Figure 2.4 Multi-inlet barge

이 기술 요약은 Erik Damgaard Christensen, B. Mutlu Sumer, Jan-Joost Schouten 외 다수가 2015년 발표한 기술 보고서 “D5.3 Interaction between currents, wave, structure and subsoil”을 기반으로 합니다. 이 자료는 STI C&D가 기술 전문가에 의해 분석하고 요약했습니다.

키워드

  • Primary Keyword: 해양 구조물 CFD
  • Secondary Keywords: 다목적 해상 플랫폼, 파랑-구조물 상호작용, 세굴 해석, 부유사 확산, CFD 시뮬레이션

Executive Summary

  • 도전 과제: 다목적 해상 플랫폼의 견고한 설계를 위해서는 조류, 파랑, 구조물, 해저 지반 간의 복잡한 상호작용을 정확하게 예측해야 하며, 이는 전통적인 방법으로는 매우 어렵습니다.
  • 해결 방법: MERMAID 프로젝트는 CFD 및 랜덤-워크 모델을 포함한 고급 수치 모델링을 활용하여 부유사 확산, 쇄파 충격, 세굴과 같은 핵심 물리적 프로세스를 시뮬레이션했습니다.
  • 핵심 성과: 상세한 CFD 시뮬레이션은 준설 작업 시 발생하는 오버플로우 플룸이나 2차 구조물에 가해지는 쇄파력과 같은 근접장(near-field) 현상을 정확하게 모델링하여 더 안전하고 효율적인 설계를 위한 핵심 데이터를 제공합니다.
  • 핵심 요약: 고급 CFD는 수력학적 하중과 환경 영향을 정밀하게 분석하여 해양 프로젝트의 리스크를 줄이는 데 필수적인 도구입니다.

도전 과제: 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한 이유

최근 유럽 해양은 해상 풍력 발전 단지, 전력망 확장, 해양 양식업의 발달로 대규모 인프라 개발이 진행 중입니다. 이러한 시설들은 종종 다목적 해상 플랫폼(Multi-Use offshore Platforms, MUPs) 형태로 통합되어 경제적 비용과 환경 영향을 줄이는 것을 목표로 합니다. 하지만 해상 환경은 연안보다 훨씬 가혹하며, 특히 외해에 설치되는 구조물은 극한의 파랑과 조류에 노출됩니다.

이러한 구조물을 설계하고 운영하는 데 있어 가장 큰 기술적 과제는 다음과 같습니다. 1. 준설 및 건설 중 부유사 확산: 구조물 설치 시 발생하는 준설 작업은 부유사를 발생시켜 주변 생태계에 탁도 증가와 같은 환경적 영향을 미칩니다. 특히 근접장에서의 침전 및 확산 메커니즘은 예측이 매우 어렵습니다. 2. 쇄파(Breaking Waves)의 영향: 외해에서는 쇄파, 특히 유출 쇄파(spilling breaker)가 구조물에 미치는 영향이 큽니다. 이는 보수적이고 값비싼 설계를 초래하거나, 반대로 취약한 설계를 낳을 수 있습니다. 3. 세굴(Scour) 현상: 구조물 기초 주변의 해저 지반이 파랑과 조류에 의해 침식되는 세굴 현상은 구조물의 안정성에 직접적인 위협이 됩니다. 복잡한 구조물이나 다중 구조물 주변의 세굴 현상은 아직 명확히 규명되지 않았습니다.

이러한 복잡한 물리적 현상들은 서로 다른 시간적, 공간적 스케일에서 발생하기 때문에, 기존의 분석 방법으로는 한계가 있습니다. 따라서 MUP의 기술적 타당성을 확보하고 안전하며 경제적인 설계를 위해서는 새로운 접근 방식, 즉 정밀한 수치 모델링이 필수적입니다.

Figure 2.4 Multi-inlet barge
Figure 2.4 Multi-inlet barge

접근 방식: 연구 방법론 분석

MERMAID 프로젝트는 다목적 해상 플랫폼과 주변 환경의 상호작용을 분석하기 위해 물리적 모델 실험과 함께 고급 전산유체역학(CFD)을 포함한 다양한 수치 모델링 기법을 적용했습니다.

  • 부유사 확산 모델링 (Dispersion Processes): 준설 작업 중 발생하는 오버플로우 플룸의 거동을 분석하기 위해 3차원 CFD 모델이 사용되었습니다. 이 모델은 다상(multiphase) 혼합물 방법론과 LES(Large Eddy Simulation) 접근법을 기반으로 하여, 높은 농도의 부유사가 주변 해수에 미치는 동적 상호작용을 양방향으로 결합하여 해석했습니다. 이를 통해 다양한 조류 속도, 수심, 플룸의 밀도 조건에 따른 확산 경로를 정밀하게 예측했습니다.
  • 쇄파-구조물 상호작용 해석 (Breaking Wave Interaction): 2차 구조물(보트 접안 시설, 난간 등)에 가해지는 쇄파의 충격력을 평가하기 위해 나비에-스토크스(Navier-Stokes) 방정식을 푸는 CFD 모델이 활용되었습니다. 특히, 쇄파 시 발생하는 공기 연행(air-entrainment) 현상은 유체의 운동학적 특성에 큰 영향을 미치므로, 이를 정확히 모사하기 위해 GENTOP(GEneralized TwO-Phase flow) 모델과 같은 다중 스케일 접근법이 적용되었습니다. 이 모델은 거시적인 자유 수면과 미세한 기포 분산을 동시에 처리할 수 있습니다.
  • 세굴 및 퇴적 모델링 (Scour and Backfilling): 구조물 기초 주변의 세굴 및 퇴적 과정을 시뮬레이션하기 위해 RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes) 방정식과 k-ω 난류 모델을 결합한 유동 해석 모델이 사용되었습니다. 이 유동 모델은 엑스너(Exner) 방정식으로 대표되는 지형 변화 모델과 결합되어, 해저 지반의 침식과 퇴적에 따른 지형 변화를 시간의 흐름에 따라 예측했습니다.

핵심 성과: 주요 발견 및 데이터

본 연구는 CFD 시뮬레이션을 통해 기존 방법으로는 파악하기 어려웠던 복잡한 유체역학적 현상들을 정량적으로 분석하고, 해양 구조물 설계에 실질적인 데이터를 제공했습니다.

성과 1: 준설 오버플로우 플룸의 거동 정밀 예측

CFD 시뮬레이션은 주변 조류의 속도와 플룸의 초기 조건이 부유사 확산에 미치는 영향을 명확히 보여주었습니다. 보고서의 Figure 2.8에 따르면, 유속비(velocity ratio, ε)가 높을수록 플룸의 침강 속도가 감소하고 더 넓게 확산되는 것이 확인되었습니다. 특히, 유속비가 ε=2인 극한 상황에서는 플룸이 해저에 도달하지 않고 즉시 혼합 상태에 들어가는 것으로 나타났습니다. 또한, Figure 2.9는 덴시메트릭 프루드 수(densimetric Froude number, Fd)가 1 이상일 때, 즉 관성력이 부력보다 우세할 때 플룸이 완전히 혼합되어 침전되지 않음을 보여줍니다. 이는 준설 작업 시 환경 영향을 최소화하기 위해 오버플로우 조건과 주변 유속을 제어하는 것이 얼마나 중요한지를 시사합니다.

성과 2: 구조물 형상에 따른 유체력 및 혼합 효율 정량화

CFD 모델은 구조물의 미세한 형상 변화가 전체 유체력에 미치는 영향을 정밀하게 분석했습니다. Table 3.3에 따르면, 유속 0.5m/s 조건에서 타원형 기둥(Shape No 2)의 항력 계수는 0.44였지만, 상부에 주각(plinth)이 추가된 타원형 기둥(Shape No 1)의 항력 계수는 0.51로 증가했습니다. 이는 작은 설계 변경이 구조물에 가해지는 전체 하중을 크게 변화시킬 수 있음을 의미합니다. 또한, 성층 흐름(stratified flow)에서의 혼합 효율 분석(Figure 3.21) 결과, CFD 시뮬레이션은 물리적 모델 실험 결과와 전반적으로 일치하면서도 저유속 구간에서는 더 안정적인 결과를 제공했습니다. 이는 CFD가 물리적 실험의 한계를 보완하고 설계 최적화를 위한 신뢰성 높은 데이터를 제공할 수 있음을 보여줍니다.

Figure 2.13 CFD simulation of the effect of the Green Valve on air entrainment. (Saremi, 2014)
Figure 2.13 CFD simulation of the effect of the Green Valve on air entrainment. (Saremi, 2014)

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

이 보고서의 연구 결과는 해양 구조물 설계 및 운영과 관련된 다양한 분야의 전문가들에게 중요한 시사점을 제공합니다.

  • 공정 엔지니어 (건설/준설): 부유사 플룸에 대한 연구(Chapter 2)는 오버플로우 매개변수(예: β 값)를 제어하고 주변 조류를 이해하는 것이 환경 영향을 크게 줄일 수 있음을 시사합니다. 이는 설치 공정 계획 시 중요한 고려 사항이 될 수 있습니다.
  • 품질 및 안전 관리팀: 세굴 해석(Chapter 5)은 수치 모델을 통해 기초 주변의 최대 세굴 깊이를 예측할 수 있음을 보여줍니다. 이는 구조물의 안정성과 피로 수명 평가에 매우 중요하며, 정기적인 안전 점검 기준을 수립하는 데 활용될 수 있습니다.
  • 설계 엔지니어: 2차 구조물에 대한 파랑 하중(Chapter 4) 및 교각 항력(Chapter 3) 분석은 CFD가 극한 하중을 견디고 전체 구조 응력을 줄이도록 설계를 최적화할 수 있음을 보여줍니다. 이를 통해 더 안전하고 비용 효율적인 플랫폼 설계가 가능합니다.

보고서 상세 정보

D5.3 Interaction between currents, wave, structure and subsoil

1. 개요:

  • Title: D5.3 Interaction between currents, wave, structure and subsoil
  • Author: Christensen, Erik Damgaard; Sumer, B. Mutlu; Schouten, Jan-Joost; 외 다수
  • Year of publication: 2015
  • Journal/academic society of publication: MERMAID Project Deliverable, Technical University of Denmark (DTU)
  • Keywords: multi-use offshore platforms, currents, waves, scour, sediment dispersion, wave-structure interaction, CFD

2. Abstract:

본 보고서는 MERMAID 프로젝트의 일환으로, 다목적 해상 플랫폼(MUP)과 관련된 조류, 파랑, 구조물, 그리고 해저 지반 간의 상호작용을 다룬다. 유럽 해역의 네 곳의 특정 사이트를 중심으로, 준설로 인한 부유사 확산, 쇄파와 구조물의 상호작용, 성층 흐름에서의 혼합, 구조물 주변의 세굴 및 퇴적 등 핵심적인 물리적 프로세스를 분석한다. 이를 위해 물리적 모델 실험과 함께 상세한 전산유체역학(CFD)을 포함한 고급 수치 모델링 기법이 사용되었다. 연구의 목적은 MUP의 설계 단계에서 기술적 타당성, 환경 영향, 다기능 통합 가능성을 평가하는 데 필요한 진보된 도구와 방법론을 제공하는 것이다.

3. Introduction:

유럽 해양은 해상 풍력 발전, 전력망 확장, 해양 양식업의 확대로 인해 대규모 인프라 개발이 예상된다. 이러한 개발은 EU의 화석 연료 기반 에너지 감축 및 지속 가능한 양식업 육성 전략을 이행하기 위해 필수적이다. 다목적 해상 플랫폼(MUP)은 이러한 여러 기능을 하나의 공간에 통합하여 경제적 비용과 환경 영향을 줄이는 혁신적인 해결책으로 제시된다. 본 보고서는 MERMAID 프로젝트의 Work Package 5의 결과물로서, MUP와 기상 및 수력학적 조건, 그리고 해저 지반 간의 상호작용에 초점을 맞춘다. MUP 설계의 기술적, 경제적 타당성과 환경 영향을 평가하기 위해, 다양한 해양 환경에서 발생하는 복잡한 물리적 프로세스를 분석하고 이를 해결하기 위한 새로운 접근법을 개발하는 것이 필요하다.

4. Summary of the study:

Background of the research topic:

다목적 해상 플랫폼(MUP)의 성공적인 개발을 위해서는 플랫폼과 주변 해양 환경(조류, 파랑, 해저 지반) 간의 복잡한 상호작용을 면밀히 분석해야 한다. 이는 구조물의 설계, 환경 영향 평가, 다기능 통합 가능성 평가에 필수적이다.

Status of previous research:

기존 연구들은 단일 모노파일 주변의 세굴이나 파랑-구조물 상호작용 등 개별적인 현상에 대해서는 잘 정립되어 있었으나, 다중 구조물이나 복잡한 환경 조건(예: 쇄파, 성층 흐름)에서의 상호작용, 특히 근접장에서의 물리적 현상에 대한 이해는 부족했다. 또한, 준설로 인한 부유사 확산이나 세굴 후 퇴적(backfilling) 과정에 대한 정량적 데이터와 모델링 연구가 미흡했다.

Purpose of the study:

본 연구의 목적은 MUP 설계 단계를 지원하기 위해, 광범위한 경험, 가용 데이터, 그리고 특정 연구 주제에 기반한 진보되고 적용 가능한 도구를 제공하는 것이다. 이를 통해 조류, 파랑, 구조물, 지반 간의 상호작용을 정밀하게 분석하고, 설계, 환경 영향, 다기능 통합의 잠재력을 평가하는 새로운 접근법을 개발하고자 한다.

Core study:

본 연구는 다음과 같은 핵심 주제들을 다룬다: 1. 해양 작업과 관련된 확산 과정 모델링 (준설 시 부유사 유출, 파랑 경계층 내 확산) 2. 밀도가 변화하는 조류와 수직 파일의 상호작용 (성층 흐름에서의 혼합) 3. 파랑-구조물 상호작용 (OWC 모듈, 쇄파, 어류 양식망) 4. 다목적 해상 플랫폼 구조물 주변의 세굴 (기초 주변 세굴 및 퇴적, 가장자리 세굴)

5. Research Methodology

Research Design:

본 연구는 물리적 모델 실험과 수치 모델링을 병행하는 통합적 접근 방식을 채택했다. 물리적 실험은 실험실 스케일에서 특정 현상을 재현하고 검증 데이터를 확보하는 데 사용되었으며, 수치 모델링은 이를 바탕으로 매개변수 범위를 확장하고 실제 스케일의 복잡한 현상을 시뮬레이션하는 데 활용되었다.

Data Collection and Analysis Methods:

  • 물리적 모델 실험: 수조(flume)에서 파랑 생성기, 이동식 대차, 밀도/유속 측정 장비 등을 사용하여 OWC 모듈 성능, 성층 흐름에서의 혼합, 쇄파 충격 등을 측정했다.
  • 수치 모델링 (CFD):
    • 유동 해석: RANS, LES 등 난류 모델과 결합된 나비에-스토크스 방정식을 사용하여 유동장을 해석했다.
    • 다상 유동: 준설 플룸과 쇄파 시 공기 연행을 모델링하기 위해 VOF, 혼합물 모델, GENTOP과 같은 다상 유동 해석 기법을 적용했다.
    • 지형 변화: 세굴 및 퇴적 현상을 모사하기 위해 유동 모델과 엑스너 방정식을 기반으로 한 지형 변화 모델을 결합했다.
    • 소프트웨어: MatRANS, OpenFOAM®, StarCCM+ 등의 코드가 사용되었다.

Research Topics and Scope:

연구 범위는 다목적 해상 플랫폼이 설치될 수 있는 유럽의 다양한 해양 환경(발트해, 북해, 대서양, 지중해)을 포괄한다. 조류, 파랑, 구조물, 지반의 상호작용과 관련된 광범위한 물리적 현상을 다루며, 특히 준설, 쇄파, 세굴, 성층 흐름에서의 혼합 등 설계 및 환경 영향 평가에 중요한 주제에 집중한다.

6. Key Results:

Key Results:

  • CFD 시뮬레이션을 통해 준설 작업 시 발생하는 오버플로우 플룸의 궤적과 희석률이 주변 유속 및 초기 밀도 조건에 따라 어떻게 변하는지 정량적으로 예측했다. 유속비(ε)와 덴시메트릭 프루드 수(Fd)가 플룸의 침강 여부를 결정하는 핵심 매개변수임이 밝혀졌다.
  • 파랑 경계층 내 부유사 확산에 대한 수치 모델링 결과, 진동류(oscillatory flow)에서의 확산 계수는 정상류(steady flow)에 비해 현저히 작았으며, 파랑의 진폭이 클수록 정상류 값에 점근적으로 접근하는 경향을 보였다.
  • 성층 흐름에서 수직 파일로 인해 발생하는 혼합 효율을 물리적 실험과 CFD 시뮬레이션을 통해 분석했다. CFD는 구조물의 형상(예: 주각 유무)에 따른 항력 계수 변화를 정밀하게 예측했으며, 이는 물리적 실험 결과와 잘 일치했다.
  • 파랑과 조류에 의한 구조물 기초 주변의 세굴 및 퇴적(backfilling) 과정을 수치적으로 시뮬레이션했다. 모델은 초기 지형 조건과 관계없이 특정 파랑 조건(KC 수)에 해당하는 평형 세굴 깊이로 수렴함을 보여주었으며, 이는 실험 결과와 일치한다.
  • 쇄파, 특히 유출 쇄파(spilling breaker) 시 발생하는 공기 연행을 포함한 복잡한 유동을 해석하기 위해 다중 스케일 CFD 접근법(GENTOP)의 유효성을 확인했다. 이는 2차 구조물의 충격 하중 설계에 중요한 정보를 제공한다.

Figure List:

  • Figure 2.1 Conceptual design of multipurpose platforms
  • Figure 2.2 Offshore dredging works
  • Figure 2.3 Trailing suction hopper dredger, Right: Mechanical Dredger
  • Figure 2.4 Multi-inlet barge
  • Figure 2.5 Multifraction dredged material concentration distribution.
  • Figure 2.6 Left: Overflow plume, Right: Spill from the grab
  • Figure 2.7 CFD simulations of the overflow plume.
  • Figure 2.8 The path of plumes centroid with different velocity ratios under the same Fd
  • Figure 2.9 The path of plumes centroid with different Fd values under the same velocity ratio
  • Figure 2.10 CFD simulations of overflow discharge in stagnant water under different water depths.
  • Figure 2.11 The path of plumes centroid at two water depths
  • Figure 2.12 Schematic drawing of the overflow structure
  • Figure 2.13 CFD simulation of the effect of the Green Valve on air entrainment.
  • Figure 2.14 Dredged material ready to dumped from a split hopper, Right: The sediment plume
  • Figure 2.15 CFD simulations of sediment dumping into stagnant ambient
  • Figure 2.16: Longitudinal dispersion in an oscillatory turbulent boundary layer.
  • Figure 2.17: The flow domain in the model.
  • Figure 2.18: Non-dimensional mean particle X positions versus non-dimensional time, β=0.
  • Figure 2.19: Change of variance of particles with time, W=0 (β=0).
  • Figure 2.20: Non-dimensional mean particle X positions versus non-dimensional time, β=0.3.
  • Figure 2.21: Model results of zeroth moment of concentration for large times results compared with analytical solution, β=0.3.
  • Figure 2.22: Time variation of non-dimensional dispersion coefficients for β=0 and β=0.3.
  • Figure 2.23: Ratio of dispersion coefficient for heavy particles to that of neutrally buoyant particles versus the non-dimensional settling velocity (β).
  • Figure 2.24: Non-dimensional mean particle X positions versus non-dimensional time in oscillatory flow case
  • Figure 2.25: Change of variance of particles with time for oscillatory flow case,
  • Figure 2.26: The zeroth concentration moment of heavy particles for oscillatory flow,
  • Figure 2.27: The change of variance of particle X positions with time for oscillatory flow,
  • Figure 2.28: Variation of non-dimensional dispersion coefficient (D1/Ufm h) with non-dimensional settling velocity (β).
  • Figure 2.29: Variation of non-dimensional dispersion coefficient (D1/Ufm h) for neutrally buoyant particles with non-dimensional amplitude (α).
  • Figure 3.1 Sketch of large turbulent flow structures generated by the presence of a vertical py-lon in a channel flow
  • Figure 3.2 Test set-up for case where current was simulated by moving the carriage
  • Figure 3.3 Salinity and density profiles before, during, and after a typical experiment.
  • Figure 3.4 Increase in potential energy versus input of kinetic energy for the typical experiment,
  • Figure 3.5 The primary model is towed through a two-layered stratified water column with an non-zero angle of attack.
  • Figure 3.6 Mixing efficiency as a function of current velocity for the primary and secondary model at a current angle of attack equal 0.
  • Figure 3.7 Mixing efficiency as a function of current angle of attack, α, for the primary model.
  • Figure 3.8 Bridge pier shapes included for validating the numerical model.
  • Figure 3.9 Overview of the short model domain with a downstream distance at 100m (top) and the long model domain with a downstream distance of 500m (bottom).
  • Figure 3.10 Zoom of the computational grid around bridge pier No 1
  • Figure 3.11 Computational grid at bridge pier No 1. Total pier height: 28m.
  • Figure 3.12 Drag coefficients for bridge pier shape No 1 in uniform current and uniform density.
  • Figure 3.13 Flow around pier No 1 visualised by streamlines initialised downstream the pier at a depth of 14m.
  • Figure 3.14 Flow around pier No 1 visualised by streamlines initialised downstream the pier at a depth of 14m.
  • Figure 3.15 Geometrical shapes and streamline visualization for shape Nos 1-3
  • Figure 3.16 Lift coefficients for bridge pier shape No 1 in uniform current and uniform density at a current angle of 15 degrees.
  • Figure 3.17 Reference area, A, marked with red upstream and downstream the bridge pier.
  • Figure 3.18 Density time series at 20m and 400m downstream the bridge pier.
  • Figure 3.19 Vertical density profiles upstream and 400m downstream the bridge pier at time = 2000s.
  • Figure 3.20 Force time series for bridge pier No 1 with stratified density distribution and uniform current with a current angle at 0 degree
  • Figure 3.21 Mixing efficiency for bridge pier No 1 as function of the current velocity
  • Figure 3.22 Mixing efficiency for bridge pier No 2 as function of the current velocity
  • Figure 3.23 Surface at an intermediate density for bridge pier shape No 1
  • Figure 3.24. Resistance and mixing across a single vertical structure in a stratified flow.
  • Figure 3.25 Alignment of structure given by α in a x-y-coordinate system
  • Figure 3.26 Energy conversions in a stratified turbulent flow
  • Figure 3.27: Model domain in the Western Baltic Sea for the study by Rennau et al. (2012).
  • Figure 3.28: Non-dimensional computational domain for three-dimensional high resolution RANS simulations by Rennau et al. (2012).
  • Figure 3.29: Distribution of offshore wind farms (OWFs) in the Western Baltic Sea
  • Figure 3.30: Western Baltic Sea simulation: monthly mean water mass transport M
  • Figure 3.31: Western Baltic Sea simulation by Rennau et al. (2012); annual mean (year 2004) of bottom salinity and bottom salinity difference due to offshore wind farms
  • Figure 3.32: The Oosterschelde with Slaak indicated in the red oval.
  • Figure 3.33: Closer image of the Slaak channel in the Northern branch of the Oosterschelde
  • Figure 3.34: Mussel cultures in Slaak, Google Earth picture slightly contrast enhanced.
  • Figure 3.35: Schematised model domain of the D3D Oosterschelde model.
  • Figure 3.36: Slaak CFD model with the mussel cultures inserted
  • Figure 3.37 Details of the computational grid.
  • Figure 3.38 Impression of the free surface during the flood tide
  • Figure 3.39 Detail of the velocity field around the first array of nets
  • Figure 3.40 Overview of the simulation domain
  • Figure 3.41 Detail of the computational domain: the contour plot displays the bottom depth.
  • Figure 3.42 Detail of the free surface, the monopile, the bathymetry and the mussel nets.
  • Figure 3.43 Impression of streamlines of the water flow in proximity of highly loaded farming nets
  • Figure 3.44 Impression of velocity vectors and magnitude (band plot) on a vertical cross section through the farming nets and the monopile
  • Figure 4.1 COAST-Lab wave-current flume of Florence University.
  • Figure 4.2 A Sketch of the PT, WG and HW locations for the measuring section
  • Figure 4.3: Deformation and shoaling of wave
  • Figure 4.4: Classification of breakers: spilling, plunging and surging
  • Figure 4.5: Sketch of the production and dissipation of turbulent kinetic energy
  • Figure 4.6: Initial bubble size distribution after the acoustic phase.
  • Figure 4.7: the breaking wave-induced bubbly flow
  • Figure 4.8: structure of MUSIG – from (Krepper et al., 2009)
  • Figure 4.9: structure of GENTOP; the continuous air is the last velocity group
  • Figure 4.10: the multi-scale flow due to an impinging jet
  • Figure 4.11: Sketch of the proposed CFD methodology.
  • Figure 4.12 Definition of angle of attack.
  • Figure 4.13 Definition of mesh properties.
  • Figure 4.14 Illustration of solidity ratio for square mesh net panels
  • Figure 4.15 Illustration of modelling of the net by twine and knot elements.
  • Figure 4.16 Overview of the empirical and semi-empirical drag formulations versus solidity ratios.
  • Figure 4.17 The schematic diagram of the mass spring model.
  • Figure 4.18 Comparison of deformed shape from FE model with simplified mesh (left), detailed mesh (middle) and physical model (right).
  • Figure 4.19 Net model with super elements.
  • Figure 5.1 Wind turbine foundation types.
  • Figure 5.2 Scour hole in the equilibrium stage around a model monopile
  • Figure 5.3. Hydrodynamic time step, and morphologic time step, in a typical numerical modelling exercise.
  • Figure 5.4 Development of backfilling.
  • Figure 5.5 Definition sketch. Edge scour.
  • Figure 5.6. Flow around a monopile and its scour protection.
  • Figure 5.7 Image taken downstream of a pile with scour protection, facing upstream.
  • Figure 5.8 Normalized equilibrium scour depth downstream of scour protection in steady current.
  • Figure 5.9 D-bathymetry around an individual monopile.
  • Figure 5.10. Typical scour hole with scour protection installed.

7. Conclusion:

본 보고서에서 설명된 프로세스와 제안된 방법론들은 다목적 해상 플랫폼의 설계와 환경 영향 평가에 매우 중요하다. 특히, 준설 작업 중 발생하는 부유사 확산, 쇄파의 충격, 구조물에 의한 국부적인 혼합, 기초 주변의 세굴과 같은 근접장 현상들은 고급 수치 모델링, 특히 CFD를 통해 정밀하게 분석될 수 있다. 이러한 도구들은 탄소 및 영양염 순환을 분석하고, 양식업의 생태학적 및 생산적 수용 능력을 평가하는 데에도 활용될 수 있다. 또한, 구조물 간의 상호작용(예: 풍력 터빈의 파랑 차폐 효과)을 고려한 통합 설계는 위험을 줄이고 안전성을 높이는 데 기여할 수 있다. 결론적으로, 본 연구에서 제시된 진보된 수치 모델링 기법들은 복잡한 해양 환경에서의 구조물 설계를 위한 필수적인 도구이다.

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Expert Q&A: Your Top Questions Answered

Q1: 준설 오버플로우를 시뮬레이션할 때, 단순한 확산 모델 대신 복잡한 다상 CFD 모델이 필요했던 이유는 무엇입니까?

A1: 오버플로우 플룸은 높은 농도의 퇴적물을 포함하고 있어, 주변 해수와 상당한 동적 상호작용을 일으킵니다. 보고서(Chapter 2.1.4)에 따르면, 이러한 상호작용은 물과 퇴적물 두 상(phase) 간의 양방향 결합(two-way coupling)을 요구합니다. 단순 확산 모델은 이러한 상호작용, 특히 퇴적물의 낙하로 인한 유동 변위나 밀도 구배에 의한 힘을 제대로 고려할 수 없으므로, 정확한 거동 예측을 위해 다상 CFD 모델이 필수적이었습니다.

Q2: 보고서에서는 RANS와 LES 모델이 모두 언급되었습니다. 해양 구조물 해석에서 각각 어떤 상황에 더 적합하다고 판단되었습니까?

A2: 보고서의 내용으로 미루어 볼 때, 두 모델은 해석하고자 하는 현상의 스케일과 복잡성에 따라 선택적으로 사용되었습니다. RANS 모델(Chapter 5.1)은 평균적인 유동 특성이 중요한 세굴 현상과 같이 비교적 넓은 영역의 장기적인 변화를 예측하는 데 효과적이었습니다. 반면, LES 모델(Chapter 4.2)은 쇄파 시 발생하는 순간적이고 복잡한 난류 와류 구조를 직접 해석해야 하는 경우에 더 적합했습니다. 이는 LES가 난류의 세부적인 구조를 더 정밀하게 포착할 수 있기 때문입니다.

Q3: 세굴 현상을 다루는 수치 모델(Chapter 5)은 해저 지반 자체의 움직임을 어떻게 계산에 반영합니까?

A3: 수치 모델은 유체역학적 계산과 지형 변화 계산을 결합하는 방식을 사용합니다. 먼저, RANS 방정식을 풀어 구조물 주변의 유동장을 계산하고, 이를 통해 해저면에 작용하는 전단 응력을 구합니다. 이 전단 응력 값은 퇴적물 이동량 공식에 입력되어 침식 및 퇴적률을 계산합니다. 마지막으로, 엑스너(Exner) 방정식이라는 퇴적물 연속 방정식을 풀어 계산된 침식/퇴적률에 따라 해저 지반의 높이를 업데이트하고, 이 과정을 반복하여 지형 변화를 시뮬레이션합니다.

Q4: 쇄파 시뮬레이션에 GENTOP 모델이 언급되었습니다. 이 모델이 일반적인 VOF 계면 추적 방법에 비해 갖는 핵심적인 장점은 무엇입니까?

A4: GENTOP 모델의 가장 큰 장점은 다중 스케일(multi-scale) 유동을 효과적으로 처리할 수 있다는 점입니다(Chapter 4.2.6). 일반적인 VOF 방법은 거시적인 자유 수면 계면을 추적하는 데는 뛰어나지만, 쇄파 시 발생하는 것처럼 계면이 부서져 수많은 미세 기포로 분산되면 물리적 의미를 잃고 정확도가 떨어집니다. GENTOP은 이러한 분산된 기포들을 별도의 상(phase)으로 처리하는 오일러리안(Eulerian) 접근법을 통합하여, 거대한 파도부터 미세 기포까지 동시에 해석할 수 있습니다.

Q5: 이 연구는 물리적 모델 테스트와 CFD 시뮬레이션을 병행했습니다. 물리적 실험을 보완하는 CFD의 주된 역할은 무엇이었습니까?

A5: CFD는 물리적 실험의 한계를 보완하고 연구의 깊이를 더하는 데 핵심적인 역할을 했습니다(Chapter 3.1.2). 첫째, CFD는 물리적 실험에서 테스트하기 어려운 광범위한 매개변수(예: 다양한 유속, 파랑 조건)에 대한 시뮬레이션을 가능하게 했습니다. 둘째, 유동장 내부의 와류 구조나 압력 분포와 같이 실험적으로 측정하기 어려운 상세한 데이터를 제공하여 현상에 대한 깊이 있는 이해를 도왔습니다. 마지막으로, CFD 결과와 실험 데이터를 비교함으로써 모델의 신뢰성을 검증하고 상호 보완적인 분석을 수행할 수 있었습니다.

Conclusion: 더 높은 품질과 생산성을 위한 길

다목적 해상 플랫폼의 성공적인 설계는 조류, 파랑, 지반의 복잡한 상호작용을 얼마나 정확하게 예측하느냐에 달려 있습니다. MERMAID 프로젝트 보고서에서 입증되었듯이, 고급 해양 구조물 CFD 시뮬레이션은 이러한 난제를 해결하는 핵심 열쇠입니다. 준설로 인한 환경 영향부터 쇄파의 충격 하중, 기초의 세굴 안정성에 이르기까지, CFD는 설계 단계에서 잠재적 위험을 식별하고 최적의 솔루션을 찾는 데 필수적인 통찰력을 제공합니다.

STI C&D는 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 지원하는 데 전념하고 있습니다. 이 보고서에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, 저희 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 구성 요소에 어떻게 구현할 수 있는지 알아보십시오.

(주)에스티아이씨앤디에서는 고객이 수치해석을 직접 수행하고 싶지만 경험이 없거나, 시간이 없어서 용역을 통해 수치해석 결과를 얻고자 하는 경우 전문 엔지니어를 통해 CFD consulting services를 제공합니다. 귀하께서 당면하고 있는 연구프로젝트를 최소의 비용으로, 최적의 해결방안을 찾을 수 있도록 지원합니다.

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Copyright Information

  • This content is a summary and analysis based on the paper “D5.3 Interaction between currents, wave, structure and subsoil” by “Christensen, E. D., Sumer, B. M., Schouten, J-J., et al.”.
  • Source: https://orbit.dtu.dk/en/publications/d53-interaction-between-currents-wave-structure-and-subsoil

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