1. 서 론
파랑과 구조물과의 상호간섭해석을 위해 Navier-Stokes 방정식과 자유수면 추적을 위한 VOF (Hirt and Nichols, 1981)을
적용한 다수의 수치파동수로가 개발되었고(Kim et al., 2001; CDIT, 2001), 그 중 CADMAS-SURF (CDIT, 2001)는
비선형파랑 및 월파현상의 재현까지도 고정도로 예측 가능한 범용프로그램으로 다양한 항만구조물의 설계실무에서 활발히 활용되고 있다. 그러나, 대부분의
수치파동수로가 파동장내 구조물과의 상호간섭만을 목적으로 주로 개발되었기 때문에, 수치파동수로를 이용한 파-흐름 공존장을 재현하고 파-흐름 및 파-흐름-구조물과의
상호간섭을 연구한 예는 많지 않다. 지금까지 파-흐름 공존장에 대한 연구는 해석해(Fenton, 1985; Thomas, 1981, 1990)와 실험(Swan,
1990; Lee and Mizutani, 2007)에 의존하여 주로 수행되어 왔으며, 특히 해석해들은 Doppler 효과(Fenton, 1985)에
근거하여 파랑과 흐름이 동일방향으로 주어지는 경우 파고는 줄어들고 파장은 길어지며, 파랑의 역방향 흐름에 대해서는 파고는 증가하고 파장은 짧아지는
현상을 설명하고 있다. 그러나, 기존 해석해 연구들이 파-흐름 공존장에서 파고와 파장 변화에 와도(Vorticity)의 중요성을 논의하면서도, 포텐셜
이론에 기초하고 있기 때문에 와도현상 뿐만 아니라 파-흐름과의 상호간섭에 따른 복잡한 유동장 특성을 규명하기에는 제약이 있다. 최근 Lee and
Heo (2014)는 Navier-Stokes 방정식에 기초하여 파-흐름 공존장을 재현하고 지형변동까지 예측 가능한 수치파동수로를 개발하였으나, 수치모델
개발에 초점을 두고 수행된 연구로 파-흐름 공존장에서의 복잡한 물리현상을 명확히 규명하고 있지는 않다. 한편, Chen et al. (2014)은
Navier-Stokes 방정식에 기초한 수치파동수로 COBRA (Cornell Breaking and Structure) 모델로부터 파-흐름 공존장에
설치된 타원형 잠제 구조물 주변에서의 와도의 발달특성을 수치적으로 재현하고 와도가 클수록 수위가 감소하는 현상을 확인하였으나, 복잡한 유동장 특성
등에 대해서는 충분히 논의하지 않았다.
본 연구에서는 파랑과 흐름과의 상호간섭해석에 CADMAS- SURF (CDIT, 2001) 프로그램을 적용하며, 파-흐름 공존장 재현을 위해 프로그램의
소스 일부를 수정하여 파-흐름 수치파동수로를 구축하였다. 수치파동수로내 흐름의 발생은 수위차로 주어지며 파-흐름 공존장에서의 실험치와 계산치를 비교함으로써,
본 연구의 타당성과 적용성을 검토한다. 또한, 본 연구에서는 파-흐름 공존장에서의 복잡한 물리현상과 파-흐름 공존장에 설치된 잠제를 대상으로 파-흐름-잠제의
상호간섭현상을 수치적으로 명확히 규명한다.
2. 수치파동수로
2.1 기초방정식
본 연구에서 적용하는 CADMAS-SURF (CDIT, 2001)는 VOF법(Hirt and Nichols, 1981)에 기초하여 자유수면을 추적하며,
월파현상의 재현, 쇄파 및 쇄파후의 파랑변형까지도 고정도로 예측 가능하여 해안 및 항만구조물의 설계 실무분야에서 광범위하게 활용되는 범용프로그램이다.
기초방정식은 비압축성 점성유체에 대한 연속방정식 Eq. (1)과 파동장내 투과성 구조물의 영향까지도 검토 가능하도록 확장한 Navier-Stokes
운동방정식 Eqs. (2)~(3)으로 구성된다(Sakakiyama and Kajima, 1992).
(1)
(2)
(3)
여기서, 는 시간, , 는 수평 및 수직좌표, , 는 수평 및 수직방향 유속, 는 밀도, 는 압력, 는 동점성 계수, 는 중력가속도, 는 공극율, , 는 수평 및 수직방향 면적공극율, 는 변형속도테서, , 는 반사파 제어를 위한 부가감쇠영역의 감쇠계수, 는 해석영역내 조파소스항, , 는 투과층에 대한 저항력, , , 는 공극률과 관성력계수의 항으로 주어지며, 수치알고리즘을 포함한 보다 자세한 사항은 CDIT (2001)을 참조하기 바란다.
2.2 파-흐름 수치파동수로
CADMAS-SURF는 다양한 규칙파를 조파할 수 있는 조파함수를 프로그램 자체적으로 제공하며, 또한 사용자가 정의한 불규칙파랑의 재현도 정도 높게
모의할 수 있는 효과적인 해석프로그램이다(Lee, 2007). 그러나 CADMAS-SURF는 파랑내습에 따른 파-구조물 상호간섭해석을 목적으로 개발되었기
때문에, 보다 다양한 분야에 적용 가능하도록 수치파동수로의 확장이 필요하다. 최근 Min (2014)은 해중터널의 거동해석을 위해 CADMAS-SURF를
이용하여 파-흐름 복합수로를 개발하였고, 수치파동수로내에서의 수평흐름은 수치파동수로에 설치된 잠제 구조물의 경사를 타고 진행하는 바닥에서 주어지는
연직유속으로부터 재현하였다.
본 연구에서는 파-흐름 공존장을 재현할 수 있는 수치파동수로를 Fig. 1
과 같이 구성하고, 수치파동수로의 해석영역 양쪽에는 파랑의 재반사를 방지하기 위한 부가감쇠영역을, 해석영역내에는 조파를 위한 조파소스를 두었다. 해석영역내의
흐름 강도는 해석영역과 부가감쇠영역에서의 수위차로 주어되며, 부가감쇠영역의 길이는 대상파랑의 파장 30배 이상으로 충분히 길게 하여 해석영역내에서
흐름장을 지속적으로 유지할 수 있도록 하였다. 이 때, 부가감쇠영역내 수평방향의 격자간격이 등간격으로 주어지는 경우 막대한 컴퓨터 저장공간과 계산시간이
소요됨에 따라, 본 연구에서는 부가감쇠영역에서의 격자간격을 서서히 증가하는 부등격자로 구성함으로써 과도한 격자수 증대를 방지하고 계산시간의 효율성을
증대시켰다(Hinatsu, 1992). 그리고, 계산 초기에는 수위차로 인한 보아(Bore) 발생으로 흐름장이 안정되는 시간을 사전에 검토하고, 이후
목표파랑이 조파될 수 있도록 조파시간을 제어하였다. Fig. 2는 본 연구의 수치파동수로를 이용하여 구축한 흐름장(Current velocity=0.1, 0.2, 0.3m/s)의 공간분포 일례를 나타낸 것이다.
Fig. 1
Schematic Sketch of the Numerical Wave Tank Used in Wave-Current Field
Fig. 2
Spatial Distribution of Current Velocity in Numerical Wave-Current Tank
2.3 수치해석 검증
파-흐름 공존장에 대해 본 연구에서 제안하는 수치파동수로의 타당성과 적용성을 검토하기 위하여 Swan (1990)의 실험결과를 이용하였다. Swan
(1990)은 파진행 방향과 동일방향 흐름(following current)과 역방향 흐름(opposing current)으로 주어지는 파-흐름 공존장에서의
수리현상을 검토하기 위해 2차원수리모형실험을 수행하였으며, 실험에서는 연직으로 일정크기의 흐름(depth-uniform current)과 선형적으로
변화(linear shear current)하는 흐름을 대상으로 하였다. 본 수치파동수로의 특성상, 연직일정흐름에 대한 파-흐름 공존장을 대상으로
Swan (1990)의 실험결과와 본 연구의 결과를 비교･검토하였다. Table 1
은 본 수치파동수로의 타당성 검토에 이용한 Swan (1990)의 실험조건이다.
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Table 1. Experimental Parameters(Swan, 1990) Used for Validation of Numerical Wave-Current
Tank
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Fig. 3은 파랑의 진행방향과 동일방향(Fig. 3(a))과 역방향(Fig. 3(b))으로 주어지는 파-흐름 공존장에서 수면형과 수심에 따른 수평유속의 시간변동에 대한 실험치와 본 연구의 계산결과를 비교한 것이다. 전체적으로
본 연구의 결과는 수면변동과 수심별 수평유속의 시간변동에 대해 실험치를 정도 높게 재현하고 있음을 알 수 있다.
Fig. 3
Comparison of Wave Records under Current between Experiment(O) and Numerical Solution(-)
for Water Surface and Horizontal Velocities at Various Water Depth : (a) Following
Current ; (b) Opposing Current
3. 파-흐름 공존장의 상호간섭
3.1 수위변화
본 연구에서는 수심 h=0.3m의 수치파동수로(해석영역 격자간격 ==0.01m)에서 Table 2에 제시하는 파고 Hi=0.07m, 주기 Ti=1.5sec로 진행하는 파동장을 대상으로 파랑과 동일방향 흐름(following current)과 역방향(opposing current)으로 주어지는
파-흐름 공존장을 구축하고, 파랑과 흐름의 상호간섭에 따른 수위변화를 검토한다.
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Table 2. Numerical Simulation Parameters Used for the Interaction between Wave and
Current
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Fig. 4는 파랑만이 진행하는 경우(그림에서 위), 파랑과 동일방향 흐름(그림에서 중간) 및 역방향 흐름(그림에서 아래)의 조건하에서 수면형에 대한 공간분포를
비교한 것으로, 수위변화()를 입사파고(Hi)로 무차원하여 제시하였다. 결과를 살펴보면, 진행파동장과 비교하여 파랑과 동일방향의 파-흐름 공존장에서는 전체적으로 수위가 감소하며, 파랑과 역방향으로
진행하는 파-흐름 공존장의 경우는 수위가 증가하는 것을 알 수 있다.
Fig. 4
Comparison of Water Elevation under Following/Opposing Current
Fig. 5는 Fig. 4와 동일 파-흐름 공존장에서 흐름 변화(U=0.1, 0.2, 0.3m/s)에 따른 파장의 공간변화를 비교한 것이다. Fig. 5(a)는 파랑과 동일방향으로 흐름이 진행하는 경우, Fig. 5(b)는 파진행 방향에 역방향으로 흐름이 발생하는 경우이며, 흐름 크기에 따른 파장 변화를 명확히 검토하기 위하여 수면형의 위상 시점(x/Li=0)을 일치시켰다. Fig. 5(c)는 Figa. 5(a) and (b)의 파-흐름 공존장에서의 파장(Lwc)을 입사파장(Li)으로 무차원하여 나타낸 것으로, 연직축 Lwc/Li = 1는 진행 파동장의 파장비에 상당한다. 결과에 의하면, 파랑 진행시의 파장과 비교하여 파랑과 흐름이 동일방향으로 주어지는 경우 파장은 더 길어지며,
반대로 파랑의 역방향 흐름에 대해서는 파장이 짧아지는 것을 확인할 수 있다. 이러한 경향은 파-흐름 공존장에서 흐름방향에 따른 수위 및 파장 변화를
언급한 기존 연구(Son and Lynett, 2014; Chen et al., 2014)와 동일한 결과를 제시하고 있다. 더욱이 본 연구의 Fig. 5(c)로부터 흐름이 크게 될수록 역방향 흐름의 파-흐름 공존장과 비교하여 파랑과 흐름이 동일방향에서 파장 변화가 보다 크게 되는 것을 알 수 있고,
파랑과 역방향 흐름장에서의 파장 감소 원인은 양방향으로 주어지는 파랑과 흐름간 수립자 충돌로 부분중복파가 발생하고 파랑에너지 전달에 위상지체가 발생하였기
때문으로 판단된다. Fig. 6은 역방향의 파-흐름 공존장에서 흐름 크기에 따른 최대 및 최소수위의 공간분포를 나타낸 것이다. 본 연구의 결과에 기초하면, 파랑의 진행방향에 대해
일정거리 이내(그림에서 U=0.1m/s의 경우 x/Li<2.75, U=0.2m/s의 경우 x/Li<2.25, U=0.3m/s의 경우 x/Li<1.5)에서는 파랑과 역방향 흐름과의 상호간섭으로 일반적으로 잘 알려진 수위상승현상이 관찰되지만, 일정거리 이상부터는 수위가 점차적으로 감소하는
것을 알 수 있다. 또한, 파진행 방향에 대해 역방향 흐름이 클수록 수위증가의 일정거리 범위가 좁혀지는 것으로부터 파랑에너지 전파가 역방향의 흐름
크기에 영향을 받는 것으로 판단된다.
Fig. 5
Comparison of Wave Length under Following/Opposing Current
Fig. 6
Spatial Distribution of Water Elevation According to Opposing Current Velocity
3.2 유동장 변화
파-흐름 상호간섭을 보다 명확히 검토하기 위하여 파-흐름 공존장에서의 유동장 변화를 Fig. 7에 제시하였다. 그림에서 Fig. 7(a)는 진행 파랑의 파동장이며, Figs. 7(b)~(d)와 Figs. 7(e)~(g)는 파랑과 흐름이 동일방향 및 역방향으로 주어지는 경우의 흐름 크기에 따른 파-흐름 공존장을 나타낸 것이다. Figs. 7(b)~(d)를
Fig. 7(a)와 비교하여 살펴보면 일반 파동장에서의 결과와 상이한 유동장분포를 보여주고 있다. Fig. 7(b)에서 알 수 있는 바와 같이, 동일방향의 파-흐름 공존장에서는 파봉과 파곡하에서의 유속이 명확히 구분되며, 파봉하에서는 전체적으로 빠른 유속을,
파곡하에는 유속의 크기가 작지만 그 범위는 수평방향에서 넓게 분포하는 것을 알 수 있다. 흐름이 보다 큰 Fig. 7(c)에서는 파봉하 유속의 크기와
범위가 연직 및 수평방향으로 보다 큰 값과 넓은 범위로 주어짐에 따라, 파곡하에서 작은 크기의 유속이 수면 근방에서 관찰된다. 흐름이 가장 큰 Fig. 7(d)에서는 Fig. 7(c)의 검토 경향이 보다 명확해지며 유동장내 유속벡터도 전체적으로 흐름의 형태로 주어지는 것을 알 수 있다. 이로부터 동일방향의 파-흐름 공존장내에서는
흐름이 클수록 파랑의 영향은 감소하고 흐름 특성이 보다 지배적인 것으로 판단된다.
Fig. 7
Spatial Distribution of Water Velocity
다음으로 역방향의 파-흐름 공존장에 대한 Figs. 7(e)~(g)를 검토한다. Fig. 7(e)로부터 파봉하에서는 유속의 크기가 작고 파곡하에서는 유속이 크게 됨에 따라, 동일방향의 파-흐름 공존장과는 반대의 유속장 분포를 확인할 수 있다.
그리고, Fig. 7(e)와 파동장에서의 Fig. 7(a)를 비교하면, 역방향의 파-흐름 공존장의 파봉하에서는 전체적으로 유속의 크기가 작고 또한, 파봉을 기점으로 우측에서는 파봉을 향하는 상향의 유속이
흐름 방향을 따라 파봉 좌측에서 하향으로 주어지는 유속이 관찰된다. 이로부터 역방향의 파-흐름 공존장에서는 파봉하에서 반대방향으로 주어지는 수립자의
수궤(water particle)가 충돌함에 따라 전체적으로는 수평유속의 크기가 작아지고 연직방향 유속은 크게 되는 것으로 판단된다. 역방향으로 흐름이
증가하는 경우의 Figs. 7(f)~(g)를 살펴보면, 흐름이 증가할수록 파곡하 흐름방향의 유속은 보다 크게 되고 파봉하에서는 작은 크기를 갖는 유속의 범위가 보다 좁혀지는 것을
알 수 있다. 또한, 역방향의 흐름이 크게 될수록 파-흐름 공존장내에서 파장은 짧아지는 것이 확인되고, 파형경사는 보다 급해지면서 파봉을 타고 흐름
방향으로 주어지는 유속은 보다 명확히 나타난다.
3.3 수립자 변화
파-흐름 공존장에서 수립자의 수평 및 연직유속장을 Fig. 8 and Fig. 9에 제시하고 파-흐름의 상호간섭을 보다 상세히 검토한다.
Fig. 8은 파동장 및 파-흐름 공존장에서 흐름 크기에 따른 수평유속분포를 나타낸 것이다. Fig. 8(a)는 파동장에서의 수평유속분포를, Figs. 8(b)~(d)는 파랑과 동일방향에서의 파-흐름 공존장에 대한 수평유속분포로 파동장의 Fig. 8(a)와 비교하여 살펴보면, 흐름이 약한 Fig. 8(b)의 경우 파봉하에서는 수평유속이 수심방향으로 보다 증가하고 수평방향으로는 보다 넓게 분포하지만, 파곡하에서는 파진행 방향 반대로 주어지는 파동장의
수평유속성분(Fig. 7(a)참조)이 흐름과의 간섭으로 거의 관찰되지 않는다. 흐름이 증가하는 Fig. 8(c)에서는 파봉하 수평유속이 파곡하까지 보다 큰 값으로 확장되고, 흐름이 가장 큰 Fig. 8(d)의 경우에서는 파-흐름 공존장 전체적에 흐름에 의한 유속성분이 보다 지배적으로 나타난다. 이로부터 동일방향의 파-흐름 공존장에서 흐름이 크게
될수록 파장이 길어지는 것은 파랑성분보다 흐름의 영향이 보다 우세하기 때문으로 판단된다.
다음으로 Figs. 8(e)~(g)는 역방향 흐름에 대한 파-흐름 공존장에서의 수평유속분포를 나타낸 것이다. 파동장에 대한 Fig. 8(a)와 비교하면, Fig. 8(e)의 경우 파동장의 유속과 동일방향으로 주어지는 흐름의 영향으로 수평유속이 보다 큰 값으로 넓게 분포하는 것을 알 수 있다. 그리고, 파봉하에서는
파동장에서의 수평유속성분이 거의 관찰되지 않는 것으로 부터 파동장의 수궤와 역방향으로 주어지는 흐름의 수궤가 파봉에서 서로 충돌하는 것으로 판단된다.
역방향의 흐름이 보다 증가하는 Fig. 8(f)를 살펴보면, 파곡하 파진행 방향 반대의 수평유속은 보다 큰 값으로 파봉하까지 확대되고 파봉 형상도 보다 뾰족해지며, 이러한 경향은 역방향 흐름이
가장 큰 Fig. 8(g)에서 보다 명확히 관찰된다.
Fig. 8
Sediment Supply in the Given Channel
Fig. 9는 흐름에 따른 파-흐름 공존장에서의 연직유속분포이다. Figs. 9(b)~(d)는 파랑과 흐름이 동일방향으로 주어지는 경우로 흐름이 크게 될수록 연직유속성분의 크기는 작아지고 수면부근에서의 분포범위도 보다 좁아지는
것을 알 수 있다. 한편, Figs. 9(e)~(g)는 파랑과 역방향 흐름에 대한 파-흐름 공존장으로 파동장의 Fig. 8(a)와 비교하면, 역방향 흐름이 클수록 파봉 근방의 상하향 연직유속이 보다 크게 되는 것을 확인할 수 있다. 그리고, 흐름이 클수록 파장은 보다
짧아지는 것을 확인할 수 있고, 이러한 현상은 파봉하에서의 수립자충돌로 부분중복파가 발생하고 흐름방향의 역방향으로 진행하는 파랑에너지의 소산과 위상지연이
원인으로 판단된다.
Fig. 9
Spatial Distribution of Vertical Water Particle Velocity
3.4 와도분포
Fig. 10은 파-흐름 공존장에서의 평균와도 분포를 나타낸 것으로, 평균와도는 무차원 3주기에 대해 산정하였다. 그리고, 그림에서 와도의 크기와 방향을 벡터형태로
함께 도시하였다.
Figs. 10(a)~(c)는 파랑과 흐름이 동일방향인 경우에 대한 파-흐름 공존장의 와도분포이다. 그림을 살펴보면, 수면근방의 물입자 전단(surface stress)으로
와도가 명확히 관찰되고, 흐름이 클수록 보다 큰 값으로 주어지는 와도로 수면근방에서의 파랑에너지 불안정이 전체적인 파고감소의 원인으로 판단된다.
Fig. 10
Mean Vorticity Field under Following/Opposing Current
다음으로 파랑과 흐름이 역방향으로 주어지는 경우인Figs. 10(d)~(f)를 살펴보면, 흐름이 클수록 흐름 진행방향을 향하여 와도 두께가 보다 두꺼워지고, 이러한 원인은 서로 반대방향을 향하는 파랑과 흐름의
수립자간 충돌에 따른 결과로 판단된다. 그리고 파랑의 입사방향에서 파랑과 흐름과의 상호간섭으로 파고가 증가하지만 흐름의 역방향으로 진행하는 파랑에너지의
상당량이 와도로 소산되고 일정거리 이상에서는 파고가 서서히 줄어드는 것을 알 수 있다.
4. 파-흐름-잠제의 상호간섭
4.1 평균유속 및 평균와도
파-흐름 공존장에 설치된 Fig. 11의 제원을 갖는 잠제를 대상으로Table 2와 동일한 조건에서의 파-흐름-잠제의 상호간섭해석을 수행하고, 파랑, 흐름 및 파-흐름 공존장에서의 평균유속 및 평균와도 분포를 검토하였다. 평균유속
및 평균와도는 무차원 3주기에 대해 산정하였다. Fig. 12 and Fig. 13은 파동장과 흐름장만의 결과이며, Fig. 14and Fig. 15는 각각 파랑과 동일방향 및 역방향 흐름에서의 파-흐름 공존장에 대한 결과이다.
Fig. 11
Mean Vorticity Field under Following/Opposing Current
Fig. 12
Spatial Distribution of Mean Velocity and Mean Vorticity for Wave Field
Fig. 13
Spatial Distribution of Mean Velocity and Mean Vorticity for Current Field
Fig. 12로부터, 잠제 배후 수면부근에서의 와도분포를 확인할 수 있다. 한편, Fig. 13의 흐름장에 대한 결과에서 잠제 천단과 배후 수면부근에서의 빠른 흐름이 관찰되고, 흐름이 크게 될수록 보다 명확히 나타난다. 특히 흐름이 가장 큰
Fig. 13(c)에서는 잠제 배후에 시계방향의 대규모 유속장이 형성되고 바닥면에서는 빠른 흐름이 관찰된다. 흐름장에서의 와도분포를 살펴보면, 파동장에서의 Fig. 13(b)와 비교하여 잠제 배후 우각부를 기점으로 발달한 와도가 수면 아래에서 보다 큰 값으로 육측으로 향하는 것이 확인된다. 그리고, 흐름이 클수록
와도 크기와 규모는 보다 명확해지고 바닥까지 확장되며, 흐름이 가장 큰 Fig. 13(c)의 경우 잠제 배후 대부분의 수역에서 큰 규모의 와도가 형성되고, 특히 바닥부근에서는 큰 값으로 주어지는 와도분포를 확인할 수 있다.
Fig. 14는 파랑과 동일방향 흐름에서의 파-흐름 공존장에 대한 그림으로, 전체적으로 Fig. 13과 거의 동일한 평균유속과 와도분포를 나타낸다. 한편, Fig. 14(b)를 Fig. 13(b)와 비교하면 잠제 배후 우각부를 기점으로 수면하에서 발달한 와도가 수면측으로 보다 이동하였다. Fig. 15는 역방향의 파-흐름 공존장에서의 평균유속과 평균와도분포를 나타낸 것이다. 그림을 살펴보면, 잠제 및 잠제 천단상의 빠른 흐름으로 육측으로 전달되는
파랑성분은 거의 관찰되지 않으며, 전체적으로는 동일방향으로 주어지는 파-흐름 공존장과 유사한 평균유속과 평균와도분포를 나타낸다. Fig. 16은 이해를 돕기 위해 동일방향의 파-흐름-잠제 공존장을 대상으로, 와도의 시간분포를 나타낸 일례로 제시하는 그림으로부터 잠제 배후의 와도현상을 확인할
수 있다.
Fig. 14
Spatial Distribution of Mean Velocity and Mean Vorticity for Current Field
Fig. 15
Spatial Distribution of Mean Velocity and Mean Vorticity under Opposing Current
Fig. 16
Snapshot of Vorticity in Wave-Current Coexisting Field with Following Current 0.3m/s
5. 결 론
본 연구는 해안 및 항만구조물의 내파설계에 널리 이용되는 CADMAS-SURF 프로그램을 파랑과 흐름과의 상호간섭해석에 적용 가능하도록 프로그램의
소스 일부를 수정하였다. 수치파동수로에서 흐름 강도는 수위차로 주어지고 안정된 흐름장이 형성된 후 파랑이 조파되도록 조파개시 시간을 제어함으로써 파-흐름
공존장을 재현할 수 있는 수치파동수로를 구축하여, 파-흐름 공존장에서의 기존 실험결과와 수치계산결과를 비교하여 본 연구의 타당성을 검증하였다. 이로부터
그동안 해석해 및 실험에 의존하던 파-흐름 공존장에서의 상호간섭현상을 수치적으로 명확히 규명하였다. 또한, 파-흐름 공존장에 설치된 잠제를 대상으로
흐름특성에 따른 구조물 주변에서의 평균유속과 평균와도 분포로부터 파-흐름-잠제의 상호간섭현상을 검토하였다. 이상으로부터 얻어진 중요한 사항을 정리하여
아래에 기술한다.
5.1 파-흐름 상호간섭
1) 본 연구는 파랑과 흐름이 동일방향의 파-흐름 공존장에서 진행파동장과 비교하여, 흐름이 클수록 수위는 보다 낮아지고 파장은 길어지며, 흐름이 파랑의
역방향으로 주어지는 경우는 흐름이 클수록 일정거리 범위이내에서는 수위가 보다 높아지고 파장이 짧아지는 현상을 수치적으로 재현하였다. 그러나, 본 연구의
결과에 의하면 역방향의 파-흐름 공존장에서 흐름이 클수록 일정거리 이상에서는 파진행 방향으로 수위가 서서히 감소하는 현상을 확인할 수 있었다.
2) 동일방향의 파-흐름 공존장의 경우, 흐름이 클수록 유동장 내에는 흐름의 성분이 보다 지배적으로 되어 파랑의 파장은 보다 길어지며, 수면 부근에서의
흐름이 큰 경우 명확히 관찰되는 와도의 영향으로 파고가 줄어드는 것을 알 수 있었다.
3) 역방향 파-흐름 공존장의 경우에 대해서는, 파봉하에서 파랑과 흐름의 수립자 충돌로 부분중복파가 발생하여 일정거리 이내에서는 수위가 높아지고,
동시에 파-흐름 공존장과 비교하여 보다 명확히 관찰되는 와도의 영향으로 파랑에너지 소산이 크고, 결과적으로 일정거리 이상에서는 파고가 줄어드는 것을
알 수 있었다. 전체적으로 흐름이 클수록 파봉을 타고 흐름 방향으로 주어지는 유속분포를 포함하여 파-흐름 공존장은 보다 흐름 성분에 지배되며, 수궤충돌에
따른 부분중복파와 와도로 의한 파랑에너지 소산으로 파랑에너지 전달은 지연되어 파장이 짧아지는 것을 알 수 있었다.
5.2 파-흐름-잠제 상호간섭
1) 파-잠제에 대한 상호간섭 결과와 비교하여 파-흐름의 경우, 잠제 배후의 유속 및 와도분포는 보다 크게 되며, 흐름이 클수록 잠제 천단 우각부에서
발달한 와도가 수면하에서 흐름 방향으로 큰 값과 넓은 범위로 주어지는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 흐름이 큰 경우 잠제 배후에서의 대규모 와도장과
바닥부근에서도 큰 값의 와도가 형성되는 것을 알 수 있었다.
2) 파-흐름-잠제 공존장에 대한 결과로부터, 흐름만이 존재하는 경우와 거의 동일한 유속 및 와도 분포를 나타내었고, 이로부터 파-흐름-잠제 공존장의
유동특성에 미치는 흐름의 영향은 파랑보다 우세하다는 것을 알 수 있었다.
3) 본 연구의 결과에 기초하면, 창조(flood tide) 및 낙조(ebb tide)시 동시에 폭풍해일이 내습하는 경우, 잠제 배후의 지형변동 및
바닥 퇴적물의 부유에 와도가 미치는 영향은 클 것으로 판단된다.