KR100307092B1 - 수평형타공판을이용한소파장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해양공학 관련 모형실험을 위하여 많이 사용되고 있는 조파 수조(2차원수조, 장수조, 사각수조)에 필수적인 소파장치(Wave-Absorbing System)에 관한 것으로, 기존의 소파장치와는 다른 새로운 개념의 수평형 타공판을 이용한 소파장치에 관한 것이다. 본 발명장치는 소파성능이 우수하고 가볍기 때문에 설치가 용이하고 넓은 설치공간이 필요치 않아 수조공간 활용에 있어 효과적이다. 본 발명장치는 조파기로부터 발생된 파장에 큰 영향을 받지 않기 때문에 아주 큰 장파만 피한다면 거의 완벽하게 파를 소멸시킬 수 있는 장점을 가지고 있다. 본 발명의 소파장치는 일정한 크기의 구멍이 균일하게 배열된 타공판(Punching Plate)을 입사파(Incident Waves)의 진행방향과 수평으로 수면밑에 잠기게 설치한 형태로 파가 수평형 타공판을 통과하면서 타공판의 구멍을 통하여 강한 제트(Jet Flow)가 형성되면서 파 에너지가 소멸되는 특징을 가지고 있다. 수평형 타공판의 소파성능은 타공판의 잠긴 깊이와 판의 전체면적과 뚫린 부분의 면적의 비로 표현되는 공극율(Porosity)에 밀접한 관련이 있다. 잠긴 깊이와 공극율은 최대 소파성능을 발휘하는 최적의 값을 가지고 있다. 수평형 타공판의 앞쪽을 뒤쪽보다 약간 기울게 설치하는 방법도 해역특성에 따라서는 수평형에 비하여 우수한 소파성능을 보인다. 이때 타공판의 경사각도 소파장치 성능을 결정하는데 중요한 변수로 될수 있다.

Description

수평형 타공판을 이용한 소파장치

본 발명은 해양공학 관련 모형실험을 위하여 많이 사용되고 있는 조파 수조(2차원수조, 장수조, 사각수조)에 필수적인 소파장치(Wave-Absorbing System)에 관한 것으로, 기존의 소파장치와는 다른 새로운 개념의 수평형 타공판을 이용한 소파장치에 관한 것이다.

해양공학에 관련된 문제를 접근하는 방법은 이론해석, 수치실험, 수리모형실험으로 정리될 수 있다. 이들 각 기법은 상호보완적인 수단으로 사용될 뿐만 아니라 각 기법을 정립하고 검증하기 위한 수단으로 사용되고 있다.

최근 컴퓨터의 발달로 수치실험기법이 급격한 발전을 보이고 있으나, 실해역이 비선형적이고 복잡한 환경특성이 모두 고려되는 수치모형은 개발되지 못한 상태이므로 수리모형실험은 여전히 중요한 기법의 하나이다.

이때, 필요한 외력환경을 실험수조 내에서 최대한 재현하는 것은 매우 중요한 기술이며 이를 위해 다양한 형태의 장치들이 사용되고 있다.

조파수조에서 발생된 파는 수조의 벽들로부터 반사되어 관측영역에서의 파랑 및 물입자 운동은 시간이 경과될수록 복잡한 양상을 보인다.

이는 다방향파(Multi-Directional Waves) 또는 불규칙파(Irregular Waves)의 경우 더 심하게 된다. 따라서 발생파의 안정화 및 가용 영역의 극대화를 위한 효율적인 소파장치의 개발이 절실히 요구되고 있다.

소파장치는 조파수조의 중요설비로서 크게 2가지 목적으로 설치된다. 첫째는 조파장치에 의해 생성된 파가 수조의 반대쪽 끝에서 반사하여 생기는 반사파에 의한 파의 왜곡(Distortion)을 방지하는 것이고, 둘째는 모형선 예인실험 종료 후 수면의 교란을 짧은 시간 내에 소멸시켜 실험의 능률을 증가시키는 것이다.

조파수조에서 조파장치(Wave-Maker) 다음으로 중요한 소파장치는 매우 다양한 형태와 재료가 사용되고 있다. 소파장치는 크게 능동형(Active Type)과 수동형(Passive Type)으로 구분할 수 있다.

능동형 소파장치는 파 운동에 따라 소파판을 움직여 반사파를 줄이는 소파장치라 할 수 있다. 아직까지는 파도가 한 방향으로만 진행되는 조파수조에 사용이 국한되어 있는 실정이며 비용이 많이 들어 세계적으로 4개소(이스라엘의 Coastal and Marine Engineering Research, 네델란드의 Delft Hydraulics Lab., 일본의 Port and Harbor Research Institute, 영국의 University of Newcastle)의 조파수조만이 능동형 소파장치를 사용하고 있다. 다른 대부분의 조파수조에서는 수동형 소파장치가 사용되고 있다.

수동형 소파장치의 형식은 크게 비치형(Beach Type)과 직립형(Vertical Type)으로 나눌 수 있다. 대부분의 대형수조에서는 비치형을 가장 널리 사용하고 있다.

비치형 소파장치의 경우, 모래, 자갈, 돌 등을 이용하여 바닥까지 일정한 경사를 갖게 한 방법도 있지만 경사판 위에 와이어(Wire)나 격자(Grating)를 붙이는 형태가 많이 사용된다.

도 1에서와 같이 와이어와 격자를 붙이는 이유는 경사판에 조도(Roughness)를 높이기 위함이며. 높아진 조도는 파를 좀더 교란시켜 파 에너지 소멸을 촉진시킨다.

비치형 소파기의 경사는 완만하며 보통 수면부근에서 10°이하의 경사각을 갖는다. 비치형 소파장치의 소파원리는 다음과 같다.

경사된 사면에 입사하는 파는 천수파(Shallow Water Waves)가 되고 파의 파장이 감소하고 파고는 증가하는 현상이 일어난다. 그러므로 파의 기울기는 점점 증가하여 결국 파는 깨지게 되고 파가 가지고 있는 에너지는 소멸되어 소파가 이루어지는 것이다.

따라서 비치형의 소파장치의 소파성능은 입사파의 파장(Wavelength) 및 파고(Wave Height)에 따라 크게 변한다. 또한 경사판 자체의 경사각, 길이 및 표면의 조도 등도 중요한 설계항이 된다.

비치형 소파장치의 단점은 소파장치가 주어진 경사각을 가지고 수면에서 바닥까지 설치해야 하므로 넓은 설치 공간을 필요로 하며 직립형에 비하여 소파효과가 떨어진다는 점이다.

또한 항상 일정한 수심(Water Depth)을 유지하는 예인수조(Towing Tank)에는 적합하나 실험의 종류에 따라 수심을 바꾸는 사각형 수조(Square Tank)에서는 큰 약점(특히 천수역)을 가지고 있다.

사각형수조에서는 캐나다 NRC(National Research Center)에서 개발한 직립형 투과판(Expanded Metal Sheet)을 배열하여 파를 줄이는 형태를 주로 사용하고 있다. 직립형 투과판을 이용한 소파장치는 주로 수심의 변화가 많은 조파수조에 사용되고 있다. 직립형 투과판을 가지고 원하는 소파성능을 얻기 위해서는 여러 개의 투과판을 파의 진행방향에 따라 적절히 배열해야 한다. 보통 공극율이 큰 것에서 부터 작은 것으로 순차적으로 배열해야 우수한 소파효율을 얻을 수 있다.

따라서 많은 양의 투과판이 필요하며 잘못 배열된 경우 교체 및 수정이 어려운 단점을 가지고 있다.

또한 일본에서 알려진 일본 공개특허 특개평10-160623호와 공개특허공보 소58-225338호에서는 수평판체에 구멍을 형성시킨 바 있으나 이들은 단순 고정구성을 가짐으로서 많은 문제점을 야기하여 실용화되고 있지 못함과 함께 기술의 낙후로 인한 오차가 많은 폐단이 있어 왔다.

본 발명은 해양공학 분야의 모형실험을 위하여 많이 사용되고 있는 2차원수조(Wave Flume), 예인수조(Towing Tank), 사각형 수조(Square Tank)에 필수적인 소파장치에 관한 것으로 기존의 비치형이나 직립형 소파장치와는 다른 수면과 평행하게 설치된 타공판을 이용한 소파장치이다.

본 발명장치는 특히 일본의 실시예의 폐단을 개선하기 위하여 한 장의 타공판만으로 우수한 소파성능을 얻을 수 있어 경제적 특징과 가볍기 때문에 설치 및 회수의 용이성 및 넓은 설치공간이 필요치 않아 수조공간 활용에 있어 효과, 입사파의 파장변화에 따라 일정한 소파효율을 보이기 때문에 실험결과의 신뢰성을 가질수 있는 특징, 기름을 뿌린 상태에서 실험하는 수조에서는 실험 후 소파장치 세척이 용이함을 구현하기 위한 것이다.

본 발명의 소파장치는 일정한 크기의 구멍이 균일하게 배열된 타공판을 입사파의 진행방향과 수평으로 수면 밑에 잠기게 설치한 구성으로 파가 타공판을 통과할 때 타공판의 작은 구멍을 통해 강한 제트가 형성되어 점성(Viscosity)에 의한 박리(Separation)가 일어나 파 에너지의 일부분이 열 에너지로 소멸된다.

또한 수평으로 설치된 타공판은 입사파를 적게 교란시키기 때문에 수직방향으로 설치한 타공판에 비하여 반사율(=반사파의 파고/입사파의 파고)이 감소되며 판에 작용하는 파력(Wave Force)도 감소된다.

그리고 수평으로 설치하면 파가 진행하면서 타공판의 영향을 받는 공간이 수직판에 비하여 길기 때문에 소파효율(Wave Absorbing Efficiency)이 높다. 수평형 타공판의 소파성능은 타공판의 잠긴 깊이와 판의 전체면적과 함께, 뚫린 면적의 비로 표현되는 공극율에 밀접한 관련이 있다.

중요한 2개의 설계변수인 잠긴 깊이와 공극율은 최대의 소파성능을 발휘하는 최적의 값을 가지고 있으며 최적의 값에서 벗어난 잠긴 깊이와 공극율을 사용하면 소파성능은 급격히 떨어진다.

특히, 잠긴 깊이는 수면에 가까울수록 소파효율은 높아진다. 그 이유는 다음과 같이 설명될 수 있다.

파도가 진행함에 따라 물 입자는 닫혀진 원 궤적을 따라 이동하며 수심방향으로 지수 함수(Exponential Function)적으로 감소하여 수심이 증가함에 따라 그 운동반경은 작아진다.

따라서 파 에너지의 대부분은 수면 주위에 존재하기 때문에 소파장치를 파 에너지가 집중된 수면에 가깝게 설치해야 큰 효과를 볼 수 있다. 타공판을 약간 경사지게 설치하는 것도 경우에 따라서는 수평으로 설치하는 것보다 우수한 소파성능을 보인다.

그러나 경사각도를 너무 크게 주면 오히려 소파성능은 떨어진다. 따라서 도 4에 도시된 바와 같이 항상 일정한 수심을 유지하는 예인수조에서는 원하는 수조 폭에 맞도록 적당한 크기의 지지대(Supporting Bar)를 제작하여 수조 바닥에 고정시키고 프레임에 타공판을 붙인 후 지지대에 연결한다.

수평형 타공판은 두꺼울 필요는 없지만 파도에 의한 파력에 견딜 수 있도록 적절한 두께를 가져야 한다. 보통 부식 및 녹이 생기지 않도록 스테인레스 스틸(Stainless Steel)판으로 만들거나 아연 도금한 철판을 사용한다.

그리고 도 5에서와 같이 실험의 종류나 해양 조건에 따라 수심이 바뀌는 수조에 설치할 경우 수심변화를 고려하여 타공판을 상하로 이동시켜 가장 소파효율이 높은 수면하 지점에 놓이도록 하는 도 6의 구동장치가 필요하다.

타공판을 상하로 이동시키는 구동장치가 없는 경우에는 수심변화에 대비하여 여러 개의 타공판을 일정한 간격을 두고 수면과 평행하게 함께 설치한다.

정수중 모형선을 일정한 속도로 예인시켜 모형선에 작용하는 저항을 측정하는데 주로 이용되는 예인수조에서는 모형선이 달릴 때 발생하는 파는 예인수조 전면에 설치된 조파기나 양쪽 측벽에 반사된다.

따라서 실험 후 상당 시간동안 파는 수면 위에 존재한다. 이러한 파를 짧은시간 내에 줄일 수 있다면 실험의 효율을 크게 향상시킬 수 있다.

이러한 목적으로 본 발명 도 7에서 수조 양쪽 측벽이나 조파기 앞에 일정한 깊이에 잠기게 설치하면 예인수조의 효율을 높이는데 큰 기여를 하리라 예상된다.

도 1은 종래의 비치형 소파장치 구성도.

도 2는 종래의 직립형 소파장치 구성도.

도 3은 본 발명의 요부 타공판의 사시도.

도 4는 본 발명을 사각형 수조에 설치된 상태의 실시예 구성도.

도 5는 본 발명을 수심에 따라 상하로 움직이는 실시예의 구성설명도.

도 6은 본 발명에서 타공판을 여러장 설치한 실시예의 구성설명도.

도 7은 본 발명의 실시예를 보인 예인수조 작용설명도.

[도면의 주요 부분에 대한 설명]

1: 수면 2: 격자 3: 비치형 소파장치

4: 파도 5: 수조 바닥 6: 조파 장치

7: 직립형 투과판 8: 수조 끝벽 9: 지지대

10: 타공 11: 구멍직경 12: 피치

13: 스테인레스판 또는 아연 도금철판 14: 수평형 타공판

15: 예인수조 16: 모형선 17: 수조 측벽

18: 모형선에 의한 파 27: 구동장치 28: 프레임

29 : 보강제 30 : 레일

본 발명은 실험수조에 설치하는 소파장치에 관한 것으로서 소파장치는 일정한 직경(11)을 가진 구멍이 일정한 간격(12)을 가지고 배열된 타공판(14)을 수면 밑 일정한 지점에 수조 끝벽(8)에 직각으로 수면과 평행하게 설치한다.

조파장치(6)로부터 발생된 파는 실험모델이 설치된 지점을 통과하여 수조 끝단(8)의 벽들로부터 반사되어, 실험모델이 설치된 관측영역에서의 입사파(Incident Waves)뿐만 아니라 수조벽으로부터 반사된 파들로 복잡한 양상을 보이며, 이는 다방향파 또는 불규칙파의 경우 더 심하게 된다.

원하지 않은 반사파는 실험값의 정확성 및 신뢰도를 떨어트린다. 이러한 이유로 수조벽들로부터 발생하는 반사파를 줄이기 위한 효율적인 소파장치의 개발이 절실히 요구되어옴에 따라 본 발명을 제안하여 전기한 종래의 소파장치와는 다른 새로운 개념의 소파장치를 제공코저 한다.

이를 첨부 도면에 의하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명을 사각형 수조에 설치된 상태의 실시예 구성도이고 도 5는 본 발명을 수심에 따라 상하로 움직이는 실시예의 구성설명도 및 도 6은 본 발명에서 타공판을 여러장 설치한 실시예의 구성설명도. 그리고 도 7은 본 발명의 실시예를 보인 예인수조 작용설명도를 도시한 것이다.

상기 도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 소파장치는 도 4에서와 같이 수조 끝벽(8)에 수조의 폭 방향에 걸쳐 일정한 잠긴 깊이를 갖도록 설치하되,

지지대(9)를 수조 바닥에서부터 수면 위 일정한 높이까지 적절한 간격을 가지고 설치함과 같이 지지대(9)는 수조 바닥에서 앵커볼트를 이용하여 단단히 고정시킨다.

상기 지지대(9)에는 프레임(28)을 구성시켜 고정함과 중간 부분이 자중에 의하여 처짐을 막거나 파도에 의한 힘을 견디도록 보강제(29)를 설치한다.

상기 프레임(28)에는 정해진 공극율을 가진 타공판(14)을 부착하여 볼트로 단단히 고정시킨다.

타공판(14)이 부착된 프레임(28)을 정해진 잠긴 깊이에 맞게 볼트를 사용하여 지지대(9)에 고정시킨 구성된다.

실험의 종류에 따라 자주 수심을 바꾸는 수조에서는 변하는 수심에 따라 수평형 타공판(14)의 수직위치를 바꿔야 한다.

이에 따라 수조의 폭이 비교적 길지 않는 수조에서는 수평형 타공판(14)을 수조 끝벽(8)에 설치된 레일(30)을 따라 상하방향으로 이동시킬 수 있도록 구동장치(27)를 연결하여 수심변화에 대처할 수 있도록 한다.

그러나 타공판(14)이 설치될 수조의 폭이 너무 길면 구동장치(27)의 용량도 커져야 하며 수평판(14)이 상하로 이동할 때 자중에 의하여 휘어질 우려가 있다. 이러한 경우에는 도 6에서와 같이 수평판(14)을 깊이 방향으로 일정한 간격을 갖고 여러 장을 함께 배열한다. 이러한 설치방법에 따라 수심변화에 관계없이 타공판을원하는 잠긴 깊이에 설치할 수 있다.

예인수조에서 정수중 달리는 모형선(16)에 의해 발생된 파(18)를 짧은 시간내에 소멸시키기 위하여 도 7에서와 같이 수조 양 측벽(17)이나 조파장치(6) 전면에 수평형 타공판(14)을 설치할 수 있다. 이때 양 측벽(17)의 타공판은 조파장치(6)로부터 발생된 파가 왜곡되지 않도록 파 발생시에는 수조 밖으로 나올 수 있도록 승강장치를 함께 장착해야 하며 조파장치(6) 앞에 설치하는 타공판(14)도 파 발생시는 수면 밖으로 나올 수 있도록 추가 장치가 필요하다.

이상과 같이 본 발명은 해양공학 분야의 모형실험을 위하여 많이 사용되고 있는 2차원수조(Wave Flume), 예인수조(Towing Tank), 사각형 수조(Square Tank)에 필수적인 소파장치를 기존의 비치형이나 직립형 소파장치와는 다른 수면과 평행하게 설치된 타공판을 이용하여 한 장의 타공판 만으로 우수한 소파성능을 얻을 수 있어 경제적이며 가벼워 설치 및 회수가 용이한 특징과 넓은 설치공간이 필요치 않아 수조공간 활용에 있어 효과적이며 또한 입사파의 파장변화에 따라 일정한 소파효율을 보이기 때문에 실험결과의 신뢰성을 가질 수 있고 기름을 뿌린 상태에서 실험하는 수조에서는 실험 후 소파장치 세척이 용이한 장점을 가진 발명이다.

이상의 본 발명은 실험의 정확도와 효율을 높이기 위하여 조파수조에 설치하는 소파장치로 타공판을 수면과 평행하게 설치하는 구성으로서 특히 기존의 소파장치보다 소파효율이 우수할 뿐만 아니라 제작과 설치가 용이한 특징을 제공한다.

또한 입사파의 파장에 민감하지 않기 때문에 아주 긴 장파만 피한다면 전 파장에 대하여 10% 이하의 반사율(Reflection Coefficient)을 줄 수 있고 또한 타공판 한 장만으로 원하는 소파효율을 얻을 수 있기 때문에 경제적인 구성으로 이루어질 수 있다.

타공판 설계기술에서 가장 중요한 설계 변수는 잠긴 깊이와 공극율 그리고 타공판의 길이, 경사각이며 이들이 적절치 못한 값을 사용하는 경우 원하는 소파성능을 얻을 수 없다.

본 발명은 각종 계산과 실험을 통하여 최대의 소파성능을 발휘하는 핵심적인 설계기술을 출원인 연구소에서 확보한 바 있다.

실험의 종류, 해상조건에 따라 수시로 수심을 바꾸는 수조에서는 구동장치를 이용하여 타공판을 상하로 움직이게 하여 수심변화에 대처할 수 있게 하였으며, 필요에 따라서 타공판의 경사각을 줄 수 있도록 하여 소파효율을 더욱 극대화와, 구동장치를 설치할 수 없을 때는 여러 장의 타공판을 일정한 간격을 갖고 평행하게 설치하여 수심변화에 따라 원하는 소파효율을 가질 수 있도록 하여 보다 다양한 조건에서도 실험을 할 수 있는 유용한 발명이다.

Claims (2)

1. 해양공학 분야의 모형실험을 위한 2차원수조, 예인수조, 사각형 수조에서의 소파장치에 있어서,

   일정한 공극율을 가진 타공판(14)을 일정한 깊이에 수면과 평행하게 설치하고 수평형 타공판(14)에 구동장치를 연결하여 타공판(14)을 상하로 이동 수심변화에 대한 변환을 이룰 수 있도록 함과,

   수조의 제원과 파랑조건에 맞게 최대 소파효율을 얻도록 공극율, 감긴 깊이, 타공판(14)의 길이와 경사각을 조절하여 구성할 수 있도록 함을 특징으로 한 수평형 타공판을 이용한 소파장치.
2. 제 1항에 있어서,

   예인수조에서 정수중에 달리는 모형선에 의하여 발생된 파가 수조 측벽과 조파장치에 의하여 반사됨으로서 생기는 파를 짧은 시간 내에 소멸시키기 위하여 예인수조 양 측벽과 조파기 앞에 수평형 타공판(14)을 설치하여 수조 효율을 높이도록 함을 특징으로 한 수평형 타공판을 이용한 소파장치.