쇄파 발생에 관한 실험적 연구

An Experimental Study on Breaking Waves

본 논문에서는 2차원 수조의 임의 지점에서 쇄파를 만드는 실험방법에 대하여 논하였다. 쇄파를 만들기 위해서 임의의 지점에 각 성분의 파정이 모이도록 위상차를 갖는 선형파를 합성하여 조파기를 작동시켰다. 또한 조파판의 운동진폭을 조절하여 다양한 파기울기에 대하여 실험을 수행하였다. 실험 결과 운동진폭이 너무 작은 경우에는 쇄파현상이 일어나지 않았고 불규칙한 파형만이 나타났으며, 최대파고가 H=0.0113g/T$^2$ 이상이어야 쇄파 현상이 나타남을 확인하였다. 쇄파의 모양은 대부분 경우에 spilling 형태였고, 특정한 운동진폭일 때 plunging 형태의 쇄파를 관찰할 수 있었다. 한편 비점성, 비압축성 유체로 가정하여 얻어진 경계적분방정식을 고차경계요소로 이산화하여 수치계산을 수행하였다. 자유표면의 처리를 위해서 Mixed Euler-Lagrangian 기법을 이용하였다 수치결과는 자유표면에서 주파수간의 상호간섭의 영향을 제대로 반영하고 있으며, 실험에서 계측한 파형을 제대로 모사하고 있음을 확인할 수 있었다.

Breaking waves were generated in a 2-D flume. A piston-type wavemaker was operated in accordance with signals which consist of elementary harmonics with appropriate phase differences. These phase differences were estimated by using a linear wave theory so that wave crests were to be concentrated at the same position. The stroke of wavemaker was controlled to create plunging-type breaking waves. The signal with small amplitude could not generate breaking waves. In the case of moderate amplitudes, various breaking waves could be obtained. Most of breaking waves were spilling type. Only when the wavemaker was operated with appropriate amplitude, plunging-type breaking waves were generated. The parameters of breaking waves are the wave steepness and the frequency bandwidth. If the central frequency was low, breaking waves were not generated. Based on experimental data, we found that the wave height of breaking inception was H = 0.0113 gT$^2$. We also made computations by using a mixed Euler-Lagrangian scheme under the assumption of potential flow. The numerical results show good agreements with tank measurements.