너울(Swell)의 추산

항만설계 시 너울(Swell)의 추산 방법

이번 시간에는 항만설계 시 너울(Swell)의 추산에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

작성될 내용을 좀 더 자세히 알아보고 싶으신 분들은 관련 설계기준을 다운 및 확인할 수 있는 아래 사이트를 확인하시기 바랍니다.!!

 

 

 

파랑이 풍역에서 벗어나 바람과 관계없이 진행하는 파를 너울이라고 합니다.

풍파와 비교할 때 너울은 다음과 같은 특징이 있습니다.

- 주기가 길고 파고가 작습니다. 풍파의 파형경사가 약 0.03 이상인 것에 비하여 너울의 파형경사는 0.005~0.02 정도입니다.

- 파봉이 길게 연하여 있고 파형의 요철이 작아서 매끄럽습니다.

- 개별 파봉의 진행방향이 대체로 일치합니다.

- 큰 파가 몇 개 연이어 진행하고 그 후에 작은 파가 몇 개 연이어 진행하는 현상이 반복됩니다.

- 주파스 스펙트럼의 폭이 좁고 첨두가 뾰족합니다.

- 방향 분포함수의 폭이 좁고, 방향 집중도 파라메타가 큰 값을 갖습니다.

 

전술한 너울의 특징은 그 전파 과정에 의하여 설명됩니다. 풍파는 넓은 범위의 주파수대에 걸쳐 에너지가 분포하며, 각 성분파는 주기에 비례하는 군속도로 진행합니다. 따라서 주기가 긴 성분파는 앞서고, 주기가 짧은 성분파는 뒤처지게 됩니다. 따라서 전체 파가 진행방향으로 길게 퍼져 에너지 밀도가 점차 감소합니다. 이 현상을 파의 속도 분산이라고 합니다. 임의 지점에서 특정 시각에 도달하는 너울은 좁은 범위 주파수의 성분파로 제한되므로 주파수 스펙트럼의 폭이 좁고 첨두가 뾰족하게 됩니다.

 

또한 너울로서 전파해 가는 사이에 역풍을 받기도 하고, 내부 마찰이나 파의 상호 간섭 등의 영향을 받기도 해서 주로 단주기파 성분의 에너지가 손실됩니다. 이 때문에 너울의 파형은 풍파의 파형과 달리 둥근 모양을 하게 됩니다.

 

풍파가 풍역을 벗어날 때에는 에너지의 방향 분포도 넓고 성분파가 여러방향으로 퍼져 나갑니다. 이에 따라 파의 에너지 밀도가 감소하는 것을 파의 방향 분산이라고 합니다. 임의 지점에서 너울이 내습하는 범위는 풍역의 폭에 한정되므로 방향 분포함수의 폭이 좁게 됩니다.

 

너울의 추산법에는 Bretschneider(브렛슈나이더)법(1968), PNJ법(1955) 및 파랑 스펙트럼법 등이 있습니다. PNJ법은 너울의 진행에 따른 파고와 주기의 변화를 스펙트럼 성분파의 진행 과정을 계산해서 구하는 방법입니다. 그러나 계싼시간이 오래 걸리고 간단한 개략값을 구하기에는 불편합니다. 파랑 스펙트럼법은 수치모델을 이용하여 풍파와 너울을 구별하지 않고 여러 주파수에 대해 동시에 수치계산을 합니다. 파랑 발생역에서 파의 추산에 유의파법을 사용한 경우에는 너울을 추산할 필요가 있으며, 이 경우에는 비교적 간단하며 사용하기 쉬운 Bretschneider법을 이용하게 됩니다.

Bretschneider가 이론적 검토 및 실측치를 정리하여 제안한 실험식은 아래와 같습니다.

브렛슈나이더 실험식

여기서 Fmin은 풍파를 발생시킨 풍역의 길이(최소 취송거리), D는 너울의 감쇠거리, Hf와 Tf는 풍역 끝에서의 유의파의 파고와 주기, Hd와 Td는 감쇠거리 D를 진행한 너울의 유의파 파고와 주기입니다. 또한, Td는 너울이 감쇠거리 D까지 진행하는데 필요한 시간 또는 너울의 도달 시간이고, Cgd는 Td에 대응하는 군속도입니다.

너울에 대해서는 신뢰할 수 있는 관측 자료가 충분히 확보되어 있지 않기 때문에 발생역에서의 파의 추산 결과보다도 추산의 정확도는 낮습니다. 따라서, 실측치와 비교 검토하여 사용할 필요가 있습니다.

 

지금까지 항만설계시 너울(Swell)의 추산에 대하여 알아보았습니다. 위 내용들과 같이 파의 추산은 항상 어려운 내용인 것 같습니다. 저도 보다 전문적이고 상세한 내용이 담긴 책들을 통해 추가적으로 공부하려고 합니다. 여러분도 한번 해보시길 바랍니다. 그럼 이만~