Finite Element Solution of Helmholtz Equation for Free Harbor Oscillation

항만 고유 진동 해석을 위한 Helmholtz 방정식의 유한요소 해법

For the numerical analysis of free oscillation characteristics in a harbor with general boundary and bottom topography, finite element method is applied. The governing Helmholtz equation is transformed into a generalized matrix eigenvalue problem using the standard finite element procedure. A computer code is developed for the numerical evaluation of natural frequencies and free oscillation modes. In the eigensolution process, a shifting strategy is devised for the treatment of numerical singularity. Scaling of coefficient matrix is also found to be effective for the alleviation of numerical ill-conditioning. For the test problems, firstly, analytical and numerical solutions are compared and validity of the code is obtained. Hence the method is successfully applicable for the real-world problems with general geometric boundaries and bottom topography.

일반적인 기하학적 경계와 해저 지형을 가진 항만에서 해수 고유 진동 특성의 수치해석을 위하여 유한요소법이 응용되었다. 지배 방정식인 Helmholtz방정식을 일반화된 매트릭스 고유치문제로 변환하는데 표준유한요소과정을 사용하였다. 고유주기와 고유진동모우드의 수치해를 얻기위한 컴퓨터 프로그램이 개발되었고, 고유치의 수치해석과정에서 수치적 특이성을 취급하기 위해 고유치 이동기법이 고안되었으며, 수치적 악조건을 극복하기 위해서는 행렬원소의 축척화가 효과적임을 알았다. 수치예로서 먼저 해석해를 알 수 있는 경우를 해석하여 수치해와 해석해를 비교해 봄으로써 작성된 컴퓨터 프로그램의 유용성을 확인하였고, 일반적인 경계 조건과 임의 수성의 실제 항만에 유한요소 해법을 적용하여 성공적으로 고유진동의 해를 구하였다.