3.4 수리모형실험
3.4.3 폰툰형 부소파제의 실험결과 및 고찰
Photo 3.9. 장력계. Photo 3.10. 동적변위계.
Photo 3.11. 가속도계.
도 보편적인 형상의 부소파제이며, 파랑제어방식으로 반사방식에 속한다. 연구⋅개발 되는 대부분의 신형식 부소파제에서도 기본적으로 폰툰형을 채용하고, 이에 여러 가 지 아이디어를 부가하는 형식을 취하고 있다. 따라서, 연구⋅개발되는 신형식 부소파 제의 기능에 대한 유효성을 검토하기 위해서는 먼저 폰툰형 부소파제의 기능성과 대 비될 필요가 있다. 다음의 Photo 3.11에 수조내에 설치된 폰툰형 부소파제의 수리실 험상황을 나타낸다.
Table 3.2. 실험조건.
CASE NO.
RUN NO.
수리모형실험조건(1/20) 현지환산조건
L/B 주기(sec) 파고(cm) 파장(cm) 주기(sec) 파고(cm) 파장(cm)
A
1 0.6 3 56.15 2.68 60 1123.0 1.70
2 0.7 3 76.43 3.13 60 1528.6 2.32
3 0.8 4 99.81 3.58 80 1996.2 3.02
4 0.9 4 126.19 4.02 80 2523.8 3.82
5 1.0 5 155.25 4.47 100 3105.0 4.70
6 1.1 5 186.34 4.92 100 3726.8 5.65
7 1.2 6 218.65 5.37 120 4373.0 6.63
8 1.3 6 251.46 5.81 120 5029.2 7.62
9 1.4 7 267.89 6.26 140 5357.8 8.61
10 1.5 7 316.84 6.71 140 6336.8 9.60
B
11 1.0 9 155.25 4.47 180 3105.0 4.70
12 1.1 9 186.34 4.92 180 3726.8 5.65
13 1.2 10 218.65 5.37 200 4373.0 6.63
14 1.3 10 251.46 5.81 200 5029.2 7.62
15 1.4 11 267.89 6.26 220 5357.8 8.61
16 1.5 11 316.84 6.71 220 6336.8 9.60
Photo 3.11. PTFB의 실험상황.
(1) 고유주기
폰툰형 부소파제의 고유주기
을 측정한 결과가 Fig. 3.8에 주어져 있다. 결과에 의하면 회전운동 및 연직운동의 고유주기는 동일하게
0.84sec로 주어지며, 두 운동에 대한 고유주기의 차이는 없는 것을 알 수 있다. 따라서, 이의 값들로부터 입 사파랑의 주기
≈0.8sec에서 폰툰형 부소파제의 회전운동 및 연직운동이 크게 될 것이고, 동시에 전달율이 낮아질 것으로 판단된다.(2) 파랑제어
Table 3.2에 주어진 실험조건에 대해서 작은 파고를 입사(폰툰형 부소파제의 각 물
리량에서 동일)시킨 경우에 폰툰형 부소파제에 의한 파랑제어특성을 나타낸 결과가
Fig. 3.9에 주어져 있다. 그림에서는 고유함수전개법에 의한 수치해석결과와 특이점분
포법에 의한 수치해석결과를 함께 나타내었으며, 특이점분포법에서는 부체와 유체운 동과의 마찰 및 우각부에서 발생하는 渦 등에 의한 파랑에너지감쇠를 나타내는 감쇠 율 의 값, 0, 0.05, 0.1의 변화에 따른 파랑변형의 결과도 동시에 나타내고 있
다. 수리실험결과와 비교하면, 고유함수전개법은 구조물에 의한 마찰과 渦의 형성에 의한 파랑에너지감쇠를 고려하지 않기 때문에 실험치에 비해 다소 높은 값을 나타낸 다. 그리고, 특이점분포법에서 0의 경우도 선형저항력을 고려하지 않기 때문에 단주기측의 반사율과 장주기측의 전달율에서 각각 수치해석결과가 다소 큰 값을 나 타내지만, 고유함수전개법에 비해 전달율의 극소치가 더 작은 값을 나타내며, 반사율 의 극소치는 단주기측으로 이동되었음을 볼 수 있다. 특이점분포법에서는 전체적으로
0.1의 수치해석결과가 실험치와의 대응성이 매우 향상되어 실험치를 정도 높게
예측할 수 있다는 것을 알 수 있다. 이로부터 직사각형상을 갖는 폰툰형 부소파제의 경우에는 0.1의 값을 적용하는 것이 합당한 것으로 판단된다.
(a) Rolling(
0.84sec). (b) Heaving(
0.84sec).Fig. 3.8. 고유주기(PTFB).
주기의 변화에 따른 파랑변형의 변화를 살펴보면 주기가 증가함에 따라 반사율은 감소하지만, 전달율의 경우에는 부체의 고유주기와 대략적으로 일치하는
≈0.78sec 에서 최소치
≈0.1을 나타내고 이후에 전달율이 증가하는 현상을 볼 수 있고, 대략
0.8인
1.1sec의 영역에서는 대부분의 파랑에너지가 부소파제의 배후로전달되는 것을 알 수 있다. 여기서, 폰툰형 부소파제의 파랑제어기능성을 평가하면 전달율이
0.5인 영역은
0.87sec인 주기영역으로 주어지며, 현지파랑으로 환산하면 3.89sec보다 작은 극히 단주기파랑에 대해서만 파랑제어기능을 갖는 것으로
판단된다. 이와 같은 결과는 폰툰형 부소파제의 일반적인 파랑제어기능의 특성이며, 이를 개량하기 위해서는 부소파제의 고유주기를 보다 장주기측으로 이동시킬 수 있
는 광폭의 폰툰형 부소파제가 요구된다. 그러나, 확폭에 따른 제작경비의 증가 및 구 조적인 불안정성 때문에 확폭에는 한계가 있을 수 있다.
다음으로 0.1의 경우에 있어서 특이점분포법에 의한 수치해석결과의 타당성을 살펴보면 주기의 변화에 따른 파랑변형의 변화경향은 실험치와 매우 잘 일치하고 있
으며,
≦0.7sec의 단주기측의 반사율에서 수치해석결과 및 실험결과에 약간의 차이가 나타나지만 전반적으로 두 결과치가 잘 일치하는 것으로 판단되므로 이 수치해 석결과의 타당성을 확증할 수 있다.
0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6
T(sec)
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Ct & Cr
Cr(this study, comp., EEM) Ct(this study, comp., EEM) Cr(this study, comp., SDM, fc=0.0) Ct(this study, comp., SDM, fc==0.0) Cr(this study, comp., SDM, fc==0.05) Ct(this study, comp., SDM, fc=0.05) Cr(this study, comp., SDM, fc==0.1) Ct(this study, comp., SDM, fc==0.1) Cr(this study, exp., case A) Ct(this study, exp., case A)
Fig. 3.9. 반사율과 전달율(PTFB).
(3) 에너지감쇠
Fig. 3.10은 폰툰형 부소파제에 의한 파랑에너지의 감쇠를 나타낸 결과이다. 파랑에
너지감쇠
은 다음의 식으로 정의된다.
(3.56) 결과에 의하면 주기의 증가에 따라 에너지감쇠율은 커지고, 주기 0.8sec 부근에서 최대치의 에너지감쇠 80%정도를 나타내며, 이후에는 감소한다. 이러한 주기의 변화 에 따른 수치해석결과와 수리실험결과의 변화과정이 잘 일치하며, 두 값의 대응성은 전반적으로 만족스럽다. 여기서, 최대에너지감쇠율은 폰툰형 부소파제에 있어서Heave 및 Roll의 고유주기에 대응되며, 이와 같은 결과는 전술한 바와 같이 Heave 및
Roll의 고유주기에서 부체의 운동이 크게 되어 우각부에서 강한 와가 형성되고, 동시
에 부체구조물과 파랑운동과의 사이에 큰 마찰이 발생하여 결과적으로 많은 파랑에
너지가 소산되기 때문이다.
0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6
T(sec)
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
EL
this study (comp.) this study (exp., case A)
Fig. 3.10. 에너지감쇠율(PTFB).
(4) 부체의 운동
폰툰형 부소파제에 대한 重心의 수평운동(Swaying)을 나타낸 결과가 Fig. 3.11에 주 어져 있다. 결과에 의하면 고유주기대에서 약간의 변곡점이 나타나지만 주기의 증가 에 따른 무차원수평운동의 변화경향은 수치해석결과와 실험치 모두 증가하는 경향을
나타내며,
≧1.3sec의 영역에서는 두 해석결과 사이에 약간의 차이를 볼 수 있지만 전체적으로는 잘 일치하고 있다. 여기서,
≈0.8sec에서 변곡점이 발생하는 것은 수평운동과 회전운동이 연성운동을 하기 때문이며, 이는 후술하는 회전운동에서0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6
T(sec)
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6
X1/(H/2)
this study (comp.) this study (exp., case A)
Fig. 3.11. Swaying(PTFB).
고유주기에 대응한다. 수평운동에서 주기가 길어지면 운동량이 증가하는 것은 계류라
인이 Catenary계류되어 있기 때문이며, 계류라인이 긴장계류되어 있는 경우에는
Catenary의 경우와는 상이한 결과를 나타내는 것이 일반적이다.
다음의 Fig. 3.12에는 폰툰형 부소파제에 대한 重心의 연직운동(Heaving)을 나타낸
결과가 주어져 있다. 그림을 살펴보면 주기가 증가함에 따라 무차원연직운동의 최대 값이 주어지는
≈0.9sec까지는 무차원연직운동이 증가하는 경향을 나타내고, 이후 에 대해서는 약간 감소하지만 거의 일정한 값을 나타내고 있다. 여기서, 무차원연직 운동의 최대값이 나타나는
≈0.9sec는 전술한 고유주기에서 연직운동의 고유주기 에 대응된다는 것을 알 수 있다. 여기서, 연직운동의 고유주기대에서 최대의 연직운 동을 나타내고, 좌우의 주기대에서 운동량이 감소하여 가는 경향은 부소파제의 연직 운동에서 나타나는 일반적인 특징으로 알려져 있다. 그리고, 실험결과와 수치해석결 과의 대응성은 주기의 변화에 따른 운동의 변화과정과 운동량에서 매우 잘 일치하고 있다.0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6
T(sec)
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6
X2/(H/2)
this study (comp.) this study (exp., case A)
Fig. 3.12. Heaving(PTFB).
폰툰형 부소파제에 대한 重心의 회전운동(Rolling)을 나타낸 결과가 Fig. 3.13에 주 어져 있다. 그림으로부터 주기가 증가함에 따라 무차원회전운동의 최대값이 주어지는
≈0.84sec까지는 무차원회전운동이 증가하는 경향을 나타내고, 이후에 대해서는 감소하는 경향을 볼 수 있다. 여기서, 무차원회전운동의 최대값이 나타나는
≈0.84sec는 전술한 고유주기에서 회전운동의 고유주기에 상당하는 것을 알 수 있다.
따라서, 연직운동의 경우와 동일하게 회전운동의 고유주기에서 최대의 회전운동을 나
타내고, 좌우의 주기대에서 운동량이 감소하여 가는 경향을 볼 수 있으며, 이는 부소 파제의 회전운동에서 나타나는 일반적인 특징이다. 그리고, 실험결과와 수치해석결과 의 대응성은 주기의 변화에 따른 운동의 변화과정과 운동량에서 잘 일치하고 있다. 또한, 입사파고의 차이에 따른 두 실험결과에서 차이는 미소하므로 폰툰형 부소파제 의 회전운동에서는 비선형성의 영향이 탁월하지 않은 것으로 판단된다.
부체의 연직운동 및 회전운동은 파동장에서 발산파로 나타나고, 이는 입사파 및 전 달파와 위상차를 가지므로 파랑이 제어된다. 따라서, 두 운동의 결과는 파랑변형에 직접적인 영향을 미치고, 두 운동의 고유주기대 근방에서 전달파가 작아지는 결과로 나타난다.
0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6
T(sec)
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6
X3/(B/2)/(H/2)
this study (comp.) this study (exp., case A)
Fig. 3.13. Rolling(PTFB).
(5) 표류거리
다음의 Fig. 3.14는 비선형파랑의 질량수송속도에 기인한 표류력(Drift force)으로 발
생하는 부체의 표류거리
를 입사파장
로 무차원하여 주기의 변화에 따라 무차 원표류거리
를 나타낸 결과이다. 일반적으로 부체의 단위길이당 표류력은 다음 의 식으로 표현된다.
(3.57) 위의 식으로부터 파랑에너지가 보존되는 경우에는
로 나타낼 수 있 기 때문에 기본적으로 표류력 및 표류거리는 반사율의 함수로 주어진다.폰툰형 부소파제의 파랑변형을 나타낸 Fig. 3.9의 반사율의 변화과정과 수리실험에
의한 Fig. 3.14의 무차원표류거리의 변화과정은 주기의 변화에 따라 동일한 경향을
나타내는 것을 알 수 있다. 이로부터도 장주기측으로 될수록 반사율이 작아지고 대부 분의 입사파랑이 전달된다는 것을 추정할 수도 있을 것이다. 그림에서 무차원표류거
리가 (-)의 값을 나타내는 것은 이론적으로는 있을 수가 없지만, 수리실험에서는 수조
내의 소파공에 의한 소파가 완전하지 않아 일부의 파랑에너지가 재반사되기 때문인 것으로 판단된다.
0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6
T(sec)
-3.0 -2.0 -1.0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0
Dd/L ( x10-2)
this study (exp., case A)
Fig. 3.14. 표류거리(PTFB).
(6) 계류라인의 장력
계류라인의 장력에서, 특히 Catenary계류되어 있는 경우에는 비선형성이 매우 강하 게 나타나며, 이는 부소파제의 일반적인 특징이다. 따라서, 계류라인의 장력을 수치해 석적으로 산정하는 것은 매우 어렵고, 일반적으로 기존의 수리실험결과에 기초하여 추정하거나 수리실험으로부터 산정한다.
Fig. 3.15에 주기의 변화에 따른 무차원장력치(
은 계류장력,
는 공기중에서부소파제의 중량)의 변화를 나타내고 있다. 최대무차원장력은 0.17정도의 값을 나타 내고 있으며, 최대장력은 부소파제 중량의 대략 17%정도에 이른다는 것을 알 수 있
다.
0.6, 0.7, 0.9 및 1.1sec의 경우에 계류라인의 장력은 계류삭에 인발되는 힘이거의 작용하지 않기 때문에 Catenary로 되는 계류라인의 길이의 시간변화에 따른 계 류라인의 변동중량이 대부분을 차지하게 된다. 이와 같은 장력의 특성은 일반적으로 입사파랑조건, Sinker의 위치 및 중량과 계류라인의 총길이 등과 같은 설치조건에 민 감하게 반응하므로 수리실험으로부터 정확히 추산하는 것이 중요하다. 일반적으로 입 사주기가 길어지면 유체운동의 궤적이 길어지고, 이에 따라 부체의 수평운동이 커지