파-압축공기-연안구조물의 상호작용에 관한 수치해석-진동수주형 파력발전구조물과 연안교량에 대해-

Abstract

연안구조물에서 파로 인한 압축공기의 흐름을 이용하는 대표적인 구조물이 진동수주형 파력발전구조물이 고, 압축공기의 완충효과에 따른 파력저감을 도모하는 대표적인 구조물이 연안교량이다. 본 연구에서는 압축공 기를 매개로 한 연안구조물(진동수주형 파력발전구조물과 연안교량)을 대상으로 주기파랑(진동수주형 파력발 전구조물)과 비주기파랑(단파와 고립파; 연안교량)이 입사한 경우에 구조물의 동적거동과 작용파력 및 주변 파동장을 수치해석으로부터 논의한다. 본 연구에서는 경제성을 향상시키면서 해안환경의 변화를 최소화하기 위하여 해수소통구를 구비한 신 형식 OWC-WEC를 상정하였다. 이에 대해 Navier-Stokes solver의 혼상류해석기법에 기초한 공개 CFD code인 olaFlow모델을 적용하여 구조물에 의한 파랑변형, 공기실 내에서 수면변동과 노즐에서 공기유·출 입속도 및 해수소통구에서 해수흐름속도를 수치해석적으로 상세히 평가하였다. 여기서, 입사파랑으로 선형규칙파의 경우와 Modified Bretschneider-Mitsuyasu스펙트럼에 의한 불규칙파의 경우를 각각 적용하 였으며, 각각에 대해 olaFlow모델의 타당성을 검증하였다. 이로부터 입사파 혹은 유의입사파의 Ursell수 가 커질수록 노즐에서 공기흐름속도가 증가하였으며, 공기실 내부에서 외부로 유출되는 공기속도가 외부 에서 공기실 내부로 유입되는 공기속도보다 더 크다는 사실 등을 알 수 있었다. 다음으로, 방파제로 연구·개발된 압축공기 주입식 방파제에 OWC-WEC을 탑재한 파력발전시스템을 상 정하여 방파제로의 기능과 OWC-WEC로의 기능을 수치해석적으로 병행·검토하였다. 본 연구의 제 4장 에서는 선형속도포텐셜이론에 기초한 경계요소법 및 압축공기 흐름해석에 Boyle법칙과 단열변화과정 에 기초한 상태방정식을 각각 적용하여 수치해석을 수행하였고, 제 5장에서 비압축공기흐름을 가정한 선형속도포텐셜이론의 경계요소법을 적용하여 수치해석을 수행하였다. 각각에 대한 본 수치해석결과는 기존의 수치해석결과 혹은 수리실험결과와 비교로부터 그의 타당성이 검증되었다. 수치시뮬레이션에서 는 파랑변형율, 구조물의 거동 및 공기흐름속도 등의 특성을 규명하였으며, 이로부터 압축성공기 및 비압축성공기 모두 동일한 해석결과를 나타낸다는 사실 등을 확인할 수 있었다. 한편 본 연구에서는 고립파성 및 단파성의 지진해일파가 연안교량에 , 작용한 경우 그의 작용파력을 수치 적으로 검토하였다. 수치해석에서는 Navier-Stokes solver에 기초한 3차원혼상류해석법인 TWOPM-3D를 적용하였다. 고립파는 수치파동수로에서 수치조파되었고, 단파는 상·하류측의 수위차로부터 발생되었 다. 각각의 경우에 작용파력의 타당성은 본 수치해석결과와 기존의 실험결과와의 비교로부터 검증되었 다. 이로부터 단파의 강도, 고립파의 파고, 교량의 종류와 위치 및 거더 수 등의 변화에 따른 수위변화와 유속변화를 포함하여 수평파력과 연직파력의 변동특성을 면밀히 검토하였다. 거더교에 고립파성 지진 해일파가 작용하는 경우 입사파고의 증가에 따라 수평파력과 연직파력의 각 최대치는 증가하는 경향을 나타낸 반면, 거더 수의 변화에 따라서는 서로 상이한 변동특성을 나타내었으며, 연직파력에 수중에 연 행되는 공기가 큰 영향을 미치는 것 등을 알 수 있었다. 또한, 거더교에 단파성 지진해일파이 작용하는 경 우 단파강도가 커질수록 최대수평파력이 증가하고, 연직상방파력도 증가하는 경향을 나타내지만, 연직 하방파력은 감소하는 경우도 나타나는 등의 중요한 사실을 얻을 수 있었다. 이상과 같은 본 연구에서 얻어진 사실들은 천해 및 심해에서 계획되는 고정식 혹은 부체식의 OWC-WEC시 스템의 계획수립에 기초자료로 적용될 수 있고, 또한 신형식인 해수소통구를 구비한 OWC-WEC시스템의 구상 및 계획수립에도 중요한 기초자료로 적용될 수 있다. 그리고, 고립파성 및 단파성의 지진해일파와 연안교량과의 상호작용해석으로부터 도출된 작용파력의 결과는 지진해일의 내습이 예상되는 우리나라 동해연안에 기가설된 교량에서 추정될 수 있는 지진해일파력의 크기를 산정·통찰할 수 있고, 신규로 가설하는 연안교량에 대해 지진해일파력의 크기를 설계에 적용할 수 있다.