Corresponding author: Deokhee Won, 1. 서 론
원통형 파일 주위에 발생하는 세굴 현상을 3차원적으로 수치 모의하거나 식생으로 인한 세굴 저감을 표현하기 위한 다양한 시도들이 과거 연구들에서 수행되었다(Roulund et al., 2005; Li and Zhang, 2010; Khosronejad et al., 2012; Zhao et al., 2023). 기존 연구에 따르면, 파랑이나 유속에 의해 발생하는 세굴 메커니즘은 다음과 같이 정리된다. 실린더가 파랑에 노출되면 스트리밍 효과(Streaming effect)가 실린더 구조물 주위에 형성된다(Sumer and Fredsøe, 1997). 스트리밍 효과는 파일 주위 물 입자의 무작위성과 변동 확대를 만들어 낸다. 이러한 효과로 발생한 유속은 파일 주위 바닥 면에 높은 저면 응력(bed stress)을 발생시키고, 바닥을 휘저어 침전물을 현탁액으로 만든다. 기존 연구 결과에 따르면 지속적인 스트리밍 효과 발생은 교란되지 않은 조건 대비 저면 응력이 7~11배 확대되는 것으로 나타났다(Sumer and Fredsøe, 1991).
세굴 저감 대책안 중 인공 해조 매트 공법은 상기한 파일 구조물 주위의 유속 및 저면 응력 증가를 저감 시키기 위한 합리적 해결책이 될 수 있다. 인공 해조는 파일 주위에 발생하는 스트리밍 효과를 저감 시켜 초기 저면 응력 증가를 완화 시킬 수 있다. 다만, Petersen et al.(2014)이 제시한 바와 같이 세굴 방지공의 끝단에서 불연속적인 단면에 의한 와동 발생은 이차적 세굴을 발생시킨다. 파일 구조물의 지반 지지력이 위협되지 않는 범위로 방지공 단면을 구성하기 위해 세굴 방지공의 높이, 밀도, 공극률 등의 설계 인자를 변형시키는 검토 작업이 수반되어야 한다.
본 연구에서는 모노 파일 주위 설치되는 인공매트로 인한 유속 저감을 수치적으로 재현하기 위해 문헌조사를 통해 다공성 매체를 활용한 인공 식생의 유속 저감 방식에 대해 검토하였고, 그 결과를 전산유체역학 모델(Fluent)에 적용하여 다공체(인공 해조 매트) 구성에 따른 모노 파일 주위에서 유속 저감 성능에 대해 검토하였다. 이러한 수치모델링 방법 및 결과는 향후 국내 모노 파일 또는 석션 파일 기초 주위의 세굴 방지를 위한 인공 해조 매트 설계 활용하기 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
2. 연구 방법
2.1 전산유체역학 모델
본 연구에서 활용한 모델은 Ansys사의 Fluent 모델로 비압축성 유체에 대한 연속방정식과 나비에-스톡스 방정식을 활용하고, 해당 지배방정식은 다음과 같이 기술된다.
여기서, 수식은 아인슈타인 표기법을 활용하였으며, u는 유속을, p는 압력을, ρ는 유체 밀도(=998.2 kg/m3)를, g는 중력 가속도를, τ와τt는 각각 점성과 난류에 의한 전단응력을, Fi는 외력 성분(external force)으로 본 연구에서는 다공성 매체로 인한 소산 항(sink term)으로 활용된다.
유속 및 압력은 상기한 Eqs. (1) 및 (2)를 유한 체적법으로 차분하는 것으로 추산된다. 물과 공기를 함께 표현하기 위해 다상(multi-phase) 흐름을 고려하였고, 상간의 계면 산정을 위해 volume of fluid(VOF)법을 활용하였다. 두 개 상의 혼합 밀도(Eq. (3))와 유수면의 추적을 위해 사용된 부피 분율(volume fraction)의 이송방정식(Eq. (4))은 아래와 같다.
여기서, α는 부피 분율로 격자가 물로 가득 찬 경우는 1의 값을, 공기로 가득 찬 경우 0의 값을 갖는다.
난류 모형은 벽 근처의 역 압력 구배와 벽에서 먼 위치의 난류 흐름을 함께 고려할 수 있는 SST k-omega 모형을 활용하였다. Fluent 모델은 상용 모델로 이론 설명서(Ansys, 2025)에서 다상 흐름에 대한 지배방정식에 관해 자세히 다루고 있기에 본 논문에서 부가적인 상세 설명은 생략하였다.
모델 구성 과정에서 활용한 이산화 스킴 정보는 다음과 같다. 압력-유속 커플링은 coupled 방법 적용하였다. 공간 이산화 중 경사는 최소 제곱 셀 기반 방법을, 압력은 PRESTO를, 모멘텀은 2차 풍산 차분을, 부피 분율은 Compressive를, 난류 운동 에너지는 2차 풍산 차분을, 특정 소산 속도는 2차 풍산 차분을 적용하였다. 시간 변동은 2차 음해법을, 체적력은 음해법을 활용하였고, 부피분율은 음해법으로 10-6을 최소 한계로 적용하였다. 지배방정식의 이산화와 관련된 자세한 설명은 Ansys(2025)에 제시되어 있다.
2.2 계산 영역
인공 해조 배치에 따른 유속 변화를 수치적으로 모의하기 위해 이상화된 모델 영역(idealized domain)을 Fig. 1과 같이 구성하여 제시하였다. 계산 영역을 최소화하기 위해 해상풍력 파일은 모노 파일로 구성하였고 파일의 직경(Dp)은 3 m이다. 파일 중심점으로부터 상류측 경계면까지의 거리는 25 m이고, 하류측 경계는 경계면의 영향을 최소화하기 위해 파일 중심에서 45 m 이격시켰다. 수면상의 대기를 고려하지 않는 경우, 계산량을 극적으로 감소시킬 수 있으나 파일 구조물로 인한 수면 변동 및 그에 따른 압력 및 유속 변화가 발생할 수 있으므로 공기와 물을 함께 고려한 다상 모델을 구성하였다. 수심은 10 m이고, 대기 높이는 5 m이다.
Fig. 1
Schematic diagram of modeling domain (left: Overall domain; right: Cylindrical monopile and porous layer configuration)
인조 해조를 공극 층(porous layer)으로 표현하였으며, 파일 직경(Dp= 3 m)을 제외한 환형 원통(annular cylinder) 형상을 갖는다. 공극 층의 최외측 직경은 2.0~4.0Dp(=6~12 m)로 3 m 간격으로, 공극 층의 높이도 1~3 m로 1 m 간격으로 영역 설정이 가능하도록 구성하였다.
2.3 격자 구성
해당 모델 영역은 삼각형으로 구성된 사면체(tetrahedral) 요소로 격자를 구성하였고, 사용된 격자(요소)수는 총 1,629,752개이다. 본 연구에서 생성한 격자를 Fig. 2에 도시하였다. 다만, 바닥 경계면과 파일 구조물 주위에서 접합하는 유속 및 전단응력의 정도를 높일 수 있는 격자 구성 및 검토가 선행되어야 한다. 계산 영역의 바닥 면과 파일 구조물의 벽 경계(wall boundary)에서 초기 격자의 높이(벽 경계에서 수직 방향)가 2.0 mm 크기로 육면체(hexahedral) 격자가 1개 격자당 1.2배 크기로 20개 층까지 점증하도록 inflation 격자를 추가 구성하였다.
벽 경계면의 유속 및 전단력을 산정하기 위한 생성된 격자의 적정성 검토는 Y+ value를 활용하였다. Y+ value는 무차원 거리로 특정 흐름 패턴에 대한 메시의 거칠기를 설명하는데 활용된다. 본 연구에 활용된 난류 모델은 SST k-omega이며 해당 난류 모델과 결합하여 벽 함수를 활용하면, 낮은 레이놀즈 수와 함께 완전 난류 부분 또는 로그 법칙 영역에 대해서는 Y+를 30~300 범위로 권장한다. 상기 내용은 벽 경계에서의 물리적 유속 분포를 정확히 재현하기 위한 필수사항이 아니며, 이는 주어진 전산유체역학 모델의 구성을 활용하여 근사화된 유속 분포를 계산하기 위한 권장 사항이다. 본 연구에서는 흐름과 격자에 의한 Y+가 50 내외로 산정되도록 격자를 구성하였다(Fig. 3).
2.4 모델 구성
수면 변동을 포함하여 모델을 계산하기 위해 Multiphase model의 2상 흐름을 고려하였다. 상(phase) 간의 계면을 VOF (Volume of Fluid) 방법을 활용하여 추적하였다. 두 개의 상은 공기와 물의 물성치를 적용하였고, 이를 Table 1에 제시하였다. 상류 경계에서 유체 층 경계는 함수 조건(Fig. 4 참조)으로 수심이 유지되며 경계면에 수직 방향으로 유속이 유입되도록 설정하였다. 하류측 경계는 유체 층의 경우 open channel condition을 가정하여 수위(h= 10 m)를 유지한 상태의 outlet 경계조건으로 설정하였다. 흐름 수직 방향의 양 측면 경계는 모두 symmetry로, 파일 벽면 및 바닥은 wall 경계조건으로 설정하였다.
Table 1
Physical properties of fluids in different phase (20℃)
| Phase | Properties | ||
|---|---|---|---|
| Density (kg/m3) | Viscoity (kg/m/s) | Surface tension | |
| air | 1.225 | 1.72✕10-5 | 0.072 |
| water | 998.2 | 1.003✕10-3 | |
파일(pile) 구조물을 통과하는 흐름은 하강하는 강한 유속을 만들고 파일 주위(상류측 2, 3 사분면 저면)에서 Horseshoe Vortex로 인한 강한 유속이 발생하고, 파일의 하류측에서는 Lee-wake vortex로 인한 강한 흐름이 교차하며 나타난다(Zhang, 2022). 이러한 현상의 재현을 위해 수치모델은 시간 변동을 고려하였고, 초기 시간에서 내 유속 및 압력 초기값은 0으로 입력하여 cold start 상태에서 계산을 시작하였다. 계산에 따른 시간 간격은 Global Courant Num.(= 1.2)에 따라 능동적으로 변동되도록 하고 초기 시간 스탭의 크기는 0.01 s로 설정하였다. 시간 변동에 따른 모델의 수치적 안정도를 높이기 위해 시간 변동의 크기는 스탭 당 ±20%로 제한하였고, 최대 iteration 회수를 20으로 설정하였다. 모멘텀과 압력의 explicit relaxation factor는 0.75로 설정하고 Volume Fraction과 난류 관련(turbulent kinetic energy, specific dissipation rate, turbulent viscosity) relaxation factor는 0.5로 설정하였다.
2.5 인공 해조 매트 처리
본 연구에서 활용하는 CFD 모델에서 인공 해조 매트를 다공성 매체(porous media)로 처리하는 것으로 이에 따른 유속 및 압력 저하를 산정하였다. Fluent 모델에서 공극은 운동량 방정식(Eq. (2))의 우항에 소산항(sink term) Fi로 반영되며, 균질성(homogenous) 공극 매체일 때 Fi는 (Eq. (5))와 같다.
여기서, Dij는 점성 저항 계수 (viscous resistance; m-2)이고, μ는 유체의 점성계수 (= 1.003 kg/m/s), U는 유속 (m/s), ρ는 유체의 밀도 (= 998.1 kg/m3), cij는 관성저항 계수 (m-1)이다.
인공 해조 매트의 물리적 특성을 통해 매트가 공극으로 유체에 미치는 영향을 점성저항 계수와 관서저항 계수로 표현해야 하지만 물성에 관한 기초자료가 충분치 않고, 해당 계수 산정을 위한 기초 연구가 부족한 실정이다. 따라서 문헌조사를 통해 식생 적용을 위한 변수가 제시된 연구 결과를 차용하고, 이를 인공 해조 매트의 기초자료로 가정하여 설치 조건에 따른 유속 저감 영향을 수치적으로 검토하였다.
Brito et al.(2016)은 식생 번들의 직경과 평균 간격, 공극률, 체적 및 단면적 등을 통한 평균 균형 직경(mean equivalent particle diameter)을 산정했고, 이를 활용하여 Eqs. 6 및 7의 관계를 통해 점성 저항을, Eqs. 8 및 9의 관계를 통해 관성저항을 계산할 수 있다.
여기서, φ는 공극률,T는 Forchheimer tensor, deq는 평균 균형 직경(Sauter 평균직경ψ(6Vp/Ap)과 동일), Vp,Ap는 입자의 체적 및 표면적이다.
본 연구에서는 식생 번들의 입경(dv)이 0.05 m이고, 식생 번들의 입경 간의 간격(∆s)이 0.06 m(간극 1 cm)로 가정하였다. 이때 체적 당 정면 면적(a=dv/∆s2)은 0.1389 cm-1이고, 식생 밀도(ρveg=πadv/4)는 0.545이며, 공극률(φ=1-ρveg)은 0.455로 추산된다(6☓6☓h cm3의 공간에π×(dv/2)2×h의 식생 가정). 상기 조건을 대입해 산정한 점성 저항(Dij)과 관성저항(cij)는 각각 8.6432104 m-2과 185 m-1을 인공 해조 매트의 다공체 모델 변수로 적용하였다. 추가로 식생 번들의 입경(dv)이 0.05 m이면서 식생 번들의 입경 간의 간격(∆s)이 0.10 m(간극 5 cm), 0.15 m(간극 5 cm)로 커지는 경우, 각각의 식생 밀도(ρveg=πadv/4)는 0.196, 0.087로 감소하고, 공극률은 각각 0.804, 0.913으로 증가한다. 이때의 점성 저항(Dij)은 각각 3,582 m-2, 548 m-2이고, 관성 저항(cij)은 각각 10.64 m-1, 3.67 m-1로 모두 감소한다.
2.6 실험안 구성
인공 해조 매트 설치 조건에 따른 유속 및 저면 전단응력 변화를 검토하기 위해 Table 2과 같이 실험안을 구성하였다. Case 1은 인공 해조 매트가 설치되지 않은 현상태이다. Case 2~4는 3~4 Dp 구간에 도넛 모형의 인공 해조 매트가 설치된 경우로 매트의 높이가 1~3 m, 1 m 씩 증가하는 실험안이다. Case 5는 설치 구간을 2~3 Dp로 좁혀 1 m 높이의 인공 해조 매트 설치안에 대해 구성하였다.
Table 2
List of experimental conditions for artificial seaweed mat
| Case | Seaweed mats installation | Installation range | Height | 비고 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | O | - | - | |
| 2 | X | 3~4Dp | 1 m | Viscosity resistance (Dij, m-2)= 8.6432✕104; Inertia resistance (cij, m-1)= 185.0 |
| 3 | 3~4Dp | 2 m | ||
| 4 | 3~4Dp | 3 m | ||
| 5 | 2~3Dp | 1 m |
또한 세굴 발생 메커니즘에서 언급한 바와 같이 파일 구조물을 타고 하강하는 흐름 발생이 예견되므로 파일 주위의 저면 유속 저감을 위한 추가 실험안을 구성하였다. Case 3을 바탕으로 인공 해조 매트 내측 1~3 Dp 구간에 입경이 0.05 m, 높이 1.0 m인 인공 해조 매트 설치를 가정하였고, 식생 간의 간격(∆s)의 변화(0.1, 0.15 m)에 따른 매트 내 유속 및 전단응력 변화를 검토하였다(Table 3 참조).
Table 3
List of experiments for additional installation conditions of artificial seaweed mats
3. 연구 결과
3.1 현상태 (Case 1)
인공 해조 매트 설치에 따른 유속 저감 영향을 검토하기 이전에 파일 구조물 주위 발생하는 유속 및 전단응력의 검토를 위해 모델을 구성하였고, 그 결과를 Fig. 5에 제시하였다.
상류 경계에서 최대 유속은 수면에서 1.0 m/s이며, t= 25.0 s 시점에 파일 주변 수면부에서 1.2 m/s 이상의 유속이 발생한다. 파일을 지나간 유체는 구조물로 인해 유속이 감소하며 Lee-Wake Vortex가 파일 후면으로 양측으로 교차하며 발생한다. 파일 구조물로 인해 발생하는 주변부 세굴은 저면부 유속 증가로 인한 바닥의 전단응력 증가로 인해 나타나므로, 바닥 경계 인근에서의 저면 유속과 바닥 경계에서 저면 전단응력을 각각 Fig. 6과 Fig. 7에, 파일 구조물 주위에 수직 유속 분포를 Fig. 8에 제시하였다.
Fig. 6에서 상류측에서 내습하는 흐름은 파일 구조물을 지나며 하류측 Lee-Wake Vortex를 만들고 시간 변화에 따라 파일 양 측면을 교행하며 확산되는 점을 확인 할 수 있다. 흐름은 교각 전면에 충돌하며 흐름 방향 유속이 사라지고, 교각의 상류측 양 측면에서 상대적으로 큰 유속이 발생한다. 이 때 유속은 시간에 따라 상이하며, 교각 주위 저면(z= 0.002 m)에 발생하는 최강 유속이 t= 30 s 시점에 0.72 m/s, t= 50 s 시점에 0.53 m/s로 나타났다. Fig. 8의 단면 유속 벡터도에서 확인 할 수 있듯이 파일 구조물과 근접하는 방향에서 흐름 방향 유속은 0에 수렴되며, 수직 방향(z)의 하강하는 흐름이 발생하는 점을 확인 할 수 있다. 저면에 작용하는 마찰응력의 경우 파일 상류측 양 측면에서 최대로 나타나며, t= 30 s 시점에 2.40 Pa, t= 50 s 시점에 0.53 Pa로 산정되었다.
3.2 인공 해조 매트 설치 (Case 2~5)
실험안은 2.6절에 제시한 바와 같이 파일 중앙을 기점으로 3~4 Dp 원형영역 내에 인공 해조 매트를 설치하고 매트의 높이를 1~3 m까지 1 m 간격으로 변경시키는 실험안을 Case 2~4로, 2~3 Dp 원형영역 내에 인공 해조 매트를 설치하고 매트의 높이가 1m인 실험 안을 Case 5로 설정하였다. 인공 해조 매트 설치에 따른 유속 저감 영향을 검토하기 위해 실험 안별 저면 유속의 공간분포를 Fig. 9에 제시하였다.
파일 구조 주위를 감싸며 설치된 인공 해조 매트는 구조물 인근 저면의 유속 발생을 저감시킨다. 인공 해조 매트의 높이는 매트와 파일 구조물 사이(이후 내측으로 표기)의 유속 발생에 영향을 미친다. t= 5 s 시점에서 해조 매트 높이가 상대적으로 큰 Case 4는 내측 유속이 발생하지 않지만, 매트 높이가 감소할수록 동일 시점의 유속은 크게 발생한다. t= 30 s 시점의 경우, 내측에서 발생하는 최대 유속 크기는 0.5~0.53 m/s로 실험 안별 차이가 없다. 이러한 내측 유속 변화는 시간 변화에 따른 주변부 유속 변화에도 동일하게 나타난다. t= 50 s 시점의 내측 유속은 Case 2~5에서 0.43~ 0.44 m/s로 동일하게 나타난다. 매트 건설로 인한 유속 저감률은 t= 30 s 일 때 Case 5일 때 30.6%로 가장 크고, t= 50 s 시점은 Case 3~5가 18.9%로 나타난다.
인공 해조 매트 내측 유속 변동 폭이 실험 안별로 큰 차이가 없는 것과는 달리 인공 해조 매트 외측에서는 다소 유의미한 결과가 나타났다. Case 2~4의 결과 중, 높이가 가장 낮은 Case 2에서 외측 유속이 가장 작게 산정되었다. Case 2는 시점별로, t= 30 s일 때 0.43 m/s, t= 50 s일 때 0.28 m/s이고, 유속 저감률은 각각 40.3%와 47.2%이다. Case 3는 시점별로, t= 30 s일 때 0.56 m/s, t= 50 s일 때 0.39 m/s이고, 유속 저감률은 각각 22.2%와 26.4%이다. Case 4는 시점 별로, t= 30 s일 때 0.61 m/s, t= 50 s일 때 0.42 m/s이고, 유속 저감률은 각각 15.3%와 20.8%이다.
또한, 매트 설치 위치를 3~4 dp에서 2~3 dp로 변경하고 매트 높이는 유지 시킨 1 m의 Case 5에는 시점 별 유속이 t= 30 s일 때 0.50 m/s, t= 50 s일 때 0.32 m/s로 유속 저감률이 각각 30.6%, 39.6%로 산정되었다. 실험 안별 저면 유속 산정 결과 및 Case 1 기준 유속 저감률 결과를 Table 4에 제시하였다.
Table 4
Results of flow velocity and reduction ratio(z= 0.002 m) [Units: m/s; %]
유속의 경우 유향별로 세굴에 미치는 영향이 다를 수 있기에 전체 바닥면에서 산정되는 저면 전단응력을 Fig. 10에 제시하였다. 여기서 t= 50 s 시점의 전단응력은 파일 구조물 배후에 발생하는 와동 흐름으로 인해 파일 구조물과 다소 떨어진 위치에서 최대 전단응력이 발생한다. 본 실험안에서는 매트 설치로 인한 구조물 인접부 2차 세굴 발생 가능성에 목적을 가지므로, 5 dp 구역 내에서 발생하는 저면 전단응력의 최댓값을 제시하였다. 실험 안별 전단응력은 현상태(Case1)에서 t= 30 s일 때 2.40 Pa, t= 50 s일 때 1.38 Pa로 나타났다. 3~4 Dp 영역에 매트를 설치한 경우, 구조물 주위에 발생하는 저면 전단응력은 매트 높이에 따라 변화한다. 매트 높이가 1 m인 경우(Case 2), t= 30 s 시점에서 매트와 구조물의 내측과 매트 외측에서 최대 전단응력[저감률]은 각각 1.34 Pa[44.2%], 0.98 Pa [59.2%]로, t= 50 s 시점에서 매트와 구조물의 내측과 매트 외측에서 최대 전단응력은 각각 0.98 Pa[29.0%], 0.50 Pa[63.8%]로 산정되었다. 매트 높이가 2 m인 경우(Case 3), t= 30 s 시점에서 매트와 구조물의 내측과 매트 외측에서 최대 전단응력[저감률]은 각각 1.25 Pa[47.9%], 1.37 Pa [42.9%]로, t= 50 s 시점에서 매트와 구조물의 내측과 매트 외측에서 최대 전단응력은 각각 0.91 Pa[34.1%], 0.75 Pa[45.7]%로 산정되었다. 매트 높이가 3 m인 경우(Case 4), t= 30 s 시점에서 매트와 구조물의 내측과 매트 외측에서 최대 전단응력은 각각 1.25 Pa[47.9%], 1.65 Pa[31.3%]로, t= 50 s 시점에서 매트와 구조물의 내측과 매트 외측에서 최대 전단응력은 각각 0.93 Pa[32.6%], 0.92 Pa[33.3%]로 산정되었다. 매트 영역이 2~3 Dp이고 높이가 1 m인 Case 5의 경우, t= 30 s 시점에서 매트와 구조물의 내측과 매트 외측에서 최대 전단응력은 각각 1.22 Pa [49.2%], 1.16 Pa[51.7%]로, t= 50 s 시점에서 매트와 구조물의 내측과 매트 외측에서 최대 전단응력은 각각 0.96 Pa[30.4%], 0.49 Pa[64.5%]로 산정되었다. 실험 안별 저면 전단응력 및 저감률을 Table 5에 요약하였다.
Table 5
Results of bottom shear stress and reduction ratio (z= 0.0 m) [Units: Pa, %]
3.3 매트 추가 설치 (Case 3-A, 3-B)
환형 원통 형상의 인공 해조 매트 설치에도 불구하고 3.2절에서 제시된 바와 같이 파일 구조물을 타고 하강하는 유속이 발생하며, 인해 인공 해조 매트와 파일 사이의 저면 유속이 크게 나타난다. 이에 Case 3의 실험안을 바탕으로 인공 해조 매트와 파일 사이 영역(1~3 Dp)에 상대적으로 느슨한 인공 해조 매트를 1.0 m 높이로 추가 설치하여 저면 유속 및 전단응력 저감을 유도하였다. 모든 실험안에서 흐름은 그림의 왼쪽에서 오른쪽으로 발생한다.
Case 3-A, 3-B 결과 중 30 s 시점과 50 s 시점의 유속 공간분포를 각각 Fig. 11에, 파일 중심부 기준 3 Dp 영역 내 바닥 경계면 전단응력 분포를 Fig. 12에 제시하였다. 또한 3 Dp 구간 내측의 각 실험안별 최대 유속 및 최대 전단응력과 각각의 저감률을 Table 6에 제시하였다.
Table 6
Bottom flow velocity, shear stress, and reduction rate according to the condition of artificial seaweed mat installation
파일 주변 인공 해조 매트의 추가건설로 인하여 저면 유속과 전단응력은 상당량 감소한다. Case 3-A에서는 매트 추가 설치 구간에서 시점별로 유속이 0.13, 0.11 m/s(Case 1 대비 저감률 81.9, 79.9%)로 나타났고, 인공 해조의 입경 간격이 15 cm인 Case 3-B에서는 시점별 유속이 0.20, 0.18 m/s(저감률 71.6, 66.7%)로 나타난다. 저면 전단응력의 경우, Case 3-A는 시점별로 0.20, 0.16 Pa로 크게 저감(저감률 91.6, 88.6%) 되며, Case 3-B는 시점별로 0.35, 0.31 Pa(저감률 85.5, 77.3%)로 나타난다.
4. 결론 및 고찰
본 연구에서는 인공 해조 매트를 다공성 매체로 가정하여 매트 설치 조건별 모노파일 구조물 주변 발생하는 유속 및 저면 전단응력의 발생을 검토하였다. 인공 해조의 물성치에 따른 압력 소산을 가정하기 위해 Brito et al.(2016)이 제시한 식생 번들 규모 및 구성을 활용한 압력의 소산항(점성 및 관성 저항) 산정 방식을 적용하였고, 입경(dv) 0.05 m, 입경 간의 간격(∆s) 0.06 m의 식생 번들 적용을 초기조건으로 가정하여 Fluent 모델을 통해 매트 설계에 따른 유속 및 전단응력 저감 성능을 검토하였다. 산정된 인공 해조 매트의 점성 저항계수(Dij)와 관성 저항계수(cij)는 각각 8.6432104 m-2과 185.0 m-1이고, 매트의 공극률은 0.455이다.
모노 파일 주위에 인공 해조 매트(다공성 매체)를 설치한 실험안의 결과에서는 파일 구조물 주위에 발생하는 유속 및 전단응력의 크기가 작아진다. Table 4에 제시된 바와 같이 매트 구성 조건에 따라 매트와 파일 구조물 사이의 유속은 시점에 따라 최소 17.0%에서 최대 30.6%까지 최대 유속을 저감 시키며, 다공성 구조로 인해 2차적 세굴이 발생할 수 있는 외측 경계에 발생하는 유속은 최소 15.3%에서 47.2%까지 저감 시키는 것으로 산정되었다. 반면에 파일과 매트 내측에서 발생하는 유속은 실험 안별 차이가 크지 않았다. 외측 유속의 경우에는 매트의 높이가 낮을수록 발생 유속이 작고, 3~4 Dp (9~12 m) 직경 영역에 매트를 설치하는 경우(Case 2)가 2~3Dp(6~9 m) 직경 영역에 매트를 설치하는 경우보다 유속이 상대적으로 작게 발생함을 확인하였다.
저면 전단응력은 시점에 따라 발생 매트 성능이 다소 상이한 경향을 보인다. 압력 변동이 상대적으로 큰 t= 30 s 시점의 결과에서는 매트 높이가 높을수록 발생하는 전단응력이 작아졌지만, 유속 통과 후 안정화된 상태의 t= 50 s 시점에서는 유속과 동일한 경향(파일 구조물에서 멀수록, 높이가 낮을수록 전단응력이 작음)이 나타났다. 다만, 매트 외측에 발생하는 저면 전단응력의 경우에는 매트 높이가 낮을수록 저감 성능이 좋고, 파일 구조물에 근접한 Case 5에서 전단응력이 가장 작게 발생해 전단응력 저감(t= 30 s 일 때 34.8%; t= 50 s 일 때 64.5%) 성능이 가장 큰 것으로 나타난다. 파일 구조물 주위 발생하는 유속을 급격하게 줄이기 위해 대책 구조물을 설치하는 경우, 추가 설치된 구조물은 인근의 급격한 단면 변화로 인해 와동을 발생시키고, 저면 유속 및 전단응력의 크기가 증가하여 2차적 세굴 피해가 발생할 수 있음을 의미한다. 이러한 점은 Petersen et al.(2014)가 해상풍력 기초 구조물 주위 세굴 현상 발생을 막기 위해 원지반과 대책구조물의 외측에 단면 변화가 점진적으로 나타나도록 권장하는 점과 동일하다.
파일과 인공 해조 매트와 파일 사이 영역(1~3 Dp)에 여전히 발생하는 유속과 저면 전단응력을 저감 시키기 위해 상대적으로 느슨한 인공 해조 매트를 1.0 m 높이로 추가 설치하는 실험안에 대하여 검토하였다. Case 2~5에서 제시한 환영 원통 형상의 인공 해조 매트가 일차적인 유속 저감을 만들기 때문에 1~3 Dp 구간에 건설되는 인공 해조의 입자 간 간극을 5배와 10배로 증가시켜 매우 큰 공극률 조건에도 충분한 유속 및 저면 전단응력 저감을 만들어 낼 수 있었다. Table 6에 제시된 바와 같이 매트 설치 구역의 유속 저감률은 66.7~81.9%로 나타나며, 저면 전단응력 저감률은 77.3~ 91.6%로 나타난다.
본 결과를 통해 인공 해조 매트 공법의 설계 시, 외측 매트 높이가 완만히 이어지도록 구성하고 파일 외곽에 고밀도의 매트를, 파일 인근에는 상대적으로 저밀도의 매트를 구성하여 저면에 발생하는 유속 및 전단응력 저감 및 세굴 완화를 만들어 낼 수 있음을 확인하였다. 또한 다공성 매체를 활용한 압력 저감 방식의 고전적 방법을 전산유체역학 모델에 적용하는 것으로 수치모델이 인공 해조 매트 기초 설계과정에 유용한 설계 도구로 활용될 수 있음을 보였다. 향후 실제 인공 해조 매트에 적용되는 재료 특성 검토 및 수치 모델링에 적용하기 위한 검증 실험을 통해 고도화된 매트 설계 및 성능 검증이 가능할 것으로 사료된다.
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