세 가지 수치모델을 이용한 완전반사 조건에서의 규칙파 조파 및 수리실험 검증 Regular Wave Generation Using Three Different Numerical Models under Perfect Reflection Condition and Validation with Experimental Data원문보기
2차원 조파수조에서 완전반사 조건의 규칙파 조파 실험을 수행하고, 세 가지 서로 다른 CFD 모델의 성능을 검증하였다. 사용된 CFD 모델은 CADMAS-SURF, olaFlow 및 KIOSTFOAM이었다. 쇄파가 발생하지 않는 조건, 중복파의 쇄파가 발생하는 조건, 입사파의 쇄파가 발생하는 조건에서 실험 및 모델링을 수행하였다. 그 결과 세 모델 중 KIOSTFOAM이 실험결과를 가장 잘 재현하는 것으로 나타났다. CADMAS-SURF는 KIOSTFOAM에 비해 계산 시간은 줄어들지만 계산 정확도가 상대적으로 더 낮았다. olaFlow는 계산은 가장 빠르지만 조파 경계에서 반사파 흡수가 만족스럽지 않고 쇄파 발생 시 파랑에너지를 과도하게 소산시키는 것으로 나타났다.
2차원 조파수조에서 완전반사 조건의 규칙파 조파 실험을 수행하고, 세 가지 서로 다른 CFD 모델의 성능을 검증하였다. 사용된 CFD 모델은 CADMAS-SURF, olaFlow 및 KIOSTFOAM이었다. 쇄파가 발생하지 않는 조건, 중복파의 쇄파가 발생하는 조건, 입사파의 쇄파가 발생하는 조건에서 실험 및 모델링을 수행하였다. 그 결과 세 모델 중 KIOSTFOAM이 실험결과를 가장 잘 재현하는 것으로 나타났다. CADMAS-SURF는 KIOSTFOAM에 비해 계산 시간은 줄어들지만 계산 정확도가 상대적으로 더 낮았다. olaFlow는 계산은 가장 빠르지만 조파 경계에서 반사파 흡수가 만족스럽지 않고 쇄파 발생 시 파랑에너지를 과도하게 소산시키는 것으로 나타났다.
Regular waves were generated in a wave flume under perfect reflection condition to evaluate performance of three CFD models of CADMAS-SURF, olaFlow, and KIOSTFOAM. The experiments and numerical simulations were carried out for three different conditions of non-breaking, breaking of standing waves, a...
Regular waves were generated in a wave flume under perfect reflection condition to evaluate performance of three CFD models of CADMAS-SURF, olaFlow, and KIOSTFOAM. The experiments and numerical simulations were carried out for three different conditions of non-breaking, breaking of standing waves, and breaking of incident waves. Among the three CFD models, KIOSTFOAM showed best performance in reproducing the experimental results. Although the run time was reduced by using CADMAS-SURF, its computational accuracy was worse than KIOSTFOAM. olaFlow was the fastest model, but active wave absorption at the wave generation boundary was not satisfactory. In addition, the model excessively dissipated wave energy when wave breaking occurred.
Regular waves were generated in a wave flume under perfect reflection condition to evaluate performance of three CFD models of CADMAS-SURF, olaFlow, and KIOSTFOAM. The experiments and numerical simulations were carried out for three different conditions of non-breaking, breaking of standing waves, and breaking of incident waves. Among the three CFD models, KIOSTFOAM showed best performance in reproducing the experimental results. Although the run time was reduced by using CADMAS-SURF, its computational accuracy was worse than KIOSTFOAM. olaFlow was the fastest model, but active wave absorption at the wave generation boundary was not satisfactory. In addition, the model excessively dissipated wave energy when wave breaking occurred.
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문제 정의
본 연구에서 사용된 CFD 모델에 관해서는 Oh and Kim (2017)에 제시된 바 있지만, 주요 내용을 요약하여 본 논문에 제시하였다. 본 모델은 Waves2FOAM(Jacobsen et al.
본 연구에서는 Wave2FOAM 모델에 내부조파 기법을 추가하여 개발된 CFD 모델인 KIOSTFOAM의 조파 및 소파 성능을 규칙파 수리실험 자료를 통해 검증하였다. 성능 비교를 위해 지금까지 국내에서 폭넓게 사용되어 왔던 수치파동 수조인 CADMAS-SURF(e.
본 연구에서는 바닥사면에서의 다중반사 조건에서 수치모델의 성능을 검증하기 위한 실험을 수행하였다. 이를 위해서 조파판 맞은 편에 위치한 소파제 전면에 아크릴판을 수조 상부 높이까지 설치하여 직립 반사판을 설치하였다.
제안 방법
본 연구에서는 Wave2FOAM 모델에 내부조파 기법을 추가하여 개발된 CFD 모델인 KIOSTFOAM의 조파 및 소파 성능을 규칙파 수리실험 자료를 통해 검증하였다. 성능 비교를 위해 지금까지 국내에서 폭넓게 사용되어 왔던 수치파동 수조인 CADMAS-SURF(e.g. Lee et al., 2008; Huynh et al., 2017)와 최근 국내에서 활용도가 증가하고 있는 오픈폼 모델인 olaFlow(e.g. Bae et al., 2018; Lee et al., 2018)에 대한 규칙파 수치모델링을 함께 수행하여 성능을 서로 비교 하였다. 그 주요한 결과를 요약하면 다음과 같다.
세 가지 모델의 조파 및 파랑 전파 특성을 3장에서 설명된 완전반사 조건의 수리실험 데이터를 이용하여 검증하기 위한 2차원 수치모델링이 수행되었다. CADMAS-SURF와 KIOSTFOAM은 내부조파 기법을, olaFlow는 조파 및 감쇠가 가능한 외부조파 기법(pure active wave absorption)을 사용하였다.
3에 보인 것처럼 조파수조 바닥 경사면의 경계를 정확하게 재현하는 것이 가능하였다. 세 모델 모두 바닥 경계에서는 no-slip 조건을, 횡방향으로 양측면의 경계 조건은 slip 조건을 적용하였다. 또한, 세 모델 모두 스폰지 층을 포함한 전체 계산영역의 격자 크기는 수조 길이 방향으로dx =0.
수치모델링 시간은 실험과 동일하게 60초로 하였으며, 계산 시간 간격(dt)은 각 모델의 내부 계산환경에 따라 자동으로 변동되도록 설정하였다. 또한 난류모델을 비롯한 각 모델의 파라메터 설정은 모두 기본값(default)을 적용하였다.
실험파는 파고 0.15 m, 주기 2.0 s 인 규칙파를 Table 1에 보인 세 가지 수심 조건에서 60초 동안 조파하였다. Lykke Andersen et al.
이러한 점을 고려하여 내부조파 기법을 OpenFOAM에 도입 하여 반사파를 효과적으로 제어할 수 있는 파랑 CFD 모델이 최근에 개발되었다(Oh and Kim, 2017). 이 모델의 조파성능을 검증하기 위해 본 연구에서는 단면 조파수조에서 규칙파를 조파하는 수리모형실험을 수행하고 파랑 CFD 모델 결과와 비교해 보았다. 비교 대상 모델로서는 Oh and Kim(2017)의 개발 모델 및 CADMAS-SURF(CDIT, 2001)와 olaFlow(Higuera et al.
본 연구에서는 바닥사면에서의 다중반사 조건에서 수치모델의 성능을 검증하기 위한 실험을 수행하였다. 이를 위해서 조파판 맞은 편에 위치한 소파제 전면에 아크릴판을 수조 상부 높이까지 설치하여 직립 반사판을 설치하였다. Fig.
대상 데이터
본 연구에서는 CADMAS-SURF(CDIT, 2001), olaFlow (https://olaFlow.github.io, 2018년 10월 22일 공개 버전), 그리고 2장에서 설명된 내부조파 오픈폼 모델(Oh and Kim, 2017) 세 가지를 수치모델링에 이용하였다. Oh and Kim (2007)에 의해 개발된 내부조파 오픈폼 모델은 KIOSTFOAM 이라고 명명되었다.
이 모델의 조파성능을 검증하기 위해 본 연구에서는 단면 조파수조에서 규칙파를 조파하는 수리모형실험을 수행하고 파랑 CFD 모델 결과와 비교해 보았다. 비교 대상 모델로서는 Oh and Kim(2017)의 개발 모델 및 CADMAS-SURF(CDIT, 2001)와 olaFlow(Higuera et al., 2013) 총 3 가지를 사용하였다.
01m로 동일하게 설정하였다. 총 계산 격자의 수는 CADMAS-SURF 346,000 개, olaFlow 258,000 개, KIOSTFOAM 518,400 개였다. KIOSTFOAM 의 격자 수가 더 많은 이유는 오픈폼 모델의 경우 공기에 해당하는 영역도 모델링하므로 연직 방향으로의 계산 영역을 더크게 설정했기 때문이다.
데이터처리
5시간, KIOSTFOAM이 약 3시간 소요되었다. 수치모델링의 결과 검증은 실험 계측이 이루어진 P1, P2 및 P3와 동일한 위치에서 수면변위 시계열을 각각 추출하여 계측된 시계열과 1:1로 비교하여 이루어졌다.
이론/모형
세 가지 모델의 조파 및 파랑 전파 특성을 3장에서 설명된 완전반사 조건의 수리실험 데이터를 이용하여 검증하기 위한 2차원 수치모델링이 수행되었다. CADMAS-SURF와 KIOSTFOAM은 내부조파 기법을, olaFlow는 조파 및 감쇠가 가능한 외부조파 기법(pure active wave absorption)을 사용하였다. 내부조파기법을 이용하는 경우에는 Fig.
한편 파 에너지의 소파를 위해서 스폰지층(sponge layer)을 사용하였다. 구체적으로는 Navier-Stokes 운동량 방정식에 각 방향 성분별로 다음과 같은 감쇠항을 적용하여 에너지를 소산시켰다.
본 연구에서 사용된 CFD 모델에 관해서는 Oh and Kim (2017)에 제시된 바 있지만, 주요 내용을 요약하여 본 논문에 제시하였다. 본 모델은 Waves2FOAM(Jacobsen et al., 2012)을 기반으로 개발되었으며, Waves2FOAM에서 채택하고 있는 조파기법인 이완법(relaxation method) 대신 원천함수(source function)를 이용한 내부조파 기법(Lin and Liu, 1999)을 아래와 같이 구현하여 모델에 적용하였다.
는 조파 영역의 x, y, z 방향의 길이를 각각 나타낸다. 조파 영역의 크기와 높이는 Chen and Hsiao(2016) 의 방법을 따라 선형파의 정규화된 속도분포에 근거하여 정 하였다. 이 방법에 따르면 조파 영역의 윗면(zs1)과 아랫면(zs2) 의 연직 높이 및 파 진행방향으로의 폭(ws)은 각각 다음과 같이 정의된다.
성능/효과
• 세 가지 모델 중 KIOSTFOAM이 모든 실험파 조건에 대해서 실험결과를 가장 잘 재현하는 우수한 성능을 나타내 었다.
olaFlow는 약 20초 이후부터는 계산된 파고가 실험값에 비해 작게 나타나기 시작하였고, 약 47초 이후부터는 미세한 위상 차이도 발생하였다. KIOSTFOAM 은 약 34초 이후부터 미세한 위상 차이가 나타났으며, 약 57초 정도에서 프로그램 실행이 중단되었다.
KIOSTFOAM은 세 모델 중 가장 수리실험 결과와 유사한 수면변위 시계열을 보였다. P3에 대한 결과인 Fig. 6에서는 CADMAS-SURF와 KIOSTFOAM은 대체로 수리실험과 유사한 결과인 반면, olaFlow는 30초 이후부터 50초 사이에 수리실험에 비해 파고가 더 크게 나타났다.
• 쇄파가 발생하지 않는 조건인 case A의 경우 세 가지 모델이 모두 대체로 수리실험 결과를 잘 재현하였다. 그러나 입사파와 반사파가 중첩되어 형성되는 중복파의 파형을 CADMAS-SURF 및 olaFlow에 비해 KIOSTFOAM이 더잘 재현하였다. CADMAS-SURF와 olaFlow에 의해 계산된 중복파의 파고는 실험값보다 근소하게 컸다.
• CADMAS-SURF는 KIOSTFOAM에 비해 계산 격자의 수가 작고 계산 시간도 30% 정도 단축되는 이점이 있다. 그러나 중복파의 파고 및 쇄파 발생 이후의 파고 재현에 있어 KIOSTFOAM에 비해서는 계산 정확도가 낮은 것으로 나타났다.
즉, CADMAS-SURF는 파형은 어느 정도 유지가 되지만 실험결과와는 상당한 차이를 보이는 결과를 보이며, olaFlow는 파형이 거의 뭉개진 형태의 시계열을 나타내었다. 반면에 KIOSTFOAM은 실험자료와 상당히 잘 일치하는 결과를 보였다. 다만 약 57초 정도에서 프로그램 상의 계산 불안정성으로 인해 실행이 중단되었다.
olaFlow는 파고 및 위상이 실험과 상당한 차이를 나타내었다. 반면에, KIOSTFOAM 모델은 계산된 파고 값이 실험값에 비해 다소 작기는 하지만 전반적으로 수리실험과 잘 일치하는 결과를 보였다.
11에서는 강한 쇄파가 발생한 영향으로 실험자료의 파형이 sine파 형태가 아니라 앞쪽으로 기울어지는 톱니 형태의 파형임을 알 수 있다. 세 모델 중에서는 KIOSTFOAM이 실험자료의 재현성이 조파 후 약 40초까지는 가장 우수한 것으로 나타났다. 그러나 그 이후에는 실험자료와의 일치도가 저하되었다.
04이었다. 이러한 환경에서 개별 실험 조건에 대한 계산 시간은 CADMASSURF가 약 2시간, olaFlow가 약 1.5시간, KIOSTFOAM이 약 3시간 소요되었다. 수치모델링의 결과 검증은 실험 계측이 이루어진 P1, P2 및 P3와 동일한 위치에서 수면변위 시계열을 각각 추출하여 계측된 시계열과 1:1로 비교하여 이루어졌다.
12에서도 다시 한번 확인된다. 즉, CADMAS-SURF는 파형은 어느 정도 유지가 되지만 실험결과와는 상당한 차이를 보이는 결과를 보이며, olaFlow는 파형이 거의 뭉개진 형태의 시계열을 나타내었다. 반면에 KIOSTFOAM은 실험자료와 상당히 잘 일치하는 결과를 보였다.
7에 보인 P1위치의 결과에서는 Case A에 대한 결과와 유사한 경향이 나타났다. 즉, 세 모델이 대체로 수리실험 결과를 잘 재현하였으나 조파판에서 재반사된 파가 영향을 미치는 약 50초 이후부터 CADMAS-SURF와 olaFlow 모델에서 계산된 파고가 더 커지는 경향이 나타났다.
• 사면에서 입사파의 쇄파가 강하게 발생하는 조건인 Case C 에서도 세 모델 중 KIOSTFOAM이 실험 결과에 가장 가까운 결과를 나타내었다. 특히 쇄파가 발생한 이후에 파랑이 도달하게 되는 P2와 P3 위치에서의 파형을 상당히 잘 재현함을 확인할 수 있었다. CADMAS-SURF도 실험값과 어느 정도 유사한 패턴의 파형을 계산해 내었지만 계산된 파고값 및 파의 위상은 실험값과 꽤 차이를 보였다.
한편, Fig. 8에 보인 것처럼 P2에서는 입사파와 반사파가 만나서 중복파가 형성되기 시작하는 약 40초까지는 CADMAS-SURF와 KIOSTFOAM의 결과는 수리실험과 잘 일치한 반면, olaFlow 의 경우 약 30초 이후부터 실험값에 비해 모델링 파고가 감소하면서 위상차가 발생하는 경향이 나타났다. 약 40초 이후부터는 중복파에 의한 쇄파가 발생하였는데 세 모델 중에서는 KIOSTFOAM이 수리실험과 가장 비슷한 결과를 보여주었다.
후속연구
• olaFlow의 경우 계산 시간 측면에서는 가장 유리하지만 조파 경계에서 반사파가 제대로 처리되지 않는 문제가 있는 것으로 나타났다. 따라서, 반사파 흡수를 위해 사용된 수치 해석적 방법(Higuera et al., 2013)의 개선이 필요할 것으로 판단된다. 또한 쇄파 발생 시 파랑에너지가 과도하게 소산되는 문제가 있는 것으로 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전산유체역학이란?
전산유체역학(Computational Fluid Dynamics: CFD)은 컴퓨터를 이용하여 유체의 유동 문제를 해석하는 방법으로서 비선형 편미분 방정식인 Navier-Stokes 방정식을 공간 및 시간에 대해 이산화(discretization)하여 수치기법(numerical methods) 알고리즘으로 풀어낸다. CFD 모델링에는 매우 많은 컴퓨터 자원이 필요하며, 초기에는 주로 슈퍼컴퓨팅 기술을 보유한 기관을 중심으로 사용되었다.
OpenFOAM가 GNU-GPL(General Public License) 정책을 채택한 이유는?
이러한 이유로 최근 소스가 공개된 CFD 모델에 대한 관심이 높으며, 그 중 가장 대표적인 것이 OpenFOAM이다. OpenFOAM은 소스코드를 일반에 공개하고 누구든지 수정· 배포할 수 있도록 하는 GNU-GPL(General Public License) 정책을 채택하고 있다. OpenFOAM에는 Navier-Stokes 방정식을 유한체적법(Finite Volume Method, FVM)으로 해석하는 모듈이 포함되어 있어 구조물 형상을 정확히 재현할 수 있 으며, VOF 기법을 이용하여 정밀한 수위 계산도 가능하다.
유한차분법의 활용성 측면에서의 단점은?
그러나 유한차분법(Finite Difference Method, FDM) 기반의 모델이기 때문에 구조물 경계면을 정확하게 재현할 수 없는 한계점을 가지고 있다. 또한, 새로운 기능을 추가하기 어렵고 모델 갱신이 지속적으로 이루어지지 않아서 활용성에 제약이 있다는 단점이 있다.
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