수치해석을이용한이어도기지구조물이해수유동에미치는영향분석과해류관측평가및보정방안연구 477 을통해얻은자료를초기조건으로부여하는것이가장바람직하다. 그러나이는여러차례의측정실험을요구하게되므로본연구에서는초기조건을간단한해류로가정하여접근하였다. 그결과를실제과학기지에서측정한결과와비교하여과

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요원 문
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1 한국해안 해양공학회지제 19 권제 5 호, pp. 476~483, 2007 년 10 월 단 보 수치해석을이용한이어도기지구조물이해수유동에미치는영향분석과해류관측평가및보정방안연구 Numerical Investigation, Calibration Method of the Interaction between Ieodo Ocean Research Station and Ocean Current 홍우람 * 심재설 ** 민인기 *** 김종암 **** Woo-Ram Hong*, Jae-Seol Shim**, In-Ki Min*** and Chongam Kim**** 요지 : 이어도에건설된다목적해양과학기지에서는주위대류및해류의데이터수집을통해기상, 어장예보등의기초자료를제공하는것을한가지목적으로한다. 그런데이어도기지구조물에의한해수유동의변화는과학기지의관측데이터에영향을주어정확한자료수집을어렵게하므로, 이어도기지구조물이주위유동에미치는영향을분석하고유동정보관측을평가 / 보정하는방법에대한연구가필요하다. 본연구에서는이를위한기초연구로, 해류와구조물사이의상호작용을모사할수있는알고리즘을연구, 적용방법을논의한다. 그결과, 3차원전산유체역학을이용한수치해석을통해이어도기지구조물및수중암초가주위유동에미치는영향을연구하고정확한데이터측정방법을제안한다. 핵심용어 : 해양과학기지, 전산유체역학, 유동정보관측, 보정 Abstract : One of the main function of Ieodo Ocean Research Station is to service the information about the weather and fishing grounds condition which are collected through calibrating convection flow and ocean current around the station. However, due to the influence of the station s structure below sea level, it is difficult to obtain the exact flow data. Therefore, it is required to research on the effect of the structure and the method to evaluate and revise the observed data. In this paper, as a basic study, it deals with the algorithm that simulate the interaction between ocean current and the station structure, followed by discussions about the way to applicate the algorithm. Through 3-dimensional computational fluid dynamics analyses (using Navier-Stokes equations with K-turbulence model), the influence of the station and submerged rocks are quantitatively evaluated, and we would suggest methods how to obtain accurate flow information from the measured rough data. Keywords : Ieodo Ocean Research Station, Ocean current, influence of structure, observation error, computational fluid dynamics (CFD) 1. 서론과학기지설립취지인해수정보의정확한관측을수행하기위해서는지형적요인과인공구조물의형상이유동에미치는영향을아는것은필수적인연구과정이다. 이 영향을알아보고실제연구에반영하기위해본연구에서는전산유체역학을이용하여문제에접근하였다. 이는실제측정이나실험을통한방법에비해시간과비용을최소화할수있고해류를가시화할수있다는장점이따른다. 계산에따른정확한결과를도출하기위해서는측정 **** 서울대학교기계항공공학부 ASDL(Aerodynamic Simulation and Design Lab) 박사과정 **** 한국해양연구원연안개발연구본부책임연구원 (Coastal Development Research Division, KORDI, Ansan P.O. Box29, , Korea) **** 한국해양연구원연안개발연구본부기술원 **** 서울대학교기계항공공학부부교수 (Corresponding author: Chongam Kim, School of Mechanical and Aerospace Engineering, Seoul National University, Seoul , Korea. chongam@snu.ac.kr) 476

수치해석을이용한이어도기지구조물이해수유동에미치는영향분석과해류관측평가및보정방안연구 477 을통해얻은자료를초기조건으로부여하는것이가장바람직하다. 그러나이는여러차례의측정실험을요구하게되므로본연구에서는초기조건을간단한해류로가정하여접근하였다. 그결과를실제과학기지에서측정한결과와비교하여과학기지구조물과이어도부근해역의해저지형이유동에미치는영향을알아보는데초점을맞추었다.

2 수치해석을이용한이어도기지구조물이해수유동에미치는영향분석과해류관측평가및보정방안연구 477 을통해얻은자료를초기조건으로부여하는것이가장바람직하다. 그러나이는여러차례의측정실험을요구하게되므로본연구에서는초기조건을간단한해류로가정하여접근하였다. 그결과를실제과학기지에서측정한결과와비교하여과학기지구조물과이어도부근해역의해저지형이유동에미치는영향을알아보는데초점을맞추었다. 또해류의방향과특성에의해생기는관측자료의신뢰도변화를전산유체유동해석을통해예측하고정확한데이터측정을위한관측장비운용방법을알아본다. 2. 해석격자 2.1 해저지형모델링해양연구원을통해이어도기지부근의 2만개수심데이터를받아 4제곱킬로미터영역의해저지면을 Fig. 1과같이도면화하였다. Fig. 1에서표시된경계는지형의수심변화가큰부분이다. 유동에있어서수심의변화는속도와압력에큰영향을주게된다. 해양기지의위치특성을살펴보았을때수심 40 m 가량의좁고평탄한지역에위치하고있음을알수있다. 기지의북쪽으로는수면으로솟은지형과, 남쪽으로는 10 m 가량낮아지는지형과의경계면이절리와같은모양을형성하고있다. 2.2 해양과학기지구조물모델링설계도를 ( 한국해양연구원 현대중공업, 2003) 참고하여이어도기지의해수면아랫부분을모델링하여도면과동일하게모델링된구조물의표면에격자를형성한다. 복잡한구조물주변에는비정렬격자를형성하였고구조물에서먼곳에는정렬격자를사용하였다. 이상과같은방법을통해원방으로 100만여개의격자를만들었다. 3.1 지배방정식 3. 수치해석방법 과학기지모델에작용하는힘으로압력외에점성력까지고려하기위하여, 지배방정식은 3차원비압축성 Navier-Stokes 방정식을사용하였다. 이의질량보존식과운동량보존식은다음과같으며 x방향의식만기재하였다 (Anderson, 1991). 질량보존식 : u i = 0 x i 운동량보존식 : ---- ( ρu t i ) p τ + ( ρu x i u j ) = ij j x i x j τ ij µ u i u j 2 x j x i --µ u l = δ 3 x ij l ρ: density p: pressure τ: stress tensor µ: viscosity (1) δ: Kronecker delta (2) 본연구의해석모델인해양과학기지의유동영역은레이놀즈수가 정도인난류유동영역이므로, 2방정식난류모델인표준 k-ε 모델 (Pope, 2003) 을사용하였다. 수식은다음과같다. 표준 k-ε 난류모델 : Dk v T = ---- k Dt σ k + p ε Dε v T Dt ---- ε pε ε = + C ε C 2 k ε k σ ε v T = ck 1 2 l m, ε = C D k 3 2 l m, C ε1 = 1.44, C ε2 = 1.92, σ ε = 1.3 (3) k: turbulent kinetic energy Fig. 1. Geometry modeling of the seabed.

3 478 홍우람 심재설 민인기 김종암 ε: rate of dissipation of turbulent kinetic energy σ ε : turbulent Prandtl number for dissipation p: rate of production of turbulent kinetic energy 3.2 경계조건과학기지를포함한육면체의검사체적을설정하여각각의경계면에적절한조건을부여하였다. 외각의네개의면중두개는유입류로, 나머지두면은유출류로조건을주었다. 자연해류의높이에따른속도분포는알수없으므로 3 m/s, 6 m/s, 9 m/s의유속을조건으로주었고과학기지로부터 350 m 떨어진외각에서유입되는것으로가정하였다. 이는과학기지의부근의높이 40 m의 9배정도의거리이며관내유동가정으로높이에대해균일한유입류가충분히발달되어높이에따라다른속도분포를형성하고경계층을나타내며기지를통과하도록설정해준것이다. 2 차원관내유동의난류에서균일한유동의유입이있을경우관폭의일정배수이상을유동이흘러가게되면경계층이충분히발달한다. 따라서본연구에서도유입조건을균일유동으로조건을주었고유동이기지에미치기전에경계층이완전히발달된것을확인하였다. 해저바닥면은점성벽면조건을주었다. 해수면은 z 방향의속도를 0으로가정한대칭조건으로가정하였다 (Fluent, 1998). 4. 해석격자주위의조건 4.1 해류측정위치및측정방법해류의측정위치는기지최상층의헬기장상판의북서쪽모서리 (Fig. 2, left) 에서수직으로내린해저면이다. 기지의중심에서북쪽으로 21.5 m, 서쪽으로 13 m 떨어진곳 (Fig. 2, right) 이다. 이곳의위치특성상유동이기지를통과않고바로측정되는북쪽계열의유동 (Fig. 2의화살표 ) 은 Fig. 3. Measurement location and category of sea flow direction that are influenced by the structure. 측정에큰영향을미치지않을것으로보이며남쪽계열의유동 (Fig. 3) 에서구조물의영향이크게반영된데이터가측정될것으로예상된다. 이어도해역에서의연직수심별해수유동특성을관측하기위하여 600 khz ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler, RD instrument) 를해저면에설치하고 2005년 7월과 8월사이에약 50일간관측을실시하였다. 설치지점은평균수심이약 42 m로서, 해저면기기설치점으로부터 10분간격으로수심, 수온, 수압및층별 (2 m 간격 ) 유속과유향을관측하고, 1시간간격으로파고자료를관측하여기록하였다. 4.2 유동조건 기지구조물을중심으로 16 방향의유향을설정하였다. 정동쪽을기준으로하여 22.5도씩 360도까지바꾸어가며계산을수행하였다. 유속의경우 3 m/s, 6 m/s, 9 m/s 등세가지다른속도로자유류를설정하였다. 초기유속은수심에관계없이동일한유속으로유입이된다고가정하였다. 이상과같이 48개의경우에대해서기지구조물이있는경우와없는경우를고려하여총 96가지경우에대한계산을수행하였다. 5. 수치해석결과 Fig. 2. Location of the instrument(left: side view, right: upper view). 전술한바와같이구조물이없는경우 ( 이하 Case1) 와구조물이있는경우 ( 이하 Case2) 에대한수치해석결과를비교하여보았다. 부록에첨부한 Table에서보는바와같이남 ~ 동 ( 반시계방향, 정동쪽을기준으로 270도에서 360도까지 ) 해류에대한데이터는구조물의영향을받는것으로알수있다. 따라서앞의결과에서얻어진구조물영향의

수치해석을이용한이어도기지구조물이해수유동에미치는영향분석과해류관측평가및보정방안연구 479 수치적차이를측정된데이터에서제하여주면원래의해류에더가까운데이터를얻을수있을것으로예상된다. 반대로 Fig. 3에서표시하지않은방위인동쪽에서부터남서서방향의해류까지의속도분포는 Case1과 Case2가거의유사한형태를보이므로수치적으로는구조물의영향이거의미치지않는다고볼수있다.

4 수치해석을이용한이어도기지구조물이해수유동에미치는영향분석과해류관측평가및보정방안연구 479 수치적차이를측정된데이터에서제하여주면원래의해류에더가까운데이터를얻을수있을것으로예상된다. 반대로 Fig. 3에서표시하지않은방위인동쪽에서부터남서서방향의해류까지의속도분포는 Case1과 Case2가거의유사한형태를보이므로수치적으로는구조물의영향이거의미치지않는다고볼수있다. 수심 40에서 30 미터내외까지유동경계층이형성되었다. 또구조물이있는경우와없는경우의속도분포를비교해보면거의차이가없다. 유속이 3 m/s인경우와 9 m/s인경우모두 6 m/s인경우와다르지않았고따라서 9m/s 이하의유속에서는수심에따른속도분포가초기유속에대해독립적임을알수있다. 기지구조물이유속에영향을주는경우의속도분포는부록의 Table과같다. 6. 결과토의 6.1 결과분석측정결과의경우날별평균을내어야하나속도분포의경우기후의영향을많이받는것으로나타났다. 따라서해풍의영향이가장적고수심에따른유속의분포에외부적요인의영향이최소인날의측정결과를선택하여비교하였다. 이상의계산결과를측정데이터와비교해보았다. 부록에첨부된 Table의수치적실험결과를수심별로모아구조물이없는경우 (Case1) 와구조물이있는경우 (Case2) 를비교하여 Fig. 4와같이나타내었다. 실제측정결과에대한정확도를보면약 10% 가량 Case2가더높은것을알수있 Fig. 4. Velocity accuracy comparison (by standard as experimental data). Fig. 5. Velocity distribution along the depth.

5 480 홍우람 심재설 민인기 김종암 Fig. 6. Sum of velocity delta value between experimental and computational data. 다. 따라서유속분포는 Case2를기준으로측정결과와비교하도록하겠다. Fig. 5는계산결과인 Case2와측정결과와의비교이다. 모든방위에대해서구조물이있는경우의계산결과와실험결과를깊이에따른속도의정확도를비교해보면수심이얕은수면근처에서의유속예측이가장큰오차를나타냈고수심 18 m 부근의유속도큰오차를보인다. 계산의결과는외부기후와해류등의영향이고려되지않은것이므로비교적균일하고선형적변화를나타내는데반해측정한결과는대기와맞닿아있는수면이바람의영향을받으며수중에서는수심 18 m를기점으로각기다른특성의유동흐름이나타나는것을유속분포를통해확인할수있다. Fig. 6은해류방향에따른측정결과와계산결과의차이에대한누적된값을나타내고있다. 해류의방향예측정 확도를보면앞에서예상한대로남서서 (SWW) 방향에서부터남동동 (SEE) 사이의정확도가떨어지는것을알수있다. 추가적으로동쪽 (E) 과북동동 (NEE) 까지도계산에의한예측결과와측정결과의차이가발생하고있다. 이는구조물을통과해지나가는유동의후류효과가계산결과보다측정결과에서더큰범위에걸쳐영향을주고있다는것을보여준다. Fig. 7는수심별유향의예측결과를나타낸다. 유향의경우모든방향에대해평균하여수심에따른각도를나타낸것이다. 북쪽을기준으로한유향각도는하루를기준으로 0도에서 360도까지변하게되므로평균치는 180도부근이된다. Case1과 Case2의유향예측결과는큰차이가나타나지않는다. 상대적으로수심 15 m까지의계산결과가측정결과와많은차이가발생하며이는기상조건을비롯한밀, 썰물에의한수심변화등의외부조건의영향 Fig. 7. Current direction angle compared Experimental data with Case1, Case2.

수치해석을이용한이어도기지구조물이해수유동에미치는영향분석과해류관측평가및보정방안연구 481 Fig. 8. Averaged angle distribution matched with initial current Direction. 인것으로보인다. Case1과 Case2의차이는부분적으로나타나는데이는순수한구조물의영향인것으로볼수있다. Fig. 8은초기유동의방향을기준으로방위를정하여계산결과의유향각도를대응시킨그래프이다.

6 수치해석을이용한이어도기지구조물이해수유동에미치는영향분석과해류관측평가및보정방안연구 481 Fig. 8. Averaged angle distribution matched with initial current Direction. 인것으로보인다. Case1과 Case2의차이는부분적으로나타나는데이는순수한구조물의영향인것으로볼수있다. Fig. 8은초기유동의방향을기준으로방위를정하여계산결과의유향각도를대응시킨그래프이다. 그결과방위별유향각도예측의정확도를보면남서서 (SWW) 방향과남 (S) 방향의해류를제외하고유사한경향을보인다. 따라서유향의경우계산결과와측정결과의차이가크지않음을알수있으며유속의오차또한일정한차이를나타내므로 Case1과 Case2를통해얻은구조물의영향에의한속도차를구할수있다. 이를측정결과에적용하여측정결과에반영된구조물의영향에의한오차를필터링할수있을것으로보인다. 6.2 보정방안각방향에따른해수유동의수치해석자료를토대로해저지형위에구조물이있을때와없을때의속도차이를수치화하였다. 원시해류의유속을예측하기위해다음과같은순서로보정한다. Fig. 9. Backwash stream line (Y-dir: North, X-dir: East, Bright star: calibration point, dark star: required extra calibration point) 이차이만큼을관측데이터에서빼주면원시해류의속도분포를보정하여구할수있다 관측데이터를 x와 y방향성분으로분해한다. 해류계산결과를보면 z방향의유동은전체유동의 10% 미만이었고수온을비롯한해류의수직방향변동요인은고려하지않았으므로 x,y성분만을생각하기로한다 각속도에대한데이터중에서지형만고려된데이터와구조물까지고려된데이터의 x, y 속도차를각각구한다. 6.3 해류정보측정위치선정기지주변의 100 m 지름의영역의유동을가시화하였다. Fig. 9에서나타나듯이흰색별로표시된측정위치가해류가구조물에부딪쳐발생하는후류영역에포함되는경우와그렇지않은경우가극명히대조된다. 동쪽해류로부터시작해서시계방향으로남동해류, 남해류, 남남서해류까지가구조물이측정위치를지나는해류에많은영향

7 482 홍우람 심재설 민인기 김종암 을주는영역임을알수있다. 따라서측정위치를최소두군데이상으로설정하고그중에서도 Fig. 9에표시된파란표시의위치부근, 기지의남동쪽방향으로측정위치를하나더설정할필요가있다. 7. 결론본연구의목표는이어도기지구조물로인한해수유동의변화를예측하여이로인해관측결과에미치는영향을보정하고보다정확한관측에필요한추가적인측정위치를설정하는것이다. Fig. 4에서보여주듯이전산유체역학을적용한수치해석결과를통해구조물은수심에따른유속분포에대해 10% 정도의차이를발생시킨다. Fig. 5 에서유속분포예측에오차가가장많은부분은수심 2m 부근과수심 18 m 부근이다. 2 m 부근의해수는바람의영향을받는것이오차의원인으로보이며 18 m 부근은밀, 썰물의변화에따라상부의유동과하부의유동이구분되는특성을나타내기때문으로보인다. Fig. 6에서는방위별유속분포를비교한것이고남남서방향으로부터반시계방향으로동쪽까지의유속에많은오차가있음을알수있다. 그이유는북서쪽에설치된관측기기가이방향으로부터오는유동의유속을측정할때구조물을통과해온유동을측정하게되기때문이다. 따라서관측기기가받는구조물의영향을최소화시키기위해서는 2곳에관측기기를운용해야하며새로운측정위치는전술한바와같이구조물의남동쪽이적당하다. 또한구조물이측정기에미치는영향은유속부분에서 10% 가량의차이를발생시키므로이를반영하여원시해류에대한예측정확도를높일수있다. 측정된결과와수치해석결과를비교하면서밀물과썰물에의한방향과바람의방향이혹은기상의상태가상호영향을주고받으며측정된날마다국소적으로상이한측정결과를보임을알수있었다. 따라서외부요인이보다적은상태에서측정된데이터를골라비교하였고계산결과의타당성을확보하고보완할방향을결정할수있다. 유속과유향에영향을주는좀더많은요소들을고려하고해류의특성들을모델화하여유입류의초기조건을보완한다면좀더향상된결과를도출할수있을것으로보인다. 감사의글본연구는한국해양연구원의이어도종합해양과학기지구축및활용연구 (KORDI PM43000) 사업의지원으로수 행되었습니다. 연구지원에감사드립니다. 참고문헌 Bing-Horng Liou (1998). Calculation of nonlinear free surface waves with a fully - Implicit adaptive-grid Method. Princeton Univ. Yign Noh and Hong Sik Min. (2003). Large Eddy Simulation of the Ocean Mixed Layer: The Effects of Wave Breaking and Langmuir Circulation. Institute of Meteorology and Climatology, University of Hannover, Hanover, (Germany). Andrew, B.G. Bush. (1997). Numerical Simulation of the Cretaceous Tethys Circumglobal Current. Science vol.275. Yukio Masumoto, Hideharu Sasaki. (2004). A Fifty-Year Eddy- Resolving Simulation of the World Ocean-Preliminary Outcomes of OFES (OGCM for the Earth Simulator). Tatuya Sato. (2002). The Earth Simulator and Simulation Science. The Earth simulator center, japan Marine Science and Technology center. 서울대학교공학연구소 (1991). 나산보라매타운풍동실험연구. 서울대학교공학연구소 (1992). 부산롯데월드풍동실험연구. 심재설, 오병철, 전인식, 황종국 (2002). 해양구조물이주변바람장에미치는영향에대한연구. 한국해안해양공학회지, 13(2), 156. 심재설, 전인식, 황종국, 오병철 (2002). 풍동실험에의한이어도해양과학기지의풍력산정. 한국해안해양공학회지, 14(2), 심재설, 오병철, 전인식 (2003). 이어도해양과학기지가주변바람장에미치는영향. 한국해안해양공학회지, 15(2), 138. 한국해양연구원, 현대중공업. (2003). 이어도종합해양과학기지제작, 설치공사상세설계도. 해양수산부 (2002). 이어도종합해양과학기지구축사업보고서. 9(4) 황종국, 김종암, 김윤석, 심재설 (2002). 이어도종합해양과학기지풍동실험및 3차원수치해석에관한연구. 한국풍공학회발표논문집. 5, David C. Wilcox (1996). Turbulence Modeling for CFD. DCW industries USA. Stephen, B. Pope (2003). Turbulence Flows. CAMBRIDGE. USA. Fluent Inc. (1998). FLUENT 5 User s Guide. USA. John, D. Anderson, Jr. (1991). Fundamentals of Aerodynamics. Mc Graw Hill. USA. Received January 11, 2007 Accepted September 28, 2007

8 수치해석을이용한이어도기지구조물이해수유동에미치는영향분석과해류관측평가및보정방안연구 483 부 록 Table 1. Computational velocity profile data (dot: seabed geometry assumed, line-dot: structure and seabed geometry assumed)

2. 수치시뮤레이션 2.1 기본방정식과수치조건 기본방정식은 Navier-Stokes 방정식이며 FEM 수치기법으로이산화하여구조격자를만들어계산을수행하였다. k- 을사용한수송방정식은 t (ρε)+ (ρεu x i )= i x j [( μ+ μ t σ ε ) ε + C 1ε

2. 수치시뮤레이션 2.1 기본방정식과수치조건 기본방정식은 Navier-Stokes 방정식이며 FEM 수치기법으로이산화하여구조격자를만들어계산을수행하였다. k- 을사용한수송방정식은 t (ρε)+ (ρεu x i )= i x j [( μ+ μ t σ ε ) ε + C 1ε 2005 년도한국해양과학기술협의회공동학술대회 장애물이있는관유동의수치모사와난류모형적용 Numerical Simulation of Pipe Flow with an Obstacle and the Application of Turbulent Models 곽승현한라대학교컴퓨터응용설계학과 SEUNG-HYUN KWAG Department of Computer Aided