해양환경에서 장기간 운영되는 선박 및 해양구조물에 있어 파랑에 의한 충격하중은 설계 시 고려되어야 할 필수요소 중 하나이다. 그 중 갑판 위로 파랑이 넘어와 상부구조물 및 갑판에 충격을 주는 청수현상은 극한의 해상환경에서 빈번히 발생하며, 이에 의해 많은 선박 및 해양구조물들이 파손 혹은 침몰 등의 피해를 받은 사례가 보고되고 있다(Faulkner, 2001; Ersdal and Kvitrud, 2001; Leonhardsen et al., 2001; Sgouros et al., 2005). 청수현상을 고려한 선박 및 해양구조물의 설계를 위해 많은 연구가 진행되고 있다. 현재까지 청수현상에 관한 실험 연구는 크게 청수현상의 발생 확률 및 가능성 판단, 갑판 위 유동특성 분석, 그리고 청수현상으로 인한 하중예측 등 세 가지의 관점으로 분류 될 수 있다. Hamoudi and Varyani(1998)는 예인수조 실험을 통해 입사파의 파고 및 주기, 선속 및 건현 높이 등의 다양한 설계 변수에 대한 청수현상의 발생확률을 연구하였고, Soarse and Pascoal(2005)는 실험적 연구를 통해 FPSO(Floating production storage and offloading)에 발생하는 청수현상 및 갑판 위 자유수면 높이 변화에 대한 확률론적 모델을 제시하였다. Greco(2001)는 2차원 조파수조에서 단순화된 모형에 대해 청수현상의 유동특성 및 압력특성에 관한 연구를 수행하였으며 청수현상의 갑판 위 유동 형상이 돌진형 쇄파(Plunging wave breaker)의 형태로 나타난다는 것을 보였다. 국내에서는 Lim et al.(2012) 이 3가지 FPSO 선수형상에 대하여 청수현상의 하중을 측정하고, 어떠한 형상의 선형이 청수현상에 의한 하중을 더 절감할 수 있는지에 대한 연구를 수행하였다.

최근에는 전산기술의 향상 및 CFD(Computational fluid dynamics) 시뮬레이션 기법의 발달에 따라 FVM(Finite volume method), MPS(Moving particle method) 등의 수치기법들을 이용한 청수현상 하중 및 발생확률을 예측하는 연구들이 주를 이루고 있다(Nielsen and Mayer, 2004; Yamasaki et al., 2005; Shibata and Koshizuka, 2007)

청수현상 저감을 위한 장치 및 선형개발을 위해서는 먼저 청수현상의 유동특성에 대한 분석이 필수적이다. Ryu and Chang(2005)은 영상유속측정법(Particle image velocimetry, PIV) 및 기포영상유속측정법(Bubble image velocimetry, BIV)를 이용하여 사각형 구조물에 돌진형 쇄파가 발생하였을 때의 다상 유동장을 계측하고, 갑판 위의 기포 속도장을 댐 붕괴(Dam breaking) 이론과 비교하였다. Lee et al.(2016)는 사각형 해양구조물에 발생하는 청수현상의 발생과정을 규명하고, 파고의 변화에 따른 청수현상의 다상 유동장 계측을 통한 유체동역학적 특성 분석 및 FVM을 이용한 CFD 시뮬레이션 결과와 비교⋅검증 하였다.

이러한 선박 혹은 해양구조물의 청수현상에 의한 피해 저감을 위하여 선형 설계 시 플레어 각도(Fig. 1)를 적용할 수 있다. 플레어 각도의 변화에 관하여 Buchner and Voogt(2000)는 FPSO의 선수 플레어 각도 변화에 따른 갑판 위 유동 속도 및 자유수면 변화에 대해 실험을 통한 정성적 연구를 수행하였으며, Faltinsen et al.(2002)은 플레어 각도가 작아지면 갑판 위로 올라오는 청수의 양은 줄어드나 갑판에 작용하는 청수 하중이 더 커지는 것을 수치적으로 보여주었다. 선급에서는 선형 설계 시 플레어 각도를 75^∘이하로 설계(ABS, 2015) 및 50^∘이상으로 설계(LR, 2014) 등의 기준을 제시하고 있다. 그러나 청수현상의 비선형적 특성 및 다상유동에 대한 실험적 연구 기법 적용의 어려움으로 인해 플레어 각도 변화에 따른 청수현상에 대한 자세한 연구가 이루어지지 않은 것이 현실이며, 청수현상으로 인한 피해 저감 장치 개발 및 설계기술 개발 등을 위해서는 플레어 각도 변화에 따른 갑판 위 다상유동의 물리적 특성에 대한 연구가 필요하다.

본 연구에서는 다양한 플레어 각도의 해양구조물과 100년 주기 설계 파랑조건 중 상위 1/3, 1/10, 1/100 평균의 파고를 가지는 규칙파의 간섭으로 인해 발생하는 청수현상을 실험적으로 구현하고, Lee et al.(2016)에서 규명한 플레어 각도 90^∘의 구조물에서 발생하는 청수현상의 발생과정과 비교하여 플레어 각도와 파고 변화에 따른 청수현상의 발생과정 및 갑판 위의 유동 특성 변화를 분석하였다. 구조물과 파랑 간섭으로 인해 발생하는 구조물 주변의 다상 유동장은 기포영상유속측정법을 적용하여 정량적으로 계측하고, 플레어 각도 변화에 따른 갑판 위 다상유동장의 속도분포 및 자유수면 높이 변화를 연구하였다.

청수현상을 구현하기 위한 모형실험은 2차원 조파수조(길이 : 32m, 폭 : 0.6m, 높이 : 1m)에서 수행되었다. 이 수조는 피스톤 형태의 조파기 및 반대편에는 1:3의 경사를 가지는 소파장치가 설치되어 있으며(Fig. 2), Standing wave를 이용한 반사율 계측법(Hughes, 1993)을 이용하여 소파장치는 1.7%의 반사율을 가지는 것을 확인하고 본 실험을 진행하였다.

실험에 사용된 구조물은 멕시코만(Gulf of Mexico)에서 운영 중인 BW Pioneer FPSO와 100년 빈도주기의 유의파고(Significan wave height)와 파정 주기(Peak period)를 가지는 해상조건을 1:125의 비로 상사하여 그 크기를 결정하였으며(API 2INT-MET, 2007) 극한 해양환경에서의 청수현상 구현을 위해 유의파고보다 파 경사가 더 큰 상위 1/10과 1/100 평균의 파고를 실험 파고로 추가 선정하였다(Lee et al., 2016). 구조물은 조파기로부터 15m 떨어진 위치에 40×40mm의 알루미늄 구조물을 사용하여 수조의 윗면에 고정하였으며, 모든 실험은 소파장치에 반사된 입사파가 구조물에 도달하기 전에 실험을 수행하였다. 실험 중 수심은 0.6m로 고정하였다.

플레어 각도변화에 따른 청수현상의 발생과정 차이를 살펴보기 위해 4개의 플레어 각도(90^∘, 75^∘, 60^∘, 45^∘)를 가지는 구조물을 이용해 실험을 수행하였으며, 조파기에서 15m 떨어진 지점에 구조물과 자유수면이 만나는 점을 고정하여 각 구조물의 위치를 일정하게 유지하였다.

구조물의 크기 및 파랑조건은 Table 1, Table 2에 정리되어 있다. 규칙파에 의한 청수현상의 영상을 얻기 위하여 초고속 CCD(Charge coupled device) 카메라(Redlake Y-5) 및 50mm 광학렌즈(Sigma, f/1.8)를 사용하였다. 영상은 초당 500장(500 Hz) 및 360×264mm² 크기의 측정장(Field of view)을 가지며, 이때의 공간 해상도는 0.076mm/pixel이다.

청수현상이 발생할 때에는 구조물과 파랑의 상호 간섭에 의해 많은 양의 기포가 생성되는데, 이러한 기포와 물이 뒤섞이는 다상유동장의 경우 입자영상유속측정법(Particle image velocimetry, PIV)을 이용한 속도장 계측이 어려워진다. 본 연구에서는 그림자기법(Shadow graphy image technique)으로 영상을 획득하여 다상유동 내부 기포의 형상 및 속도장을 계측하는 기포영상유속측정법(Bubble image velocimetry, BIV)을 사용하였다(Fig. 3). 기포영상유속측정법은 획득한 영상의 명암분포를 MQD(Minimum quadratic difference)기법을 이용하여 기포의 속도를 계산한다(Mori and Chang, 2003).

본 실험에서는 계측한 영상을 통해 32×32pixels의 계산영역(Interrogation area) 및 50%의 중첩(Overlap)을 적용하여 속도를 계산하였으며, 측정된 속도벡터 사이의 간격은 2.44mm이다.

규칙파 중 플레어 각도 90^∘에서의 사각형 고정식 구조물에 발생되는 청수현상은 Table 3과 같은 다섯 과정을 거치며 발생하게 된다.

Fig. 4는 각 90^∘, 75^∘, 60^∘, 45^∘의 플레어 각도를 가지는 구조물에 대하여 청수현상이 가장 명확하게 발생하는 입사파고 H_1/100일 때의 청수현상 발생 단계별 순간 영상들을 보여주고 있다. 이미지는 그림자기법을 이용하여 획득되었으며, 자유수면 및 기포는 그림자에 의해 어둡게 나타난다.

Fig. 4 (a-1), (b-1), (c-1), (d-1)은 입사파와 구조물에 반사된 반사파가 중첩되면서 파도 전면부가 구조물 벽에 수평한 방향으로 굽어지는 과정인 Flip-through 단계를 보여준다. 플레어 각도가 90^∘및 75^∘일 때에는 구조물의 벽면 부근에서 자유수면이 굽어지는 Flip-through의 현상이 명확히 발생하였으나, 60^∘와 45^∘에서는 자유수면이 크게 변형되지 않고 구조물을 따라 올라가는 것을 볼 수 있다. 이러한 플레어 각도에 따른 Flip-through 단계의 발생 정도에 따라 입사파의 전면부가 구조물에 부딪히는 과정인 Air-entrapment 단계에서도 플레어 각도에 따른 현상의 차이를 보이고 있다(Fig. 4 (a-2), (b-2), (c-2), (d-2)). 플레어 각도가 90^∘및 75^∘일 때에는 앞선 Flip-through 단계에서 굽어진 자유수면이 구조물 방향으로 전진하면서 구조물과 파 전면부 사이에 공기가 가두어지는 현상이 발생하는 것을 볼 수 있으나, 60^∘와 45^∘에서는 Flip-through 단계를 거치지 않았기에 공기가 가두어지는

현상 없이 자유수면이 상승하는 것을 확인할 수 있다. Wave run-up 단계에서의 순간영상은 Fig. 4 (a-3), (b-3), (c-3), (d-3) 에 나타나 있다. 이 단계에서 발생하는 특징적인 현상인 물이 갑판 위로 뿜어지며 솟아오르는 Jet splash는 플레어 각도가 90^∘일 때에만 관측되었으며, 다른 플레어 각도를 가지는 구조물의 경우 run-up 단계에서 Jet splash 없이 각 구조물 벽을 따라 물이 상승하여 구조물 벽 바깥쪽 상부에서 반시계방향의 와(Vortex)를 만드는 것을 볼 수 있다. 이는 플레어 각도에 따라 반사되는 파도의 위상차이로 인해 구조물 앞에서 서로 다른 중첩현상이 발생하면서 생기는 것으로 판단된다. Wave run-up 과정에서 올라온 물이 돌진형 쇄파(Plunging wave breaking)의 형상을 보이며 갑판에 충격을 주는 Wave overturning 단계의 순간은 Fig. 4 (a-4), (b-4), (c-4), (d-4) 에서 나와 있다. 앞선 과정에서 발생한 플레어 각도에 따른 자유수면 형상 차이로 인해 Wave overturning 과정에서도 플레어 각도에 따라 서로 다른 현상을 보이고 있다. 플레어 각도가 90^∘일 때에는 Wave run-up 단계에서 발생한 Jet splash의 영향으로 갑판 위로 올라온 청수가 갑판에 부딪히는 위치인 Impinging point가 갑판 끝부분에서 가장 멀리 위치하며, 플레어 각도가 작아지면서 갑판의 끝부분으로 가까워지는 것을 영상을 통해 확인할 수 있다. 마지막 단계인 물이 갑판을 쓸고 지나가는 Water shipping 단계에서의 순간 영상은 Fig. 4 (a-5), (b-5), (c-5), (d-5) 에 나타내었다. 갑판 위를 지나가는 기포의 양은 플레어 각도 90^∘에서 가장 많고 플레어 각도가 작아질수록 기포의 양이 줄어드는 것을 영상을 통해 확인할 수 있으며, 이러한 갑판 위 기포 양의 차이는 Air-entrapment 단계에서 구조물과 파랑에 의해 발생하는 기포의 양의 차이에 기인하는 것으로 보여진다.

2차원 조파수조에서 규칙파와 구조물의 상호 간섭으로 인하여 발생하는 청수현상에 대하여 갑판 위 다상유동장의 유체동역학적 특성을 비교⋅분석하기 위해 기포영상유속측정법을 사용하여 갑판 위에서의 기포 속도장을 정량적으로 계측하였다.

청수현상으로 인해 발생하는 기포에 대한 속도 분석은 갑판 위 다상유동장의 물리적 특성을 이해하는 근거로 활용될 수 있다. 본 연구에서 실험적으로 구현한 청수현상의 경우 청수가 갑판을 지나가는 시간이 0.1 s 이내로 기포 수직운동 의 완화시간(Relaxation time)에 속하며(Hysing et al., 2009), 그 시간 동안 기포의 수직방향 속도변화 및 기포의 이동거리는 수평방향의 거동에 비해 매우 미미하다. 이는 청수현상에 의해 발생한 갑판 위 유동은 기포의 부력에 비해 기포 주변 물에 의한 관성력의 영향이 지배적이라는 것을 의미하며, 청수현상 발생 시 기포의 속도는 주변 물의 속도와 유사하다는 보고가 이를 뒷받침하고 있다(Ryu and Jung, 2012).

기포영상유속측정법으로 얻은 청수현상의 기포 속도장을 이용하여 갑판 위의 영역을 Fig. 5와 같이 20mm × 2.5mm의 크기로 공간평균을 내어 수평방향 평균 속도장(u¯)을 계산하였으며, 입사파고 H_1/100일 때 플레어 각도의 변화에 따른 갑판 위 기포의 수평방향 평균 속도장을 파 위상속도(v_p= 1.72 m/s)로 무차원화 하여 Figs. 6-9에 나타내었다. 구조물 끝부분부터 갑판 위 유동방향 20mm 당 표시된 점선을 기준으로 각각의 둥근 기호까지 떨어진 거리는 각 계산영역에서의 수평방향 평균 기포속도를 의미한다. Figs. 6-9는 Wave overturning 단계부터 0.03s 간격으로 계산영역 내부의 평균 속도장을 나타낸 것이다.

플레어 각도가 90^∘, 75^∘, 60^∘, 45^∘ 일 때 기포의 수평방향 평균 속도장은 각각 Figs. 6-9에 나타나 있다. 갑판 위에서 발생한 기포는 갑판을 따라 이동하면서 속도가 서서히 빨라지는 것을 정량적으로 확인할 수 있으며, 유동의 중심에 분포하는 기포들이 자유수면 부근 및 갑판 근처의 기포들에 비해 상대적으로 더 큰 속도를 가지며 기포에서도 경계층과 유사한 속도 분포를 보이는 것을 볼 수 있다. 플레어 각도가 다름에도 불구하고, 갑판 위 기포의 최대속도는 갑판의 끝 부분부터 약 130 mm 떨어진 곳에 위치했으며 그 크기는 약 0.6 u¯/up이다. 플레어 각도 60^∘와 45^∘(Figs. 8-9)일 때에는 플레어 각도 90^∘와 75^∘(Figs. 6-7)에 비해 갑판 위 기포의 양이 현저하게 줄어든 것을 확인할 수 있는데, 이는 플레어 각도에 따라 청수현상 발생과정 중 갑판 위로 물이 올라오기 전인 Flip through 및 Air-entrapment 과정에서의 차이로 인해 기포의 양이 차이가 나는 것으로 판단되며 플레어 각도가 작아질수록 갑판 위로 올라오는 기포의 양이 줄어드는 것을 볼 수 있다. 기포의 흐름이 진행될수록 기포가 전반적으로 갑판에서 서서히 떨어지며 위쪽으로 상승하는 모습이 보이는데, 이는 기포의 부력에 의한 영향 뿐 만 아니라 갑판 위에 남아있는 물과 부딪히면서 기포들이 위로 상승하는 것으로 판단된다.

본 연구에서는 2차원 조파수조에서 100년 빈도주기의 파랑조건을 반영한 규칙파와 고정된 구조물의 상호 간섭에 의해 발생하는 청수현상을 실험적으로 구현하고, 구조물의 플레어 각도에 따른 청수현상의 발생과정 차이 및 기포영상유속측정법을 이용하여 얻은 갑판 위 기포 유동특성의 차이를 비교 ․ 분석하였다.

실험적 연구를 통하여 청수현상은 구조물의 플레어 각도에 따라 각각 다른 발생과정을 통해 생성되는 것을 확인하였다. 플레어 각도가 큰 구조물(90^∘, 75^∘)은 청수현상 생성 시 자유수면이 구조물의 아래쪽에서 굽어지는 Flip-through의 단계를 거치는 반면 플레어 각도가 작은 구조물(60^∘, 45^∘)은 Flip-through를 거치지 않으면서 공기가 가두어지는 Air-entrapment 과정 또한 일어나지 않았다. 이러한 발생과정의 차이에 의해 청수가 갑판 위를 지나가는 과정인 Water shipping 단계에서 갑판 위 유동에 포함된 기포의 양이 급격하게 줄어든 것을 확인할 수 있었다. 또한 Wave run-up 단계에서 발생하는 현상인 제트 흐름은 플레어 각도가 90^∘일 때에만 발생하였고, 플레어 각도가 작아질수록 Wave overturning 단계에서 물이 갑판에 충격을 주는 위치인 Impinging point가 파 입사방향으로 가까워지는 것을 확인하였다.

기포영상유속측정법을 활용하여 플레어 각도에 따른 청수현상 발생 시 갑판 위 유동의 수평방향 평균 속도장(u¯)을 제시하였다. 갑판 위 기포의 속도는 경계층과 유사한 속도분포를 보였으며, 그 최대속도는 약 0.6 u¯/up으로 측정되었다.

본 연구에서 수행한 청수현상의 발생과정 및 다상유동에 대한 이해와 분석은 청수현상 저감을 위한 선박 및 해양구조물 선형개발에 활용될 수 있으며, 추후 플레어 각도에 따른 청수현상에 의한 구조물의 정확한 피해 예측을 위해 압력분포 및 유량 계측, 파랑과 구조물의 상대운동 등을 고려한 실험적 연구를 지속적으로 수행할 계획이다.