Analysis of Undertow Using$\textsc{k}-\varepsilon$ Turbulence Model

Hwang, Seung-Yong,Lee, Kil-Seong Korean Society of Coastal and Ocean Engineers 1993 한국해안해양공학회 논문집 Vol.5 No.4

확산이 지배적인 흐름을 가정하여, 쇄파대의 해향저류와 난류구조에 대한 수치모형이 $ extsc{k}$-$\varepsilon$ 난류모형을 이용하여 개발되었다. 해향저류란 쇄파대에서 바다쪽으로 흐르는 주기평균된 강한 흐름을 말하며 주로 파곡 아래에 나타난다. 롤러에서 쇄파에 의해 발생된 난류는 아래쪽으로 퍼져나가면서 그 기운을 잃게된다. 지배 방정식은 파에 의한 주기평균-전단응력이 고려된 운동 방정식과 쇄파에 의한 난류 에너지 생성이 포함된 $textsc{k}$-와 $\varepsilon$-식으로 구성된다. 이 식들은 삼단계 완전 음해법으로 차분되고, Thomas 알고리즘으로 풀 수 있다. 쇄파지점에 가까운 곳을 제외하면, 모형은 실험값과 좋은 일치를 보여준다 With the assumption of the diffusion dominated flow, a numerical model has been developed for undertow and turbulence structure under the breaking wave by using the $textsc{k}$-$\varepsilon$ turbulence model. Undertow is a strong mean current which moves seqwards below the level of wave trough in the surf zone. The turbulence, generated by wave breaking in the roller, spreads and dissipates downwards. The governing equations are composed of the equation of motion with the period-averaged shear stress due to waves; $textsc{k}$- and $\varepsilon$-equations with the turbulence energy Production due to wave breaking. They are discretised by the three-level fully implicit scheme, which can be solved by using Thomas algorithm. The model gives good agreements with measurements except for the station that is closest to the breaking point.

Measurement of Turbulence Properties at the Time of Flow Reversal Under High Wave Conditions in Hujeong Beach

장연식,도종대,김선신,안경모,진재율,Chang, Yeon S.,Do, Jong Dae,Kim, Sun-Sin,Ahn, Kyungmo,Jin, Jae-Youll Korean Society of Coastal and Ocean Engineers 2017 한국해안해양공학회 논문집 Vol.29 No.4

교란운동에너지(TKE)와 레이놀즈 응력의 수직성분($-{\bar{u^{\prime}w^{\prime}}}$)에 대한 한 주기 파장 안에서의 시간변화를 관측자료를 사용하여 분석하였다. 관측자료는 동해에서 온대성저기압이 발달하였던 2017년 1월 14일부터 18일까지 동해안 후정해변에서 측정한 파랑자료를 사용하였다. 이 기간 동안 관측된 모든 파랑자료들 중에서 비슷한 형태를 갖는 수백 개의 규칙파들을 구분하였으며 이 자료를 토대로 Ensemble Average 기법을 사용하여 이 기간 파랑특성을 대표하는 세 개의 평균파를 계산하였다. 그리고 이 평균파를 기준으로 각 파의 요동을 측정하여 한 주기 동안의 교란운동에너지와 레이놀즈 응력을 계산하였다. 이렇게 계산된 자료들을 분석한 결과 교란운동에너지는 파랑의 평균유속과 비슷한 분포를 나타내었으나(즉 유속이 최대값을 나타낼 때 교란운동에너지도 최대값을 나타내었다), $-{\bar{u^{\prime}w^{\prime}}}$는 파랑의 수평유속 방향이 전환되는 '방향전환점'에서 가파르게 증가하는 경향을 나타내었다. 이러한 $-{\bar{u^{\prime}w^{\prime}}}$의 독특한 분포는 Nielsen(1992)에 의해 제안된 난류 convection 현상을 뒷받침하는 발견으로 퇴적물과 같은 물질들의 부유현상이 파랑의 '방향전환점(한 주기 안에서 파랑의 횡단방향 유속 부호가 바뀌는 시점)'에서 촉진될 수 있음을 보여준다. 이렇게 관측된 난류에너지 분포 특성을 CADMAS-SURF 모델을 사용하여 구현해 보았다. 그 결과 교란운동에너지의 경우 모델결과와 관측치 사이에 유사성이 발견되었으나 레이놀즈 응력($-{\bar{u^{\prime}w^{\prime}}}$)의 경우 모델이 '방향전환점'에서의 증가현상을 구현해 내지 못하였다. 이는 CADMAS-SURF와 같은 Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS) 모델들이 가지는 한계점으로 RANS 모델의 경우 레이놀즈 응력과 같은 난류에너지가 평균유속의 분포에 강한 영향을 받기 때문인 것으로 판명되었다. The temporal distribution of the turbulence kinetic energy (TKE) and the vertical component of Reynolds stresses ($-{\bar{u^{\prime}w^{\prime}}}$) was measured during one wave period under high wave energy conditions. The wave data were obtained at Hujeong Beach in the east coast of Korea at January 14~18 of 2017 when an extratropical cyclone was developed in the East Sea. Among the whole thousands of waves measured during the period, hundreds of regular waves that had with similar pattern were selected for the analysis in order to give three representing mean wave patterns using the ensemble average technique. The turbulence properties were then estimated based on the selected wave data. It is interesting to find out that $-{\bar{u^{\prime}w^{\prime}}}$ has one clear peak near the time of flow reversal while TKE has two peaks at the corresponding times of maximum cross-shore velocity magnitudes. The distinguished pattern of Reynolds stress indicates that vertical fluxes of such properties as suspended sediments may be enhanced at the time when the horizontal flow direction is reversed to disturb the flows, supporting the turbulence convection process proposed by Nielsen (1992). The characteristic patterns of turbulence properties are examined using the CADMAS-SURF Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) model. Although the model can reasonably simulate the distribution of TKE pattern, it fails to produce the $-{\bar{u^{\prime}w^{\prime}}}$ peak at the time of flow reversal, which indicates that the application of RANS model is limited in the prediction of some turbulence properties such as Reynolds stresses.

Surface and Internal Waves Scattering by Partial Barriers in a Two-Layer Fluid

슈레쉬 쿠마,오영민,조원철,Kumar, P.Suresh,Oh, Young-Min,Cho, Won-Chul Korean Society of Coastal and Ocean Engineers 2008 한국해안해양공학회 논문집 Vol.20 No.1

파랑은 주로 바람에 의해서 발생하여 많은 에너지를 해안으로 전달하며 각종 수리현상을 야기하고 물질의 이송 등에 의하여 연안환경 뿐만 아니라 인간의 활동에도 큰 영향을 미친다. 또한, 해안 구조물과 파랑의 상호작용에 의한 효과를 정확히 예측하는 것은 구조물의 설계 및 거동특성 파악에 매우 중요하다. 본 논문에서는 이층 유체에서 수표면과 저층에 설치되어 있는 얇은 연직벽에 의한 표면파와 내부파의 분산을 선형파 이론을 이용하여 이차원으로 해석하였다. 반사계수를 계산하여 여러 경우에 대하여 효과를 분석한 결과 반사계수는 구조물의 형상과는 별도로 경계층의 위치와 유체간의 밀도차에 크게 영향을 받는 것으로 밝혀졌다. Water waves are generated mainly by winds in open seas and large lakes. They carry a significant amount of energy from winds into near-shore region. Thereby they significantly contribute to the regional hydrodynamics and transport process, producing strong physical, geological and environmental impact on coastal environment and on human activities in the coastal area. Furthermore an accurate prediction of the hydrodynamic effects due to wave interaction with offshore structures is a necessary requirement in the design, protection and operation of such structures. In the present paper surface and internal waves scattering by thin surface-piercing and bottom-standing vertical barriers in a two-layer fluid is analyzed in two-dimensions within the context of linearized theory of water waves. The reflection coefficients for surface and internal waves are computed and analyzed in various cases. It is found that wave reflection is strongly dependent on the interface location and the fluid density ratio apart from the barrier geometry.

Probabilistic Assessment of Wave Overtopping of Seawall at Busan, Korea

퀴루엔,최병호,씨시렝,Qie, Luwen,Choi, Byung-Ho,Xie, ShiLeng Korean Society of Coastal and Ocean Engineers 2008 한국해안해양공학회 논문집 Vol.20 No.2

In this paper, three classical overtopping models: Owen model, Van der Meer & Janssen model and Hedges & Reis model were used to calculate the failure probability of wave overtopping of seawalls. Among of them, the Hedges & Reis model was regarded as a moderate method to analyze the failure probability of wave overtopping of seawalls and the probabilistic assessments of wave overtopping were carried out for a constructing seawall at Busan in Korea by Level II and Level III reliability methods. Considering the cost of construction, an appropriate crest level was proposed for a certain rate of wave overtopping at a lower failure probability. 본 논문에서는 세 가지 모형(Owen 모형, Van der Meer & Janssen 모형, Hedges & Reis 모형)을 적용하여 월파의 확률적 평가를 수행하였다. 건설중인 부산 신항 방파제의 월파 확률 예측 값을 도출하는 데에 있어서 Hedges & Reis 모형이 월파에 의한 방파제 파괴 확률분석과 Level II와 Level III 신뢰성 해석을 이용하는 것으로 적합하여 건설비용의 절감을 위하여 파괴가능성이 낮은 월파의 천단고를 제안하였다.

Regional Realtime Ocean Tide and Storm-surge Simulation for the South China Sea

김경옥,최병호,이한수,육진희,Kim, Kyeong Ok,Choi, Byung Ho,Lee, Han Soo,Yuk, Jin-Hee Korean Society of Coastal and Ocean Engineers 2018 한국해안해양공학회 논문집 Vol.30 No.2

남중국해는 심해 분지, 대륙 붕단, 얕은 대륙붕, 많은 해협, 복잡한 수심 특징을 가진 전형적인 연안 영해이다. 본 연구에서는, 비구조 격자 기반으로 대상 해역을 상세하게 해상할 수 있으며, 개방경계에 조석을, 해표면에 기상자료를 입력하여 조석 및 폭풍해일을 모의할 수 있는 수치 모델을 구축하여 남중국해의 조석 특성과 전파 양상을 조사하고, 태풍에 의한 폭풍해일을 재현하였다. 태풍에 의한 폭풍해일 모의는, 2013년에 필리핀에 막대한 피해를 초래하였던 태풍 하이옌에 대해서 수행하였다. 관측치 및 선행 연구의 조석 분포와의 비교 결과, 4개의 주요 분조의 진폭과 위상은 대체적으로 잘 모의되었다. 선행 연구들에 따르면, 당 해역은 모델을 이용하여 조석을 예측하기가 어렵다고 보고되고 있는데, 이 점을 감안한다면 본 연구에서 예측한 조석은 허용 범위에 있다고 생각된다. 본 연구에서 수행한 자유 진동 모드 실험을 통해서 남중국해가 일주조 조석이 우세한 이유를 알 수 있었으며, 조석 잔차류(tidal residual current) 및 총에너지 소실(total energy dissipation) 산정을 통해서 조석 및 퇴적환경을 파악하였다. 본 연구에서 구축한 모델을 이용하여 태풍 하이옌에 의한 폭풍해일을 타당하게 모의하였으며, 모델 검증 및 조석 환경 규명을 통하여 남중국해의 지역 실시간 순압 조석/수위 예측 시스템을 구축하였다. The South China Sea (SCS) is a typical marginal sea characterized with the deep basin, shelf break, shallow shelf, many straits, and complex bathymetry. This study investigated the tidal characteristics and propagation, and reproduced typhoon-induced storm surge in this region using the regional real-time tide-surge model, which was based on the unstructured grid, resolving in detail the region of interest and forced by tide at the open boundary and by wind and air pressure at the surface. Typhoon Haiyan, which occurred in 2013 and caused great damage in the Philippines, was chosen as a case study to simulate typhoon's impact. Amplitudes and phases of four major constituents were reproduced reasonably in general, and the tidal distributions of four constituents were similar to the previous studies. The modelled tide seemed to be within the acceptable levels, considering it was difficult to reproduce the tide in this region based on the previous studies. The free oscillation experiment results described well the feature of tide that the diurnal tide is prevailing in the SCS. The tidal residual current and total energy dissipation were discussed to understand the tidal and sedimentary environments. The storm-surge caused by typhoon Haiyan was reasonably simulated using this modeling system. This study established the regional real-time barotropic tide/water level prediction system for the South China Sea including the seas around the Philippines through the validation of the model and the understanding of tidal characteristics.