Abstract
Recently, various novel numerical models based on Navier-Stokes equation have been developed for calculating wave motions in the sea with coastal or ocean structures. Among those models, Volume Of Fluid (VOF) method might be the most popular one, and it has been used for numerical simulations of wave motions including complicated phenomena of wave breakings. VOF method, however, needs enormous computation time and large computational storage memories in general, thus it is practically difficult to use this method for calculations in the case of random waves because long and stable computation (e.g for more than 100 significant wave periods) is required to obtain statistically meaningful results. On the other hand if the wave motion is potential motion, Boundary Element Method (BEM), which is a much faster and more accurate method than VOF method, can be effectively used. The aim of this study is to develop a new efficient model applicable to calculations of wave motion and/or wave-structure interactions under random waves. To achieve this, a strictly combined BEM-VOF model has been developed by making the best use of both methods' merits; VOF method is used in a restricted fluid domain around a structure where complicated phenomena of wave breakings may exist, and BEM is used in the other domains far from the disturbance where the wave motion may be assumed to be potential. The verification of the model was performed with numerical results for Stokes' 5th order wave propagation and a random wave propagation.
최근의 해안, 해양공학 분야에서는 구조물이 있는 영역의 파동을 계산하기 위해 Navier-Stokes 방정식을 기초로 한 많은 기법들이 개발되고 발전되어 왔다. 이들 중 파랑의 쇄파현상 등의 복잡한 파동현상을 재현하기 위한 수치해석 기법으로 Volume Of Fluid method (보프법)에 근거를 둔 수치해석 기법이 자주 사용되어지고 있다. 그러나 보프법은 일반적으로 방대한 계산시간과 기억용량이 요구되는 단점을 가지고 있어, 적어도 100주기 이상의 계산시간을 통한 해석이어야만 만족할 만한 결과가 나타나는 불규칙파랑의 경우, 보프법의 단독 적용으로는 현실적으로 어려워진다. 한편, 경계요소법(BEM)의 경우는 파랑을 신속하고, 정확하게 계산할 수 있으나, 비선형 현상을 재현할 수 없는 단점이 있다. 본 연구는 불규칙 파랑을 대상으로 하고, 구조물이 있는 경우의 파동현상도 계산이 가능한 수치 해석 기법의 개발을 목표로 하고 있다. 이를 위해, 두 기법의 장점을 살려 쇄파현상 등으로 인해 비선형 현상의 재현이 요구되는 영역에서는 보프법을 사용하여 계산하고, 비선형성을 무시할 수 있어 포텐셜이론이 적용 가능한 구간에서는 BEM을 사용하여 계산을 하도록 두 기법을 연결한 BEM-VOF model을 개발하였다. 개발된 수치모델의 검증은 5차 스톡스파의 파랑전파 및 불규칙파랑의 전파를 통해 수행하였다.
