본 소개 자료는 “Journal of the Korean Society of Civil Engineers”에서 발행한 “변수심에서의 항주파 파형 예측 및 FLOW-3D에 의한 검증”논문을 기반으로 합니다.
연구 배경 및 목적
문제 정의
- 항주파(ship waves)는 선박의 이동으로 인해 발생하는 파랑으로, 이는 선박의 속도, 수심 및 해안 구조물에 따라 다르게 나타남.
- 기존의 항주파 연구는 일정한 수심을 가정한 연구가 많았으며, 변수심에서의 항주파 예측 연구는 부족한 상황.
- Kelvin(1887)의 이론은 심해 조건에서만 유효하며, 중간 수심(intermediate-depth)이나 변수심(varying water depth)에 적용하기 어렵다.
연구 목적
- Kelvin(1887)의 항주파 이론을 확장하여, 변수심에서도 적용 가능한 이론식을 개발.
- FLOW-3D를 활용하여 수치 해석을 수행하고, 개발된 이론식의 정확성을 검증.
- 선박이 이동할 때 항주파의 형상이 어떻게 변하는지 분석하여 해안 및 항만 설계에 기여.
연구 방법
항주파 이론식 개발
- 기존 Kelvin(1887) 이론의 선형 분산 관계식(dispersion relation)의 순환 관계를 이용하여 확장된 항주파 이론식을 유도.
- 중간 수심(intermediate water depth)과 변수심(varying water depth)에서도 적용 가능하도록 개선.
수치 실험(FLOW-3D) 설정
- 수치 모델:
- 계산 영역: 1000m × 250m × 30m
- 격자 간격: △x = 2m, △y = 1m, △z = 0.5m
- 선박 속도: 6m/s, 8m/s
- 수심 조건: hc = 10m, hd = 15m, hs = 5m
- 바닥 경사: 1/100, 1/61
- FLOW-3D 모델링 기법:
- VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적
- RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 방정식을 이용한 난류 해석
- Havelock(1908)의 최대 파향각(cusp locus angle) 이론과 비교하여 검증 수행
주요 결과
이론식과 FLOW-3D 시뮬레이션 비교
- FLOW-3D 결과는 개발된 이론식과 높은 일치도를 보임.
- 바닥 경사가 급할수록, 선박 항적 중심선의 좌우 비대칭성이 증가.
- 얕은 쪽에서는 굴절로 인해 파향선이 해안선과 평행,
- 깊은 쪽에서는 역굴절(reverse refraction)로 인해 파향선이 해안선과 직각.
- 선박 속도 증가 시, 최대 파향각이 커지는 경향을 보임.
- 오차 분석 결과, RMSE(root mean squared error)가 4% 이내로 이론식과 수치 해석이 잘 일치.
결론 및 향후 연구
결론
- FLOW-3D 시뮬레이션을 통해 변수심에서도 항주파 형상을 정확히 예측할 수 있음을 검증.
- 이론식은 중간 수심 및 변수심에서도 높은 정확도를 보이며, 기존 Kelvin(1887) 이론의 한계를 극복함.
- 바닥 경사가 급한 경우, 해안선 가까운 영역에서는 항주파의 형상이 크게 변함을 확인.
향후 연구 방향
- 더 다양한 해저 지형과 수심 조건에서 항주파 전파 특성 분석.
- 현장 실험을 통해 FLOW-3D 시뮬레이션 결과의 검증 강화.
- 해양 구조물 설계 및 연안 보호를 위한 최적 설계 모델 개발.
연구의 의의
본 연구는 변수심에서도 적용 가능한 항주파 예측 이론을 제시하고, FLOW-3D를 활용하여 검증을 수행함으로써, 항주파 분석의 정확성을 높이는 데 기여하였다. 이는 해안 공학 및 항만 설계에 중요한 기초 자료를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.
References
- Havelock, T. H. (1908). “The propagation of groups of waves in dispersive media, with application to waves on water produced by a travelling disturbance.” Proceedings of the Royal Society of London, Series A, pp. 398-430.
- Kelvin, W. T. (1887). “On the waves produced by a single impulse in water of any depth.” Proceedings of the Royal Society of London, Vol. 42, pp. 80-83.
- Lee, C., Lee, B. W., Kim, Y. J., and Ko, K. O. (2011). “Ship wave crests in intermediate-depth water.” Proceedings of the 6th International Conference on Asian and Pacific Coasts, Hong Kong, pp. 1818-1825.
- Taylor, D. W. (1943). The Speed and Power of Ships. U.S. Government Printing Office.