파랑에너지 활용을 위한 연직각판형 회전 부이 Heave-Pitch 상관관계 분석 = Experimental study on the Heave-Pitch motions of the vertical plate-type buoy mounted on the floating breakwater

국문 초록 (Abstract)

파랑에너지는 해양에서 발생하는 파도의 운동 에너지를 활용하는 재생에너지원으로, 다양한 구조물 형태를 통해 에너지를 변환할 수 있다. 구조물에 작용하는 파랑하중은 형상과 파 주기에 따라 Heave, Pitch 등 여러 형태의 운동이 발생하며, 이러한 응답을 정량적으로 분석하는 것은 파랑에너지 변환 시스템의 응답 특성을 파악하는 데 중요하다. 특히 회전형 부이의 구조는 두가지 운동이 복합적으로 발생하는 경향을 보이며, 주기별 운동 특성을 실험적으로 분석할 필요가 있다.
본 연구에서는 부유식 방파제 전면에 연직각판형 회전 부이를 설치한 모형을 제작하고, 규칙파 조건에서의 운동 응답 특성을 분석하기 위한 수리모형실험을 수행하였다. 실험은 Froude 상사법칙을 적용하여 1/30 축척으로 축소 제작된 모형을 기반으로 하였으며, 실험 수조 내에서 다양한 규칙파 조건을 설정하여 부이의 운동 변화를 분석하였다. 부이의 움직임은 수조 외부에 설치된 고해상도 카메라로 촬영된 영상을 기반으로 측정되었으며, 영상 분석에는 Tracker 프로그램을 사용하여 마커 위치의 좌표를 프레임 단위로 추출하였다. Heave 응답은 부이에 설치된 풀리(Pulley) 기준점의 y축 평균 진폭을 기준으로 산정하였고, Pitch 응답은 부이의 하단 마커와 풀리 상단 기준점 간 상대적 위치 변화를 바탕으로 회전각(rad)을 계산하였다. 좌표 변화는 시계열 데이터로 변환되어 각 주기 조건에 따라 운동 진폭을 산정하였고, 해당 진폭을 입사파 진폭과 정규화하여 RAO(Response Amplitude Operator)를 계산하였다. 산정된 RAO는 주기별 운동 응답 특성을 비교 분석하는 데 활용되었으며, 각 운동 성분의 상대적인 응답 기여도와 주기변화에 따른 특성 차이를 정리하였다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구배경 및 필요성 1
• 2. 연구목적 7
• Ⅱ. 연구동향 8
• Ⅲ. 수리모형실험 개요 11
• 1. 상사법칙 및 RAO 11
• 1) 수리학적 상사법칙 11
• 2) Froude 상사법칙 14
• 3) RAO 17
• 2. 모형의 축척 18
• 3. 실험설비 및 측정장비 19
• 1) 실험설비 19
• 2) 측정장비 21
• 4. 수리모형 제작 23
• Ⅳ. 수리모형실험 25
• 1. 수리모형실험 순서 25
• 2. 입사파랑 조건 및 실험파랑의 조파 26
• 3. 실험 배치도 37
• 4. 영상 분석을 통한 RAO 산출 38
• 1) 영상 기반 운동 계측 개요 38
• 2) 좌표 추적 기준 및 RAO 산정과정 38
• 5. 수리모형실험 결과 44
• 1) 조건별 Heave 변위 산정 44
• 2) 조건별 Pitch 변위 산정 49
• 3) 조건별 RAO 산정 55
• 4) Heave-Pitch 비율 분석 56
• Ⅴ. 결론 58
• □ 참고문헌 60