Fig. 9. Scour phenomenon around jacket substructure(Case 1)

본 소개 논문은 한국해안·해양공학회논문집에서 발행한 논문 “FLOW-3D를 이용한 해상 자켓구조물 주변의 세굴 수치모의 실험”의 연구 내용입니다.

Fig. 9. Scour phenomenon around jacket substructure(Case 1)

1. 서론

  • 해상풍력 터빈 및 해상 플랫폼과 같은 구조물의 설치가 증가하면서 세굴(Scour) 현상이 중요한 연구 주제로 부각됨.
  • 해양 구조물은 조류 및 파랑에 의해 해저 입자가 제거될 가능성이 높으며, 이는 구조물의 안정성에 영향을 미칠 수 있음.
  • 본 연구에서는 FLOW-3D를 활용하여 HeMOSU-1 해상 자켓 구조물 주변에서 발생하는 세굴을 수치적으로 분석하고, 일방향 및 왕복성 흐름 조건에서의 세굴 특성을 비교하고자 함.

2. 연구 방법

FLOW-3D 기반 CFD 모델링

  • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면을 추적.
  • RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 해석 수행.
  • FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 활용하여 복잡한 지형을 정밀하게 반영.
  • 경계 조건 설정:
    • Case 1: 유입부에 1m/s의 일정한 흐름을 적용한 일방향 흐름 해석.
    • Case 2: 유속이 -1~1 m/s로 변동하는 왕복성 흐름을 고려한 해석.
    • 유출부: 자유 배출(Outflow) 조건 적용.
    • 벽면: No-slip 조건 적용.

3. 연구 결과

일방향 및 왕복성 흐름 조건에서의 세굴 특성 비교

  • Case 1(일방향 흐름)에서의 최대 세굴 깊이: 1.32m.
  • Case 2(왕복성 흐름)에서의 최대 세굴 깊이: 1.44m.
  • 현장 측정값과 비교 결과
    • HeMOSU-1 주변의 현장 측량 결과 세굴 깊이가 약 1.5~2.0m로 확인됨.
    • 왕복성 흐름을 고려한 Case 2의 결과가 실제 데이터와 가장 유사한 값을 보임.
  • 세굴 현상의 주요 원인
    • 해양 조류 흐름으로 인해 구조물 전면부에서 침식이 발생하고, 후면부에서 퇴적 현상이 관찰됨.
    • 왕복성 흐름에서는 해저 입자의 이동이 지속적으로 반복되며, 최종적으로 일방향 흐름보다 깊은 세굴이 형성됨.

4. 결론 및 제안

결론

  • FLOW-3D 기반 수치 시뮬레이션을 통해 해상 자켓 구조물 주변의 세굴 현상을 정량적으로 분석할 수 있음.
  • 왕복성 흐름을 고려한 모델이 실제 현장 데이터와 가장 유사한 결과를 제공.
  • 장기적인 해석이 필요하며, 세굴 저감을 위한 추가적인 설계 대책 마련이 요구됨.

향후 연구 방향

  • 장기적인 흐름 변화 및 조류 영향에 대한 추가 연구 필요.
  • LES(Large Eddy Simulation) 모델을 활용한 난류 해석 정밀도 향상.
  • 해저 지반 강화 및 세굴 저감 기술 개발을 위한 연구 수행.

5. 연구의 의의

본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 해상 자켓 구조물 주변의 세굴 특성을 정량적으로 분석하고, 실제 측량 데이터와 비교하여 모델의 신뢰성을 평가하였다. 이를 통해 해상 풍력 및 해양 구조물 설계 시 세굴 저감을 위한 실질적인 설계 데이터 및 분석 방법을 제공한다.

Fig. 2. A photo of HeMOSU-1.
Fig. 9. Scour phenomenon around jacket substructure(Case 1)

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