Figure 4. Modeling of variant 1 with the movement of waves in the port water area

본 소개 자료는 ‘IOP Conference Series: Materials Science and Engineering’에서 발행한 ‘FLOW-3D software for substantiation the layout of the port water area’ 논문을 기반으로 합니다.

Figure 4. Modeling of variant 1 with the movement of waves in the port water area
Figure 4. Modeling of variant 1 with the movement of waves in the port water area

1. 서론

  • 항만 설계 시, 방파제를 통한 내부 수역의 파랑 차단이 필수적이며, 이를 위해 최적의 항구 입구 배치 및 규모를 결정해야 함.
  • 항만 수역은 파랑, 퇴적물 축적, 그리고 결빙으로부터 보호되어야 하며, 이를 위해 물리적·수치적 모델링이 필요함.
  • 본 연구에서는 FLOW-3D를 활용하여 항만 입구 배치 및 설계 변수들이 항만 내부 수역의 흐름 및 안전성에 미치는 영향을 분석하고자 함.

2. 연구 방법

FLOW-3D 기반 CFD 모델링

  • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면을 추적.
  • 유체 해석을 위한 유한체적법(Finite Volume Method, FVM) 기반의 고정 격자 기법 사용.
  • FLOW-3D의 다중 격자(Multi-block Grid) 기능을 활용하여 계산 효율성 향상.
  • 항만 설계를 위한 입력 데이터:
    • 설계 풍속: 20m/s
    • 설계 파고: 1.0m, 주기 T = 5s
    • 설계 수위: 최저 11.50m, 운영 수위 12.00m, 최고 수위 15.00m

3. 연구 결과

다양한 항만 입구 배치에 따른 유동 특성 비교

  • 총 5가지 항만 입구 배치를 고려하여 항만 내부 유속 및 흐름 패턴을 분석.
  • 항만 입구 폭 및 위치에 따른 주요 결과:
    • 입구가 상단(Variant 1) 또는 이중 입구(Variant 2)일 경우, 내부 유속이 불균형하여 계류 안정성이 낮아짐.
    • 입구가 하단(Variant 3)일 경우, 내부 흐름이 균형을 이루며 정박 시 안전성이 가장 높음.
    • 입구 폭이 60m(Variant 5)로 증가할 경우, 외해의 파랑이 거의 그대로 내부로 전달되며, 방파제의 차단 효과가 감소.
    • 입구 폭이 20m(Variant 4)로 좁아질 경우, 항구 내부에서 난류(circulation)가 형성되어 선박 기동성이 저하.

계류 및 선박 기동성 평가

  • 항만 내 특정 지점(A, B, C)에서의 수심 변화를 분석하여 계류 안정성을 평가.
  • Variant 3에서 항만 내 수심 변화가 가장 적고, 계류 안정성이 가장 높음.
  • Variant 4의 경우, 항구 입구 폭이 좁아지면서 난류가 증가하고, 선박 기동성이 제한됨.
  • Variant 5의 경우, 외해 파랑이 내부까지 도달하여 계류 조건이 불안정해짐.

4. 결론 및 제안

결론

  • FLOW-3D 기반 시뮬레이션을 통해 항만 수역 내 유동 특성을 정량적으로 분석할 수 있음.
  • 입구 위치가 하단에 있으며(Variant 3), 폭이 40m일 때 가장 안정적인 계류 환경을 제공.
  • 입구 폭이 과도하게 좁아질 경우(Variant 4), 난류가 증가하여 선박 운항이 어려워지고, 반대로 폭이 과도하게 넓을 경우(Variant 5), 외해 파랑이 항만 내부까지 침투하는 문제가 발생.

향후 연구 방향

  • 다양한 파랑 조건 및 조류 영향에 대한 추가 연구 필요.
  • 실제 항만 데이터를 활용한 모델 검증 연구 수행.
  • 다양한 방파제 형상 및 재료 특성을 고려한 추가 시뮬레이션 진행.

5. 연구의 의의

본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 항만 입구 배치 및 방파제 설계가 항만 내부 유동 및 계류 안정성에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다. 이를 통해 향후 항만 설계 및 운영 최적화를 위한 실질적인 설계 지침을 제공할 수 있음.

Figure 1. Sketch map of the port Laozi on Lake Hongze
Figure 1. Sketch map of the port Laozi on Lake Hongze
Figure 3. Port water area plan
Figure 3. Port water area plan
Figure 4. Modeling of variant 1 with the movement of waves in the port water area
Figure 4. Modeling of variant 1 with the movement of waves in the port water area

6. 참고 문헌

  1. SP 350.1326000.2018. 2018 Norms for technological design of sea ports (Moscow: Standartinform) p 226
  2. SP 444.1326000.2019. 2019 Standards for the design of sea channels, fairways and maneuvering areas (Moscow: Standartinform) p 62
  3. SP 38.13330.2012. 2014 Loads and impacts on Hydraulic structures (from wave, ice and ships) (Moscow: Ministry of Regional Development of the Russian Federation) p 112
  4. Rijnsdorp D P Smit PB and Zijlema M 2012 Non-hydrostatic modelling of infragravity waves using SWASH. Proceedings of 33rd Conference on Coastal Engineering. pp 1287-1299
  5. Kantardgi I G Zheleznyak M J 2016 Laboratory and numerical study of waves in the port area. Magazine of Civil Engineering No 6 pp 49-59 DOI: 10.5862/MCE.66.5
  6. Zheleznyak M J Kantardgi I G Sorokin MS and Polyakov A I 2015 Resonance properties of seaport water areas Magazine of Civil Engineering № 5(57) pp 3-19 DOI:10.5862/MCE.57.1
  7. Kantarzhi I Zuev N Shunko N 2014 Numerical and physical modelling of the waves inside the new marina in Gelendjik (Black Sea) Application of physical modelling to port and coastal protection. Proceedings of 5th international conference Coastlab (Varna) Vol 2 pp 253-262
  8. Makarov KN and Chebotarev A G 2015 Breakwater placement at the root of a seawall Magazine of Civil Engineering № 3(55) pp 67-78 DOI: 10.5862/MCE.55.8
  9. Belyaev N D Lebedev V V and Alexeeva A V 2017 Investigation of the soil structure changes under the tsunami waves impact on the marine hydrotechnical structures V 10 № 4 pp 44-52 DOI: 10.7868/S2073667317040049
  10. Lebedev V V Nudner I S and Belyaev N D 2018 The formation of the seabed surface relief near the gravitational object Magazine of Civil Engineering No 79(3) pp 120-131 DOI: 10.18720/MCE.79.13
  11. Kofoed-Hansen H Sloth P Sørensen OR Fuchs J 2000 Combined numerical and physical modelling of seiching in exposed new marina Proceedings of 27th international conference of coastal engineering pp 3600-3614
  12. Smit P Stelling G and Zijlema M 2011 Assessment of nonhydrostatic wave-flow model SWASH for directionally spread waves propagating through a barred basin Proceedings of ACOMEN 2011 pp 1-10
  13. Zijlema M Stelling G Smit P 2011 SWASH: An operational public domain code for simulating wave fields and rapidly varied flows in coastal waters. Coastal Engineering. № 10(58). pp 992-1012
  14. FLOW-3D® 2008 User’s Manual Version 9.3 Flow Science Inc p 821
  15. Pan Bayan and Belyaev N D 2019 Week of Science SPbPU: Proceedings of an international scientific conference The best reports. pp 3-7
  16. Girgidov A A 2011 Hybrid simulation in hydrotechnical facilities design and FLOW-3D as a tool its realization Magazine of Civil Engineering №3 pp 21-27
  17. Girgidov A A 2010 Proceeding of the VNIIG vol 260. pp 12-19
  18. Vasquez J A Walsh B W 2009 CFD simulation of local scour in complex piers under tidal flow, 33rd IAHR Congress: Water Engineering for a Sustainable Environment, © 2009 by International Association of Hydraulic Engineering & Research (IAHR) ISBN: 978-94-90365-01-1.
  19. Shan-Hwei Ou Tai-Wen Hsu and Jian-Feng Lin 2010 Experimental and Numerical Studies on Wave Transformation over Artificial Reefs Proceedings of the International Conference on Coastal Engineering (Shanghai, China) No 32
  20. Hirt C and Nichols B 1980 Volume of Fluid Method for the Dynamics of Free Boundaries Journal Comp. Phys 39 p 201.
Pan_2020_IOP_Conf._Ser.%3A_Mater._Sci._Eng._883_012020Download