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문제 정의
- 본 연구는 규칙파 중 단일 원형 기둥에 대한 파랑-구조물 상호 작용의 후속 연구이다(Song and Park, 2017). 따라서 본연구에서는 정사각형 배열의 원형 기둥에 대한 wave run-up을 수치시뮬레이션 하였다. 구체적으로, 정사각형 배열의 원형 기둥에 대해 입사파의 진행방향(β)이 0°, 45°일 때, 구조물에 의한 파고변화를 살펴보았다.
제안 방법
- 결과는 특정한 거리(r = 0.503D, 0.592D, 0.797D, 1.0D)에서 45°간격으로 도식화하였다.
- 구체적으로, 정사각형 배열의 원형 기둥에 대해 입사파의 진행방향(β)이 0°, 45°일 때, 구조물에 의한 파고변화를 살펴보았다.
- 단일 원형 기둥에 대한 검증(Song and Park, 2017)을 바탕으로 정사각형 배열의 원형 기둥에서의 파랑 상호작용을 해석하였다. 파 경사도가 커질수록 원형 기둥 내부영역에서 발생하는 자유수면 상승이 증가한다.
- 자유수면의 영향을 정확히 고려하기 위해 자유수면 근처에 격자를 밀집시켰으며, 출구면으로 이동할수록 격자의 밀집도를 감소시켰다. 또한, 원형 기둥에 의한 파의 회절 및 산란 효과를 계산하기위해 해당 영역에 밀집한 격자를 생성하였다(Fig. 3). 파 경사도 H/L=1/30을 기준으로 자유수면에서 높이 방향 격자 크기(Δz )는 0.
- 본 연구는 기저 slover인 interFoam을 이용하여 이상유동(two-phase flow)을 해석하고, 파 경계조건을 구현하기 위해 “waves2Foam“을 사용하였다(Jacobsen et al.,2012).
- 본 연구에서는 2상 유동(two-phase flow)을 해석할 수 있는“interFoam”을 기저 solver로 사용하였고, 파의 생성과 흡수경계조건을 적용하기 위해 “interFoam” slover에 “waves2Foam” 라이브러리를 추가하여 사용하였다.
- 단일 원형 기둥에 대한 해석 결과는 파랑 하중 및 자유수면 변화의 1차 조화성분에 대해서는 충분히 만족할 만한 결과로 신뢰성을 검증하였다(Song and Park, 2017). 본 연구에서는 단일 원형 기둥에 대한 수치기법 검증을 토대로 정사각형 배열로 놓여진 4개의 원형 기둥의 상호작용을 예측하였다. Song and Park(2017)에서 단일 원형 기둥 전방으로 산란된파 Type 1과, 원형 기둥을 지나 측면에서 발달하는 Type 2 산란 효과가 본 연구에서도 나타나는 것을 확인 할 수 있다.
- 5D로 설정하여 심해조건을 만족하였다. 수치파랑수조에서 규칙파를 생성하기 위해 입구경계면에 수치조파 경계조건으로 속도,난류, 체적함수는 Dirichlet조건, 압력은 Neumann조건을 설정하였다. 이와 반대로, 출구경계면에서 반사효과 없이 유동이 빠져나가기 위해 속도, 난류, 체적함수는 Neumann조건, 압력은 Dirichlet조건으로 설정하였다.
- 오픈폼(OpenFOAM)이 제공하는 자동 격자 생성 유틸리티인 blockMesh와 snappyHexMesh를 이용하여 비정렬 격자로 격자를 생성하였다. 자유수면의 영향을 정확히 고려하기 위해 자유수면 근처에 격자를 밀집시켰으며, 출구면으로 이동할수록 격자의 밀집도를 감소시켰다.
- 수치파랑수조에서 규칙파를 생성하기 위해 입구경계면에 수치조파 경계조건으로 속도,난류, 체적함수는 Dirichlet조건, 압력은 Neumann조건을 설정하였다. 이와 반대로, 출구경계면에서 반사효과 없이 유동이 빠져나가기 위해 속도, 난류, 체적함수는 Neumann조건, 압력은 Dirichlet조건으로 설정하였다. 정사각형 배열의 원형 기둥 중심으로 물리현상이 대칭이기 때문에 절반만 해석하였다.
- 입사파의 진행 방향과 파 경사도에 따른 파랑 구조물 상호작용을 예측하였다. 파 경사도가 H/L=1/30일 때, H/L =1/16보다 전체적으로 낮게 예측되었지만 그 경향은 비슷하게 나타났다.
- 여기서 D는 원형 기둥의 직경을 나타낸다. 자유수면과 정상(top) 경계면사이의 거리를 1.5D로 설정하여 경계면이 입사파에 미치는 영향을 최소화 하였다. 자유수면과 바닥(bottom) 경계면사이의 거리는 12.
- 전산유체역학 오픈소스 라이브러리인 오픈폼(OpenFOAM)을 사용하여 규칙파 중 정사각형 배열의 원형 기둥을 대상으로 wave run-up과 원형 기둥 주위에서 일어나는 상호작용에 대해 해석하였다. 본 연구는 기저 slover인 interFoam을 이용하여 이상유동(two-phase flow)을 해석하고, 파 경계조건을 구현하기 위해 “waves2Foam“을 사용하였다(Jacobsen et al.
- 이와 반대로, 출구경계면에서 반사효과 없이 유동이 빠져나가기 위해 속도, 난류, 체적함수는 Neumann조건, 압력은 Dirichlet조건으로 설정하였다. 정사각형 배열의 원형 기둥 중심으로 물리현상이 대칭이기 때문에 절반만 해석하였다. 중앙 단면은 symmetry조건을 설정하였다.
이론/모형
- Song and Park(2017)은 수치파랑수조의 정확한 구현을 위해 난류모델에 대한 의존도 평가를 실시하였다. 본 연구에서도 물과 공기의 경계면에서 발생하는 수치적 난류 확산을 최소화하는 RNG k-∊ 모델을 난류모델로 선정하였다.
성능/효과
- Evans and Porter(1997)는 정다각형으로 배치된 원형 기둥구조물에 대해 계산을 수행하였다. 그 결과, McCamy and Fuchs(1954)의 식으로 계산된 단일 원형 기둥에 작용하는 하중보다 특정 주파수에서 각각의 원형 기둥에 작용하는 파랑하중이 더 큰 것을 확인하였다. 또한, Scolan andMalenica(1998)은 사각형 배열의 원형 기둥 주위에서 규칙파에 의한 회절현상을 연구하였고, 앞 쪽 두 개의 원형 기둥 사이에서 국부적으로 높은 자유수면 변화가 관측되었다.
- 파 경사도가 H/L=1/30일 때, H/L =1/16보다 전체적으로 낮게 예측되었지만 그 경향은 비슷하게 나타났다. 또한, 구조물에 의해 산란된 파들이 상호 중첩하는 위치에서는 파 경사도가 클수록 상대적인 파고가 더욱 증가하는 것을 확인 할 수 있었다.
- 오픈폼(OpenFOAM)이 제공하는 자동 격자 생성 유틸리티인 blockMesh와 snappyHexMesh를 이용하여 비정렬 격자로 격자를 생성하였다. 자유수면의 영향을 정확히 고려하기 위해 자유수면 근처에 격자를 밀집시켰으며, 출구면으로 이동할수록 격자의 밀집도를 감소시켰다. 또한, 원형 기둥에 의한 파의 회절 및 산란 효과를 계산하기위해 해당 영역에 밀집한 격자를 생성하였다(Fig.
후속연구
- 향후에는 본 연구에서 검증된 수치기법을 토대로 다양한 해양환경에 노출되어 있는 해양구조물과 파랑의 상호작용해석을 통해 정도 높은 비선형을 예측하고 효율적인 air gap 예측에 관한 연구를 진행 할 것이다.
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