Fig.3. Wave profile for probe distance at 46m

FLOW-3D를 이용한 해안 식생의 파랑 감쇠에 대한 수치 모델링

1. 서론

  • 해안 식생(예: 해초)은 파랑 저감, 토양 침식 방지 및 해저 안정화 등 다양한 생태적 기능을 수행함.
  • 본 연구는 침수된 식생이 파랑 감쇠 역할을 수행하는 효율성을 수치적으로 분석함.
  • FLOW-3D®를 이용하여 파랑-식생 상호작용을 3차원 모델링하고, 기존 실험 데이터(Manca et al., 2012)와 비교하여 검증함.

2. 연구 방법

FLOW-3D 기반 CFD 모델링

  • VOF(Volume of Fluid) 기법을 이용하여 자유 수면 추적.
  • Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS) 방정식을 사용하여 유동 해석 수행.
  • 난류 모델: RNG k-ε 모델 적용.
  • 경계 조건:
    • 유입: 유량 조건(volume flow rate).
    • 유출: 자유 배출(outflow) 조건.
    • 벽면: No-slip 조건 적용.
  • 식생 특성 변수:
    • 해초 초장의 길이(L), 개체 간 간격(SP), 밀도(N), 식물 높이(hs), 식물 두께(t) 반영.
  • 파랑 특성 변수:
    • 파고(H), 수심(h), 주기(T) 적용.

3. 연구 결과

파랑 감쇠 특성 분석

  • FLOW-3D 시뮬레이션 결과와 실험 데이터(Manca et al., 2012) 비교 시 오차율 10% 이내로 확인됨.
  • 파랑 감쇠율(H/H₀)은 식생 밀도가 높을수록 증가.
  • 서브머전스 비율(submergence ratio, hs/h)이 0.32일 때 식생 밀도(N=180 stems/m², 360 stems/m²) 증가에 따른 감쇠율 차이 2% 내외.
  • 파랑 감쇠는 중간 밀도의 식생에서 가장 효과적이며, 너무 높은 밀도에서는 유체 흐름이 차단되어 감쇠 효과가 감소함.

4. 결론 및 제안

결론

  • FLOW-3D 모델을 활용한 해안 식생의 파랑 감쇠 분석이 높은 신뢰성을 가짐.
  • 파랑 감쇠율은 식생 밀도 및 식생 초장에 영향을 받으며, 적절한 밀도 조절이 중요함.
  • CFD 기법을 활용한 모델링이 지속 가능한 연안 보호 설계에 유용한 정보를 제공할 수 있음.

향후 연구 방향

  • 다양한 파랑 조건에서 추가적인 실험 및 시뮬레이션 수행.
  • LES(Large Eddy Simulation) 난류 모델과 비교 연구.
  • 실제 현장 데이터를 활용한 모델 검증.

5. 연구의 의의

본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 해안 식생의 파랑 감쇠 효과를 정량적으로 분석하고, 실험 데이터를 통해 모델의 신뢰성을 검증하였다. 연안 보호 및 지속 가능한 해양 환경 설계에 기여할 수 있는 데이터 및 분석 방법을 제공한다.

Fig.3. Wave profile for probe distance at 46m

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