리   연직방향거리   수평방향유속

 연직방향유속   압력   밀도   시간   중력가속도

경계조건 2.2.

경계조건은 다음과 같이 자유표면 조건, 압력 일정 조건, 해저면 조건을 만족 한다.



  

 

     (2.3)

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^ 

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 

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     (2.5)

섭동법에 의한 파형 및 속도퍼텐셜은 다음과 같이 구할 수 있다.

  _{ } ^_{ } ^_{ } ^_{ }  (2.6)

  _{ } ^_{ } ^_{ } ^_{ }  (2.7)

  _{ } ^_{ } ^_{ } ^_{ }  (2.8)

_ _{ } ^_{ } ^_{ } ^_{ }  (2.9)

_≡  (2.10)

식을 이용하여 일 때 테일러급수 전개로 비선형 자유표면 (2.3),(2.4) z=0 ,

조건과 압력일정 조건을 전개한다.



  

 

_{  }  

  

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  

_{  }   

(2.11)

   

^ 

_{  }  

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^



^ 

_{  }   

(2.12)

차 근사식 2.3. Stoke's 1

성분 합성파에 대한 파형 및 속도퍼텐셜과 속도를 구하는 식을 다음과 같이 2

정의 하였다.

파형 (a)

_{ } _ _  _  _ _  _

_^ _

 _  _^  _

 _ __ 

(2.13)

속도퍼텐셜 (b)

_{ } __ _

 _   

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_  _ (2.14)

속도 (c)

방향의 속도

x ; .

  ___ _

 _   

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 _   

_  _    (2.15)

방향의 속도

z ;

  ___ _

  _   

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_  _    (2.16)

차 근사식 2.4. Stoke's 2





 ^ _

^_{ }

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      

(2.17)

^

^_{ }

  

_{ }

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_{ }

_{  }

(2.18)

파형 (a)

_{ }․  _ ․  _

․  _  __ __ ․  _  __ __

(2.19)

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속도퍼텐셜 (b)

_{ }․ _

 _   

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_  _

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  _ _   

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(2.20)

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 

 __ __^․   _ _

________ __ ․_{  }



___^_^^   

___^_^^ 

  

_^_^_^^   

_^_^_^^ 

  _  _  _  _   _ _

   _ _

속도 (c)

방향의 속도

x ;

  ___ _

 _   

_  _  ___ _

 _   

_  _   

 _․ _

 _   

_  _  _․  _

 _   

_  _   

 _ _․  _ _

  _ _   

 _ _  __ __   

 _ _․  _ _

  _ _   

 _ _  __ __   

(2.21)

방향의 속도

z ;

  ___ _

  _   

_  _  ___  _

 _   

_  _   

 _․ _

  _   

_  _  _․  _

 _   

_  _   

 _ _․  _ _

   _ _   

_ _  __ __   

 _ _․  _ _

   _ _   

_ _  __ __   

(2.22)

차 근사식 2.5. Stoke's 3



^_{ }

  

_{ }



 



_{ }



_{ }

 

_{ }



_{ }









_{ }



_{ }

 

_{ }



 _{ }







_{ }



_{ }^



^



_{ }

 

 

_{ }







_{ }^  

_{ }











_{ }^  

_{ }



 

_{ }



 

_{ }











_{ }



 _{ }

_{ }



^



_{ }

 



^



_{ }

 

이는 섭동법을 적용하여 차 항까지를 표현한 자유표면조건을 나타내고 있다3 .

파형 (a)

_{ } _  _  _  _     _  _

 _  _     _ _  __ __   

 _ _  __ __     _ _  __ __   

 _ _  __ __    (2.24)

_{  }







_^_^_^ 

__^_^   ___^

 

__^______ 

__^_^ 

__^_^

 

__^_^_^  _^_^_{  }



___   ___ _

 

___  ___ _



_{  }







_^_^_^ 

__^_^   ___^

 

__^______ 

__^_^ 

__^_^



_{  }







_^_^_^ 

__^_^   ___^ __



_{  }







_^_^_^ 

__^_^   ___^ __



_{  }



 





 



__^_^ _^_^_^ 

___ __ ___^

 

_^_^_ 

__    ___ __

 

__^_^ ___^   ____

__ __







 

_{  }



 





 



__^_^ _^_^_^ 

___ ___ __^

 

_^_^_ 

__    ___ __

 

__^_^ ___^   ____

__ __







 

_{  }



 





 



__^_^ _^_^_^ 

___ __ ___^

 

_^_^_ 

_ ___    ___

 ___^ 

__^_^   ____

__ __







 

_{  }



 





 



__^_^ _^_^_^ 

___ ___ __^

 

_^_^_ 

_ ___    ___

 ___^ 

__^_^   ____

__ __







 

속도퍼텐셜 (b)

_{ }_{ }

  _

 _   

 _  _ _{ }

   _

 _   

 _  _

_{ }

  _

 _   

 _  _ _{ }

   _

 _   

 _  _

_{ }

   _ _

  _ _   

  ^ _  __ __

_{ }

  _ _

  _ _   

  ^ _^{ }^_ __^

_{ }

  _ _

  _ _   

  ^ _^{ }^_ __^

_{ }

  _ _

  _ _   

  ^ _^{ }^_ __^

(2.25)

  

  

  __^_^  _{  }



__^_^ ^_ _^_^

  __^_^  _{  }



__^_^ ^_ _^_^

  



__^__^ __^_ _  ___ _

 

__ __ __{  }



____ _

 

____ _



__^______ ___ _ 

 

__^__ ___^_^  _^_^  ______ __  

 ___^__ ___{  }



____ ___ __  

 

__ ___ ____ ___{  }



__^_^__ __

 

__^_^__ __ _ _  __ __^

    

__^__^ __^_ _  ___ _

 

__ __ __{  }



____ _