일방향흐름에 의한 해류의 마찰력 계산을 위하여 Prandtl의 혼합길이 이론을 수심 전구간에 적용하고 난류의 세기와 수리조건에 따라 완난류와 전난류로 분류하여 마찰계수를 산정하는 개수로 마찰계수 산정방법을 제시하였다. 파랑과 해류의 합성류에 의한 해저마찰력을 계산하기 위하여 두 유속의 연직분포를 고려한 BYO 모형을 이러한 흐름특성을 반영하여 개선하였다. BYO 모형은 모든 유속의 연직분포가 해저면으로부터의 직선과 접선으로 만나는 점(Bijker point)을 도출하여 파운동 유속과 해류유속의 합성을 이 점에서 시행하여 일주기의 평균갑을 구하는 모형이다. 일방향흐름의 해류나 천해파에 의한 파운동이나 해저면 가까이 경계층흐름은 완난류, 천이난류, 전난류 등 세가지 종류로 대별된다. 그 중 완난류로 대별하여 두 경우에 대한 합성류 마찰력 산정방법을 제시하였다.
한국해안해양공학회 2000년도 한국해안해양공학발표논문집 Proceedings of Coastal and Ocean Engineering in Korea
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pp.133-139
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2000
일방향흐름의 해류나 천해파에 의한 파운동이나 해저면 가까이 경계층흐름은 주로 난류특성을 갖고 있으며, 난류특성은 완난류, 천이난류, 전난류 등 세 가지 증류로 대별된다. 그 중 완난류와 전난류로 대별하여 합성류 조건은 두 가지로 분류할 수 있다. 즉, 천해파와 해류가 합성될 때 해저면 가까이 난류특성 조건은 Table 1에 제시된 바와 같다. (중략)
현재 사용중인 대부분의 항만부진동 예측을 위한 수치모형은 Lee(1969), Chen and Mei(1974)의 경우와 같이 Helmholtz 방정식을 사용하고 있으나 여기에는 경계면에서의 에너지 흡수 및 해저면 마찰에 의한 에너지 감쇠가 제외되었다. 그러나, 항내 파랑응답 문제에서는 경계면에서의 흡수와 해저면 마찰에 의한 에너지 감쇠가 중요한 역할을 하는 것으로 보고되고 있다(Ganaba et al., 1982).(중략)
전난류에서 파와 해류가 합성하였을 때 발생하는 해저면 마찰력을 계산하는 방법을 고찰하였다. 전난류에서 일방향 흐름에 의한 마찰력의 산정방법으로 절점조정법을 제시하였으며, Bijker의 관측자료와 비교하여 절점조정치를 산정하였다. 파와 해류의 합성류에 의한 마찰력 계산방법으로 수정된 Bkjker 모형(BYO Model)과 수정된 Fredsoe 모형(FY Model)을 Bijker의 관측자료에 적용하였으며, BYO 모형에서 최대마찰력을 산정하는데 있어 새로운 개선책을 제시하였다.
본 연구는 팽창구조체 설계에서 중요한 인자인 마찰계수의 결정에 대하여 중점을 두었다. 팽창구조체는 지중 구조물 의 시공 및 운영 시 발생되는 돌발용수 및 이상누수에 의한 사고들에 대비한 많은 가치가 있는 수동적 급속차폐시스템이다. 특히 해저터널에 있어서는 필수적이라고 할 수 있다. 본 연구는 팽창구조체를 구성하는 섬유재료의 상대적인 마찰거동에 대한 결과를 제시하였다. 이러한 마찰거동을 평가하기 위하여 마찰실험과 모형터널마찰실험을 실시하였다. 마찰시험으로부터 서로 다른 표면 조건에서 마찰계수를 결정하였으며, 이 결과로 얻어진 마찰계수는 실질적인 모형 미끄럼시험 결과를 통하여 분석 비교하였다. 이 들 결과로부터 터널과 팽창구조체 상호 마찰거동에 대하여 검토하였다. 이 연구 결과로부터 모형터널마찰실험으로부터 얻어진 마찰계수 값은 실내마찰시험으로부터 얻은 마찰계수 값보다 약 12%작게 나타났다.
본 연구는 해저터널에서 급격한 홍수 피해를 방지하기 위해 팽창구조체의 설계 및 현장적용을 제시하였다. 팽창구조체는 지중 구조물에 시공 및 운영 시 발생되는 돌발용수 및 이상누수에 의한 사고들에 대비한 많은 가치가 있는 수동적 급속차폐시스템이다. 특히 해저터널에 있어서는 필수적이라고 할 수 있다. 팽창구조체의 설계에서 주요인자는 인플레이터와 터널 벽면사이의 누수 와 마찰 거동이다. 팽창구조체의 설계시 설계 고려사항을 개발하고 매개 변수를 조사하기 위해 이론분석 및 실험적 연구를 수행하였다. 팽창구조체의 주요 설계 요소 및 고려사항들을 제안하기 위하여 박막이론을 적용한 이론적 분석 및 개발하였다. 또한 여러 섬유 재료의 상대 마찰 시험은 인플레이터와 터널 표면 사이의 마찰 조건에 따라 마찰거동을 결정하기 위해 수행하였다. 시험 결과는 침수조건에서의 마찰 계수가 건조조건에서의 값보다 약 20% 낮게 나타났다. 추가로 한국에서 계획중인 2개의 가상해저터널현장에 대한 보호시스템 가상 설계를 본 연구를 바탕으로 수행하였다. 이 연구 결과로부터 향후 터널 보호 구조물인 인플레이터 구조 설계 및 개발 기술을 이해하는데 매우 유용할 것으로 기대된다.
연흔(ripple)이 발랄할 수 있는 이동상 해저면에서 파낭과 해류가 함께 작용할 때의 마찰력을 구하는 해법을 개발하였다. 본 해법에서 연흔의 형상에 대한 판별은 경험식을 이용하였다. 해법의 주요 골격은 프란틀의 혼합거리리논이며 해류의 감속률을 구하기 위한 확산계수비를 계산할 때 임의각의 합성영향을 고려하였으며, 모든 수치적분식의 解는 약산식으로 표현하여 계산효율을 증진시켰다. 또한 연흔을 고려하여 구한 마찰력을 기존 토사이동양 산정식에 적용하였으며 이를 발표된 실험자료와 비교하여 보았다.
해양수치모형에 적용되는 상이한 방사조건을 포함한 개방경계조건의 영향이 $L^{2_}$-norm과 RMS오차해석에 의하여 비교되었다. 수치실험에서는 M2조석, 격자망의 영향, 해저마찰의 영향 등이 각각 고려되었다. 연구결과 개선방사조건이 고려될 때 단순한 구형만에서 해석해와 비교된 $M_2$조석의 경우는 방사조건이 고려되지 않을때보다 $L^{2_}$-norm에 의하면 40%, RMS오차에 의하면 96%나 신뢰성이 향상되었다. 이는 반격자를 이용할 때 보다도 더욱 만족스러운 결과인 것으로 나타났다. 해저마찰이 고려된 경우도 개선방사조건의 도입이 필요한 것으로 판단되었다.
일방향 흐름에 표면파가 중복하여 작용할 때 해저면 마찰력의 증가로 토사이동량의 증대가 예상된다. 표면파는 왕복운동 특성을 갖고 있으며, 유속과 해저전단력간의 위상차와 해저잔단력과 토사이동발생 시각간의 위상차가 존재하기 때문에 토사이동량 산정에 많은 어려움이 따른다. 그러나 이렇게 복잡한 현상이 내포되어 있음에도 불구하고 일반적인 기법으로 하천 토사이동량 산정식을 수정하거나 비례상수를 재조정하여 파와 해류에 의한 토사이동량을 산정해 왔다. (중략)
장파의 산란이론(Produman, 1914; Longuet-Higgins, 1970)을 대륙붕상의 작은 원 통형 섬주변을 전파하는 조석주기의 Kelvin 파에 적용하였으며, 해저마찰의 효과를 포 함하였다. 이론적 분석에 의하면 산란파의 진폭은 섬주변에서 Kelvin 파의 진폭 감소 율을 변화시킨다. 이러한 진폭의 변화로 비점성 유체의 경우에 섬 연안에 따라 진폭이 균등해지고, 진폭변화는 전향력의 작용으로 설명되어 진다. 해저마찰력은 파가 전파되 어 오는 쪽 연안에서 전파되어 가는 쪽 연안으로 진폭을 감쇄시키나, 연안을 따른 진 폭변화는 상기 연안을 연결하는 선에 대하여 대칭이다. 산란파의 위상은 외해에 비해 전파되어 오고 가는 쪽 연안 부근에서 파의 진행이 빨라지게 한다. 섬 주변에서 파의 위상분포에 미치는 해저면 마찰력의 영향은 무시할만 하다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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