Development and verification of a combined method of BEM and VOF

BEM과 VOF법을 결합한 수치모델의 개발과 그 타당성 검토

Recently, various novel numerical models based on Navier-Stokes equation rave 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 VOF 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 of the wave motion is potential motion, Boundary Element Method (BEM), which is a much faster and more accurate method than VOF method, am 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, 해양공학의 수치해석 기술은 구조물이 있는 영역에서의 파동을 계산하기 위해 Navier-Stokes방정식을 기초로 한 많은 수법들이 개발되고 발전되어 왔다. 이들 중, 파랑의 쇄파현상등의 복잡한 파동현상을 재현할 목적의 수치해석 기법으로 Volume Of Fluid method (보프법)에 근거를 둔 수치해석 기법이 자주 사용되어지고 있다. 그러나 보프법은 일반적으로 방대한 계산시간과 기억용량이 필요로 하다는 단점을 가지고 있어, 보프법의 단독 수법으로는 적어도 100주기 이상의 계산시간을 통한 해석이어야만 만족할 만한 결과가 나타나는 불규칙파랑에 대한 해석이 현실적으로 어렵다는 단점이 있다. 한편, 완전유체로 가정할 경우, 경계요소법(BEM)으로 파랑을 신속하고, 정확하게 개산할 수 있으나, 비선형 현상을 재현할 수 없는 단점이 있다. 본 연구는 불규칙파랑을 대상으로 하고, 구조물이 있는 경우의 파동현상도 계산이 가능한 수치 해석 기법의 개발을 목표로 하고 있다. 이를 위해, 두 수법의 장점을 살려 쇄파현상등이 있어 비선형 현상의 재현이 요구되는 영역에서는 보프법을 사용하여 계산하고, 비선형성을 무시할 수 있어 포텐샬 이론이 적용 가능한 구간에서는 BEM을 사용하여 계산을 하도록 두 수법을 연결한 BEM-VOF model을 개발하였다. 개발된 수치모델의 검증으로는 5차 스톡스파의 파랑전파 및 불규칙파랑의 전파를 통해 수행하였다.