[논문]부유식 연직판의 규칙파 모델링을 위한 오픈폼 적용성 검토

오상호; 김건우

doi:10.9765/kscoe.2017.29.6.382

부유식 연직판의 규칙파 모델링을 위한 오픈폼 적용성 검토
Investigation of Applicability of OpenFOAM for Regular Wave Modeling of Floating Vertical Plate 원문보기

한국해안·해양공학회논문집 = Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, v.29 no.6, 2017년, pp.382 - 388

오상호 (한국해양과학기술원 연안공학연구본부) , 김건우 (국립목포해양대학교 해양.플랜트건설공학과)

초록
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본 연구에서는 OpenFOAM 기반의 부유식 연직판의 파랑 저감 성능 평가 수치해석 모델링을 수행하였다. Waves2FOAM 라이브러리를 기반으로 내부조파에 의한 파랑 생성 및 스폰지층에 의한 소파 기능을 추가로 적용하였다. 이렇게 추가된 조파 및 소파 기능을 먼저 간단한 2차원 해석으로 검증한 후, Briggs et al.(2001)의 규칙파 실험자료 2가지에 대한 수치모델링을 수행하였다. 모델링 결과는 실험자료와 대체로 잘 일치하였으며, Briggs et al.(2001)에 수록된 WAMIT 수치해석 결과보다 더 좋은 결과를 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study performed an OpenFOAM-based numerical modeling for simulating performance of wave reduction by a floating vertical plate. Based on the Waves2FOAM library, an internal wave generation and energy dissipation with sponge layers schemes were further implemented. The performance of wave generation and dissipation was first tested with a simple two-dimensional analysis. Then, numerical simulation was carried out with the experimental data of Briggs et al. (2001) for the two regular wave cases. In general, the modeling results agreed well with the experimental data, showing better agreement than the numerical analysis by WAMIT that is included in Briggs et al. (2001).

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 최근 전산유체역학 분야에서 적용성이 확대되고 있는 OpenFOAM을 이용하여 미 육군 공병단에서 개발된 부유식 파랑저감장치의 일종인 신속설치방파제(RIB)의 파랑 저감효과를 평가할 수 있는 수치해석 모델을 구현하였다. OpenFOAM을 기반으로 파랑의 조파 및 소파 기능을 제공하여 파랑 모델링을 수행할 수 있는 Waves2FOAM 라이브러리를 활용하여 Stokes 2차 이론을 따르는 규칙파 조파 모델을 구축하였다.
, 2001)에 공개하였다. 이러한 관점에서 RIB의 성능을 평가하는 수치모델을 개발하고 가용한 실험 데이터를 이용하여 검증하는 연구를 수행하였다. 특히 최근 여러 연구자들에게 관심을 받고 있는 공개 소프트웨어인 OpenFOAM 기반의 수치모델을 구축하고자 시도하였다.
이러한 관점에서 RIB의 성능을 평가하는 수치모델을 개발하고 가용한 실험 데이터를 이용하여 검증하는 연구를 수행하였다. 특히 최근 여러 연구자들에게 관심을 받고 있는 공개 소프트웨어인 OpenFOAM 기반의 수치모델을 구축하고자 시도하였다.

제안 방법

이렇게 구축된 수치모델의 적용성을 검토하기 위해서 Briggs et al.(2001)에 제시된 T = 0.88 s와 T = 1.41 s 규칙파 실험자료에 대한 수치모델링을 수행하였다. 그 결과 본 연구 에서 구축된 수치모델이 부유식 구조물 배후의 전달파고를 비교적 잘 예측함을 확인할 수 있었다.
8에는 Briggs et al.(2001)에서 제공하는 파고 관측 자료와 수치모델링 결과를 비교한 결과를 제시하였다. x = 3.
3차원 RIB 해석을 수행하기 전에 내부조파 및 스폰지층에서의 에너지 감쇠 성능을 평가하기 위한 2차원 수치모델링을 먼저 수행하였다. Fig.
본 연구에서는 최근 전산유체역학 분야에서 적용성이 확대되고 있는 OpenFOAM을 이용하여 미 육군 공병단에서 개발된 부유식 파랑저감장치의 일종인 신속설치방파제(RIB)의 파랑 저감효과를 평가할 수 있는 수치해석 모델을 구현하였다. OpenFOAM을 기반으로 파랑의 조파 및 소파 기능을 제공하여 파랑 모델링을 수행할 수 있는 Waves2FOAM 라이브러리를 활용하여 Stokes 2차 이론을 따르는 규칙파 조파 모델을 구축하였다. Waves2FOAM에서 기본적으로 제공하는 외부조파 및 경계에서의 소파 성능을 개선하기 위하여 내부조파 기법과 스폰지층을 이용한 소파 모듈을 추가로 적용하였다.
OpenFOAM을 기반으로 파랑의 조파 및 소파 기능을 제공하여 파랑 모델링을 수행할 수 있는 Waves2FOAM 라이브러리를 활용하여 Stokes 2차 이론을 따르는 규칙파 조파 모델을 구축하였다. Waves2FOAM에서 기본적으로 제공하는 외부조파 및 경계에서의 소파 성능을 개선하기 위하여 내부조파 기법과 스폰지층을 이용한 소파 모듈을 추가로 적용하였다. 이렇게 구축된 수치모델의 적용성을 검토하기 위해서 Briggs et al.
파향 및 주기가 서로 다른 14개의 실험파를 이용하여 계측이 수행되었다. 이 중에서 주기가 서로 다른 규칙파 2개 실험파에 대해 수치모델링을 수행하였다. Table 2에는 수치모델링이 수행된 실험파의 조건을 제시하였다.
6과 7에는 RIB 구조물 전면에서의 정압력과 동압력의 분포 그림을 제시하였다. 한편 파고 평가는 각 조건 별로 Table 1에 제시된 열 군데(Gauge 1~10)에서 조파 시작 후 40초에서 50초까지 10초 동안의 수면변위 자료를 추출하여 수행되었다. Fig.
5배로 설정하였다. 한편, 바닥 경계조건은 No-slip 조건을 적용하였다. Fig.

대상 데이터

두 개의 RIB 다리는 안쪽의 각도가 45°를 이루도록 설치되었다. 길이 9.1 m인 RIB 다리 2개는 16 mm 두께의 강판으로 만들어져 각각 4곳에서 수조 바닥에 단단히 고정되었다.
본 연구에서 수치모델링 대상으로 삼은 수리실험은 미 육군 공병단 평면 조파수조에서 수행되었다(Briggs et al., 2001). Fig.
실험 중 수면변위를 측정하기 위해 Fig. 1에 보인 것처럼 10개의 용량식 파고계가 사용되었다. Table 1에는 10개 파고 계의 위치를 나타내었다.
파고계 5개는 입사파 평가를 위한 것이고, 나머지 5개는 RIB에 의해 차폐되는 영역 내로 전달되는 파랑의 전달파고를 평가하기 위한 것이다. 파향 및 주기가 서로 다른 14개의 실험파를 이용하여 계측이 수행되었다. 이 중에서 주기가 서로 다른 규칙파 2개 실험파에 대해 수치모델링을 수행하였다.

이론/모형

2차원 영역에서 내부조파 및 스폰지층의 성능평가를 마친 후 Briggs et al.(2001)의 수리실험(Fig. 1)을 재현하기 위한 수치모델링을 수행하였다. Fig.
또한 조파 영역의 크기와 높이는 Chen and Hsiao(2016)의 방법을 따라 선형파의 정규화된 속도분포에 근거하여 정하였다. 이 방법에 따르면 조파 영역의 윗면(z_s1)과 아랫면(z_s2)의 연직 높이 및 파 진행방향으로의 폭(w_s)은 각각 다음과 같이 정의된다.
4에 보인 것처럼 계산 영역을 둘러싼 네 면에 모두 스폰지층을 두어 반사파의 영향을 제거 하였다. 바닥 경계조건은 마찬가지로 No-slip 조건을 적용하였다. 격자 간격은 파 진행방향(x) 및 측방향(y)으로 0.
본 연구에서는 OpenFOAM 기반의 공개 소프트웨어 Waves2FOAM을 이용하여 수치모델링을 수행하였다(Jacobson et al., 2012). OpenFOAM(Open Field Operation And Manipulation)은 C++ 언어로 작성된 CFD 소프트웨어로 프로그램 코드가 공개되어 누구나 수정 및 재배포가 가능하다.
Waves2FOAM 은 경계에서의 조파를 제공하며, 소파는 완화구간 (relaxation zone)을 통해 구현한다. 본 연구에서는 Waves2FOAM에서 제공하는 기본 조파 방법 외에 추가로 해석 영역 내부에서 조파하는 기법(Lin and Liu, 1999)을 구현하여 적용하였다. 원천함수(source function)를 s(t)라고 할 때 조파영역에서 연속 방정식은 다음과 같이 표시된다.

성능/효과

41 s 규칙파 실험자료에 대한 수치모델링을 수행하였다. 그 결과 본 연구 에서 구축된 수치모델이 부유식 구조물 배후의 전달파고를 비교적 잘 예측함을 확인할 수 있었다. 특히 Briggs et al.
41 s의 경우 파고계 6번 이후에서의 파고가 입사파고에 비해 그다지 작아 지지 않음을 알 수 있다. 대체로 실험자료와 수치모델링 결과가 잘 일치함을 확인하였다.
본 수치모델 결과로부터 파고계 6번부터 10번까지의 파고를 평균하여 입사파고로 나누어 전달파고비(K_T)를 계산한 값은 T = 0.88 s일 때 0.33, T = 1.41 s일 때 0.90이었다. 주기가 길어짐에 따라 전달파고비가 급속하게 증가함을 알 수 있다.
41 s인 경우의 수면변위 모습을 제시하였다. 조파선에서 조파된 파가 계산 영역 내로 전파되며 네 면의 스폰지층에서 파랑 에너지가 잘 흡수됨을 확인할 수 있다. 또한 Fig.

후속연구

(2001)에서 사용된 WAMIT 수치모델에 비해서 실험자료와 더잘 일치하는 결과를 얻었다. 본 연구에서 구축된 수치모델은 신속설치방파제와 같이 수면에서부터 일정 수심까지 연직으로 설치되는 부유식 연직판의 운동이 구속되어 움직임이 허용되지 않는 경우 유용하게 사용될 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	해상에서 파랑을 감쇠 시키기 위해 제안된 방법 중 미 육군 공병단이 개발한 것은 무엇인가?	현지 날씨가 좋더라도 해상에서는 먼 바다에서 생성된 파도가 밀려와서 작업환경을 악화시키는 요인으로 작용할 수 있다. 해상에서 파랑을 감쇠 시키기 위해 제안된 방법 중 하나가 미 육군 공병단(US Army Corps Engineering)에서 개발한 신속설치방파제(Rapidly Installed Breakwater; 이하 RIB로 나타냄)이다(Briggs et al., 1999; Briggs, 2001).
	OpenFOAM는 무엇에 근거한 프로그램인가?	OpenFOAM은 Navier-Stokes 방정식에 근거한 전산유체역학(CFD: Computational Fluid Dynmics) 프로그램으로 다양한 유동해석에 폭 넓게 적용될 수 있다. 특히 프로그램 소스가 공개된 무료 소프트웨어이기 때문에 라이선스 비용이 매우 비싼 상용 CFD 소프트웨어의 대안으로서 최근 활발하게 연구 및 현업 적용이 이루어지고 있다.
	해상에서의 작업중, 가장 큰 제약 조건은 무엇인가?	해상에서의 작업은 여러 제약 조건으로 육상 작업에 비해 어려움이 많다. 그 중 가장 큰 제약 조건의 하나로 파도에 의한 작업 환경의 어려움을 들 수 있다. 현지 날씨가 좋더라도 해상에서는 먼 바다에서 생성된 파도가 밀려와서 작업환경을 악화시키는 요인으로 작용할 수 있다.

참고문헌 (10)

Briggs, M.J. (2001). Performance characteristics of a rapidly installed breakwater system,. ERDC/CHL-TR-01-13, U.S. Army Engineer Research and Development Center, Vicksburg, MS.
Briggs, M., Ye, W., Demirbilek, Z. and Zhang, J. (1999). Comparison of hydrodynamic parameters for a floating breakwater. Proceedings of First International Symposium on Monitoring of Breakwaters, 37-51.
Chen, Y.L. and Hsiao, S.C. (2016). Generation of 3D water waves using mass source wavemaker applied to Navier-Stokes model. Coastal Engineering, 109, 76-95.

상세보기
Fowler, J., Resio, D., Briggs, M. and Pollock, C. (1996). Potential Uses for the Rapidly Installed Breakwater System. Proceedings of 23rd International Conference on Coastal Engineering In Coastal Engineering, 1631-1639.
Higuera, P., Lara, J.L. and Losada, I.J. (2013). Realistic wave generation and active wave absorption for Navier-Stokes models: Application to OpenFOAM(R), Coastal Engineering, 71, 102-118.

상세보기
Higuera, P., Losada, I.J. and Lara, J.L. (2015). Three-dimensional numerical wave generation with moving boundaries. Coastal Engineering, 101, 35-47.

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Jacobsen, N.G., Fuhrman, D.R. and Fredsoe, J. (2012). A wave generation toolbox for the open-source CFD library: Open-Foam(R). International Journal for Numerical Methods in Fluids, 70(9), 1073-1088.

상세보기
Lee, K.H., Bae, J.H., An, S.W., Kim, D.S. and Bae, K.S. (2016). Numerical Analysis on Wave Characteristics around Submerged Breakwater in Wave and Current Coexisting Field by OLAFOAM. Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, 28(6), 332-349.

원문보기 상세보기
Lin, P. and Liu, P.L.F. (1999). Internal wave-maker for Navier-Stokes equations models. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, 125(4), 207-215.

상세보기
Willmott, C.J., Robeson, S.M. and Matsuura, K. (2012). A refined index of model performance. International Journal of Climatology, 32(13), 2088-2094.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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