KR101190321B1 - 3차원 방파제 시뮬레이션 시스템 및 그 시뮬레이션 방법 - Google Patents

3차원 방파제 시뮬레이션 시스템 및 그 시뮬레이션 방법 Download PDF

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Abstract

3차원 방파제 시뮬레이션 시스템 및 그 시뮬레이션 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 3차원 방파제 시뮬레이션 시스템은, 지역 및 시기에 따른 파랑의 파고, 파장, 주기, 파향 중의 적어도 하나를 포함하는 파랑특성 데이터를 저장하는 파랑데이터저장부; 파랑데이터저장부에 저장된 파랑특성 데이터에 기초하여 3차원의 파랑모델을 생성하는 파랑모델생성부; 방파제가 설치되는 위치의 수심, 방파제의 형상, 높이, 폭, 표면강도, 공극률 중의 적어도 하나를 포함하는 방파제특성 데이터를 저장하는 방파제데이터저장부; 방파제데이터저장부에 저장된 방파제특성 데이터에 기초하여 3차원의 방파제모델을 생성하는 방파제모델생성부; 및 방파제모델의 방파제특성 데이터에 따른 파랑모델의 반파계수, 월파량, 방파제의 안정도를 포함하는 방파특성을 예측하는 방파특성예측부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

3차원 방파제 시뮬레이션 시스템 및 그 시뮬레이션 방법{3-D Breakwater Simulation System and Method}
본 발명은 방파제 시뮬레이션 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 파랑 및 방파제에 대한 3차원의 그래픽 모델을 생성하여 컴퓨터 화면상에 표시하고, 파랑 및 방파제의 각각에 대한 특성 데이터에 기초하여 방파제에 부짖히는 파랑을 해석하며, 그 결과를 시각적으로 컴퓨터상에 표시함으로써 방파제에 대한 3차원의 시뮬레이션 환경을 제공하는 3차원 방파제 시뮬레이션 시스템 및 그 시뮬레이션 방법에 관한 것이다.
일반적으로 항만이나 해안가에는 방파제가 거의 필수적으로 설치되며, 이러한 방파제는 여러 가지 형태와 다양한 시공법으로 설치되고 있다. 이때, 방파제가 설치되는 지역에 따라 파랑은 다양한 특성을 가지기 때문에, 방파제를 건설하기 이전에 해당 방파제가 설치될 지역 및 해당 방파제에 대한 수리모형을 제작하고 그에 대한 시뮬레이션을 실행하여 방파제의 특성을 점검한다.
그런데, 이와 같은 수리모형은 실제의 지역 및 방파제의 형상과 동일한 조건을 갖도록 축소되어 제작되어야 하기 때문에 그 제작비용이 많이 드는 문제점이 있다.
또한, 동일한 지역이라고 하더라도 파랑의 특성은 시기에 따라 달라질 수 있기 때문에 사전에 해당 지역의 파랑특성을 충분히 연구하여 수리모형에 대한 시뮬레이션을 실행하여야 하여야 하므로, 시뮬레이션을 위한 시간이 많이 소요되는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위하여 창안된 것으로서, 파랑 및 방파제에 대한 3차원의 그래픽 모델을 생성하여 컴퓨터 화면상에 표시하고, 파랑 및 방파제의 각각에 대한 특성 데이터에 기초하여 방파제에 부짖히는 파랑을 해석하며, 그 결과를 시각적으로 컴퓨터상에 표시함으로써 방파제에 대한 3차원의 시뮬레이션 환경을 제공하는 3차원 방파제 시뮬레이션 시스템 및 그 시뮬레이션 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 방파제 시뮬레이션 시스템은, 지역 및 시기에 따른 파랑의 파고, 파장, 주기, 파향 중의 적어도 하나를 포함하는 파랑특성 데이터를 저장하는 파랑데이터저장부; 파랑데이터저장부에 저장된 파랑특성 데이터에 기초하여 3차원의 파랑모델을 생성하는 파랑모델생성부; 방파제가 설치되는 위치의 수심, 방파제의 형상, 높이, 폭, 표면강도, 공극률 중의 적어도 하나를 포함하는 방파제특성 데이터를 저장하는 방파제데이터저장부; 방파제데이터저장부에 저장된 방파제특성 데이터에 기초하여 3차원의 방파제모델을 생성하는 방파제모델생성부; 및 방파제모델의 방파제특성 데이터에 따른 파랑모델의 반파계수, 월파량, 방파제의 안정도를 포함하는 방파특성을 예측하는 방파특성예측부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
전술한 3차원 방파제 시뮬레이션 시스템은, 파랑데이터저장부에 저장된 파랑특성 데이터 중 적어도 하나의 파랑특성 데이터를 선택하는 파랑데이터선택부;를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 파랑모델생성부는, 파랑데이터선택부에 의해 선택된 파랑특성 데이터에 대응하여 파랑모델을 생성한다.
전술한 3차원 방파제 시뮬레이션 시스템은, 파랑데이터선택부에 의해 선택된 파랑특성 데이터에 기초하여 파랑을 수치해석하는 파랑수치해석부;를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 파랑모델생성부는, 파랑수치해석부에 의해 수치해석된 파랑에 기초하여 파랑모델을 생성한다.
전술한 3차원 방파제 시뮬레이션 시스템은, 방파제데이터저장부에 저장된 방파제특성 데이터 중 적어도 하나의 방파제특성 데이터를 선택하는 방파제데이터선택부;를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 방파제모델생성부는, 방파제데이터선택부에 의해 선택된 방파제특성 데이터에 대응하여 방파제모델을 변경한다.
전술한 3차원 방파제 시뮬레이션 시스템은, 방파제모델에 대응하는 방파제특성 데이터에 기초하여 파랑모델에 대응하는 쇄파의 수치를 해석하는 쇄파수치해석부; 및 쇄파수치해석부에 의해 해석된 결과에 기초하여 파랑모델에 대응하는 쇄파모델을 생성하는 쇄파모델생성부;를 더 포함할 수 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 방파제 시뮬레이션 시스템은, 지역 및 시기에 따른 파랑의 파고, 파장, 주기, 파향 중의 적어도 하나를 포함하는 파랑특성 데이터에 기초하여 3차원의 파랑모델을 생성하는 파랑모델생성부; 방파제가 설치되는 위치의 수심, 방파제의 형상, 높이, 폭, 표면강도, 공극률 중의 적어도 하나를 포함하는 방파제특성 데이터에 기초하여 3차원의 방파제모델을 생성하는 방파제모델생성부; 및 방파제모델의 방파제특성 데이터에 대응하여 파랑모델의 반파계수, 월파량, 방파제의 안정도를 포함하는 방파특성을 예측하는 방파특성예측부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
전술한 3차원 방파제 시뮬레이션 시스템은, 파랑특성 데이터에 기초하여 파랑을 수치해석하는 파랑수치해석부;를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 파랑모델생성부는, 파랑수치해석부에 의해 수치해석된 파랑에 기초하여 파랑모델을 생성한다.
전술한 3차원 방파제 시뮬레이션 시스템은, 방파제모델에 대응하는 방파제특성 데이터에 기초하여 파랑모델에 대응하는 쇄파의 수치를 해석하는 쇄파수치해석부; 및 쇄파수치해석부에 의해 해석된 결과에 기초하여 파랑모델에 대응하는 쇄파모델을 생성하는 쇄파모델생성부;를 더 포함할 수 있다.
지역 및 시기에 따른 파랑의 파고, 파장, 주기, 파향 중의 적어도 하나를 포함하는 파랑특성 데이터를 저장하는 단계;
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 방파제 시뮬레이션 방법은, 방파제가 설치되는 위치의 수심, 상기 방파제의 형상, 높이, 폭, 표면강도, 공극률 중의 적어도 하나를 포함하는 방파제특성 데이터를 저장하는 단계; 저장된 파랑특성 데이터에 기초하여 3차원의 파랑모델을 생성하는 단계; 저장된 방파제특성 데이터에 기초하여 3차원의 방파제모델을 생성하는 단계; 및 방파제모델의 방파제특성 데이터에 따른 파랑모델의 반파계수, 월파량, 방파제의 안정도를 포함하는 방파특성을 예측하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
전술한 3차원 방파제 시뮬레이션 방법은, 저장된 파랑특성 데이터 중 적어도 하나의 파랑특성 데이터를 선택하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 파랑모델생성단계는, 선택된 파랑특성 데이터에 대응하여 파랑모델을 생성한다.
전술한 3차원 방파제 시뮬레이션 방법은, 선택된 파랑특성 데이터에 기초하여 파랑을 수치해석하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 파랑모델생성단계는, 수치해석된 파랑에 기초하여 파랑모델을 생성한다.
전술한 3차원 방파제 시뮬레이션 방법은, 저장된 방파제특성 데이터 중 적어도 하나의 방파제특성 데이터를 선택하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 방파제모델생성단계는, 선택된 방파제특성 데이터에 대응하여 방파제모델을 생성한다.
전술한 3차원 방파제 시뮬레이션 방법은, 방파제모델에 대응하는 방파제특성 데이터에 기초하여 파랑모델에 대응하는 쇄파의 수치를 해석하는 단계; 및 쇄파수치해석단계에 의해 재해석된 결과에 기초하여 파랑모델에 대응하는 쇄파모델을 생성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 방파제 시뮬레이션 방법은, 지역 및 시기에 따른 파랑의 파고, 파장, 주기, 파향 중의 적어도 하나를 포함하는 파랑특성 데이터에 기초하여 3차원의 파랑모델을 생성하는 단계; 방파제가 설치되는 위치의 수심, 방파제의 형상, 높이, 폭, 표면강도, 공극률 중의 적어도 하나를 포함하는 방파제특성 데이터에 기초하여 3차원의 방파제모델을 생성하는 단계; 및 방파제모델의 방파제특성 데이터에 따른 파랑모델의 반파계수, 월파량, 상기 방파제의 안정도를 포함하는 방파특성을 예측하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
전술한 3차원 방파제 시뮬레이션 방법은, 파랑특성 데이터에 기초하여 파랑을 수치해석하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 파랑모델생성단계는, 수치해석된 파랑에 기초하여 파랑모델을 생성한다.
전술한 3차원 방파제 시뮬레이션 방법은, 방파제모델에 대응하는 방파제특성 데이터에 기초하여 파랑모델에 대응하는 쇄파의 수치를 해석하는 단계; 및 해석된 결과에 기초하여 파랑모델에 대응하는 쇄파모델을 생성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 파랑예측시스템과 연동하는 파랑특성 데이터 및 파랑예측모델을 이용하여 지역에 따라 적응적인 파랑모델을 생성함으로써 실제환경과 가장 유사한 시뮬레이션을 할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따르면, 파랑 및 방파제에 대한 3차원의 그래픽 모델을 생성하여 컴퓨터 화면상에 표시하고, 파랑 및 방파제의 각각에 대한 특성 데이터에 기초하여 방파제에 부짖히는 파랑을 해석함으로써 사용자에게 시각적으로 실제의 지역환경에서 시뮬레이션을 실행하는 것과 같은 가상현실을 제공할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따르면, 파랑예측시스템과 연동하는 파랑특성 데이터 및 파랑예측모델을 이용함으로써 시뮬레이션의 실행을 위한 비용 및 시간을 절감시킬 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 방파제 시뮬레이션 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 RWW3에 설정된 영역의 예를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 이용된 5개의 해양기상 관측부이의 위치의 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 2008년과 2009년의 1년 동안의 시계열의 부이관측자료의 예를 나타낸 도면이다.
도 5는 2008년과 2009년의 1월에서 12월까지 예측 정확도를 12, 24, 36, 48 예측시간으로 나누어 월별로 파랑예측모델과 관측사이의 유의파고 RMSE를 나타낸 도면이다.
도 6은 48시간 예측 해상풍과 도 3의 부이 5개지점에서의 관측 해상풍의 월별 평균 예측정확도를 나타낸 도면이다.
도 7은 1년 동안의 3시간 간격의 전체 파랑 예측자료를 이용하여 유의파고 크기별과 파주기로 구분하여 지역별로 평균적인 빈도를 나타낸 도면이다.
도 8은 2008년과 2009년의 파랑의 평균 특성을 파악하기 위해 유의파고의 연평균과 최대값을 도시한 도면이다.
도 9는 높은 유의파고를 발생시킨 주요 태풍들의 진로를 나타낸 도면이다.
도 10은 파랑 유의파고에 가장 큰 영향을 미치는 최대 해상풍 풍속을 나타낸 도면이다.
도 11은 2008년과 2009년 두 개의 태풍이 영향을 미치는 기간 동안의 최대 유의파고 및 파주기를 나타낸 도면이다.
도 12는 태풍 갈매기와 모라꽃이 우리나라에 영향을 미치는 기간 동안 파랑 예측모델로 예측된 유의파고와 해양부이 관측결과와의 예보시간별 편차를 나타낸 도면이다.
도 13은 방파제데이터의 일 예로서 북방파제 제간부의 단면도를 나타낸다.
도 14는 방파제데이터의 다른 예로서 북방파제 제두부의 단면도를 나타낸다.
도 15는 방파제데이터의 또 다른 예로서 남방파제 제간부의 단면도를 나타낸다.
도 16은 방파제데이터의 또 다른 예로서 남방파제 제두부의 단면도를 나타낸다.
도 17은 방파제데이터의 또 다른 예로서 파형블록의 친수호안 단면도를 나타낸다.
도 18은 방파제데이터의 또 다른 예로서 폐타이어의 친수호안 단면도를 나타낸다.
도 19는 북방파제에 대한 단면실험결과를 나타낸 도면이다.
도 20은 북방파제에 대한 월파량 실험결과를 나타낸 도면이다.
도 21은 북방파제에 대한 반사율 실험결과를 나타낸 도면이다.
도 22는 북방파제에 대한 전달파 실험결과를 나타낸 도면이다.
도 23은 남방파제에 대한 단면실험결과를 나타낸 도면이다.
도 24는 남방파제에 대한 월파량 실험결과를 나타낸 도면이다.
도 25는 남방파제에 대한 반사율 실험결과를 나타낸 도면이다.
도 26은 친수호안의 단면실험결과를 나타낸 도면이다.
도 27은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 방파제 시뮬레이션 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 28은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 방파제 시뮬레이션 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 29는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 방파제 시뮬레이션 방법을 나타낸 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 3차원 방파제 시뮬레이션 시스템 및 그 시뮬레이션 방법을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 방파제 시뮬레이션 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 방파제 시뮬레이션 시스템(100)은 파랑데이터저장부(102), 파랑모델생성부(104), 방파제데이터저장부(106), 방파제모델생성부(108), 방파특성예측부(110), 파랑데이터선택부(112), 파랑수치해석부(114), 방파제데이터선택부(116), 쇄파수치해석부(118) 및 쇄파모델생성부(120)를 포함할 수 있다.
파랑데이터저장부(102)는 지역 및 시기에 따른 파랑의 파고, 파장, 주기, 파향 중의 적어도 하나를 포함하는 파랑특성 데이터를 저장한다. 기상청은 WAM(Wave Model) 모델을 대체하는 지역 파랑 예측 시스템(RWW3: Regional Wave Watch III)을 개발하여 2008년부터 정식 운영중에 있다. 파랑데이터저장부(102)는 한반도 주변 해역의 특성을 분석하기 위해 2008년과 2009년의 RWW3의 예측 결과와 해양기상 부이의 관측결과를 비교검증하여 저장한다.
파랑모델생성부(104)는 파랑데이터저장부(102)에 저장된 파랑특성 데이터에 기초하여 파랑모델을 예측하며, 예측된 파랑모델에 기초하여 3차원의 파랑모델을 생성한다. 이때, 파랑모델생성부(104)는 우리나라에 직, 간접적인 영향을 주었던 태풍 중 갈매기와 모라꽃을 선정하여 파랑예측 시스템에 의해 산출된 파랑의 예측정확도를 산출한다.
RWW3는 북서 태평양을 포함하는 경도 115°E~150°E, 위도 20°N~50°N 영역(도 2 참조)이며 해상도는 위, 경도 동일하게 1/12°로 설정이 되어있다. 모델 수행은 기상청 슈퍼컴 2호기를 통해서 하루에 2회씩 00UTC(Universal Time Coordinated)와 12UTC에 수행되어 파랑 예측 결과를 산출한다. 파랑 모델의 입력장은 기상청 대기모델 자료 중 해상풍을 사용한다. 본 발명의 실시예에서는 KWRF(Korea Weather Research and forecasting) 모델결과를 입력장으로 활용하여 3시간 간격의 파랑 모델 자료를 분석하였다. 모델에 의해 예측된 유의파고는 기상청에서 운영중인 해양기상 관측부이의 관측 결과와 비교하였다. 도 3에는 본 발명의 실시예에서 사용된 총 5개의 해양기상 관측부이의 위치를 나타내었다. 관측부이는 풍향, 풍속, 기압, 기온, 상대습도, 수온, 최대파고, 유의파고, 파향, 파주기 등을 관측하며, 매일 1시간 간격으로 실시간 자료를 수집한다. 이와 같이 수집된 자료는 파랑특성 데이터로 파랑데이터저장부(102)에 저장되며, 파랑모델생성부(104)는 파랑데이터저장부(102)에 저장된 파랑특성 데이터에 기초하여 파랑예측모델을 예측하고, 예측된 파랑예측모델에 기초하여 컴퓨터상에서 실행되는 3차원의 그래픽 파랑모델을 생성할 수 있다.
도 4는 2008년과 2009년의 1년 동안의 시계열의 부이관측자료의 예를 나타낸 도면이다. 파랑모델생성부(104)는 시계열의 부이관측 자료를 파랑예측모델에서 예측된 유의파고의 1일 평균값과 비교하여 수학식 1과 같이 상관도를 계산할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112012024439043-pat00001
수학식 1에서 N은 검증자료의 개수이며, Ymod와 Yobs는 각각 파랑예측모델 및 관측값,
Figure 112012024439043-pat00002
는 파랑예측모델 및 관측값의 시계열 평균을 나타낸다.
모델 자료는 하루 두 번 생산되는 총 48시간의 3시간 간격의 시계열 예측 자료 결과와 실시간으로 기상청에서 운영 중인 5개 부이 중 2008년 서해(덕적도, 칠발도)와 2009년 남해(거문도, 거제도) 지점에서 비교할 수 있다. 서해에서 관측된 동계의 3m의 높은 유의파고와 남해에서의 하계 및 추계에 관측된 높은 유의파고를 파랑예측모델이 잘 모의하고 있으며 모든 부이 지점 비교에서 0.8 이상의 높은 상관도를 보이는 것으로 나타내어 파랑 예측 모델이 유의파고를 제대로 예측하고 있음을 알 수 있다.
도 5는 2008년과 2009년의 1월에서 12월까지 예측 정확도를 12, 24, 36, 48 예측시간으로 나누어 월별로 파랑예측모델과 관측사이의 유의파고 RMSE(Root Mean Square Error)를 나타낸 도면이다. 평균 통계적 수치는 표 1에 정리한 바와 같다.
[표 1]
Figure 112012024439043-pat00003
본 발명의 실시예와 동일한 모델 결과를 활용한 연구결과에 의하면 2006년과 2007년의 12시간 예측과 관측의 유의파고 RMSE는 0.37m 임을 나타내었다. 본 발명의 실시예에서 2008년과 2009년의 12시간 예측 정확도는 각각 0.364와 0.408m를 나타내었으며, 2008년의 경우 24(48) 예보시간별 전체 평균 편차는 0.185(0.273)m의 정확도를 나타내었고 RMSE는 0.428(0.540)m를 나타내었다. 편차의 경우 모든 지점에서 양의 편차 즉 모델에서 예측한 유의파고가 부이 관측치에 비해 높게 모의하고 있음을 알 수 있다.
도 6은 48시간 예측 해상풍과 도 3의 부이 5개지점에서의 관측 해상풍의 월별 평균 예측정확도를 나타낸 도면이다. 도 6을 참조하면, 입력으로 사용된 해상풍의 예측 오차가 작은 경우가 유의파고의 예측정확도도 높게 나타났으며 유의파고의 예측오차가 가장 적었던 9월과 10월의 해상풍 예측정확도가 가장 좋게 나타난 것을 알 수 있다.
도 7은 1년 동안의 3시간 간격의 전체 파랑 예측자료를 이용하여 유의파고 크기별(0~1m, 1~2m, 2~3m, 3~4m, 4~5m, 5m 이상)과 파주기(5초 이하, 5~6초, 6~7초, 7~8초, 8~9초, 9~10초, 10초 이상)로 구분하여 지역별(서해, 남해, 동해)로 평균적인 빈도를 나타낸 도면이다. 2008년의 유의파고의 평균적인 빈도를 보면 하계에 3m 이상의 높은 유의파고가 나타나지 않지만 동계, 특히 동해에서 높은 유의파고가 12~3월까지 나타나는 것을 알 수 있다. 2009년에도 2008년과 월별 특성이 비슷하지만 2008년에 비해 하계에 서해와 남해에서 3m 이상의 높은 유의파고가 나타났던 것으로 알 수 있다. 파주기의 경우는 2008년에 서해와 남해에서 7월과 9월에 큰 주기의 파가 연안에 발생하였던 것으로 나타났으며 2009년에는 하계에 비해 동계에 큰 주기의 파가 나타났다. 또한, 동해의 경우가 서해, 남해에 비해 큰 주기의 파가 월별로 많이 발생한 것으로 파악되었다.
도 8은 2008년과 2009년의 파랑의 평균 특성을 파악하기 위해 유의파고의 연평균과 최대값을 도시한 도면이다. 도 8에는 파장과 파주기의 연평균도 함께 나타내었다. 연평균 유의파고의 경우 2008년에 2.5m 이상의 유의파고가 일본 동쪽 태평양 해역에 나타나는 것을 제외하면 2008년과 2009년의 유의파고 연평균의 공간분포에서 큰 차이를 보이고 있지 않다. 파장과 파주기의 경우도 평균적인 공간분포는 연도별로 큰 차이를 보이지 않는다. 그러나 2008년이 2009년에 비해 긴 파장의 파가 일본 동쪽에 북서 태평양 해역에 나타나는 것을 알 수 있다. 우리나라 주변 해역의 경우는 2009년에 50m 파장의 파가 전 해역에 걸쳐 분포한 것으로 나타났으며 파주기의 경우도 2008년에 비해 2009년이 긴 주기의 파 특성을 평균적인 공간분포에서 확인할 수 있다.
최대 유의파고의 경우는 태풍의 영향으로 연도별로 차이가 나타나고 있다. 2008년에는 대만 동쪽 해역에서 최대 12m의 유의파고를 나타내고 있는데 이는 7월의 7호 태풍 갈매기, 8호 태풍 Fung-Wong과 9월에는 13호 태풍 Sinlaku의 영향으로 대만 주변에서 높은 유의파고가 발생한 것으로 사료된다. 북서태평양의 중앙지역에도 태풍 진로를 따른 매우 높은 유의파고 최대치를 나타내고 있는데, 이것은 2호 태풍 Rammasunrhk 5호 태풍 Nakri의 영향으로 사료된다.
2009년의 최대 유의파고는 2008년과 비교하여 좀 더 복잡한 양상을 나타내고 있다. 일본 남부 태평양 해역에서 두 개의 매우 높은 최대 유의파고를 나타내고 있는데, 이것은 12호 태풍 Dujuan과 14호 태풍 Choi-wan의 영향이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다. 또한 2008년과 유사하게 2009년에도 대만 동쪽 해역이 매우 높은 유의파고를 나타내는데 이는 8호 태풍 모라꽃의 영향이 컸던 것을 알 수 있다.
도 9는 높은 유의파고를 발생시킨 주요 태풍들의 진로를 나타낸 도면이며, 도 10은 파랑 유의파고에 가장 큰 영향을 미치는 최대 해상풍 풍속을 나타낸 도면이다. 도 9 및 도 10을 참조하면, 전술한 최대 유의파고와 같이 태풍 진로에 따라 매우 강한 최대 해상풍을 나타내고 있다. 즉, 태풍의 세기에 따라 20~45m/s의 최대 해상풍의 풍속을 보이고 있으며 2008년에 비해 태풍의 수는 적었지만 세기가 강했던 2009년의 경우가 최대 해상풍 풍속이 강하게 나타났음을 알 수 있다.
2008년과 2009년에 우리나라에 가장 근접했던 태풍 갈매기와 모라꽃의 기간 중 파랑예측모델의 예보 정확도를 산출한 결과, 갈매기는 2008년 7월 13일 06UTC에 필리핀 북동쪽에서 발생하여 7월 18일경에 대만에 상륙하였고 이후 상하이 남서쪽 부근에서 TD(Tropical Depression: 17m/s 미만)급으로 약화되었으며 이후 북동진하였고 우리나라 황해에서 열대 저압부로 약화되었다. 태풍 모라꽃은 2009년 8월 3일 일본 오키나와 동남동쪽 약 970km 부근 해상에서 발생하여 7일 0시 대만 남동쪽 220km 부근 해상에서 945hPa, 최대풍속 40m/s을 기록하여 TY(Typhoon: 33m/s 이상)급으로 최대로 발달하였다.
도 11은 2008년과 2009년 두 개의 태풍이 영향을 미치는 기간 동안의 최대 유의파고 및 파주기를 나타낸 도면이다. 태풍 갈매기의 경우 태풍 진로를 따라서 대만 동쪽 해역과 류큐 열도 남부지방에 최대 8m의 유의파고를 나타내고 있다. 태풍 갈매기에 비해 세기가 강했던 모라꽃은 진로를 따라 매우 넓은 지역에 걸쳐 10m 이상의 최대 유의파고를 나타내고 있는데 특히 대만 연안과 류큐 열도에 걸쳐 넓은 지역에 영향을 미치고 있다. 파주기도 태풍 진로에 따라 10초 이상의 긴 주기의 파들이 넓은 지역에 걸쳐 분포하는 것을 알 수 있다.
도 12는 태풍 갈매기와 모라꽃이 우리나라에 영향을 미치는 기간 동안 파랑 예측모델로 예측된 유의파고와 해양부이 관측결과와의 예보시간별(12, 24, 36, 48시간) 편차를 나타낸 도면이다. 태풍 갈매기가 우리나라에 접근시 거문도 부이 비교에서 가장 작은 편차를 보이지만 서해 부이(덕적도, 칠발도)와 동해 부이 비교에서 상대적으로 큰 오차를 나타내었다.
이상에서 설명한 바와 같이 파랑모델생성부(104)는 파랑데이터저장부(102)에 저장된 파랑특성 데이터의 지역 및 시기에 따른 파고, 파장, 주기, 파향 등의 파랑특성 데이터를 입력으로 하여 3차원의 그래픽 파랑모델을 생성하며, 생성된 파랑모델을 컴퓨터상의 화면에 표시할 수 있다.
방파제데이터저장부(106)는 방파제가 설치되는 수심, 방파제의 형상, 높이, 폭, 표면강도, 공극률 중의 적어도 하나를 포함하는 방파제특성 데이터를 저장한다. 예를 들어, 방파제데이터저장부(106)는 도 13에 도시한 바와 같이, 북방파제 제간부의 형상에 대한 단면도의 특성데이터를 저장할 수 있다.
북방파제 제간부는 커튼식으로 구성되며, 제체 설치수심은 D.L(-)7.65m이고, 제체의 하부는 S.S.P Pile(1,000, 14t)을 D.L(-)22.4m 까지 굴착?매설하며, 전면 25mm Precast Conc. Wall을 사용하여 DL(-) 1.70m에서 DL(-) 9.00m까지 설치할 수 있다. 또한, 천단고는 DL(+) 4.00m이며, 상치콘크리트의 폭은 6.5m로 가정한다.
또한, 방파제데이터저장부(106)는 도 14에 도시한 바와 같이, 북방파제 제두부 형상의 단면도 특성을 저장할 수도 있다. 북방파제 제두부는 커튼식으로 구성되며, 제체 설치수심은 D.L(-)10.20m이고, 제체의 하부는 S.S.P Pile(1,000, 14t)을 D.L(-)20.6m 까지 굴착하여 매설하고, 전면 25mm Precast Conc. Wall을 사용하여 DL(-) 1.70m에서 DL(-) 9.00m까지 설치할 수 있다. 천단고는 DL(+) 4.00m이며, 상치콘크리트의 폭은 9.75m로 가정할 수 있다.
또한, 방파제데이터저장부(106)는 도 15에 도시한 바와 같이, 남방파제 제간부 형상의 단면도 특성을 저장할 수도 있다. 남방파제 제간부는 사석경사제형식이며, 제체 설치수심은 D.L(-)12.00m이다. 호안의 하부는 D.L(-)18.35m 까지 굴착하여 0.030m3/ea 이하의 기초사석을 강제치환하고, 제체사석은 0.015m3/ea ~ 0.030m3/ea, 전면피복석의 경우 DL(-)5.00m까지는 0.8m3/ea의 피복석을 피복하고, 하부는 0.2m3/ea의 피복석을 사용하며, 배후면 피복석은 DL(-)2.50m까지는 0.7m3/ea의 피복석을 피복하고, 하부는 0.2m3/ea의 피복석을 사용할 수 있다. 상치콘크리트의 폭은 6.00m이며, 천단고는 DL(+)6.00m이다.
또한, 방파제데이터저장부(106)는 도 16에 도시한 바와 같이, 남방파제 제두부 형상의 단면도 특성을 저장할 수도 있다. 남방파제 제두부는 사석경사제형식이며, 제체 설치수심은 D.L(-)12.00m이다. 호안의 하부는 D.L(-)18.35m 까지 굴착하여 0.030m3/ea 이하의 기초사석을 강제치환하고, 제체사석은 0.015m3/ea ~ 0.030m3/ea, 피복석의 경우 DL(-)5.00m까지는 0.8m3/ea의 피복석을 피복하고, 하부는 0.2m3/ea의 피복석을 사용한다. 상치콘크리트의 폭은 9.00m이며, 천단고는 DL(+)6.00m 그리고 어깨폭은 3.00m이다.
또한, 방파제데이터저장부(106)는 도 17에 도시한 바와 같이, 파형블록의 친수호안 단면도 특성을 저장할 수도 있다. 파형블록의 친수호안 방파제는 사석경사제형식이며, 전면에 파형블록을 설치하였고, 제체 설치수심은 D.L(-)4.50m이다. 또한, 제체사석은 0.030m3/ea 이하이며, 전면 피복은 DL(+)0.112m의 상부에는 파형블록을 하부에는 0.2m3/ea의 피복석을 사용한다. Berm을 설치하여 조석체험구간을 적용한다.
또한, 방파제데이터저장부(106)는 도 18에 도시한 바와 같이, 폐타이어의 친수호안 단면도 특성을 저장할 수도 있다. 폐타이어 친수호안 방파제는 사석경사제형식이며, 전면의 피복은 폐타이어를 이용한다. 제체 설치수심은 D.L(-)4.50m이다. 제체사석은 0.030m3/ea 이하이며, 전면 피복은 DL(+)0.80m에 폭 2.50m의 Berm을 설치하고, 외부에는 폐타이어를 이용한다.
도 13 내지 도 18에는 방파제데이터저장부(106)가 방파제특성 데이터의 예로서 북방파제 제간부, 북방파제 제두부, 남방파제 제간부, 남방파제 제두부, 파형블록 친수호안 및 폐타이어 친수호안의 단면도 특성을 저장하는 것으로 도시하고 설명하였지만, 방파제데이터저장부(106)는 북방파제 제간부, 북방파제 제두부, 남방파제 제간부, 남방파제 제두부, 파형블록 친수호안 및 폐타이어 친수호안의 방파제특성 데이터에 한정하지 않고 다양한 위치의 방파제에 대한 특성 데이터를 저장할 수도 있다. 또한, 방파제데이터저장부(106)는 방파제의 단면도 특성 이외에 방파제의 외해면 및 내해면의 표면강도, 공극률 등에 대한 특성 데이터를 저장할 수도 있다.
방파제모델생성부(108)는 방파제데이터저장부(106)에 저장된 방파제특성 데이터에 기초하여 컴퓨터에서 실행되는 3차원의 그래픽 방파제모델을 생성할 수 있다. 즉, 방파제모델생성부(108)는 방파제가 설치되는 위치의 수심, 방파제의 형상, 높이, 폭, 표면강도, 공극률 등의 방파제특성 데이터를 입력데이터로 하여 그에 대응하는 3차원의 그래픽 방파제모델을 구현하여 컴퓨터상의 화면에 표시할 수 있다.
방파특성예측부(110)는 방파제모델생성부(108)에 의해 생성된 방파제특성 데이터에 따른 파랑모델의 반파계수, 월파량, 방파제의 안정도를 포함하는 반파특성을 예측한다. 이를 위해 방파특성예측부(110)는 파랑예측모델 및 방파제모델의 방파제특성 데이터에 기초하여 파랑의 쇄파를 수치해석하며, 그에 따른 반파특성을 예측할 수 있다. 이에 대해서는 후술한다.
파랑데이터선택부(112)는 파랑데이터저장부(102)에 저장된 파랑특성 데이터 중 적어도 하나의 파랑특성 데이터를 선택한다. 예를 들어, 파랑데이터선택부(112)는 파랑데이터저장부(102)에 저장된 파랑특성 데이터 중 2008년 7월 13일에 대한 파랑특성 데이터를 선택할 수 있다. 이 경우, 파랑모델생성부(104)는 파랑데이터선택부(112)에 의해 선택된 파랑특성 데이터에 대응하여 3차원의 그래픽 파랑모델을 생성할 수 있다.
파랑수치해석부(114)는 파랑데이터선택부(112)에 의해 선택된 파랑특성 데이터에 기초하여 파랑을 수치해석할 수 있다.
해양에서의 파랑은 파고, 파장, 주기 및 파향이 서로 다른 다수의 규칙적인 성분파가 합쳐져 구성되어 있다. 이러한 가정에 기초하여 파랑 조화 해석에 의하여 진동수, 진폭, 위상이 다른 다수의 정현파(Sinusoidal wave)로 분해하여 해수면에서의 파의 성질을 해명하는 방법을 스펙트럴(Spectral) 해석이라고 한다. 파랑 수치모델은 스펙트럴의 개념을 이용하여 파랑 스펙트럼 에너지가 보존된다는 가정을 수학식 2와 같은 기본 방정식으로 사용하고 있다.
[수학식 2]
Figure 112012024439043-pat00004
수학식 2의 좌변 첫 항은 파랑 스펙트럼 에너지의 국지적 변화율을 나타내고, 둘째 항은 파랑 스펙트럼 에너지가 군속도(Group velocity) 및 해류속도에 의한 이류를 나타낸다. 파랑 스펙트럼을 진동수뿐만이 아니고, 방향성 θ를 갖는 2차원으로 확장하면 E(f,θ)는 E(f,θ)=E(f)?G(f,θ)로 나타낼 수 있으며, G(f,θ)는
Figure 112012024439043-pat00005
로 정의되는 방향 분포함수라고 한다. 즉, 파랑 스펙트럼 E(f,θ)는 에너지 밀도 E(f)가 G(f,θ)의 방향성을 가지며 분포하고 있다고 생각하면 된다. 널리 사용되는 방향 분포함수는 수학식 3과 같은 cos2 함수이다.
[수학식 3]
Figure 112012024439043-pat00006
수학식 2의 우변은 원천 함수들을 나타내는데 Sin은 해상풍에 의한 에너지 증가항이며 Snl은 성분파 상호간의 비선형 에너지 교환항, Sds은 마찰 및 점성등에 의한 에너지 소실항을 나타낸다. 평면 좌표계(Cartesian coordinate)의 형태의 수학식 2를 구면 좌표계(Spherical coordinate)식으로 표현한 수학식 4가 모델로 사용될 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112012024439043-pat00007
본 발명에서 사용되는 파랑 모델 결과는 전술한 바와 같이 현재 기상청에서 예보에 활용하고 있는 지역파랑 예측 모델(RWW3) 결과를 이용할 수 있다. RWW3는 Tolman에 의해 개발된 WW3 모델을 근간으로 하고 있다. WW3 모델은 성분파 상호간의 비선형 에너지 전달항을 명시적으로 계산하며 시간적, 공간적으로 변화하는 해상풍 및 해류, 조류의 효과를 에너지 소산, 해저면과의 상호작용에 의한 에너지 손실(Dissipation)까지 고려하고 있는 제3세대 파랑모델이다. 수학식 4가 적용된 WW3 모델의 기본식은 수학식 5 내지 수학식 8과 같다.
[수학식 5]
Figure 112012024439043-pat00008
[수학식 6]
Figure 112012024439043-pat00009
[수학식 7]
Figure 112012024439043-pat00010
[수학식 8]
Figure 112012024439043-pat00011
Uθ와 Uλ는 각각 해류의 남북, 동서 방향성분을 나타내며 수학식 8은 구면좌표계에서 최단거리 이동에 따른 수정항을 포함하고 있다.
이와 같은 방법으로 파랑수치해석부(114)는 파랑데이터선택부(112)에 의해 선택된 파랑특성 데이터를 수치해석할 수 있으며, 파랑모델생성부(104)는 파랑수치해석부(114)에 의해 수치해석된 파랑에 기초하여 3차원의 그래픽 파랑모델을 생성할 수 있다.
방파제데이터선택부((116)는 방파제데이터저장부(106) 중 적어도 하나의 방파제특성 데이터를 선택할 수 있다. 즉, 방파제데이터선택부(116)는 방파제데이터저장부(106)에 저장된 방파제가 설치되는 위치의 수심, 방파제의 형상, 높이, 폭, 표면강도, 공극률 등에 대한 방파제특성 데이터 중 임의의 방파제특성 데이터를 선택할 수 있다. 이 경우, 방파제모델생성부(108)는 방파제데이터선택부(116)에 의해 선택된 방파제특성 데이터에 따라 방파제모델의 방파제특성 데이터를 변경할 수 있다.
쇄파수치해석부(118)는 방파제모델생성부(108)에 의해 생성된 방파제모델에 대응하는 방파제특성 데이터에 기초하여 파랑모델에 대응하는 쇄파의 수치를 해석한다. 즉, 쇄파수치해석부(118)는 파랑수치해석부(114)에 의해 수치해석된 파랑이 방파모델의 방파제특성 데이터에 의해 어떻게 변화되는지를 해석할 수 있다.
쇄파는 파랑이 경사진 해안으로 진행되어 들어올 때 해저의 저항으로 파랑의 진행속도가 수립자의 원운동 속도보다 늦어져 깨어지는 파랑을 말한다. 쇄파가 일어나는 조건은 수심이 파고의 1.28배보다 적게 되었을 때, 파형경사가 1/7보다 커졌을 때 일어난다.
쇄파는 통상적으로 그 형태에 따라 붕파(spilling breakers), 권파(plunging breakers), 쇄기파(suriging breakers)로 구분한다. 붕파는 서서히 부서지는 파를 말하며, 권파는 말아 올리면서 부서지는 파를 말하고, 쇄기파는 벼랑 근처에서 전체가 무너지면서 밀려오는 파를 말한다.
일반적으로 방파제 구조물은 연안으로부터 소정거리 떨어진 지역에 설치되므로, 본 발명의 실시예에서는 이와 같은 쇄파와 구분하여 발생초기의 안정쇄파(steady breaker)를 모델로 한다. 여기서, 안정쇄파는 자유표면의 발달로 인해 파고의 정상(crest) 부근에 축적된 잉여에너지가 오버터닝(overturning) 또는 역류(backward flow)를 하지 않고 일정범위에서 안정된 형상을 유지하는 메카니즘(mechanism)을 갖는다. 안정쇄파의 발생 임계조건을 얻기 위해서는 속도포텐셜, 압력, 자유표면파고에 교란(disturbance)을 도입하고, 연속방정식, 압력조건, 자유표면 운동(kinematic) 조건을 적용한다. 그리고 모멘텀 방정식을 이용하여 자유표면의 곡율 k와 원주력 M과의 관계를 구하면 수학식 9와 같은 임계조건식 Cr을 얻을 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112012024439043-pat00012
수학식 9에서 U는 유체속도이며 괄호 속의 둘째 항은 연속방정식에 의해 -∂W/∂n으로 놓을 수 있다. 여기서 M은 -g로 근사하고, 파정에서 nz ≒ 1로 가정하면, 수학식 10과 같이 된다.
[수학식 10]
Figure 112012024439043-pat00013
수학식 10에서 Δ는 미소거리 hδs의 증분을 의미한다. ζ0는 베르누이 방정식에 의해 U 대신 사용한다. 자유표면 파고증분을 국소파장 U2/g로 나눈값이 원주력의 법선증분 보다 커질 때 자유표면이 불안정해 짐을 보여주게 된다. M은 원주(circumferential) 방향의 힘으로 수학식 11과 같다.
[수학식 11]
Figure 112012024439043-pat00014
여기서 s는 자유표면의 유선방향 좌표, n은 수직방향 벡터, h는 메트릭(metric) 계수, nz는 z에 대한 n의 방향 코사인을 의미한다. Us는 s-방향의 흐름의 속도성분, k는 자유표면의 곡률, g는 중력가속도이고, 여기서 nz≒1 및 ∂/h∂s≒∂/∂x을 가정하면 수학식 9는 수학식 12와 같이 근사화할 수 있다.
[수학식 12]
Figure 112012024439043-pat00015
여기서,
[수학식 13]
Figure 112012024439043-pat00016
이며, M은 항상 음수이므로 x에 관한 M/Us의 음의 구배는 자유표면이 불한정하게 될 가능성을 보여주게 된다.
다음에 안정쇄파의 기초방정식에 대한 수치모델 및 이산화를 살펴본다.
수치해석은 Navier-Stokes 방정식을 풀어서 수행하며 시간 t=n+1에서 속도 u,v,w는 수학식 14와 같이 된다. 시간 t는 L/U0로 무차원화 하였으며, 여기서 L은 물체의 길이이고 U0는 균일흐름의 속도이다.
[수학식 14]
Figure 112012024439043-pat00017
여기서,
[수학식 15]
Figure 112012024439043-pat00018
그리고,
[수학식 16]
Figure 112012024439043-pat00019
[수학식 17]
Figure 112012024439043-pat00020
이며, 수학식 14를 x,y,z에 관해서 미분하면 수학식 18과 같이 된다.
[수학식 18]
Figure 112012024439043-pat00021
수학식 18의 마지막 항은 연속방정식을 만족하면 0이 되며, Poisson 방정식은 이완(relaxation)법을 적용하여 풀 수 있다. t=n+1에서 자유표면은 수학식 19에 의한 격자이동에 의해 수행된다.
[수학식 19]
Figure 112012024439043-pat00022
계산영역을 단순화하기 위해 변환이 필요한데, 수학식 20은 수치계산을 위한 좌표변환을 보여준다.
[수학식 20]
Figure 112012024439043-pat00023
좌표변환을 하면 수학식 20은 수학식 21과 같이 된다.
[수학식 21]
Figure 112012024439043-pat00024
여기서 U,V,W는 반변벡터(contravariant) 속도, K는 압력구배, RESYF는 레이놀즈 응력항이다. 효율적인 계산을 위해서 격자수가 서로 다른 삼중격자법을 도입하였다. 이것은 방정식의 각 항에 서로 다른 격자를 사용하는 것을 의미한다. 첫 번째는 대류항, 두 번째는 Poisson 방정식, 세 번째는 자유표면 방정식이다. 자유표면 방정식은 대류항의 4배의 격자수를 적용하였으며, Poisson 방정식은 대류항의 절반의 격자를 사용하였다.
도 19는 북방파제에 대한 단면실험결과를 나타낸 도면이며, 도 20은 북방파제에 대한 월파량 실험결과를 나타낸 도면이다. 또한, 도 21은 북방파제에 대한 반사율 실험결과를 나타낸 도면이며, 도 22는 북방파제에 대한 전달파 실험결과를 나타낸 도면이다.
북방파제 제간부는 설계파랑조건에서는 월파가 고파랑조건에서 수회 발생하나 월파량 환산결과 거의 없는 것으로 나타나며, 파고 1.4m의 조건에서 0.009m3/m/sec의 월파량이 발생하였다. 또한, 입사하는 파랑은 방파제 전면을 따라 승강하며 벽면에서 거동하는 것으로 나타나며, 설계파랑을 초과한 1.8m의 파랑이 내습할 경우 불규칙 파랑 중 고파랑의 내습시 파랑이 천단을 초과하는 현상을 보이고, 월파가 발생한다. 또한, 입사파랑조건이 2.8m에서는 파랑의 대부분이 월파하며, 월파량의 발생은 급격히 증가하고, 천단고를 상회하는 파랑에 의해 배후면의 전달파고도 높게 나타난다. 반사율은 대부분 0.5에서 0.6의 값을 보이며, 전달율은 대부분 30% ~ 40%이며, 입사파랑이 배후면의 파랑에 비해 전면의 입사파고가 상대적으로 작을 경우 전달율이 크게 나타난다.
북방파제 제두부는 북방파제 제간부에 비해 높은 설계파랑조건으로 더 많은 월파가 발생하고 있으나, 발생하는 월파량은 0.014 m3/m/sec으로 다소 적은 월파량이 발생하며, 파고의 증가에 따라 유의파고 2.5m를 초과하는 조건에서는 월파량의 급격한 증가를 가져오고, 상대적으로 작은 설계파랑조건으로 인해 불규칙 파랑 중 높은 파랑이 내습할 때에도 방파제 전면을 따라 승강하며 벽면에서 거동한다. 또한, 설계파랑을 초과한 2.5m 이상의 파랑이 내습할 경우 파랑 중 고파랑의 내습시 파랑이 천단을 초과하는 현상을 보이며, 월파가 발생하고, 입사파랑조건이 2.8m에서는 파랑의 대부분이 월파하며, 월파량의 발생은 급격히 증가하고, 천단고를 상회하는 파랑에 의해 배후면의 전달파고도 높게 나타난다. 반사율은 대부분 0.5에서 0.6의 값을 보이며, 전달파고는 파고가 낮은 조건에서는 입사파랑이 배후면의 파랑에 비해 전면의 입사파랑이 상대적으로 작아져서 전달율이 크게 나타난다.
또한, 파랑조건이 0.6m에서 1.5m의 작은 조건이며, 각 조건에 대해 제간부, 제두부의 안정성은 모두 양호한 것으로 나타났다.
또한, 주기가 길고 입사파고가 매우 적을 때는 상대적으로 전달계수가 증가하고 있으나, 북방파제는 월파와 투과파의 영향으로 대부분 30%~40%의 전달율을 보인다.
도 23은 남방파제에 대한 단면실험결과를 나타낸 도면이며, 도 24는 남방파제에 대한 월파량 실험결과를 나타낸 도면이고, 도 25는 남방파제에 대한 반사율 실험결과를 나타낸 도면이다.
남방파제 제간부 구간의 경우 설계파랑조건이 1.5m이며, 경사제로 구성되어 있어 설계파랑조건에서는 월파량이 발생하지 않고, 파고 2.5m 일 때 0.012m3/m/sec의 월파량이 발생한다. 입사하는 파랑은 설계파랑조건에서는 대부분 사면상에서 거동한다. 설계파랑을 초과한 2.5m의 파랑이 내습할 경우 파랑 중 고파랑의 내습시 소상된 파랑이 상치콘크리트와 부딪히며 월류하고, 반사율은 대부분 사석경사제의 일반적인 범위인 0.3에서 0.5의 범위를 보이며, 높은 파랑 조건에서도 전면사석의 거동은 없다.
남방파제 제두부 구간의 경우 설계파랑조건이 2.5m이며, 경사제로 구성되어 있다 천단고는 제간부와 동일한 DL(+) 6.00m이다. 따라서 제간부 보다는 다소 높은 월파량이 발생한다. 설계파고인 2.5m일 때 0.013m3/m/sec의 월파량이 발생한다. 입사하는 파랑은 설계파랑조건에서는 사면상에서 거동하다 불규칙 파 중 고파랑 조건에서는 월파가 발생한다. 설계파랑을 초과한 3.3m의 파랑이 내습할 경우 파랑 중 고파랑의 내습시 소상된 파랑이 상치콘크리트와 부딪히고, 천단을 초과한 파랑으로 월류한다. 반사율은 대부분 사석경사제의 일반적인 범위인 0.3에서 0.5의 범위를 보이며, 설계파랑조건을 초과한 3.3m의 높은 파랑 조건에서는 전면사석의 일부가 이동 파괴된다.
도 26은 친수호안의 단면실험결과를 나타낸 도면이다.
친수호안의 방파제는 설계파랑조건에서 월파는 발생하지 않았으며, 파라펫이 없으므로 월파가 발생하는 조건의 파고에서는 월파량의 급격한 증가를 보인다. 또한, 친수호안 방파제는 복합단면 형상에 파형경사가 적어 반사율은 비교적 적은 0.3 정도이고, 입사파랑의 사면사의 거동에 대해 소파블록 및 전면의 사석 모두 안정한 것으로 나타났다.
쇄파모델생성부(120)는 쇄파수치해석부(118)에 의해 해석된 결과에 기초하여 파랑모델에 대응하는 쇄파모델을 생성할 수 있다. 즉, 쇄파모델생성부(120)는 쇄파수치해석부(118)에 의해 파랑이 방파제모델의 방파제특성에 의해 월파가 발생한 것으로 해석되면, 그에 따라 3차원의 그래픽 파랑모델에 대해 월파가 발생하는 쇄파모델을 생성하여 표시할 수 있다.
도 27은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 방파제 시뮬레이션 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 27을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 방파제 시뮬레이션 시스템(200)은 파랑모델생성부(210), 방파제모델생성부(220), 방파특성예측부(230), 파랑수치해석부(240), 쇄파수치해석부(250) 및 쇄파모델생성부(260)를 포함할 수 있다. 여기서, 파랑모델생성부(210), 방파제모델생성부(220), 방파특성예측부(230), 파랑수치해석부(240), 쇄파수치해석부(250) 및 쇄파모델생성부(260)의 각각의 동작 및 기능은 도 1의 파랑모델생성부(104), 방파제모델생성부(108), 방파특성예측부(110), 파랑수치해석부(114), 쇄파수치해석부(118) 및 쇄파모델생성부(120)의 동작 및 기능과 유사하므로, 그 상세한 설명을 생략한다. 다만, 파랑모델생성부(210)는 RWW3와 같은 파랑예측시스템과 연동하여 파랑특성 데이터를 수신할 수 있으며, 파랑예측시스템에 의해 수신된 파랑특성 데이터에 기초하여 3차원의 그래픽 파랑모델을 생성할 수 있다.
도 28은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 방파제 시뮬레이션 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 1 및 도 28을 참조하면, 파랑데이터저장부(102)는 지역 및 시기에 따른 파랑의 파고, 파장, 주기, 파향 중의 적어도 하나를 포함하는 파랑특성 데이터를 저장한다(S102).
방파제데이터저장부(106)는 방파제가 설치되는 수심, 방파제의 형상, 높이, 폭, 표면강도, 공극률 중의 적어도 하나를 포함하는 방파제특성 데이터를 저장한다(S104).
파랑데이터선택부(112)는 파랑데이터저장부(102)에 저장된 파랑특성 데이터 중 적어도 하나의 파랑특성 데이터를 선택한다(S106).
파랑수치해석부(114)는 파랑데이터선택부(112)에 의해 선택된 파랑특성 데이터에 기초하여 파랑을 수치해석할 수 있다(S108).
파랑모델생성부(104)는 파랑수치해석부(114)에 의해 수치해석된 결과데이터를 입력으로 하여 3차원의 그래픽 파랑모델을 생성할 수 있다(S110).
방파제데이터선택부((116)는 방파제데이터저장부(106) 중 적어도 하나의 방파제특성 데이터를 선택할 수 있다(S112). 즉, 방파제데이터선택부(116)는 방파제데이터저장부(106)에 저장된 방파제가 설치되는 위치의 수심, 방파제의 형상, 높이, 폭, 표면강도, 공극률 등에 대한 방파제특성 데이터 중 임의의 방파제특성 데이터를 선택할 수 있다.
방파제모델생성부(108)는 방파제데이터선택부(116)에 의해 선택된 방파제특성 데이터에 따라 방파제모델을 생성할 수 있다(S114). 즉, 방파제모델생성부(108)는 방파제데이터선택부(116)에 의해 선택된 방파제가 설치되는 위치의 수심, 방파제 형상, 높이, 폭, 표면강도, 공극률 등을 입력데이터로 하여 3차원의 그래픽 방파제모델을 생성할 수 있다.
쇄파수치해석부(118)는 방파제모델생성부(108)에 의해 생성된 방파제모델에 대응하는 방파제특성 데이터에 기초하여 파랑모델에 대응하는 쇄파의 수치를 해석한다(S116). 즉, 쇄파수치해석부(118)는 파랑수치해석부(114)에 의해 수치해석된 파랑이 방파모델의 방파제특성 데이터에 의해 어떻게 변화되는지를 해석할 수 있다.
방파특성예측부(110)는 쇄파의 파고, 형상, 파압 등을 해석하여 방파제모델의 방파제특성 데이터에 따른 파랑모델의 반파계수, 월파량, 방파제의 안정도 등의 반파특성을 예측한다(S118).
쇄파모델생성부(120)는 쇄파수치해석부(118)에 의해 해석된 결과에 기초하여 파랑모델에 대응하는 쇄파모델을 생성한다(S120). 즉, 쇄파모델생성부(120)는 쇄파수치해석부(118)에 해석된 결과 및 파랑수치해석부(114)에 의해 해석된 결과를 비교하며, 그에 따라 3차원의 그래픽 파랑모델에 대해 변형된 3차원의 그래픽 쇄파모델을 생성할 수 있다.
도 29는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 방파제 시뮬레이션 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 27 및 도 29를 참조하면, 파랑수치해석부(240)는 RWW3와 같은 파랑예측시스템과 연동하여 파랑특성 데이터를 수신할 수 있으며, 수신된 파랑특성 데이터에 기초하여 파랑을 수치해석할 수 있다(S202).
파랑모델생성부(210)는 파랑수치해석부(240)에 의해 수치해석된 결과데이터를 입력으로 하여 3차원의 그래픽 파랑모델을 생성한다(S204).
방파제모델생성부(220)는 방파제가 설치되는 위치의 수심, 방파제의 형상, 높이, 폭, 표면강도, 공극률 등에 대한 방파제특성 데이터를 입력데이터로 하여 3차원의 그래픽 방파제모델을 생성한다(S206).
쇄파수치해석부(250)는 방파제모델생성부(220)에 의해 생성된 방파제모델에 대응하는 방파제특성 데이터에 기초하여 파랑모델생성부(210)에 의해 생성된 파랑모델에 대응하는 쇄파의 수치를 해석한다(S208). 즉, 쇄파수치해석부(250)는 파랑수치해석부(240)에 의해 수치해석된 파랑이 방파모델의 방파제특성 데이터에 의해 어떻게 변화되는지를 해석할 수 있다.
방파특성예측부(230)는 쇄파의 파고, 형상, 파압 등을 해석하여 방파제모델의 방파제특성 데이터에 따른 파랑모델의 반파계수, 월파량, 방파제의 안정도 등의 반파특성을 예측한다(S210).
쇄파모델생성부(260)는 쇄파수치해석부(118)에 의해 해석된 결과에 기초하여 파랑모델에 대응하는 쇄파모델을 생성한다(S212). 즉, 쇄파모델생성부(260)는 쇄파수치해석부(250)에 해석된 결과 및 파랑수치해석부(240)에 의해 해석된 결과를 비교하며, 그에 따라 3차원의 그래픽 파랑모델에 대해 변형된 3차원의 그래픽 쇄파모델을 생성할 수 있다.
102: 파랑데이터저장부 104, 210: 파랑모델생성부
106: 방파제데이터저장부 108, 220: 방파제모델생성부
110, 230: 방파특성예측부 112: 파랑데이터선택부
114, 240: 파랑수치해석부 116: 방파제데이터선택부
118, 250: 쇄파수치해석부 120, 260: 쇄파모델생성부

Claims (16)

  1. 지역 및 시기에 따른 파랑의 파고, 파장, 주기, 파향 중의 적어도 하나를 포함하는 파랑특성 데이터를 저장하는 파랑데이터저장부;
    상기 파랑데이터저장부에 저장된 파랑특성 데이터에 기초하여 3차원의 파랑모델을 생성하는 파랑모델생성부;
    방파제가 설치되는 위치의 수심, 상기 방파제의 형상, 높이, 폭, 표면강도, 공극률 중의 적어도 하나를 포함하는 방파제특성 데이터를 저장하는 방파제데이터저장부;
    상기 방파제데이터저장부에 저장된 방파제특성 데이터에 기초하여 3차원의 방파제모델을 생성하는 방파제모델생성부;
    상기 방파제모델의 방파제특성 데이터에 따른 상기 파랑모델의 반파계수, 월파량, 상기 방파제의 안정도를 포함하는 방파특성을 예측하는 방파특성예측부;
    상기 파랑데이터저장부에 저장된 파랑특성 데이터 중 적어도 하나의 파랑특성 데이터를 선택하는 파랑데이터선택부; 및
    상기 파랑데이터선택부에 의해 선택된 파랑특성 데이터에 기초하여 파랑을 수치해석하는 파랑수치해석부;
    를 포함하며, 상기 파랑모델생성부는 상기 파랑데이터선택부에 의해 선택된 파랑특성 데이터 및 상기 파랑수치해석부에 의해 수치해석된 파랑에 기초하여 상기 파랑모델을 생성하는 것을 특징으로 하는 3차원 방파제 시뮬레이션 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 방파제데이터저장부에 저장된 방파제특성 데이터 중 적어도 하나의 방파제특성 데이터를 선택하는 방파제데이터선택부;
    를 더 포함하며, 상기 방파제모델생성부는,
    상기 방파제데이터선택부에 의해 선택된 방파제특성 데이터에 대응하여 상기 방파제모델을 변경하는 것을 특징으로 하는 3차원 방파제 시뮬레이션 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 방파제모델에 대응하는 방파제특성 데이터에 기초하여 상기 파랑모델에 대응하는 쇄파의 수치를 해석하는 쇄파수치해석부; 및
    상기 쇄파수치해석부에 의해 해석된 결과에 기초하여 상기 파랑모델에 대응하는 쇄파모델을 생성하는 쇄파모델생성부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 방파제 시뮬레이션 시스템.
  6. 지역 및 시기에 따른 파랑의 파고, 파장, 주기, 파향 중의 적어도 하나를 포함하는 파랑특성 데이터에 기초하여 3차원의 파랑모델을 생성하는 파랑모델생성부;
    방파제가 설치되는 위치의 수심, 상기 방파제의 형상, 높이, 폭, 표면강도, 공극률 중의 적어도 하나를 포함하는 방파제특성 데이터에 기초하여 3차원의 방파제모델을 생성하는 방파제모델생성부;
    상기 방파제모델의 방파제특성 데이터에 대응하여 상기 파랑모델의 반파계수, 월파량, 상기 방파제의 안정도를 포함하는 방파특성을 예측하는 방파특성예측부; 및
    상기 파랑특성 데이터에 기초하여 파랑을 수치해석하는 파랑수치해석부;
    를 포함하며,
    상기 파랑모델생성부는 상기 파랑수치해석부에 의해 수치해석된 파랑에 기초하여 상기 파랑모델을 생성하는 것을 특징으로 하는 3차원 방파제 시뮬레이션 시스템.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 방파제모델에 대응하는 방파제특성 데이터에 기초하여 상기 파랑모델에 대응하는 쇄파의 수치를 해석하는 쇄파수치해석부; 및
    상기 쇄파수치해석부에 의해 해석된 결과에 기초하여 상기 파랑모델에 대응하는 쇄파모델을 생성하는 쇄파모델생성부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 방파제 시뮬레이션 시스템.
  9. 지역 및 시기에 따른 파랑의 파고, 파장, 주기, 파향 중의 적어도 하나를 포함하는 파랑특성 데이터를 저장하는 단계;
    방파제가 설치되는 위치의 수심, 상기 방파제의 형상, 높이, 폭, 표면강도, 공극률 중의 적어도 하나를 포함하는 방파제특성 데이터를 저장하는 단계;
    상기 저장된 파랑특성 데이터 중 적어도 하나의 파랑특성 데이터를 선택하는 단계;
    상기 선택된 파랑특성 데이터에 기초하여 파랑을 수치해석하는 단계;
    저장된 상기 파랑특성 데이터 중 상기 선택된 파랑특성 데이터 및 상기 수치해석된 파랑에 기초하여 3차원의 파랑모델을 생성하는 단계;
    저장된 상기 방파제특성 데이터에 기초하여 3차원의 방파제모델을 생성하는 단계; 및
    상기 방파제모델의 방파제특성 데이터에 따른 상기 파랑모델의 반파계수, 월파량, 상기 방파제의 안정도를 포함하는 방파특성을 예측하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 방파제 시뮬레이션 방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제9항에 있어서,
    상기 저장된 방파제특성 데이터 중 적어도 하나의 방파제특성 데이터를 선택하는 단계;
    를 더 포함하며, 상기 방파제모델생성단계는,
    상기 선택된 방파제특성 데이터에 대응하여 상기 방파제모델을 생성하는 것을 특징으로 하는 3차원 방파제 시뮬레이션 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 방파제모델에 대응하는 방파제특성 데이터에 기초하여 상기 파랑모델에 대응하는 쇄파의 수치를 해석하는 단계; 및
    상기 쇄파수치해석단계에 의해 재해석된 결과에 기초하여 상기 파랑모델에 대응하는 쇄파모델을 생성하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 방파제 시뮬레이션 방법.
  14. 지역 및 시기에 따른 파랑의 파고, 파장, 주기, 파향 중의 적어도 하나를 포함하는 파랑특성 데이터에 기초하여 파랑을 수치해석하는 단계;
    상기 파랑특성 데이터 및 상기 수치해석된 파랑에 기초하여 3차원의 파랑모델을 생성하는 단계;
    방파제가 설치되는 위치의 수심, 상기 방파제의 형상, 높이, 폭, 표면강도, 공극률 중의 적어도 하나를 포함하는 방파제특성 데이터에 기초하여 3차원의 방파제모델을 생성하는 단계; 및
    상기 방파제모델의 방파제특성 데이터에 따른 상기 파랑모델의 반파계수, 월파량, 상기 방파제의 안정도를 포함하는 방파특성을 예측하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 방파제 시뮬레이션 방법.
  15. 삭제
  16. 제14항에 있어서,
    상기 방파제모델에 대응하는 방파제특성 데이터에 기초하여 상기 파랑모델에 대응하는 쇄파의 수치를 해석하는 단계; 및
    상기 해석된 결과에 기초하여 상기 파랑모델에 대응하는 쇄파모델을 생성하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 방파제 시뮬레이션 방법.

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