A systematic numerical comparative study of the performance of semicircular and rectangular submerged breakwaters interacting with solitary waves is the basis of this paper. To accomplish this task, Nwogu's extended Boussinesq model equations are employed to simulate the interaction of the wave with breakwaters. The finite difference technique has been used to discretize the spatial terms while a fourth-order predictor-corrector method is employed for time discretization in our numerical model. The proposed computational scheme uses a staggered-grid system where the first-order spatial derivatives have been discretized with fourth-order accuracy. For validation purposes, five test cases are considered and numerical results have been successfully compared with the existing analytical and experimental results. The performances of the rectangular and semicircular breakwaters have been examined in terms of the wave reflection, transmission, and dissipation coefficients (RTD coefficients) denoted by KR, KT, KD. The latter coefficient KD emerges due to the non-energy conserving KR and KT. Our computational results and graphical illustrations show that the rectangular breakwater has higher reflection coefficients than semicircular breakwater for a fixed crest height, but as the wave height increases, the two reflection coefficients approach each other. un the other hand, the rectangular breakwater has larger dissipation coefficients compared to that of the semicircular breakwater and the difference between them increases as the height of the crest increases. However, the transmission coefficient for the semicircular breakwater is greater than that of the rectangular breakwater and the difference in their transmission coefficients increases with the crest height. Quantitatively, for rectangular breakwaters the reflection coefficients KR are 5-15% higher while the diffusion coefficients KD are 3-23% higher than that for the semicircular breakwaters, respectively. The transmission coefficients KT for rectangular breakwater shows the better performance up to 2.47% than that for the semicircular breakwaters. Based on our computational results, one may conclude that the rectangular breakwater has a better overall performance than the semicircular breakwater. Although the model equations are non-dissipative, the non-energy conserving transmission and reflection coefficients due to wave-breakwater interactions lead to dissipation type contribution.
Submerged rubble structures include artificial reef and the mound part of the rubble mound breakwater. Artificial reef is a type of the submerged wave absorbing structure installed in a coastal zone to prevent beach erosion and designed to initially reduce the energy of incoming waves so that its run-up height and overtopping quantity can be decreased. In order to ascertain the stability of such submerged rubble structures, minimum weight of the rubble has to be calculated first from the incoming wave height using Hudson's formula or Brebner-Donnelly formula. Based on the calculated minimum weight, a model is built for use in a hydraulic model test carried out to check its stability. The foregoing two formulas used to calculate the minimum weight are empirically derived formulas based on the result of the tests on the rubble mound breakwater and it is, therefore, difficult for us to apply them directly in the calculation of the minimum weight of the submerged structures. Accordingly, this study comes up with a numerical simulation method capable of deformation analysis for rubble structures. This study also tries to identify the deformation mechanism of the submerged rubble structures using the numerical simulation. The method researched through this study will be sufficient for use for usual preparations of the design guidelines for submerged rubble structures.
본 연구에서는 잠제의 제원(천단수심, 천단폭, 사면경사, 제장)에 따라 해빈상을 전파하는 풍파의 처오름 높이 변화특성을 논의하기 위하여, 기존의 수리모형 실험치와 계산치를 비교 검토를 통해 타당성과 유효성이 검증된 수치모델로서, 파 투과성구조물 해빈의 상호간섭을 직접 해석할 수 있는 3D-수치모델(LES-WASS-3D; 허와 이, 2007)을 이용하여 잠제 2기의 제원에 따른 수치시뮬레이션을 실시하였다. 그 결과 천단수심, 천단폭, 사면경사, 제장의 변화가 연안에서의 처오름 높이에 미치는 영향에 관하여 검토하였으며, 아울러, 잠제 주변의 파고분포 및 상층흐름특성과의 관계에 대해서도 논의하였다.
International Journal of Ocean Engineering and Technology Speciallssue:Selected Papers
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제5권1호
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pp.14-21
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2002
In the present paper, the hydrodynamic properties of a Rahmen-type, flexible, porous breakwater interacting with obliquely or normal- incident small amplitude waves are numerically investigated. This system is composed of dual vertical porous membranes, hinged at the side edges of a submerged horizontal membrane. The dual vertical membranes are extended downward and hinged at seabed. The effects of permeability, Rahmen-type membrane breakwater geometry, pre-tensions on membranes, relative dimensionless wave number, and incident wave headings are thoroughly examined.
The aim of this study is to examine the effects of shape and plane arrangement of submerged breakwaters on 3-D wave breaking characteristics over them. First, the numerical model, which is able to consider the flow through a porous medium with inertial, laminar, and turbulent resistance terms, i.e. simulate directly WAve Structure Seabed/Sandy beach interaction, and can determine the eddy viscosity with a LES turbulent model in a 3-Dimensional wave field (LES-WASS-3D), has been validated by a comparison with Goda's equation for breaking wave heights. And then, using the numerical results, the wave breaking points over the crest of submerged breakwaters have been examined in relation to the shape and plane arrangement of submerged breakwaters. Moreover, the wave height distribution and upper flow around submerged breakwaters have been also discussed, as well as the distribution of the wave breaking points over the beach.
본 연구에서는 경계요소법을 이용하여 투과 저면위의 불투과성 잠제에 의한 투과율을 수치해석 하였다 해석기법으로는 유체와 투과성 영역을 동시에 해석할 수 있는 파압함수를 사용하였으며, 이론적으로 간단히 하기 위해, 투과성영역내의 파랑의 운동은 선형소산계수와 부가질량계수를 도입하여 정식화하였다. 투과 해저면 위를 진행하는 파랑은 진폭이 감쇠하면서 진행하는 것을 알 수 있었다. 그리고 투과율은 전체적으로 불투과 저면에 비해 투과 저면에서 작아지는 것을 알 수 있었으며, 잠제의 폭과 높이의 변화에 영향을 받는다는 것을 알 수 있었다.
본 연구에서는 투과성 잠제의 형상 및 평면배치에 따른 방류 흐름제어 기능을 분석하기 위하여 유체 투과성 구조물 해저지반의 비선형 상호간섭을 직접해석 할 수 있는 PBM (Porous Body Model) 기반의 3차원 수치파동수조(NWT; numerical water tank) LES-WASS-3D를 이용하였다. 먼저 이용하는 LES-WASS-3D의 타당성 및 유효성을 확보하기 위하여 투과성 구조물를 통과하는 댐 붕괴파의 전파특성에 관한 수리모형실험과 계산결과를 비교 분석하였다. 투과성 잠제를 고려한 방류시뮬레이션으로부터 투과성 잠제의 적절한 형상 및 평면배치는 방류유속을 저감하고 흐름을 유도하는 데 상당히 효과적인 것을 알 수 있었다. 또한 투과성 잠제의 형상 및 평면배치에 따른 흐름제어에 대한 적용성은 평균류분포, 연직유속분포를 통하여 확인할 수 있었다.
In coastal morphological modelling, there are a number of input factors: wave height, water depth, sand particle size, bed friction coefficients, coastal structures and so forth. Measurements or estimates of these input data may include uncertainties due to errors by the measurement or hind-casting methods. Therefore, it is necessary to consider the uncertainty of each input data and the range of the uncertainty during the evaluation of numerical results. In this study, three uncertainty factors are considered with regard to the prediction of coastal erosion in Ilsan beach located in Ilsan-dong, Ulsan metropolitan city. Those are wave diffraction effect of XBeach model, wave input scenario and the specification of the coastal structure. For this purpose, the values of mean wave direction, significant wave height and the height of the submerged breakwater were adjusted respectively and the followed numerical results of morphological changes are analyzed. There were erosion dominant patterns as the wave direction is perpendicular to Ilsan beach, the higher significant wave height, and the lower height of the submerged breakwater. Furthermore, the rate of uncertainty impacts among mean wave direction, significant wave height and the height of the submerged breakwater are compared. In the study area, the uncertainty influence by the wave input scenario was the largest, followed by the height of the submerged breakwater and the mean wave direction.
In this study, surface currents measured by small lagrangian GPS drifters (Aquadrifter) in Anmok coastal waters were analysed to account for the variability of nearshore surface current and wave-induced current to understand sediment transport mechanism near the crescentic bars in the surf-zone and near Kangneung breakwater and submerged breakwater in Anmok. The 8 times lagrangian drifter experiments were conducted mostly during in 2nd, 3rd, 4th intensive measurements in winter, summer, and spring seasons with long-term wave observation at the station W1. The analysed surface currents near the breakwaters in Anmok show that wave-induced currents at the middle of the submerged breakwater were separated and flowed toward the shoreline but offshore currents were dominant through the channels between the breakwaters. The longshore currents near the shoreline were flowed to the northwest (southeast) depending on the incoming waves from ENE (NNE). The surface nearshore offshore currents were generated mostly by waves and winds in case of high and low wave energy environments. Using the small-size lagrangian surface drifter experiments, we successfully measured longshore and offshore wave-induced currents in the surf-zone and near submerged breakwater close to Kangneung breakwater. The drifter experiment results show the availability of direct observation of nearshore surface currents to understand the mechanism of sediment transport analysing observed wave-induced current and ebb-current in the surf-zone generated by incoming waves and local winds.
In case of constructing submerged breakwaters for the purpose of preventing coastal erosion, the number of submerged breakwaters, as well as their asymmetry is dependent on the field conditions. The aim of the present study was to examine the 3-D hydrodynamic characteristics (3-D wave field, wave height, mean water level, and mean flow) around the asymmetric submerged breakwaters using a 3-D numerical model, LES-WASS-3D, which was validated through a comparison with existing experimental data and showed fairly nice agreement. From the numerical results, the wave height, mean water level, and mean flow are discussed in relation with the variation in the breakwater length ratio.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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