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J. Ocean Eng. Technol. > Volume 28(1); 2014 > Article
지진해일 중 해안안벽 주변의 부유체 거동에 관한 2차원 입자법 시뮬레이션

Abstract

Tsunamis are ocean waves generated by movements of the Earth’s crust. Several geophysical events can lead to this kind of catastrophe: earthquakes, landslides, volcanic eruptions, and other mechanisms such as underwater explosions. Most of the damage associated with tsunamis are related to their run-up onto the shoreline. Therefore, effectively predicting the run-up process is an important aspect of any seismic sea wave mitigation effort. In this paper, a numerical simulation of the behaviors of a floating body near a quaywall during a tsunami is conducted by using a particle method. First, a solitary wave traveling over shallow water with a slope is numerically simulated, and the results are compared with experiments and other numerical results. Then, the behaviors of floating bodies with different drafts are investigated numerically.

1. 서 론

미국지질조사국(United State Geological Survey (USGS), 2013)에서 조사한 결과에 따르면 Fig. 1에서 볼 수 있듯이 연간 지진횟수가 점점 많아지는 추세를 보인다. 최근 2~3년간에 걸쳐 지진의 발생빈도가 약간 줄어든 것으로 보이나 Fig. 2에서 보이는 지진의 강도는 큰 폭으로 커지는 것을 확인할 수 있다. 이렇듯 지진의 발생 분포는 Fig. 3에서와 같이 해안가 근처에서 높게 나타나고 있다(Korea Meteorological Administration(KMA), 2013). 이렇게 지진의 강도가 커지면서 해안근처에서의 지진해일에 의한 피해 또한 증가하므로 그에 따른 대책의 필요성이 높아졌다. 특히, 2011년 3월 일본 대지진과 지진해일(Tsunami)로 인해 약 2만 명 이상의 사망자와 약 230조원 이상의 막대한 피해가 보고되었다(Lee, 2011). 또한, 우리나라에서도 Fig. 4에 나타난 바와 같이 최근 들어 지진의 발생빈도가 증가하고 있으며, 이에 해안근처에서의 지진해일에 대한 방재 대책의 필요성이 높아졌다. 특히, 최근에는 동해에 위치한 울진, 월성, 고리 원자력발전소에 10미터 높이의 지진해일에도 버틸 수 있는 방호벽을 계획 중에 있다(KINS, 2011).
Fig. 1

Yearly number of earthquakes in the world (Source: USGS, 2013)

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Fig. 2

Yearly earthquake strength in the world (Source: USGS, 2013)

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Fig. 3

Geographical distribution of earthquakes (Source: USGS, 2013)

HOGHC7_2014_v28n1_12_f003.jpg
Fig. 4

Yearly number of earthquakes in Korea (Source: KMA, 2013)

HOGHC7_2014_v28n1_12_f004.jpg
일반적으로, 지진해일을 연구하기 위해서는 천수영역에서 고립파(Solitary wave)를 이용한다(Camfield and Street, 1969; Li and Raichlen, 2001). 고립파에 의한 해안 침수 지역 예측과 관련된 연구는 주로 실험에 의존하게 된다. 하지만, 실험의 경우 척도영향(Scale effect) 및 쇄파(Wave breaking)에 의해 발생된 공기방울(Air bubbles) 등으로 인해 계측이 쉽지 않고 많은 비용을 필요하게 된다. 이에 컴퓨터의 발달과 함께 수치 시뮬레이션에 대한 관심이 급속도로 많아졌으며 이와 관련된 연구 또한 다양한 분야에서 수행되고 있다. 종래의 격자기반의 수치기법인 VOF(Volume-of-fluid)법 (Hirt and Nochols, 1981)이나 Level-set법 (Sussman et al., 1994) 등을 이용하여 쇄파에 관한 연구가 수행되어 왔다(van der Meer et al.,1992, Lin and Liu., 1998, Kawasaki, 1999). 하지만, VOF나 Level-set 법은 격자를 이용한 기존의 많은 연구들의 경우 쇄파와 같은 강한 비선형성을 갖는 자유표면 유동 해석에 있어 자유표면의 추적과 물리량의 보존성 등의 문제점을 내포하고 있다. 이에 대해, 최근 라그란지 관점의 입자법인 SPH(Smooth particle hydro-dynamics)법 (Monaghan, 1988; Monaghan and Kos, 1999; Nam and Ko, 2008)이나 MPS(Moving particle simulation)법 (Koshizuka and Oka, 1996; Gotoh et al., 2005) 등이 제안되고 있다.
지진해일에 의한 피해는 육지로 범람하여 홍수피해를 입히는 파처오름(Wave run-up)과 직접적으로 구조물에 충격을 가하는 사류(Super critical flow)로 대별을 할 수 있다. 지진해일이 항만 내에 유입될 경우 부두 근처에 정박되어 있는 부유식 구조물이나 선박 등은 파도를 타고 안벽을 넘어가 육상의 다른 건축물에 피해를 주거나 인명피해를 발생시키는 등 2차적인 피해를 유발하기도 한다. 따라서 이와 같은 부가적인 상황에 대해 사전에 정확한 예측을 하고 방재를 해야 할 필요성이 있지만, 이런 현상들은 비선형성이 강하기 때문에 기존의 격자 기반의 방법을 이용한 수치 계산법으로는 복잡한 알고리즘이나 프로그램 기법이 도입되어야 하는 등 당면한 문제점을 적잖게 안고 있다.
본 논문에서는 입자법인 MPS법을 개량한 PNU-MPS법(Lee et al., 2011)을 이용하여 2차원 수치파랑수조(Numerical wave tank) 내의 피스톤 형의 조파기로부터 지진해일에 상응하는 고립파를 수치적으로 재현하고 조파기의 반대편 경사면 상에서 파처오름을 계측하여 실험 및 이론 결과와 비교하였다. 또한 지진해일 중 해안안벽 근처에 놓인 부유체의 거동을 수치 시뮬레이션 하여 Masuda et al.(2009)의 실험결과와 비교하였다.

2. 수치 시뮬레이션 기술

2.1 지배 방정식 및 입자상호작용 모델

비압축성 유체의 지배 방정식으로는 다음과 같은 연속방정식과 Navier-Stokes 방정식을 사용하였다.
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HOGHC7_2014_v28n1_12_e902.jpg
여기서 ρ는 밀도, t는 시간, HOGHC7_2014_v28n1_12_e001.jpg는 속도벡터, ∇는 구배 연산자, P는 압력, v는 동점성계수, HOGHC7_2014_v28n1_12_e002.jpg는 외력을 각각 나타낸다.
연속방정식 (1)은 격자법에서는 통상적으로 속도의 발산(Divergence)으로 표현되는 반면, 입자법에서는 밀도에 관한 식으로 표현된다. Navier-Stokes 방정식 (2)의 좌변은 이류항을 포함한 라그란지의 전미분(Total derivative) 형태이고, 이는 입자의 직접적인 이동에 의해 계산된다. 한편, 우변은 압력 구배항, 점성항 그리고 외력항으로 구성되어 있다.
비압축성 점성 유동을 시뮬레이션하기 위해서 지배방정식의 편미분 연산자를 포함하는 모든 항은 MPS법(Koshizuka and Oka, 1996)의 상호작용 모델에 의해 치환되어야 한다. 본 연구에서는 원래의 MPS법(Koshizuka and Oka, 1996)을 개량하여 정확도와 안정성을 향상시킨 PNU-MPS법(Lee et al., 2011)의 입자간 상호작용 모델로 치환하기로 한다. 구배 모델은 Khayyer and Gotoh(2011)가 제안한 방법을 적용하였으며, PNU-MPS법에의 도입은 Jeong et al.(2013)에 상세히 서술되어 있다. 강체 운동 모델은 Koshizuka and Oka(1996)가 제안한 수동적 이동고체 모델(Passively moving-solid model)을 사용하였으며 모델의 타당성 검토는 Lee et al.(2013)에서 수행된 바 있다. 본 논문에서는 각각의 모델에 관한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 단, 자유표면의 탐색 조건은 다음 절에 서술하는 “Arc법”을 도입하여 PNU-MPS법에 새롭게 적용하였다.

2.2 자유표면 탐색

자유표면 경계조건으로 운동학적 경계조건과 동역학적 경계조건이 있다. 본 연구에서 운동학적 경계조건은 자유표면 입자를 직접 이동하여 만족시키고, 동역학적 경계조건은 자유표면 입자의 압력을 대기압과 동일한 0의 값으로 고정함으로써 만족시킨다.
두 가지 경계조건을 만족시키기 위해서는 자유표면 입자의 탐색이 선행되어야 한다. PNU-MPS법(Lee et al., 2011)의 자유표면 입자의 탐색 기법은 격심한 자유표면 운동 시 자유표면 근처에서 다중으로 자유표면 입자가 탐색되어 부정확한 경계조건이 부여되기도 한다. 이에 본 연구에서는 원의 기학학적인 특징을 이용하여 Dilts(2000)가 제안한 “Arc”의 원리를 이용하여 자유표면 입자탐색에 적용하였다. 우선, Fig. 5와 같이 초기 입자간 거리 보다 큰 직경 R을 각 입자마다 설정한다. 이 때 입자 A의 경우 주변 입자들에 의해 원의 모든 호가 닫히게 되어 유체 내부 입자로 판단되는 반면, 입자 B의 경우 원호의 일부가 닫히지 않아 자유표면 입자로 판단된다. 본 논문에서 직경 R은 2.1l0를 사용하였다.
Fig. 5

Schematic view for description of “Arc method”

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Fig. 6은 0.4m×0.4m의 물덩어리(Water mass)가 0.3m 높이에서 자유낙하하는 과정을 시뮬레이션하기 위한 초기설정을 나타낸다. Fig. 7에서 볼 수 있듯이, t=0.28s에 물덩어리가 바닥면과 충돌하면서 PNU-MPS법의 경우 하부 양 끝단에서 자유표면 입자들이 겹쳐져 탐색되며, t=0.30s에서는 하부 양 끝단 뿐만이 아니라 상단 모서리 부근에서도 부정확하게 탐색이 되어 있다. 이에 반해 본 연구에서 새롭게 도입된 “Arc법”에 의해서는 전반적으로 자유표면 탐색에 있어 개선된 모습을 알 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 PNU-MPS법에 새로운 자유표면 탐색기법인 “Arc법”을 적용하기로 한다.
Fig. 6

Initial set-up for water drop test

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Fig. 7

Comparison of particle distribution for water drop test

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3. 수치 시뮬레이션

3.1 경사면에서 지진해일의 파처오름 시뮬레이션

Fig. 8에 나타낸 바와 같이, 수심 h를 갖는 2차원 수치파랑수조 (Numerical wave tank)에서 수치조파기에 의해 지진해일에 상응하는 고립파(Solitary wave)를 재현하고 조파기로부터 L만큼 떨어진 그 반대편에 θ의 경사를 갖는 경사면에서의 최대 파처오름 (Maximum wave run-up)인 R를 계측하여 Synolakis (1987)의 이론값 및 Hall and Watts(1953)의 실험결과와 비교하였다.
Fig. 8

Initial setup for simulation

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고립파는 수조의 오른쪽 벽면에 설치된 피스톤(Piston) 형의 조파기로부터 생성되며, H는 고립파의 최대 진폭, 그리고 S는 조파기의 수평방향 이동변위(Stroke)를 각각 나타낸다. 이때, 고립파 생성을 위한 수치 조파기의 시간 궤적은 다음과 같다.
HOGHC7_2014_v28n1_12_e903.jpg
여기서 X0는 조파기의 수평 변위, HOGHC7_2014_v28n1_12_e003.jpg, HOGHC7_2014_v28n1_12_e004.jpg, 그리고 g는 중력 가속도 이다.
위의 식 (15)에 Newton’s Rule(Hughes, 1993)을 적용하면 식 (16)으로 표현되며,
HOGHC7_2014_v28n1_12_e904.jpg
위 식을 시간에 대한 이산화를 적용하면 아래의 식과 같이 나타낼 수 있다.
HOGHC7_2014_v28n1_12_e905.jpg
여기서 조파기의 수평방향 이동변위는 다음과 같이 주어진다.
HOGHC7_2014_v28n1_12_e906.jpg
먼저, 입자 크기에 대한 수렴성을 살펴보기 위해 Table 1과 같이 길이(L)은 1.5m, 수심(h)는 0.1m, 높이(Z)는 0.3m, 우측 경사면의 기울기(θ)가 90°일 때, 입사파의 수심에 대한 파고비(H/h)를 0.6까지 0.1 간격으로 시뮬레이션을 수행하고 이 때 계산된 파처오름의 최대높이를 Hall and Watts(1953)의 실험값과 비교하였다. 이 때 초기 입자간 간격 l0은 0.01m, 0.005m, 0.0025m, 0.00125m의 4가지 경우에 대하여 입자수 1,500, 6,000, 24,000, 96,000개씩을 각각 사용하였다. 한편, 수치조파기 및 경사면을 포함한 바닥면은 점착조건(No-slip 조건)을 적용하였다.
Table 1

Condition of simulation for convergence tests

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Fig. 9는 우측 경사면에서 입사파에 의해 발생한 파처오름의 최대 높이를 수심으로 무차원화 하여 나타낸 수렴도 검사 결과를 나타낸다. 파고비가 아주 작은 경우에는 입자간 간격에 크게 영향을 받지 않아 보이지만 파고비가 커지면 입자간 간격이 작아질수록 수렴하는 모습을 보인다. 이때 대부분의 경우 초기 입자간격이 l0=0.0025m일 때 수렴하는 것을 알 수 있다. Fig. 10은 수렴한 최적의 입자간 간격을 이용한 결과를 실험과 비교하여 나타내었다. 전체적으로 실험결과와 경향과 크기가 잘 일치하는 것을 확인 할 수 있다.
Fig. 9

Convergence tests for maximum run-up of solitary wave in case of θ=90°

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Fig. 10

Comparison of maximum run-up of solitary wave with different amplitudes for θ=90°

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다음으로, 수렴한 입자간격인 0.0025m를 사용하여 우측 경사면의 기울기 θ가 45°일 때 다양한 입사파의 파고비(H/h)에 대한 시뮬레이션을 수행하였다. Fig. 11은 본 연구의 시뮬레이션의 결과를 Hall and Watts(1953)의 실험, Kim et al.(1983)의 BIEM(Boundary integral equation method) 계산, 그리고 Synolakis(1987)의 Run-up law의 이론 결과들과 비교하여 나타낸다. 단, Run-up law는 다음 식으로 표현된다.
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Fig. 11

Comparison of maximum run-up of solitary wave with different amplitudes for θ=45°

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BIEM의 경우 파고비가 높아지면서 실험에 비해 과도한 예측을 하는 경향이 있고, 단순한 이론식인 Run-up law의 경우 실험과 다소 차이는 보이지만 실험과 경향이 비교적 일치하는 것을 알 수 있다. 반면, 본 시뮬레이션 결과는 실험과 정량적으로 잘 일치하고 있다.

3.2 지진해일 중 해안안벽 주변 부유체 거동에 관한 시뮬레이션

전 절에서는 2차원 수치파랑 수조에서의 지진해일의 생성 기술에 관하여 실험, 이론식, 타 수치계산 결과와의 비교를 통해 그 타당성을 검증하였다. 본 절에서는 지진해일의 전파에 따라 안벽 주변에 위치하는 부유체의 거동에 관한 시뮬레이션을 수행하였다.
Fig. 12는 해안안벽 주변에 부유체를 포함하는 수치파랑수조의 초기 설정을 나타낸다. 지진해일에 상응하는 고립파는 전 절에서 사용한 조파식을 사용하여 생성하였다. 수조의 수심(h)은 0.67m이고 조파기로부터 길이(L) 10m만큼 떨어진 연안역에는 1:3의 경사를 갖는 해안안벽이 설치되어 있다. 한편, 부유체는 Table 2와 같이 폭(B) 0.23m, 깊이(D) 0.1m의 직사각형이며, 부유체의 중량에 의한 차이를 살펴보기 위하여 흘수(d)는 0.02~0.05m의 4가지 경우에 대하여 시뮬레이션을 수행하였다. 이 때, 물체표면에는 점착조건(No-slip 조건)을 적용하였다. 사용한 초기 입자간 간격(l0)은 0.01m, 0.005m, 0.0025m의 세 종류에 관한 수렴도 테스트를 통해 최종적으로 선정하였다. 또한, 고립파의 목적 파고 (H)는 0.065m로 가정하였다. Table 2에는 본 시뮬레이션에 사용된 각 파라미터의 상세한 수치가 주어져 있다.
Fig. 12

Initial setup including floating structure near quaywall

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Table 2

Dimension of parameters for simulation

HOGHC7_2014_v28n1_12_t002.jpg
먼저, 고립파로 인해 안벽을 타고 올라간 최대 파고를 계측하기 위해 부유체가 없는 상태로 Fig. 12에 나타낸 바와 같이 안벽이 시작되는 지점(x = 0.0)으로부터 0.05m간격으로 4개의 파고계(H1~H4)를 설치하였다. Fig. 13에는 각 계측지점에서 안벽의 높이로부터 처오른 최대 파고를 나타낸다. 전체적으로 안벽위로 처오른 파고는 왼쪽으로 전파되면서 파고가 급격히 줄어 드는 것을 알 수 있다. 한편, 입자간 간격에 따른 수렴성 결과 H1과 H2 지점에서는 큰 차이를 보이지 않지만, H3 이후부터는 입자간 간격에 따라 수렴하는 양상을 보인다. 따라서 이후의 시뮬레이션에서는 계산의 부하를 고려하여 l0 =0.005m를 이용하여 시뮬레이션 하였다.
Fig. 13

Maximum wave elevation measured from H1 to H4

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다음으로 서로 다른 중량을 갖는 부유체의 거동에 관한 시뮬레이션을 수행하였다. Figs. 14~16는 부유체의 무게중심(Center of gravity)이 수평방향과 연직방향으로 각각 움직인 거리의 시간 변화를 나타낸다. 동일한 시각에 가벼운(흘수가 작은) 물체일수록 연직방향으로의 이동이 적고 수평방향으로의 이동이 많아지는 것을 알 수 있다. 이는 부유체가 고립파에 실려 안벽 위로 넘어 갈 때 중량이 가벼운 경우 상대적으로 연직방향으로 이동하기 전에 수평방향으로 먼저 밀려 이동을 하지만, 무거운 경우 상대적으로 수평방향으로 덜 밀리며 연직방향으로 상승하는 거리가 커지기 때문으로 판단된다. Fig. 17는 흘수가 0.025m일때 지진해일 중 해안안벽 주변 부유체의 시간에 따른 거동을 Masuda et al.(2009)의 실험결과와 비교하여 나타낸다. 본 시뮬레이션에서 얻어진 부유체의 거동 및 파형상은 실험과 비교하여 경향이 매우 유사한 것을 알 수 있다. 단, 실험에서는 고립파 생성에 관한 조파 조건이 명확히 주어지지 않아 정확한 비교는 어려운 실정이며, 추후 동일한 조건에서의 비교가 필요할 것으로 보인다.
Fig. 14

Horizontal displacements of floating body

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Fig. 15

Vertical displacements of floating body

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Fig. 16

Vertical & Horizontal displacements of floating body

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Fig. 17

Time-sequential behaviors of floating body (left: present, right: experiment (Masuda et al., 2009)

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4. 결 론

본 연구에서는 입자법인 PNU-MPS법(Lee et al., 2011)을 이용하여 지진해일과 유사한 형태인 고립파에 의해 해안안벽 주변에 놓인 부유체의 2차원 거동을 시뮬레이션 하였다. 먼저, 입사파의 파고비에 따라 경사진 벽면에서 파처오름의 높이를 실험, 이론치, 그리고 타 시뮬레이션 결과와 비교하였으며, 정성적·정량적으로 잘 일치함을 확인하였다. 이후 지진해일에 의해 안벽 주변에 있는 부유체의 흘수 변화에 따른 동적 거동을 시뮬레이션 하여 부유체의 흘수 변화가 이동경로에 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 향후 보다 정확한 실험과의 비교를 포함하여 연안역 부근의 지진해일에 의한 침수피해 연구 등 다양한 공학적 응용이 가능할 것으로 판단된다.

NOTES

It is noted that this paper is revised edition based on proceedings of KSOE 2012 in Daejeon.

감사의 글

본 논문은 2011년도 정부(교육과학기술부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업(2011-0011220)의 지원을 받아 수행된 연구결과임을 밝히며 연구비 지원에 감사드립니다.

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