확장형 완경사방정식에 기초한 Galerkin 유한요소 모형

정원무,이길성,박우선,채장원 한국해안해양공학회 1998 한국해안해양공학회 논문집 Vol.10 No.4

본 연구에서는 지배방정식으로 확장형 완경사방정식을 사용하고 무한요소를 이용하여 방사조건을 처리하는 Galerkin 유한요소 모형을 수립하였다. 수립된 모형의 타당성과 적용성을 입증하기 위하여 Ippen and Goda((1963)의 완전개방 직사각형 모형항만에서의 항만 공진과 Sharp(1968) 및 Chandrasekera and Cheung(1997)의 원형 천뢰상을 전파하는 파랑 변형에 대한 수치해석을 실시하였다. 수리모형실험 및 복합요소 모형에 의한 결과와의 비교를 통하여 본 모형이 급경사 지형에도 매우 양호한 결과를 제시함을 확인하였다. 마지막으로 방파제의 대안으로 고려될 수 있는 원형 해저 우물을 설정하고 이를 지나는 파의 변형 특성을 검토하였다. A Galerkin's finite element model incorporating infinite elements for modeling of radiation condition at infinity has been developed, which is based on an extended mild-slope equation. To illustrate the validity and applicability of the present model, the example analyses were carried out for a resonance problem in the rectangular harbor of Ippen and Goda (1963) and for wave transformations over circular shoals of Sharp (1968) and Chandrasekera and Cheung (1997). Comparisons with the results obtained by hydraulic experiments and hybrid element method showed that the present model gives very good results in spite of the rapidly varying topography. Numerical experiments were also performed for wave transformations over a circular concave well which may be an alternative to conventional wave barriers.

옥계항에서 관측된 폭풍파와 저중력파의 상호관계

정원무,채장원,박우선,이광수,서경덕 한국해안해양공학회 2001 한국해안해양공학회 논문집 Vol.13 No.3

옥계항 내외의 5개 정점에서 부이형 파향·파고계와 수압식 파고계를 사용하여 연속관측한 장·단주기파의 장기간 자료를 분석하여 옥계항 주변 해역에서의 장주기파 에너지의 공간적, 시간적 분포를 검토하였다. 장주기파 자료 분석에 일정평활화법, 점증평활화법 및 이동평균평활화법을 적용하여 각각의 장·단점을 검토한 결과 해당 항만의 제1 공진 모드의 주기와 사용하는 자료의 길이에 따라 적절한 에너지 평활화 방법을 사용해야 함을 보였다. 장기간 자료와 2일 길이의 자료들의 분석 결과를 비교하여 평상시와 폭풍시를 구분하여 해석하는 것이 타당함을 보였다. 한편, 관측 자료의 종합적인 분석 결과 옥계항의 Helmholtz 공진 주기는 약 9.6분(상대진폭비 9∼10)으로 제시되었으며 저중력파 주기대의 주기 1.2∼1.3분과 0.7분의 국부 부진동이 매우 뚜렷하게 나타났다. 그리고, 평상시 자료에서는 항입구와 항내 정점에서 주기 9분 이상에서의 에너지가 저중력파 주기대의 에너지에 비해 100배 이상으로 매우 크게 나타났지만, 폭풍시에는 주파수 대폭에 무관하게 에너지가 크게 나타났으며, 특히 항내에서는 국부 부진동의 에너지가 평상시에 비해 최소 100배 이상으로 제시되었다. 마지막으로 항내에서는 Helmholtz 공진 모드와 주기 1∼2분의 저중력파 에너지가 폭풍파고의 크기에 비례하는 것으로 나타났다. Simultaneous field measurements of short-period and long-period waves were made at five stations inside or outside Okkye Harbor, which is located in the east coast of Korea. Based on the measured data, spacial and temporal variations of the long-period wave energy were examined. Three smoothing methods were examined for the spectral estimates: fixed interval averaging method, incremental interval averaging method, and moving averaging method. It was shown that a proper smoothing method should be chosen depending on the period of first resonant mode and the length of data being used. By comparing the results obtained using the long-term data with those obtained using two-day data, we showed that it is necessary to analyze the data of calm seas and storm seas separately. The Helmholtz resonant period in Okkye Harbor was found to be about 9.6 minutes with its relative amplification ratio of 9 to 10, and local amplifications were apparent at the periods of 1.2 to 1.3 minutes and 0.7 minute. During calm seas, both at the harbor entrance and inside the harbor the energy of the waves of 9 minutes or longer period was larger than the infra-gravity wave energy by more than 100 times. However, during storm seas the energy level was very high all over the period band, and local amplification was larger than that during calm seas by more than 100 times, especially inside the harbor, Finally it was shown that the energies of the Helmholtz resonant mode and the infra-gravity waves of 1 to 2 minutes are proportional to the storm wave height.

항내 정온도모형의 현장 적용

정원무,채장원,이동영,김상익 한국해안해양공학회 1996 학술강연회 발표논문초록집 Vol.1 No.1

항만부진동 해석을 위한 적정 유한요소 크기에 대한 소고

정원무,박우선 한국해안해양공학회 2002 한국해안해양공학회 논문집 Vol.14 No.1

항만부진등 해석에 사용되는 유한요소의 적정 크기를 검토하기 위해 완전개방 직사각형 항만에 대해서 다양한 크기의 요소를 사용한 수치실험을 실시하였다. 수치실험 결과, 공진주기와 증폭비의 허용 오차율을 모두 2%로 하는 경우 파장당 9개, 1%로 하는 경우 12개의 요소가 필요한 것으로 나타났다. 또한, 요소 수의 증가에 따라 공진주기의 오차율은 선형적으로, 증폭비의 오차는 진동하면서 감소하였으며, 요소 수를 9개보다 적게 하는 경우 증폭비의 오차가 상대적으로 크게 증가하였다 In this study, numerical experiments were performed to decide the proper size off finite element for the analysis of harbor resonance problems. Various sizes of finite elements were considered from 1/3 to 1/60 of wavelength to model a fully opened rectangular harbor. Through the numerical results, the proper number of finite elements per wavelength were revealed to be nine within two percents errors allowed in resonant period and amplification ratio, while twelve within one percent error. It was fecund that error rates of resonant periods decrease linearly, while those of amplification ratio decrease with oscillating form as the size of an element decreases. The error of amplification ratio increases more rapidly than that of resonant period in case of element numbers below nine.

개구부가 좁은 직사각형 항만의 공진 특성 (2.항입구 에너지 손실의 영향)

정원무,박우선,서경덕,채장원 한국해안해양공학회 1999 한국해안해양공학회 논문집 Vol.11 No.4

확장형 완경사방정식을 지배방정식으로 사용하며 무한원방에서의 방사조건은 무한요소로, 그리고 항입구에서의 흐름분리로 인한 에너지 손실의 고려는 정합요소로 처리하는 Galerkin 유한요소 모형을 개발하였다. 완전 및 부분 개방 직사각형 항만에 대한 수치실험 결과 항입구에서의 에너지 손실의 포함은 港奧에서의 증폭비를 상당히 감소시키는 것으로 나타났으며, 입사파고와 제트 길이의 증가는 증폭비의 상당한 감소를 초래하였다. 감천항에서 제트길이를 고려한 경우 공진주기의 이동으로 입사파 진폭이 작을 때는 손실을 고려하지 않은 경우보다 진폭비가 오히려 크게 나타났다. 관측된 입사 장주기 파고의 사용시에는 항입구 손실이 작은 것으로 나타났으나 지진해일의 내습시와 같이 파고가 큰 경우에는 상당한 입구 손실이 예상되었다. 감천항의 Helmholtz 공진모드는 주기 31.0분으로 제시되어 관측 겨로가인 27.0~33.3분과 잘 일치하였다. 또한 관측치인 주기 9.4~12.1분과 5.2~6.2분의 공진모드도 10.4분과 6.6분 또는 5.6분으로 상당히 재현되었다. 한편, 감천항에는 매우 다양한 모드의 부진동이 존재하는 것으로 나타났으며, 영일만 마찬가지로 주기 3.6분과 1.6분에서 상당한 진폭비의 횡방향 공진이 존재함을 확인하였다. A Galerkin finite element model for the analysis of harbor oscillation has been developed based on the extended mild-slope equation. Infinite elements are used to accomodate the radiation condition at infinity and joint elements to treat the matching conditions at the harbor entrance which include the energy loss due to flow separation. The numerical tests for rectangular harbors with fully or partially open entrances show that the energy loss at the harbor entrance considerably reduces the the amplification ratios at the innermost parts of the harbors and that the amplification ratios decrease considerably with increasing incident wave heights and jet lengths at the harbor entrance. Application of the model to the Gamcheon harbor show that when the incident wave amplitude is small the amplification ratios rather increase when the entrance energy loss is included than when ignored because of the shift of the resonance periods. Even though the entrance energy loss was insignificant for the measured long-period incident waves, it would be of great importance if the incident waves were large as in the attack of tsunamis. The resonance period of the Helmholtz mode at the Gamcheon Harbor was calculated to be 31 minutes, which agrees well with the measured one between 27 and 33.3 minutes. The measured resonance periods between 9.4 and 12.1 minutes and 5.2 and 6.2 minutes were also calculated by the numerical model as 10.4 minutes and 6.6 or 5.6 minutes, indicating good performance of the model. On the other hand, it was shown that a variety of oscillation modes exists in the Gamcheon Harbor and lateral resonances of considerable amplification ratios also exist at the periods of 3.6 and 1.6 minutes as in the Young-II Bay.

부유식 파력-해상풍력 복합발전시스템의 개념설계를 위한 환경조건 분석

정원무,류경호,홍기용 한국해양환경·에너지학회 2013 한국해양환경공학회 학술대회논문집 Vol.2013 No.11

평상파의 항내정온도 분석을 통한 항만가동율의 산정

정원무,정신택,채장원 한국해안해양공학회 1993 학술강연회 발표논문초록집 Vol.1 No.1

다방향 입사파의 쌍곡형 수치모형에 의한 포항신항내 항내정온도 분석

정원무,이창훈,채장원 한국해안해양공학회 1997 한국해안해양공학회 논문집 Vol.9 No.2

포한신항내 2개 정점에서의 현장관측자료와 수치실험 결과를 비교·검증하여 쌍곡형 수치모형의 적용성을 검토하였다. 단일 방향 규칙파를 입사파 조건으로 사용한 경우 정점 P2, P3에서 관측치와의 오차가 각각 약 12,26%로 제시되었으며, 다방향 성분파를 입사파 조건으로 사용한 경우 2개 정점에서의 오차가 각각 약 4,16%로 나타나 대략 9% 개선된 결과를 얻었다. 포항신항의 1994년의 평면 배치와 제4 투기장 완공후의 평면 배치에 대하여 다방향 성분파를 입사파 조건으로 하여 항내정온도의 개선 상태를 평가하였다. 그 결과, 제4 투기장계획에서 연장된 200m의 북방파제만으로는 제7 부두에서 하역불능시간이 긴 문제를 해결하기가 어려울 것으로 사료된다. A hyperbolic numerical model with multi-directional waves has been used to investigate harbor tranquility in Pohang New Harbor. Comparing numerical results with field data measured at two stations in the harbor, it was found that use of input condition of multi-directional waves is superior to the use of uni-directional waves. Calculations with unidirectional wave input give errors of about 12% at St. P2 and 26% at St. P3, while calculations with multi-directional wave input give errors of 4 % at St. P2 and. 14% at St. P3. Using the input condition of multi-directional waves, we investigate the tranquility of Pohang New Harbor with two layouts : the condition in 1994 when the downtime at the 7th pier was often reported and the condition in 1996 when the 4th disposal site was constructed. The numerical results show that the problem of downtime at the 7th pier cannot be solved by the construction of the 4th disposal site.

묵호항의 항내 진동

정원무,정경태,채장원 한국해안해양공학회 1995 한국해안해양공학회 논문집 Vol.7 No.1

묵호항내 수면교란 현상을 분석하기 위하여 묵초항의 항외, 항입구 및 항내의 3개 정점에서 2회에 걸쳐 약 10일간 수압식 파고계를 이용하여 현상관측을 실시하였다. 관측자료의 스펙트럼 분석 결과 묵호항의 Helmholtz period는 약 10.0-14.3분, 제2 공진주기는 약 3.3분이 되는 것으로 나타났다. 정점 S3에서 Helmholtz period에서의 평균 증폭비는 약 6.8, 관측기간중의 항내에서의 해수위 변위 진폭은 약 5-10cm로 나타났다. 이러한 묵호항의 Helmholtz period 및 제2 첨단주기는 수치모형(정 등, 1993)으로 계산한 결과와 잘 일치하였다. 또한 수치모형실험을 통하여 묵호항의 제1 및 제3 공진주기로 7.5분과 1.9분을 각각 제시하였다. Three Pressure type wave gauges were installed for about 10 days for the analysis of long wave agitations in Mukho Harbor. Helmholtz and second resonant periods of seiche in Mukho Harbor are shown to be approximately 10.0-14.3 and 3.3 minutes from the spectral analysis of measured wave data. Amplification ratio at Helmholtz period reaches about 6.8 and the wave amplitudes in the harbor were in the range of 5-10 cm during the measurement period. Helmholtz and second resonant periods of seiche in Mukho Harbor agree very well with those computed using Jeong dt al. (1993b)'s model. The model gives rise to the first and third resonant peaks at 7.5 and 1.9 minutes, respectively.

저평가된 수압식 파고계(WTG) 관측 파고값 보정방안 연구

정원무,장연식,오상호,백원대 한국해안,해양공학회 2020 한국해안해양공학회 논문집 Vol.32 No.5

It has been reported that the wave heights measured by Wave and Tide gauges (WTG) have been underestimated, and thus it is important to improve its measuring accuracy for enhancing estimation of harbor tranquility. In this study, the significant wave heights from WTG were calibrated using measured data from AWAC and Waverider buoys moored at the same four locations with the WTG. It was observed that the product of significant wave height and peak wave period, HT, was not underestimated but linearly proportional between the measurements by two instruments. This linearity was applied to develop 3 rd order polynomial functions that best represented the relationship between HT and significant wave heights measured by WTG. These functions were then applied to calibrate the WTG significant wave heights that were lower than 0.7 m, the critical value established for the low waves in this study. The results showed that the linearity between the AWAC (or Waverider buoy) and calibrated wave heights were improved, and the magnitude of underestimated WTG wave heights were increased to be more realistic. The results of this study are expected to be effectively applied for other data sets obtained by WTG only, to increase the observation accuracy of WTG and to improve the estimation of harbor tranquility. 수압식 파고계(WTG)로 관측한 파고가 저파랑 환경에서 저평가되는 문제가 제기되어 왔으며 이 자료를 보정하여 관측오차를 줄이는 것은 WTG 실측자료를 사용해 항만정온도 기준을 개선하는데 매우 중요하다고 할 수 있다. 본 연구에서는 네 지점에서 관측한 AWAC 및 부이식 파고계(Waverider buoy) 자료를 사용하여 동일 지점에서관측한 WTG 유의파고를 보정하였다. 먼저 저파랑 조건 하에서 WTG 유의파고(Hm0) 값이 저평가되는 경우에도 유의파고와 첨두주기의 곱인 WTG HT는 저평가되지 않고 AWAC 및 부이식 파고계의 HT와 선형관계를 유지함을 발견하였으며, 이 선형성을 적용하여 WTG HT와 Hm0 간의 분포를 대표하는 3차 함수를 각 지점 별로 산정하였다. 이함수를 사용하여 저파랑 임계파고로 설정한 0.7m 이하의 WTG Hm0를 보정하였으며, 그 결과 보정된 WTG Hm0와AWAC 및 Waverider buoy Hm0의 선형관계가 향상되었고 저평가되었던 파고도 상당부분 개선되었음을 확인하였다. 본 연구 결과를 적용하면 HT의 선형성이 유지되는 타 지역의 WTG 관측 파고를 보정하는 일과, 나아가 보다 정확한 실측자료를 제공해 해당 항만의 개선된 정온도 기준을 마련하는 일에 기여할 수 있을 것으로 예상된다.