Numerical Analysis of Wave-Current Interaction Phenomenon Using the Spectral Element Method

스펙트랄요소법(SEM)을 이용한 파랑-조류 상호작용 현상 수치해석 연구

In this paper, generation mechanisms of ocean freak waves are briefly introduced in the context of wave-current interaction phenomena. The present model of the fluid motion is based on the Navier-Stokes equations incorporating velocity-pressure formulation because of need to model the nonlinear wave interaction with spatially non-uniform current field. In order to deal with the free surface motion, an Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) description is adopted. As an accurate and efficient numerical tool, the spectral element method is presented with general features and specific treatment for the wave-current interaction problem. As an intermediate stage of development, solution procedure and characteristics aspects of the present modeling and numerical method are addressed in detail, and preliminary numerical results prove its accuracy and convergence.

본 논문에서는 Freak Wave의 생성원인에 대하여 간략히 논의하였으며, 이 중 파랑-조류 비선형 상호작용에 대한 이론 및 수치적 해석기법의 역사와 장단점 등을 기술한다. 본 연구에서는 파랑-조류 상호작용에 대한 수치모델링 및 해석 기법을 개발하고 있다. 개발 중인 수치해석 기법은 공간적으로 불균일한 조류와 파랑의 비선형 상호작용을 해석하기 위하여 Navier-Stokes 방정식을 이용하여 유동현상을 모델링하였으며, 이산화를 위하여 스펙트랄요소법(Spectral Element Method; SEM)을 이용하였다. 또한 자유표면의 운동을 효과적으로 기술하기 위하여 ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)기법을 사용하였다. 본 연구의 유동 모델과 수치해석기법의 과정과 특성, 그리고 장점 등에 대하여 논의하였으며, 초기적인 수치해석 결과를 제시하였다. 이를 바탕으로 개발된 수치해석기법의 정확성 및 수렴성을 확인할 수 있다.