3.1 3차원투과성직립벽 주변에서 수위 및 파압

본 연구에서 적용한 수치해석모델의 투과성구조물에 대한 적용성을 검토하기 위해 Lara et al.(2012)의 투과성직립벽 주변에서 수위 및 파압에 관한 실험결과를 수치적으로 모의하였다. Lara et al.(2012)는 Fig. 1과 같이 수심 h = 0.4m를 갖는 3차원파동장에 설치된 높이 0.6 m, 길이 4 m, 폭 0.5 m의 투과성직립벽에 규칙파를 작용시켜 직립벽 주변에서 수위변동과 파압변화를 수리실험과 IH3VOF 모델에 의한 수치해석으로부터 각각 측정하였다. 수리실험에 사용된 조파수조는 길이 17.8 m, 폭 8.6 m, 높이 1.0 m이며, 투과성직립벽은 조파판에서 10.5 m 이격되어 있고, 우측 측벽에 연결되어 있다. 양측벽과 수조 끝단은 완전반사가 발생되도록 불투과성직립벽으로 구성되었다. 이 때, 투과성직립벽의 공극률은 φ = 0.51, 중앙입경은 D₅₀ = 1.5 cm이며, 입사파고는 H = 9 cm이고, 주기는 T = 4 s이다.

Fig. 1.

Illustrative sketch of wave basin and porous structure.

수치해석에 사용된 수치파동수조의 크기는 전술한 수리실험수조의 경우와 동일하지만 구조물에 월파가 발생하지 않기 때문에 계산비용의 감소를 위해 계산결과에 영향이 없을 것으로 판단되는 수조의 높이를 투과성직립벽과 동일한 높이인 0.6 m로 구성하였다. 격자크기에서 수조 길이방향의 경우 조파지점에서부터 8 m까지는 ΔX = 5~2.5 cm의 가변격자로, 8~12.5 m의 범위에서는 ΔX = 2.5 cm로, 12.5~17.8 m의 범위에서는 ΔX = 5~2.5 cm의 가변격자로 각각 구성하였고, 수조 폭 방향의 크기는 ΔY = 2.5 cm, 연직방향의 크기는 ΔZ = 1.25cm로 각각 일정한 격자로 구성되었으며, 따라서 적용된 격자의 총 개수는 대략 8,800,000개이다. 수치조파를 위해 비선형성을 고려한 Cnoidal wave 이론을, 난류모델은 LES 모델(Ghosal et al., 1995)을 각각 적용하였으며, 조파 개시 후 20 s 동안 파랑의 전파과정을 시뮬레이션하였다. 투과성직립벽에 대한 저항계수 α와 β는 전술한 바와 같이 Jensen et al. (2014)이 제시한 α = 500, β = 2.0을 적용하였다. 여기서, Fig. 2는 수위 및 파압변동에 관한 수리실험 및 수치해석결과의 산정위치로 Fig. 2(a)가 수위변동의 경우를, Fig. 2(b)가 파압변동의 경우를 각각 나타내며, Table 1에 수위계의 설치위치를, Table 2에 파압계의 설치위치를 각각 제시한다. 수리실험에서 수위변동 및 파압변화는 총 15지점에서 각각 측정되었지만 이 중에 6지점(3~7지점, 9지점)에서 산정된 수위와 6지점(1~6지점)에서 파압에 대한 각 실험결과를 OLAFOAM에 의한 수치해석결과와 이하에서 상호 비교 · 검토한다.

Fig. 2.

Comparison between simulated and measured water surface elevations.

Table 1.

Wave gauge positions

Table 2.

Pressure gauge positions

Fig. 2는 수치해석결과와 실험결과를 비교한 투과성직립벽 주변에서 수위변동을 나타낸 것으로 그림에서는 IH3VOF 모델에 의한 Lara et al.(2012)의 수치해석결과도 같이 병기한다. 그림을 살펴보면 3과 4지점은 투과성직립벽 전면에서 수위변동을 나타낸 것으로 8 s 이후에 쌍봉형의 수위변동이 나타나며, 앞의 파봉은 입사파에 의한 것이고, 뒤는 투과성직립벽으로부터의 반사파에 의한 것이다. 5와 6지점에서의 수위변동은 투과성직립벽과 후면 불투과벽체로부터의 회절파 및 반사파의 영향을 동시에 받는 경우로 6지점의 16 s 근방에서 발생되는 쌍봉형의 수위변동은 후면 불투과벽체에 의한 반사파의 영향이다. 다음의 7지점은 투과성직립벽에 의한 회절파가, 9지점은 후면 불투과벽체에 의한 반사파가 각각 영향을 크게 미치는 지점이다. 수리실험 및 수치해석결과의 대응성은 6과 7지점의 16 s 이후 쌍봉형 수위변동에서 약간이 차이가 나타나지만 전반적으로 매우 잘 구현되는 것으로 판단되며, 특히 이러한 결과는 3, 4, 5, 9지점에서 확인할 수 있고, 또한 Lara et al.(2012)의 수치해석결과와 본 수치해석결과는 거의 동일한 값을 나타내는 것을 알 수 있다.

Fig. 3은 투과성직립벽 주변에서 파압변동에 관한 수치해석결과와 실험결과를 비교한 것으로 Fig. 2와 동일하게 IH3VOF모델에 의한 Lara et al.(2012)의 수치해석결과도 같이 나타내었다. 그림을 살펴보면 투과성직립벽 전면에서 파압변동을 나타낸 1과 2지점의 경우는 실험치와 거의 동일한 값을 나타내고 있음을 확인할 수 있다. 또한, 투과성직립벽과 후면 불투과벽체로부터의 회절파 및 반사파의 영향을 동시에 받는 3~6지점에서 파압변동은 전반적으로 실험치를 잘 구현하고 있지만 수위변동에서와 같이 3, 5, 6지점의 16 s 근방에서 후면 불투과벽체에 의한 반사파의 영향에 의해 생성되는 쌍봉형의 파압변동에 약간의 차이가 인정된다. 그러나, 전체적으로 실험치를 잘 재현하고 있는 것을 알 수 있다. 따라서, OLAFOAM에 의한 수치해석결과는 투과성구조물의 파랑변형과 파압변동과정에서 실험치를 잘 재현하고 있으므로 잠제와 같은 투과성구조물로의 적용성이 높은 것으로 판단된다.

Fig. 3.

Comparison between simulated and measured wave pressures.

3.2 3차원불투과성잠제 주변에서 수위 및 유속

다음으로, 구조물의 천단에서 유수심을 갖는 3차원잠제로의 OLAFOAM에 대한 적용성을 검토하기 위해 Kawasaki et al.(1999)의 수리실험을 재현하였다. Kawasaki et al.(1999)은 Fig. 4와 같이 h = 0.4m를 갖는 3차원파동장에 설치된 높이 0.24 m의 직사각형불투과잠제에 규칙파를 작용시켜 잠제 주변에서 수위변동과 유속변화를 수리실험으로부터 측정하였다. 수리실험에 사용된 조파수조는 길이 28 m, 폭 8m, 높이 0.8 m이며, 조파판에서 7 m 이격된 지점에 직사형의 불투과잠제를 설치하였다. 그리고, 조파판 반대 쪽의 수조 끝단에는 반사파를 제어하기 위해 경사 1:10의 감쇠영역을 설치하였다. 입사파랑은 수위 측정에서는 파고 H = 0.1m, 주기 T = 1.2 s의 규칙파를, 유속 측정에서는 파고 H = 0.087 m, 주기 T = 1.68 s의 규칙파를 각각 적용하였으며, 불투과잠제의 제원과 수위계 및 유속계의 설치위치를 Fig. 5에 각각 나타낸다.

Fig. 4.

Illustrative sketch of wave basin.

Fig. 5.

Dimension of submerged breakwater and measuring positions of water surface elevation and velocity.

수치해석에 사용된 수치조파수조의 크기는 수치계산의 계산비용 감소를 위해 길이 3L(L은 파장), 폭 2L로 적용되었고, 불투과잠제는 조파판으로부터 1.5L 이격된 지점에 설치되었다. 여기서, 수위 측정 시는 L ≈ 2.0 m이고, 유속 측정 시는 L ≈ 3.0 m의 값을 가진다. 바닥경계조건은 Slip 조건을, 배후면과 양측면은 모두 감쇠영역을 적용하였으며, 격자크기는 ΔX = 2 cm, ΔY = 2 cm, ΔZ = 1 cm로, 총 개수는 수위 측정의 경우에 3,120,000개, 유속 측정의 경우에 7,020,000개이다. 수치조파에는 Stokes 5차파 이론을 적용하였으며, 난류모델에는 LES 모델을 적용하였다.

Fig. 6은 Figs. 4와 5의 조건으로부터 산정된 Fig. 5(a)의 불투과잠제 주변에서 무차원수위변동에 관한 수치해석결과와 실험결과를 나타낸 것이다. 잠제 천단 상인 1과 2지점에서는 급격한 비선형파의 발생 · 발달로 인하여 파형에서 대칭성이 붕괴되기 시작하고, 잠제 배후인 3과 4지점에서는 파의 재형성 과정을 통하여 다시 대칭성을 갖는 파형이 형성되는 것을 알 수 있다. 3지점의 실험파형에 포함된 작은 변동은 잠제로부터 이격거리가 짧기 때문에 잠제 천단 상에서 형성된 산란파(evanescent mode waves)가 직접적인 영향을 미친 결과이며, 이격거리가 보다 긴 4지점에서는 그의 영향이 감소된 것을 알 수 있다. 이러한 시간변동과정에서 수치해석결과와 실험결과를 비교하면 상호 일치성이 매우 양호한 것으로 판단되며, 따라서 본 수치해석의 타당성이 충분히 확인된다.

Fig. 6.

Comparison between simulated and measured water surface elevations.

Fig. 7은 Figs. 4와 5의 조건으로부터 산정된 Fig. 5(b)의 불투과잠제 주변에서 수치해석결과와 실험결과를 비교한 불투과잠제 주변에서 X-방향과 Y-방향의 무차원수평유속변화를 나타낸 것으로 측정 높이는 모두 바닥으로부터(1지점은 잠제 천단 상으로부터) Z = 0.28m인 지점이다. 1지점은 천단 상, 2와 3지점은 회절파의 영향을 직접적으로 받는 곳이며, 4지점은 잠제의 배후면이다. 잠제 천단 상에서는 X-방향의 유속이, 나머지 지점에서는 Y-방향의 유속이 탁월한 것을 알 수 있고, 시간변동과정에서 수평유속에 관한 수치해석결과와 실험결과를 비교하면 상호 일치성이 탁월한 것으로 판단되고, 따라서 OLAFOAM에 의한 3차원투과성잠제의 파동장 해석결과의 타당성이 충분히 확인된다.

Fig. 7.

Comparison between simulated and measured X- and Y-direction horizontal velocities.

4.1 계산조건

Fig. 8과 같은 일정 수심 h = 25 cm를 갖는 3차원파동장에 설치된 투과성잠제를 대상으로 3차원수치파동수조(길이 12.5 m, 폭 10 m, 높이 0.4 m)에 1:20의 경사를 갖는 사빈을 설치하여 수치해석을 수행하였다. 바닥경계조건은 Slip으로 구성하였고, 양측 벽경계조건도 Y-축방향으로 잠제가 반복적으로 설치되어 있는 것으로 가정하여 Slip 조건을 적용하였다. 잠제의 높이는 21 cm, 천단수심은 4 cm이며, 천단에서 구조물의전 · 후면 및 개구방향으로 2:1의 경사면을 설정하고, 천단폭을 1.05 m로 적용하였다. 격자크기는 ΔX = 3 cm, ΔY = 3 cm이며, ΔZ는 계산효율을 위해 바닥에서부터 수면까지는 ΔZ = 1.4~0.7 cm의 가변격자를, 수면에서부터 수조 상부경계로 설상된 Z = 40 cm까지는 ΔZ = 0.7~1.4 cm의 가변격자를 각각 구성하였으며, 조파 시에 Z축으로 5개 이상의 격자가 포함되도록 하였다.

Fig. 8.

Illustrative sketch of wave basin and submerged structure for numerical analysis.

한편, 잠제는 공극률 φ = 0.33, 중앙입경 D₅₀ = 3.0 cm인 투과성재료로 구성되며, 사빈은 공극률이 φ = 0.3, 중앙입경이 D₅₀ = 0.2 cm인 모래로 가정되었다. 잠제의 구성재료가 갖는 저항계수로 Jensen et al.(2014)이 제시한 α = 500, β = 2.0을 적용하였으며, 사빈의 경우는 모래 입경에 해당하는 D₅₀ = 0.2cm의 다공성 매질에 대한 Billstein et al.(1999)의 실험으로부터 산정된 α = 0.0, β = 3.0을 적용하였다. 적용한 난류모델은 LES 모델이며, 계산의 안정을 위해 Courant 상수를 0.3 이하가 되도록 설정하였다.

잠제는 Fig. 8(b)에 제시된 바와 같이 조파판으로부터 잠제의 전면경사가 시작되는 지점까지 4.5 m(CASE 7), 4.0 m(CASE 8), 3.5 m(CASES 1~6), 3.0 m(CASE 9) 이격된 지점에 위치하도록 하였다. 한편, 잠제의 천단에서 해안선과의 거리는 Fig. 8(a)에 제시된 잠제의 길이 L_s 및 해빈변형 전의 원해안선과 잠제와의 거리 S를 매개변수로 사용하여 설상사주가 형성되는 조건을 제시한 Black and Andrews(2001)의 결과에 따라 L_s/S < 2.0의 범위를 고려하여 S를 5.5 m(CASE 7), 6 m(CASE 8), 6.5 m(CASES 1~6), 7 m(CASE 9)로 설정하였다. 또한, 개구폭 G를 3.0 m(CASES 1, 4), 2.5 m(CASES 2, 5, 7, 8, 9) 및 2.0 m(CASES 3, 6)로 설정함에 따라 잠제 길이 L_s는 3.5 m(CASES 1, 4), 3.75 m(CASES 2, 5, 7, 8, 9), 4.0 m(CASES 3, 6)로 구성되며, 양측면방향으로 동일한 길이의 잠제가 설치되는 것으로 가정하였다. 이상과 같은 잠제 배치와 입사파랑 조건을 종합적으로 나타낸 것이 Table 3이며, 표에는 잠제 천단 상에서 쇄파 발생 여부도 병기되어 있다.

Table 3.

Incident wave condition and 3-dimensional layout of submerged breakwater

다음으로, Black and Andrews(2001)가 제시한 두 무차원 파라미터 L_s/S와 S_off/L_s(S_off는 잠제 설치로 인한 해빈변형 후의 해안선과 잠제와의 거리를 나타낸다)의 관계를 도시한 것이 Fig. 9이다. 좌측 그림에는 설상사주의 형성조건인 L_s/S <2.0과 잠제의 각 배치조건을 나타내며, 우측 그림에는 각 조건을 보다 상세히 나타낸 것이다. 그림으로부터 알 수 있는 바와 같이 본 연구에서의 잠제 배치조건은 L_s/S < 2.0의 범위에 속하므로 설상사주가 형성되는 조건을 만족한다.

Fig. 9.

Predictive relationship between L_s/S and S_off/L_s of salient formation condition and layout of submerged breakwater.

4.2 잠제 주변의 파고분포에 대한 고찰

4.2.1 개구폭의 변화

Fig. 10은 입사파고가 H = 5 cm인 경우 잠제 주변에서 형성되는 파고의 공간분포를 나타낸 것으로 Fig. 10(a)는 개구폭이 3.0 m(CASE 1), Fig. 10(b)는 2.5 m(CASE 2), 그리고 Fig. 10(c)는 2.0 m(CASE 3)의 경우에 각각 해당하며, 그림 중에 붉은 파선과 붉은 실선의 사각형은 해안선과 사빈 경사면을 나타낸다. 제시된 수치계산 결과는 조파 이후에 완전히 발달한 파랑만을 대상으로 연속되는 5개의 파를 산술평균한 결과이다. 결과를 살펴보면 전반적으로 잠제로 인해 잠제 배후에서 파고가 감소하며, 개구부의 제두부 근방에서부터 회절파가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 개구폭이 좁을수록 개구부에서 파가 집중되어 파고가 증대되며, 파가 집중되는 위치는 개구폭이 넓을수록 보다 잠제 배후로 이동되는 경향을 나타낸다. 또한, 개구폭이 좁을수록 잠제 배후로 전달되는 파랑에너지가 감소하여 잠제 배후에서 파고가 감소한다. 역으로, 개구폭이 넓을수록 개구부에서 파의 집중이 감소하여 파고가 작아지지만 잠제 배후에서 파고는 커지며, 잠제의 길이 방향으로 공간변화가 커진다는 것을 알 수 있다.

Fig. 10.

Spatial distribution of simulated wave heights according to change of gap width.

Fig. 11은 Fig. 10에 비해 입사파고가 증가한 H = 7 cm인 경우에 대한 파고의 공간분포를 나타낸 것이다. 개구폭의 변화에 따라 개구부에서 파의 집중 및 잠제 배후에서 파고 크기 등에 관한 경향은 전술한 Fig. 10의 경우와 유사하다는 것을 확인할 수 있지만 입사파고가 더 큰 H = 7 cm의 경우는 개구폭이 좁을수록 전술한 H = 5 cm의 Fig. 10와는 달리 잠제 배후에서 회절현상이 크게 나타나는 것을 확인할 수 있고, 이는 H = 7 cm의 Fig. 11의 경우 잠제 천단 상에서 쇄파가 발생되고, 또한 개구폭이 좁을수록 개구부에서 파 집중으로 인한 파고 증폭이 보다 커져 파고의 공간적인 차이로 인한 파랑에너지의 수평분산에 의한 회절현상이 강하게 나타난다.

Fig. 11.

Spatial distribution of simulated wave heights according to change of gap width.

Fig. 12는 입사파고가 H = 7 cm인 경우 잠제 천단 상 및 개구부를 통하여 잠제 배후로 입사하는 파가 시 · 공간적으로 회절되는 일련의 과정 및 수면에서 유속의 변동과정을 나타낸 것이다. 일반적으로 입사파는 잠제 천단 상에서 급격한 수심의 감소로 쇄파되면서 동시에 파 진행방향의 수평유속이 증가하고, 배후로 전파됨에 따라 급격한 수심의 증가로 인하여 유속이 느려지는 것은 주지의 사실이며, 이러한 현상을 Fig. 12로부터도 확인할 수 있다. 그리고, Fig. 11의 결과에서도 지적한 바와 같이 개구폭이 넓을수록 큰 속도는 개구부의 배면에 상대적으로 집중되고, 이로부터 회절현상이 상대적으로 작게 발생되는 것으로 추정된다. 또한, 잠제 배후인 개구부 배면의 해안선 근방에서는 대부분 쇄파가 발생되며, 개구폭이 넓을수록 유속의 증가가 현저히 나타나므로 보다 큰 규모와 강도의 쇄파가 발생되는 것으로 판단된다.

Fig. 12.

Snapshots of wave diffraction and velocity behind submerged breakwater on water surface contour.

Fig. 13은 입사파고가 H = 7 cm, 주기가 T = 1.4 s, 개구폭이 G = 3.0m인 경우(CASE 1)인 경우 잠제 천단 상 및 배후 사면에서 쇄파되는 일련의 과정을 나타낸 것이다. Fig. 12에서 확인할 수 있는 바와 같이 입사파는 잠제 천단 상에서 쇄파되고, 더불어 파 진행방향으로의 수평유속이 증가하며, 배후로 전파됨에 따라 급격한 수심의 증가로 인하여 유속이 느려지는 것을 알 수 있다. 그리고, Fig. 11의 결과에서도 지적한 바와 같이 큰 속도의 유속은 개구부 배면에 집중되고, 개구부 배면의 해안선 근방에서 대부분 쇄파되는 것을 알 수 있다.

Fig. 13.

Snapshots of wave breaking waves on submerged breakwater and beach.

Fig. 14는 입사파고가 H = 5 cm와 7 cm인 각각의 경우에 대해 해안선에 평행한 단면에서 Y-축을 따른 각 케이스별 공간파고분포를 나타낸 것으로 Fig. 14(a)가 H = 5 cm의 경우이고, Fig. 14(b)가 H = 7 cm의 경우이며, 각각에서 (i)가 잠제 천단 중앙(조파지점으로부터 X = 4.445m인 지점), (ii)가 사빈 경사면 중앙(조파지점으로부터 X = 9.0m인 지점), 그리고 (iii)가 해안선(조파지점으로부터 X = 11.47m인 지점)에서 각각 해안선과 평행한 방향으로의 파고분포를 나타낸다.

Fig. 14.

Spatial distribution of simulated wave heights at three Y–Z cross sections.

Fig. 14(a)의 경우 잠제 천단 중앙인 X = 4.445m의 지점에서는 개구폭이 좁을수록(CASE 1→CASE 2→CASE 3)개구부 중앙에서 파고가 크게 나타나고, 제간부에서는 개구폭의 크기에 상관없이 일정한 파고가 나타난다. 사빈 경사면 중앙인 X = 9.0m의 지점에서는 개구폭이 좁을수록 개구부 배면에서 파고가 감소하는 경향을 나타내지만 제간부에서는 회절현상으로 일정한 경향의 파고분포를 나타내지 않고 위치에 따라 상이한 크기를 나타낸다. 해안선인 X = 11.47m의 지점에서는 모든 CASE가 얕은 수심에 의한 쇄파 발생으로 파랑에너지가 거의 소산되어 파고가 0 cm에 가까운 거의 일정한 값을 나타낸다.

Fig. 14(b)의 경우 Fig. 14(a)의 경우와 유사하게 잠제 천단 중앙 제간부에서는 일정한 크기의 파고를 나타내지만 개구부의 중앙에서는 CASES 5와 6의 파고가 비슷한 값을 가지며, 개구폭이 가장 넓은 CASE 4가 상대적으로 작은 파고를 나타낸다. 사빈 경사면 중앙에서는 개구폭이 좁을수록 개구부 배면에서 대체적으로 파고가 감소하는 경향을 나타내지만 제간부에서는 회절현상으로 일정한 경향의 파고분포를 나타내지 않고 위치에 따라 상이한 크기를 나타내는 것은 Fig. 14(a)의 경우와 유사하다. 해안선에서는 Fig. 14(a)의 경우와 거의 동일하게 모든 CASE가 얕은 수심에 의한 쇄파 발생으로 파랑에너지가 거의 소산되어 파고가 0 cm에 가까운 거의 일정한 값을 나타낸다. 여기서, 각 그림의 (i)과 (ii)에서의 차이는 잠제 천단 상에서 쇄파 여부 및 개구부에서 형성되는 파고 증폭의 크기에 따른 회절 영향에 의한 것으로 판단된다.

4.2.2 잠제 위치의 변화

Fig. 15는 잠제 위치에 따른 파고분포를 나타낸 것으로 입사파고가 H = 7 cm, 개구폭이 G = 2.5m인 경우에 잠제 위치 X = 6.5m를 중심(CASE 5)으로 해안선에 1.0 m 보다 가까운 X = 5.5m의 경우(CASE 7), 해안선에 0.5 m 보다 가까운 X = 6.0m의 경우(CASE 8)와 해안선에 0.5 m 보다 먼 X = 7.0 m 경우(CASE 9)를 각각 제시한다.

Fig. 15.

Spatial distribution of simulated wave heights according to change of distance between shoreline and submerged breakwater.

그림으로부터 파가 잠제를 통과하면서 파고가 감소하고, 제두부 근방에서 회절현상이 나타나는 것은 전반적으로 거의 유사한 경향이지만 잠제가 해안선에서 X = 7.0m 이격된 CASE 9의 경우는 개구부에서 파의 집중도가 상대적으로 약간 저하되고, 잠제 배후면에서 파고가 미미하지만 약간 작아지는 것을 확인할 수 있다. 하지만, 해안선으로부터 잠제 설치위치의 변화에 따른 유의한 변화는 크게 나타나지 않는 것을 알 수 있다. 이러한 현상은 잠제를 통하여 동일한 파랑에너지가 유입되는 상황하에서 본 연구와 같이 대상 해역의 폭이 변하지 않는 조건하에서는 해안선부터 잠제까지의 이격거리 변화는 파랑변형에서 차이는 거의 발생되지 않고 주로 유입된 파랑에너지가 분포하는 면적의 변화로만 나타나기 때문인 것으로 판단된다.

Fig. 16은 CASES 5와 7~9의 경우에 잠제 천단 중앙(조파지점으로부터 X = 4.445m 이격된 지점), 사빈 경사면 중앙(조파지점으로부터 X = 9.0m 이격된 지점) 및 해안선(조파지점으로부터 X = 11.47m 이격된 지점)에서 해안선과 평행한 Y-Z 방향의 단면에서 파고분포를 나타낸 것이다. 결과를 살펴보면 잠제 천단 중앙 개구부의 중앙에서는 CASE 7의 경우가 다소 큰 파고를, CASE 9의 경우가 다소 작은 파고를 나타내지만 Y > 6.2m에서는 거의 동일한 파고를 나타낸다. 사빈 경사면 중앙에서는 회절이 상대적으로 크게 영향을 미쳐 Y-축 방향으로 파고의 변화가 발생하지만 이격거리에 따른 특정한 경향은 나타나지 않는다. 마지막으로, 해안선에서는 세 경우 모두 파고가 거의 0인 값을 나타내고, Y-축을 따른 파고의 변화도 거의 나타나지 않는다는 것을 볼 수 있다.

Fig. 16.

Spatial distribution of simulated wave heights at three X–Y cross sections.

4.3 평균수위분포

Fig. 17은 입사파고 H = 5 cm인 경우 본 연구의 수치계산으로부터 추정된 평균수위분포에 관한 일례를 나타낸 것이며, Fig. 17(a)는 개구폭이 G = 3.0m인 경우(CASE 1), (b)는 G = 2.5m인 경우(CASE 2), (c)는 G = 2.0m인 경우(CASE 3)에 해당한다. 제시하는 수치계산 결과는 전술한 파고분포에서와 동일하게 조파 이후 완전히 발달한 연속한 5파를 산술평균한 결과이다. 그림으로부터 잠제 전면에서는 평균수위의 하강(wave set-down)이 나타나고, 잠제 배후면에서는 평균수위의 상승(wave set-up)이 발생하며, 이러한 현상은 잠제가 설치된 해역에서 일반적으로 발생하는 현상과 일치되는 결과로 잘 알려진 바와 같이 파가 잠제 천단 상을 통과할 때 발생되는 쇄파로 인한 파의 진행방향으로의 질량수송 때문이다. 여기서, 전체적으로 제두부의 개구부에서 평균수위의 하강이 가장 크게 발생하고, 특히 개구폭이 좁을수록 보다 강하게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 잠제 배후에서는 평균수위의 상승이 나타나지만 사빈 경사면에서 해안선으로 갈수록 보다 크게 나타나고, 개구부 배면의 해안선 근방에서 가장 큰 값을 나타낸다. 이러한 평균수위의 상승은 개구폭이 좁을수록 크게 되지만 해안선 부근에서는 상대적으로 작아지는 결과를 나타낸다. 이것은 개구폭이 넓을수록 잠제 배후에서 파고가 증가하는 전술한 현상과는 상반되는 결과이다. 한편, 잠제 전면에서도 평균수위가 하강하는 위치가 발생되는 것을 볼 수 있다. 이러한 현상은 중복파의 배 위치에서 평균수위의 상승이 나타나고, 중복파의 마디 위치에서 평균수위의 하강이 나타나는 결과를 잘 반영하고 있는 것으로 판단된다.

Fig. 17.

Spatial distribution of simulated mean water level according to change of gap width.

Fig. 18은 Fig. 14와 같이 잠제 천단 중앙(조파지점으로부터 X = 4.445m 이격된 지점)과 사빈 경사면 중앙(조파지점으로부터 X = 9.0m 이격된 지점) 및 해안선(조파지점으로부터 X = 11.47m 이격된 지점)에서 해안선과 평행한 Y-Z의 단면에서 평균수위분포를 나타낸 것이다. 잠제 천단 중앙의 개구부에서는 Fig. 17의 결과와 같이 평균수위의 하강이 발생하고, 더불어 개구폭이 좁을수록 그의 강도가 강해지는 것을 확인할 수 있다. 제간부에서는 개구폭의 변화에 따른 큰 차이는 주어지지 않지만 개구폭이 좁은 경우의 평균수위가 약간 더 상승하는 결과를 나타낸다. 사빈 경사면 중앙에서는 전체적으로 평균수위 상승을 나타내고, 제두부에서 제간부로 갈수록 평균수위의 상승에서 증 · 감이 반복되지만 평균적인 개념에서는 상승률이 점차 증가하는 것을 알 수 있다. 개구폭의 영향으로는 개구폭이 좁을수록 더 큰 평균수위의 상승을 나타낸다. 반면, 해안선에서는 제두부에서 제간부로 갈수록 전 개구폭에서 평균수위의 상승률이 감소하는 경향을 나타내며, 제간부의 위치에 따라 약간 상이한 결과가 주어지지만 전반적으로는 개구폭이 좁을수록 작은 평균수위의 상승을 나타낸다. 여기서, 평균수위의 변화에 개구폭의 영향이 개구부에서 보다 현저히 발생하는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 18.

Spatial distribution of simulated mean water level at three Y–Z cross sections.