마리나 시설의 파고감쇠를 위한 소파장치에 대한 연구

마리나 시설의 파고감쇠를 위한 소파장치에 대한 연구

박 제 웅^†, 김 도 정^*

†조선대학교, 선박해양공학과

* 한국조선해양기자재연구원

A Study on the breakwater equipment of marina facilities for the attenuation of the wave

Je-woong Park

, Do-Jung Kim

†Department of Naval Ocean Engineering, Chosun University, Gwangju 61452, Korea

*Korea Marine Equipment Research Institute, Yeongam, 58457, Korea (Received : May. 18, 2018, Revised : Jun. 18, 2018, Accepted : Jun. 25, 2018)

Abstract : The marina port facility that need to a fixed temperature is affected by a lot of external force caused by ship wave due to frequent traffic count around the coast. These waves function as main cause that inhibits the stability of the moored sailing vessels and port facilities. In this study, Harbor and marina facilities are installed to secure sea waters and water tank tests were carried out numerical analysis. Fixed floating structures due to changes in wave height and fluid mechanical properties was evaluated. Marine environment was calculated according to the reduction of the wave. And the stationary floating structures due to changes in the shape of the wave characteristics and wave height suggests a stable shape. The relate wave stabilization was identified in the condition of Multi-body of flat panel and flat floating structure and expecially in the condition of λ/L=6.35, the wave stabilization was about 25% higher than water tank test of multi-body floating structure.

Key Words : Marina Port Facility, Ship Wave, Wave Stabilization, Numerical Simulation, Water Tank Test

1. 서 론

1)

현재 국내 마리나 항만법 발효 및 각 지자체의 해양 관광산업의 활성화로 피셔리나 및 마리나가 증설되고 있으며, 정부의 계획에 의하면 2020년 이후에는 요트 및 보트의 계류장이 급속히 늘어날 것으로 예측하고 있다.소파시스템은 마리나 시설 내 해양레저를 목적으로 하는 레저선박 계류시설의 안정화와 가두리 양식 등 해양의 이용 및 개발을 위해 필요한 장비로서 해양의 안전에 이용이 용이하고 효율성이 있는 부소파제에 대 한 연구를 수행하였다.

†Corresponding Author 성 명 : 박제웅

소 속 : 조선대학교 선박해양공학과

주 소 : 광주 동구 필문대로 309 조선대학교 전 화 : 062-230-7132

E-mail : jwpark@chosun.ac.kr

부소파제는 파랑에너지가 집중되는 자유수면하 20%정도에 부체를 띄워 입사파랑을 제어한다[7]는 측면에서 무엇보다 대수심 해역에 적합하고, 해수의 흐름을 방해하지 않아 항내오염을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 지진의 피해를 최소화할 수 있고, 연약지반 해역에서도 쉽게 건설될 수 있다는 장점이 있어 어항 및 외해 방파제에 주로 설치되었다.

본 연구에서는 활용분야가 넓은 소파시스템을 개발 하기 위하여 항주파[3] 파랑조건에서 모형시험과 Ansys Fluent를 이용한 수치시뮬레이션을 수행하였 으며, 실해상 시험을 통하여 부소파제 시스템의 성능 을 확인하였다.

2. 설계 및 해석 2.1 기본형상에 대한 설계

부소파제의 형상은 그 형식에 따라 푼툰형, 연직판 형, 이중 L형 등으로 구분할 수 있다.

일반적으로 기존 푼툰형, 연직판형, 각형 부소파제

등은 어항에서 방파제 개념의 부소파제로서 마리나와 가두리양식에서는 그 효율성이 떨어지는 것으로 알려 져 있다.

따라서, 현재 마리나 시설 및 가두리 양식에 적용한 사례가 있는 부소파제를 바탕으로 Fig. 1의 쌍동형 부 소파제를 개념설계의 기본형상으로 결정하고, Fig. 2.

의 연직판형 및 수평판 부착 부소파제에 대한 설계를 수행하였다.

L 1,100㎜

B 1,000㎜

D 700㎜

d 300㎜

L' 30㎜

Displacement 90㎏

Fig. 1. Breakwater equipment of the catamaran type.

(a) Horizontal plate

(b) Multi-flat layer (c) Vertical plate

(d) Multi-flat layer (e) Multi-flat layer with Vertical plate with Horizontal plate

Fig. 2. Wave breakwater type for computational analysis.

2.2 부소파제 유동해석

본 연구에서는 부소파제 형상에 따른 성능비교를 위 하여 ANSYS Fluent 유동해석 프로그램을 사용하였 으며, Fig. 3.의 격자 생성은 Gambit을 사용하였다.

격자의 형상은 파도구현에 적합한 사각격자의 사용과 적정성(Resolution)은 부소파제 형상과 자유수면 방 향으로 격자 조밀도를 증감시켜가며 수치해석 해가 수 렴하도록 하였다.

Fig. 3. Grid generation of wave breakwater model.

Fig. 4는 경계조건을 적용하기 위한 부소파제 유동 해석 영역의 유동의 흐름을 도식한 것이다. 규칙파가 생성되는 입구는 부소파제 형상에 의해 발생된 반사파 의 영향을 받지 않게 하고, 안정화된 파도조건이 진행 되도록 파장(λ)의 5배 이상으로 길이를 설정하였다.

Fig. 4. Boundary conditions of wave breakwater model.

2.3 부소파제 유동해석 결과

Fig. 2. 부소파제의 각 형상에 대한 유동해석 결과 를 Fig. 5. 및 Table1.에 비교 정리하였다.

Fig. 5.는 각 부소파제의 입사파와 전달파에 대한 계산결과의 파형 비교를 나타낸 것이며, Table 1.은 입사파(Hi)와 전달파(Ht)의 파고변화에 대한 계산결 과(Ht/Hi) 비율을 나타낸 것이다.

유의파고(H1/3)와 λ/L=6.35에서 각 부소파제의 입사파(Hi) 및 전달파(Ht)의 비교에서 Fig. 2.(a)의 수평판 부착 부소파제는 약 40%, (b)의 다층판 부소 파제는 약 16%, (c)의 수직격판 부소파제는 약 12%, (d)의 다층판과 소파제 내에 수직격판을 부착 한 부소파제는 약 16%, (e)의 다층판과 소파제 하부 에 수평판을 부착한 부소파제는 약 46%의 소파성능 을 보였다.

Incident wave Transmitted wave

(a) Horizontal plate type

(b) Multi-layer plate

(c) Vertical plate

(d) Multi-layer with Vertical plate

(e) Multi-layer with Horizontal plate

Fig. 5. Comparison of wave patterns between incident and transmitted wave at H_1/3 wave condition Table 1. Comparison of wave hight ratio(Ht/Hi) between incident and transmitted wave at H_1/3 wave

condition wave

period (sec)

wave Length

(m) λ/L

incident wave

hight (m)

transmitte d wave

hight (m)

Ht/Hi Break

water Type

T λ Hi Ht

2.9905 13.9626 6.35 0.1926

0.1147 0.5955 (a) 0.1612 0.8370 (b) 0.1711 0.8851 (c) 0.1616 0.8360 (d) 0.1039 0.5397 (e)

3. 모형시험 3.1 모형시험

부소파제에 의한 파랑변형, 부체의 동요 및 계류형 태 등의 상호작용 문제를 대상으로 하는 모형시험에서 는 Table 2.의 Froude의 상사법칙[7]을 적용하였다.

Table 2. Physical quantity scale on the Froude's similarity law

Item Scale ratio Note Dimensions, Depth

of water, Wavelength, Center

location, Draft

^ ^ ^′

^: Similarity ratio of length

^′: Length of Model

: Length of Circle Wave period, Time,

Resonance period ^ ^^

Displacement ^ ^^

Fig. 6.의 모형 부소파제는 쌍동형 기본형상과 부 착된 다층판의 기본형상을 나타낸 것이다.

Fig. 6. Basic model of catamaran type breakwater and multi-layer plate. (Unit : mm)

모형시험은 Fig. 7의 서일본유체기술연구소(F.E.L., West Japan Fluid Engineering Laboratory Co., Ltd,)의 Ocean Simulation Tank에서 수행하였으 며, 조파수조 제원은 길이 60.2m, 폭 4.0m, 높이 6,0m 이다.

Fig. 7. Ocean simulation tank of F.E.L.

Fig. 8.은 부소파제의 앵커링 방식이 소파성능에 미치는 영향을 검토하기 위하여 쌍동형 부소파제의 연 결방식에 따라 체인형(case1), 와이어스프링형(case2),

완전고정형(case3)으로 분류하고, 완전고정형에서는 다층판 부착간격에 따른 소파성능을 파악하기위하여 case4(간격 150mm)와 case5(간격 75mm)에 대한 시험을 수행하였다.

Chain type(case1) SpringㆍWire Type(case2)

Fixed Type(case3)

Fig. 8. Breakwater connection method for model test 시험조건의 입사파는 국내의 부소파제 관련 연구조 사[5]를 통하여 주기(T)는 3.85sec, 파장(λ)은 23.12m 를 선정하고, 파고는 일본 FEL에서 조사한 내항에서 자료 0.25m를 반영하였다. 모형시험에서의 입사파랑 은 규칙파로서 입사파의 주기는 0.88~2.72sec (약 0.6sec 간격)이며, 실 해상의 주기로는 1.25~3.85sec 정도에 해당된다.

모형시험에서의 입사파랑 조건은 Table 3.에 나타 내었다.

Table 3. Incident wave conditions on the model test

Wave No. 1 2 3 4 5 6

Period(sec) 0.64 0.88 1.34 1.80 2.26 2.72 Wave length(m) λ 0.63 1.22 2.82 5.07 7.99 11.56

Velocity(m/sec) 0.99 1.38 2.10 2.81 3.53 4.25 Height(m) h 0.063 0.125 0.125 0.125 0.125 0.125 Model length(m) L 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1

λ/h 10.1 9.8 22.5 40.6 63.9 92.5 λ/L 0.57 1.11 2.56 4.61 7.26 10.51 Fig. 9. 는 일본 FEL의 해양수조에서 파고변화에 따른 쌍동형 부소파제의 성능시험을 나타낸 것이다.

Fig. 9. Breakwater test in the ocean simulation tank 3.2 시험 및 해석에 대한 고찰

Fig. 10.은 부소파제의 앵커링 방식(case1 ~ case5)에 있어서 파장과 부소파제 길이 비(λ/L)에 따 른 전달파와 입사파와의 비(Ht/Hi)의 모형시험 결과 를 나타낸 것이다.

λ/L이 0.57(T=0.64sec)에서 10.51(T=2.72sec) 범위에서 완전고정형(case3)의 소파성능이 우수한 것 으로 나타나고 있으며, λ/L이 0.57 ~ 1.11 사이에 서는 약 70~85%의 소파성능과 λ/L이 3.0 이상이 되는 영역에서는 약20% ~ 30%의 소파성능을 나타 냈다.

Fig. 10. Rate of wave change according to wave period

Fig. 11.은 완전고정형(case3)에 대한 수치해석과 모형시험결과를 비교한 것으로, 시험 및 해석결과와의 오차는 입사파에 대한 반사파의 중첩의 결과에 기인된 것으로 판단되며, 해석 모델에서는 입사파가 중첩되지 않은 데이터를 사용하였다.

Fig. 12.는 Fig. 2.의 각 부소파제 형상에 대해 λ /L이 6.4~7.0 부근의 장파장 영역에서의 해석결과와 모형시험결과를 비교한 것이다.

Fig. 11. Comparison of Ht/Hi between CFD and model test.

Fig. 12. Rate of wave change on significant and maximum wave.

λ/L이 6.4 부근에서 다층판과 소파제 하부에 수평 판을 부착한 부소파제(Fig. 2. case e)의 해석결과는 소파성능이 약 50% 정도로 가장 우수한 것으로 나타 나고 있으며, 다음으로 수평판 부착이 40%, 다층판 부착은 20% 정도의 소파성능을 나타내는 것으로 계 산되었다.

4. 결 론

본 연구에서는 항주파로부터 파랑 안정화를 위한 고 정형 부유식 구조물의 형상개발을 수행하고 수조시험 을 통하여 각 제원에 대한 특성을 파악하였다. 최적형 상에 대한 유동해석을 통하여 상대적 파랑 안정화 모 델을 도출하였다.

자유수면에 인접한 장방향 평판은 장주기 파랑 안정 화에 효과가 있는 것으로 확인하였다.

쌍동형 다층판 수평판형 부유식 구조물은 자유수면 의 파랑 제어에 효과적이며, 다층판 사이 또는 쌍동형 구조물과 수평판 사이의 유동흐름을 제어함으로써 구 조물 후방의 파고 및 유동제어에 효과가 있음을 알 수 있었다.향후 연구로는, 국내 및 일본의 부소파제 개발 사례 [7]에서와 같이 설치해역에 적합한 부소파제의 기본형 상 결정 및 현장실증시험 등 다양한 부유식 구조물의 계류형태에 대한 연구가 필요한 것으로 사료된다.

후 기

본 연구는 2016년도 조선대학교 교내연구비 지원으 로 수행되었습니다.

참고문헌

[1] Jung, D., D., “A Study on the Measurement of Ship Wave”, Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety, 297-301 (2008).

[2] Son, K., H., "Ocean wave mechanics", Dasom Publishing Co. (2010).

[3] Hong, N., S., Kim, J., S., “Numerical Simulation of Ship Wave in Busan New Port", Ocean Resources Reserch Institute Dong-A University, Vol.20, 39-45 (2008).

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"A Study of Wave Control by New Type Floating Breakwater“, Journal of Korean society of coastal and ocean engineers, 1-9 (2004).

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[7] 포스코건설, ”부소파제의 파랑제어 해석법과 기술 개발 사례 및 설치현장 조사“, 19-23 (2003)