A Study on the Multidirectional Random Waves due to Cylindrical Offshore Structure Installed on the Seabed

Hyunju Na; Hojin Lee; Sungduk Kim

doi:10.14481/jkges.2026.27.9.25

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Journal of the Korean Geo-Environmental Society. 1 September 2026. 25-32
https://doi.org/10.14481/jkges.2026.27.9.25

A Study on the Multidirectional Random Waves due to Cylindrical Offshore Structure Installed on the Seabed

해저면에 설치된 실린더 형 해상구조물에 의한 다방향 불규칙파에 관한 연구

Hyunju Na¹

Hojin Lee²^*

Sungduk Kim³

나 현주¹

이 호진²^*

김 성덕³

¹PhD Candidate, School of Civil Engineering, Chungbuk National University

²Professor, School of Civil Engineering, Chungbuk National University

³Instructor, School of Civil Engineering, Chungbuk National University

^{*Corresponding Author}

License (open-access, http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/):

It is identical to Creative Commons Non-Commercial Licence.

ABSTRACT

The present study is to predict the multidirectional random diffracted wave problems by quadruple bottom mounted vertical cylinders. The wave field of the problem is considered to be tow-dimensional plane and the configurations of the cylinders are designated by quadruple circular type. The numerical method for simulating waves are developed using the solution of the Green function based upon the superposition of diffraction solutions for monochromatic waves obtained by a two-dimensional boundary integral approach. The incident wave conditions are specified using a discrete form of the Pierson-Moskowitz directional spectrum to simulate actual ocean environments. The present numerical model is validated through comparisons with published data by Eatock Taylor & Sincock (1989). A good agreement between the simulated results and Eatock Taylor & Sincock (1989)’s simulation are obtained. Based on the validation through this comparison, random wave diffractions at the interested region have been illustrated for various conditions related with center-to-center spacing of four cylinders, incident wave angle, and diameter of cylinders. Through the simulations, it is concluded that the present numerical model is an accurate and efficient tool to predict the wave field of bottom mounted offshore structures.

Keywords

Multidirectional random wave

Quadruple cylinder

Green function

Pierson-Moskowitz spectrum

Boundary integral approach

본 연구는 4개의 하단 고정식 연직 원통형 해상 구조물 주변의 다방향 불규칙파의 회절을 예측하는 것을 목적으로 한다. 파랑장은 2차원 평면으로 고려되었으며, 원통형 실린더의 배치는 4개의 원형 구조 형태로 지정되었다. 수치 시뮬레이션 기법은 2차원 경계 적분(boundary integral approach)을 통해 얻은 단색파의 회절해를 중첩하고, Green 정리를 활용하여 개발되었다. 입사파 조건은 실제 해양 환경을 더 잘 모사하기 위해 피어슨-모스코위츠(Pierson-Moskowitz) 방향 스펙트럼의 이산화 형태를 사용하여 지정되었다. 개발된 수치 모델은 Eatock Taylor와 Sincock(1989)의 기존 발표 데이터와의 비교를 통해 검증되었으며, 이전 연구 결과와 우수한 일치성을 보였다. 이러한 검증을 바탕으로 4개 원통형 실린더의 중심 간격, 입사파 각도, 원통 직경 등 다양한 조건에 따른 관심 영역 내 불규칙파 회절 현상을 분석하였다. 시뮬레이션 결과를 통해, 본 수치 모델이 하단 고정식 해양 구조물 주변의 파랑장을 예측하는 데 있어 정확하고 효율적인 도구임을 확인하였다.

키워드

다방향 불규칙 파랑

4개의 실린더

그린 함수

피어슨-모스코위츠 방향 스펙트럼

경계 적분

MAIN

1. 서 론
2. 기본이론
3. 결과 및 분석
4. 결 론

1. 서 론

최근에 해양 개발을 목적으로 해역에 다양한 형태의 구조물들이 설치되고 있으며, 해상 구조물의 설치에 따른 해역에서의 파랑장을 조사할 필요가 있다. 해상 구조물의 형태는 해상 교량의 교각, 오일 탱크 저장 시설 등과 같이 기존의 파랑제어 구조물이 아닌 구조물들이 다양한 형태로 설치되고 있다.

이러한 해상 구조물의 설치로 인한 배후 해역에서의 파고분포는 중요한 설계요소이고, 해상 구조물로 인한 산란 또는 회절 현상은 설계에 반드시 반영해야 한다.

선형 수면파가 원기둥에 의해 회절되는 문제는 고유함수 전개법과 경계적분법을 적용하여 많은 연구자들이 수행하였다(Spring & Monkmeyer, 1974; Linton & Evans, 1990; Kim, 1993; Isaacson, 1978). 불투수성 또는 다공성 원기둥에서의 비선형 문제를 2차원 또는 3차원 회절문제에 적용한 연구는 Huang & Eatock Taylor(1996), Kagemoto & Yue(1986), Williams & Abul-Azm(1989)가 수행하였다. 유한 요소법과 경계요소법 등의 수치해법을 원기둥에 적용하여 파의 회절을 분석한 것은 Ma & Yan(2009), Paulsen et al.(2014), Zheng et al.(2019), Wang & Qiu(2021)가 수행하였다.

OHL et al.(2001)은 2열 배열의 실린더에 대한 불규칙파의 회절에 관하여 연구하였고, Li et al.(2014)은 다방향성에 중심이 된 파와 수직 원형 실린더사이에서의 상호작용을 실험으로 조사하였다. Cong et al.(2023)은 이색파 조건에서 수직 기둥들의 정방형 배열에 의해 발생하는 수파의 2차 포획현상을 연구하였다.

상기 서술한 파랑-구조물 상호작용 또는 회절 연구는 주로 단일 방향파(unidirectional waves)에 국한되어 있기 때문에 본 논문에서는 다양한 스펙트럼을 갖는 다방향성의 불규칙파에 대하여 4개의 원통형 실린더에 의한 회절을 조사하였다.

본 논문에서는 이중 주열 즉, 4개의 원통형 실린더 그룹에 의한 다방향 불규칙파의 회절과 불규칙파와 원통형 실린더의 상호작용을 조사하였다. Green 정리의 적용을 포함하는 단일 원통 해법을 4개의 원통형 실린더 그룹의 경우로 확장하였다. 다방향 불규칙파 해법의 구성 요소인 2열 4개의 원통형 실린더에 의한 규칙파의 회절 해는 경계적분방정식을 적용하는 경계 요소법을 통해 산출하였다.

계산 조건으로는 원통형 실린더 간 중심 거리, 입사파 각도, 원통형 실린더의 직경 및 수심에 따른 4개의 원통형 실린더의 다방향 불규칙파의 회절 이론을 연구하였으며, 이를 해양 플랫폼에 적용할 수 있도록 하였다. 원통형 실린더 배치 조건에 따른 수치 모델은 경계 요소 접근법을 통해 구하였고, 본 수치 모델의 검증은 4개의 원통형 실린더에 의한 파랑 회절 시뮬레이션 결과를 Eatock Taylor & Sincock(1989)의 기존 수행 데이터와 비교하여 적용하였다.

본 수치 모델은 해저 고정식 및 수면 관통형 원통 시스템인 이중 주열 그룹의 다양한 해양 구조물에 의한 다방향성 불규칙파 회절을 예측하는 데 효율적으로 적용될 수 있다.

2. 기본이론

Fig. 1은 본 연구의 기하학적 형상이며, 유체영역 및 실린더의 경계영역을 나타낸다. 동일한 반지름 a를 가지는 해저의 고정식 다중 원통형 실린더들은 균일한 수심 h에 위치하고, 파고 $H_{I}$ , 각주파수 $ω$ 를 갖는 수면 규칙파가 양의 x축에 대해 $θ$ 의 각도로 전파된다.

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Fig. 1

Definition sketch of numerical boundary of cylinders

유체가 비점성, 비압축성, 유동이 비회전된다고 가정하면, 각 유체 영역에서 유체 운동성은 j=1, 2, …, N+1에 대하여 $Φ_{j}$ 의 속도포넨셜로 표현할 수 있다. 유체의 영역은 1부터 N까지의 내부 영역과 N+1의 외부 영역으로 분할할 수 있다. $Φ_{j} (x, y, z) = R e [ψ_{j} (x, y, z) e^{i ω t}]$ 을 만족하는 복소 공간의 속도 퍼텐셜 $ψ_{j} (x, y, z)$ 을 정의하면, 공간 속도 퍼텐셜에 대한 경계치 문제는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(1)

\nabla^{2} ψ_{j} (x, y, z) = 0 i n S_{j}, j = 1, 2, \dots, N + 1

유체의 각 영역에서 지배방정식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(2)

\frac{\partial^{2} Φ_{j}}{\partial x^{2}} + \frac{\partial^{2} Φ_{j}}{\partial y^{2}} + k^{2} Φ_{j} = 0

여기서, 분산 관계식 $ω^{2} = g k \tan h k h$ 로서 파수 $k$ 는 정의되고, 각 실린더의 영역과 외부의 유체 영역 사이 $S_{j}$ (j=1, 2, …, N)에서 결합 조건이 필요하고 다음과 같다.

(3)

\frac{\partial Φ_{j}}{\partial n} = \frac{\partial Φ_{N + 1}}{\partial n} o n S_{j}

(4)

Φ_{j} = Φ_{N + 1} o n S_{j}

유체의 속도 퍼텐셜의 산란 성분은 방사 조건을 만족해야 하며, 방사조건은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(5)

\lim_{r \infty \to} \sqrt{r} (\frac{\partial}{\partial r} - i k_{N + 1}) (Φ_{N + 1} - Φ_{N + 1}^{I}) = 0

여기서, $Φ_{N + 1}^{I}$ 은 입사파의 파동 함수를 나타낸다.

(6)

Φ_{N + 1}^{I} (x, y, z) = - \frac{i g H_{I}}{2 ω} \frac{\cos h k (h + z)}{\cos h k h} e^{i k (x \cos θ + y \sin θ)}

Green 제2 정리와 방사 조건을 적용하면 $Φ_{N + 1}^{I}$ 와 $G_{N + 1}$ 과 외부 영역에 P를 위치하면, N 개의 다중 원통형 실린더의 적분 방정식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(7)

\sum_{1}^{N} \int_{S_{f} \{\begin{matrix} Φ_{N + 1} (Q) \frac{\partial G_{N + 1}}{\partial n} (Q, P) \\ - G_{N + 1} (Q, P) \frac{\partial Φ_{N + 1}}{\partial n} (Q) \end{matrix}\}} d s = 2 π Φ_{N + 1} (P) + 2 π Φ_{N + 1}^{I} (P)

여기서, $G_{j}$ (j=1,2,.., N+1)는 Green 함수이고, $G_{j}$ 는 다음 과 같이 정의된다(Lee, 1971).

(8)

G_{j} (Q, P) = \frac{i π}{2} {H_{0}}^{(1)} (k R); j = 1, 2, \dots, N + 1

여기서, $H_{0}^{(1)}$ 는 0차 제1종 Hankel 함수, $Q = (x, y)$ 는 유체영역, $P = (x', y')$ 는 경계 영역을 나타내고, $R = \sqrt{{(x + x')}^{2} + {(y - y')}^{2}}$ 로 나타낼 수 있다.

실린더 영역 내에서의 $Φ_{N + 1}$ 과 $G_{j}$ 는 Green 제2정리를 적용해서 다음과 같은 식이 나타난다.

(9)

Φ_{j} (P) + \int_{S_{i} \{\begin{matrix} Φ_{j} (Q) \frac{\partial G_{j}}{\partial n} (Q, P) \\ - G_{j} (Q, P) \frac{\partial Φ_{j}}{\partial n} (Q) \end{matrix}\}} d S = 0; j = 1, 2, \dots, N

위에서 서술한 다중 원통형 실린더의 규칙파 회절을 다방향 불규칙파의 회절식에 적용한다. 다방향 불규칙파는 규칙파의 중첩의 원리를 이용하며, 먼저 방향파 스펙트럼은 다음과 같이 정의된다.

(10)

S (f, θ) = S (f) G (f, θ)

여기서, $S (f)$ 는 단일 방향 주파수 스펙트럼이고, $G (f, θ)$ 는 파랑 방향 분산 함수이다. 불규칙파 모델을 구현하기 위해 피어슨-모스코위츠(Pierson-Moskowitz) 스펙트럼을 갖는 불규칙파를 입사파 조건으로 고려한다. 해당 파랑 스펙트럼은 다음과 같이 주어진다.

(11)

S (f) = 0.0081 {(2 π)}^{- 4} g^{2} f^{- 5} \cdot e x p [- 074 {(2 π U_{19.5} / g)}^{- 4} f^{- 4}]

여기서, $U_{19.5}$ 는 평균 해수면 19.5 m 상공에서 측정한 풍속을 나타내고, 피어슨-모스코위츠(P-M) 스펙트럼의 무차원 형태를 도입할 수 있다(Lee & Kim, 2006).

파랑 방향 분산 함수 $G (f, θ)$ 의 형태는 Mitsuyasu et al.(1975)에 의한 것이며, 클로버형 부이(clover-type buoy)로부터 얻은 현장 데이터에서 도출되었고, 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(12)

G (f, θ) = \frac{1}{π} 2^{2 s - 1} \frac{Γ^{2} (s + 1)}{Γ (2 s + 1)} \cos^{2 s} \frac{θ}{2}

여기서, $Γ (s)$ 는 감마 함수이고, s는 다음과 같이 결정되는 파랑 방향 집중도 매개변수이다.

(13)

s = \{\begin{cases} s_{m a x} {(\frac{f}{f_{p}})}^{- 2.5} & f o r f > f_{p} \\ s_{m a x} {(\frac{f}{f_{p}})}^{5} & f o r f \leq f_{p} \end{cases}

여기서, $f_{p}$ 는 파랑 첨두 주파수로, $f_{p} = 1 / (1.05 T_{1 / 3})$ 로 주어진다. 여기서, $s_{m a x}$ 는 Goda(1985)가 제시한 표준값 10을 적용하였고, P-M 스펙트럼의 유의파 주기로 표현된 첨두 주파수 $f_{p} = 0.789 / T_{1 / 3}$ 로 주어진다.

수치 해석 적용 시, 회절파 스펙트럼을 산출하기 위해서는 입사파 스펙트럼을 유한한 개수의 파랑 성분으로 이산화해야 한다. 의미 있는 결과를 얻기 위해서는 주파수와 방향 모두에서 적절한 이산화가 필수적이다. 본 연구에서 성분 주파수의 개수는 $N$ 으로, 파랑 방향의 개수는 $M$ 으로 나타낸다. 각 주파수 대역이 동일한 에너지를 갖도록 주파수 범위를 이산화하는 경우, $n$ 번째 구간의 중심 주파수 $f_{n}$ 은 다음과 같이 주어진다.

(14)

f_{n} = \frac{1}{0.9 T_{1 / 3}} \sqrt{2.9124 N [\begin{matrix} e r f (\sqrt{2 \ln (\frac{N}{n - 1})}) \\ - e r f (\sqrt{2 \ln (\frac{N}{n})}) \end{matrix}]}

여기서, erf( )는 오차 함수이다(Nagai, 1972). 파랑 방향의 경우, $θ_{m i n} = 0 °$ 에서 $θ_{m a x} = 180 °$ 의 범위를 $δ θ_{m} = 5 °$ 간격으로 분할하여 적용하였다. 여기서, $θ_{m a x}$ 와 $θ_{m i n}$ 은 주파향 $θ_{R}$ 을 기준한 최대 및 최소 파랑 각도이다. 항만(구조물) 내부의 한 지점에서의 수면 변위 $η^{1} (χ, t)$ 는 다음과 같은 형태로 기술될 수 있다.

(15)

η^{1} (χ, t) = \sum_{n, m} \sqrt{S (f_{n}, θ_{m}) δ f_{n} δ θ_{m}} φ (χ, f_{n}, θ_{m}) \cdot e x p \{i (k_{n} x \cos θ_{m} + k_{n} y \sin θ_{m} + 2 π f_{n} t + ε_{n m})\}

여기서, $S (f_{n}, θ_{m})$ 은 파랑 주파수 $f_{n}$ 및 입사파 각도 $θ_{m}$ 에서의 방향 파랑 스펙트럼을 나타내고, $δ f_{n}$ 및 $δ θ_{m}$ 은 주파수 및 파랑 각도 대역폭이며, $ϕ (χ, f_{n}, δ θ_{m})$ 은 $f_{n}$ 방향으로 입사하는 주파수 $f_{n}$ 의 단일 규칙파 성분이 구조물 내부(주변)에서 회절될 때의 진폭을 나타내는 전달 함수이고, $ε_{n m}$ 은 무작위 위상각이다.

$η^{1} (χ, t)$ 의 주파수 스펙트럼 $S^{1} (χ, f)$ 는 다음과 같이 표현될 수 있다.

(16)

S^{1} (χ, f) = \int_{θ_{m i n}}^{θ_{m a x}} S (f, θ) K_{i R}^{2} (χ, f, θ) d θ

여기서, $K_{d R} (χ, f, θ)$ 는 $θ$ 방향으로 전파하는 주파수 $f$ 의 규칙파 성분에 대한 회절계수이다. 입사파 및 회절파의 유의파고는 다음과 같이 정의된다(Goda, 1985).

(17)

{(H_{1 / 3})}_{I} = 4.0 \sqrt{{(m_{0})}_{I}} {(H_{1 / 3})}_{D} = 4.0 \sqrt{{(m_{0})}_{D}}

(18)

{(m_{0})}_{I} = \int_{0}^{\infty} \int_{θ_{m i n}}^{θ_{m a x}} S (f, θ) d θ d f {(m_{0})}_{D} = \int_{0}^{\infty} \int_{θ_{m i n}}^{θ_{m a x}} S^{1} (f, θ) d θ d f

최종적으로, 불규칙파 환경에서의 회절계수 $K_{d}$ 는 다음 식을 사용하여 계산할 수 있다.

(19)

K_{d} = |\frac{{(H_{1 / 3})}_{D}}{{(H_{1 / 3})}_{I}}|

3. 결과 및 분석

다방향 불규칙파가 2열 4개의 원통형 실린더에 의해 일으키는 회절현상을 구명하여 상기 서술한 이론을 적용하였고, 파랑 및 지형학적 매개변수 간의 관계를 설명하고자 수치 모델을 개발하였다. 본 수치 프로그램의 검증및 범용성을 확보하기 위해 Eatock Taylor & Sincock(1989)의 결과와 비교하였으며, 잘 일치하였다(Na et al., 2026).

다방향 불규칙파 조건의 경우, 방향성 파랑 스펙트럼의 주파수 성분과 방향 성분은 각각 $N = 10$ , $M = 36$ 으로 분할하였고, 입사 파랑 스펙트럼인 피어슨-모스코위츠 스펙트럼은 유의주기 $T_{1 / 3} = 6.1 s e c$ 및 $s_{m a x} = 10$ 의 값을 갖는다.

본 수치모델의 계산 조건으로 수심은 바닥 마찰이나 천수 변형의 영향이 미소하고 파의 회절과 산란이 영향이 지배적인 일정 수심 $h = 100 m$ 로 설정하였다. 실린더 간의 근접 정도에 따른 파랑 변화 특성을 분석하기 실린더 지름( $D$ )에 대한 실린더 중심 간 거리 $S$ 의 비율은 $S / D$ =2, 3, 4 로 설정하고, 차폐효과와 비대칭 파랑장의 변화를 분석하기 위해 입사파 각도는 $θ = 0 °, 22.5 °, 45 °$ 로 설정하였다.

Fig. 2는 규칙파(Fig. 2(a)) 및 다방향 불규칙파(Fig. 2(b)~(d)) 조건에서 입사파의 각도(실선 $θ = 0 °$ , 점선 $θ = 22.5 °$ , 파선 $θ = 45 °$ )에 따른 실린더의 간격 조건별 2열 4개의 원통형 실린더 주변 중심선에서의 파고 분포를 나타낸다.

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Fig. 2

The wave height distributions at the center line of x-direction for quadruple cylinders with h/D=2.5 for (a) regular wave (S/D=2) and random wave ((b) S/D=2; (c) S/D=3; (d) S/D=4)

규칙파의 경우, 중심선상의 원통형 실린더 사이 구간에서는 $S / D$ =2일 때의 파고가 높게 나타났으며, 이러한 경향은 모든 파향에서 동일하게 관찰되었다. 이는 좁은 공간에서 입사파와 반사파 및 회절파 등이 서로 상호 간섭이 일어나기 때문이다. 파랑이 원통 구조물을 통과한 후에는 모든 조건에서 원통형 실린더에 의해 파고가 감소하였다.

불규칙파의 경우 $S / D$ =2 및 $S / D$ =4 조건에서는 $S / D$ =3인 경우를 제외하고 세 입사 파향에 따른 파고가 거의 유사하게 나타났다. $S / D$ =2인 경우에는 원통 구조물의 중앙 지점에서 첨두(peak) 파고가 나타났고, $S / D$ =3인 경우에는 전면부 두 원통 구조물 지점에서 첨두 파고가 나타났다. 이를 통해 중심 간 거리가 가까워질수록 파고가 더 높아진다는 점을 확인할 수 있다. 이는 규칙파와 마찬가지로 중심 간 거리에서 다양한 파들의 중첩이 일어나기 때문이다.

Fig. 3은 상부 라인에서의 파고 분포를 나타내며, Fig. 3(a)의 규칙파에 대하여 모든 입사파 방향에서 S/D=2일 때 파고가 높게 나타났다. 다방향 불규칙파의 경우(Fig. 3(b)~(d))에는 입사파가 원통형 실린더와 상호작용함에 따라 Fig. 2의 경우보다 파고가 낮게 나타났다. 2열 4개의 원통형 간격이 증가할수록 상부라인의 실린더 전면부에서 파고가 높게 나타났다. 이는 전면 입사부의 실린더의 파랑 차단효과가 나타나기 위해서는 적절한 간격 조정이 필요하다고 판단된다.

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Fig. 3

The wave height distributions at the upper line of x-direction for quadruple cylinders with h/D=2.5 for (a) regular wave (S/D=2) and random wave((b) S/D=2; (c) S/D=3; (d) S/D=4)

Fig. 4는 하부 라인에서의 파고 분포를 나타내며, 모든 파향에서 원통 구조물 사이의 파고는 S/D=2일 때가 파고가 높게 나타났다. 불규칙파의 경우 S/D=4에서 파향이 0°일 때 두 원통 구조물의 전면에서 높은 파고분포를 나타냈고, 원통형 실린더의 간격이 좁을수록 하부 라인 원통형 실린더 사이에서의 파고분포가 높게 나타났다.

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Fig. 4

The wave height distributions at the lower line of x-direction for quadruple cylinders with h/D=2.5 for (a) regular wave (S/D=2) and random wave((b) S/D=2; (c) S/D=3; (d) S/D=4)

Fig. 5는 $h / D$ =2.5 및 입사파 각도 $θ = 0 °$ , $S / D = 2$ 조건에서 2열 4개의 원통형 실린더에 대한 규칙파의 파고 등고선도를 나타낸다. Fig. 6은 $h / D$ =2.5 및 입사파 각도 $θ = 0 °$ 조건에서 각 간격별 2열 4개의 원통형 실린더에 대한 불규칙파의 파고 분포 등고선도를 각각 나타낸다.

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Fig. 5

The contour map of regular wave height distributions for quadruple cylinders with h/D=2.5 and wave angle=0° for S/D=2

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Fig. 6

The contour map of random wave height distributions for quadruple cylinders with h/D=2.5 and wave angle=0° for (a) S/D=2; (b) S/D=3; (c) S/D=4

규칙파와 불규칙파를 비교해 보면 규칙파는 단일 주파수와 방향을 갖고 있어 뚜렷한 마루(ridge)와 골(valley)을 보이는 파의 대역을 발견할 수 있다. 회절파의 파고는 1.1을 초과하지 않았으며, 간격이 넓을수록 방사형에 가까운 형태를 나타났다. 다방향 불규칙파의 경우, 다방향 주파수와 방향분산의 상호작용으로 에너지가 공간적으로 분산되어 규칙파보다 양상이 단순하며, 파고 분포의 대역이 규칙파보다 더 넓게 형성되었다.

불규칙파의 경우에도 원통형 실린더 사이의 중심부에서 파고가 높게 나타났고, 간격이 넓을수록 전면부의 원통형 실린더의 영향으로 파고가 감쇠되어 전파되기에 파고가 낮게 나타났다.

4. 결 론

본 연구는 일정수심 해역에서 2열 4개의 원통형 실린더에 의한 규칙파와 다방향 불규칙파의 회절을 분석하기 위한 것이다. 이론적 정식화는 2차원 경계요소법을 통해 수행되었고, 원통형 실린더의 중심 거리 및 입사파 조건에 따른 해석 결과를 제시하여 2열 4개의 원통형 실린더와 파랑 간의 상호작용을 설명하였다.

(1) 원통형 실린더 사이의 중심선에서 규칙파의 경우, S/D=2일 때의 파고가 높게 나타났고, 이러한 경향은 모든 파향에서 동일하게 관찰되었다. 이는 좁은 공간에서 입사파와 반사파 및 회절파 간의 상호 간섭이 집중적으로 발생하기 때문이다. 파랑이 원통 구조물을 통과한 후에는 모든 조건에서 원통형 실린더에 의해 파고가 감소하였다.

(2) 중심선 라인에서 불규칙파의 경우 세 입사 파향에 따른 파고가 거의 유사하게 나타났다. S/D=2인 경우에는 원통 구조물의 중앙 지점에서 피크 파고가 나타났고, S/D=3인 경우에는 전면부 두 원통 구조물 지점에서 피크가 나타났다. 이것은 S/D값이 증가할수록 실린더 중심 간격이 멀어져 상호작용하는 다중산란의 영향이 감쇠하기 때문이다. 즉, 중심 간 거리가 가까워질수록 파고가 더 높아진다는 점을 확인할 수 있다. 경사 입사파 방향의 경우, 파랑 간섭에 의한 중복파 발생으로 인해 원통형 실린더 전면부에서 수면파 파고가 더 높게 형성되었다.

(3) 상부 라인에서의 파고 분포는 규칙파에 대하여 모든 입사파 방향에서 S/D=2일 때 파고가 높게 나타났고, 다방향 불규칙파의 경우에는 입사파가 원통형 실린더와 상호작용함에 따라 중심선 라인의 경우보다 파고가 낮게 나타났다. 원통형 간격이 증가할수록 상부라인의 실린더 전면부에서 파고가 높게 나타났다.

(4) 하부 라인에서의 파고 분포의 경우 모든 파향에서 원통 구조물 사이의 파고는 S/D=2일 때가 파고가 높게 나타났다. 불규칙파의 경우 S/D=4에서 파향이 0°일 때 두 원통 구조물의 전면에서 높은 파고분포를 나타냈고, 원통형 실린더의 간격이 좁을수록 하부 라인 원통형 실린더 사이에서의 파고분포가 높게 나타났다.

(5) 규칙파와 불규칙파의 파고 분포 등고선도에서 규칙파 일수록 모두 뚜렷한 마루(ridge)와 골(valley)을 보이는 파의 대역을 발견할 수 있었고, 다방향 불규칙파의 경우, 규칙파보다 양상이 단순하며, 파고 분포의 대역이 규칙파보다 더 넓게 형성되었다.

본 논문은 파의 회절과 산란의 영향을 집중적으로 살펴보기 위해 수심 조건이 일정한 경우로 한정하였다. 따라서 수심이 불규칙한 실제 해상조건에 적용하는 데는 한계가 있다.

본 연구의 수치모델을 발전시킨다면 다방향 불규칙파와 해양 구조물 간의 상호작용으로 인한 파랑장을 정확히 제공하며, 이에 따라 다양한 해안 및 해양 공학 분야에 신뢰성 있게 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

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Journal of the Korean Geo-Environmental Society ISSN:1598-0820(Print) 2714-1233(Online) 한국지반환경공학회 논문집

Preview

A Study on the Multidirectional Random Waves due to Cylindrical Offshore Structure Installed on the Seabed

ABSTRACT

MAIN

Fig. 1

Definition sketch of numerical boundary of cylinders

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

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(8)

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(19)

Fig. 2

The wave height distributions at the center line of x-direction for quadruple cylinders with h/D=2.5 for (a) regular wave (S/D=2) and random wave ((b) S/D=2; (c) S/D=3; (d) S/D=4)

Fig. 3

The wave height distributions at the upper line of x-direction for quadruple cylinders with h/D=2.5 for (a) regular wave (S/D=2) and random wave((b) S/D=2; (c) S/D=3; (d) S/D=4)

Fig. 4

The wave height distributions at the lower line of x-direction for quadruple cylinders with h/D=2.5 for (a) regular wave (S/D=2) and random wave((b) S/D=2; (c) S/D=3; (d) S/D=4)

Fig. 5

The contour map of regular wave height distributions for quadruple cylinders with h/D=2.5 and wave angle=0° for S/D=2

Fig. 6

The contour map of random wave height distributions for quadruple cylinders with h/D=2.5 and wave angle=0° for (a) S/D=2; (b) S/D=3; (c) S/D=4

References