A Numerical Simulation of Three- Dimensional Nonlinear Free surface Flows

3차원 비선형 자유표면 유동의 수치해석

In this paper, a semi-Lagrangian method is used to solve the nonlinear hydrodynamics of a three-dimensional body beneath the free surface in the time domain. The boundary value problem is solved by using the boundary integral method. The geometries of the body and the free surface are represented by the curved panels. The surfaces are discretized into the small surface elements using a bi-cubic B-spline algorithm. The boundary values of $\phi$ and $\frac{\partial{\phi}}{\partial{n}}$ are assumed to be bilinear on the subdivided surface. The singular part proportional to $\frac{1}{R}$ are subtracted off and are integrated analytically in the calculation of the induced potential by singularities. The far field flow away from the body is represented by a dipole at the origin of the coordinate system. The Runge-Kutta 4-th order algorithm is employed in the time stepping scheme. The three-dimensional form of the integral equation and the boundary conditions for the time derivative of the potential Is derived. By using these formulas, the free surface shape and the equations of motion are calculated simultaneously. The free surface shape and fille forces acting on a body oscillating sinusoidally with large amplitude are calculated and compared with published results. Nonlinear effects on a body near the free surface are investigated.

자유표면하에서 움직이는 임의의 형상의 3차원 물체로 인한 비선형 유체력을 준 Lagrangian 방법을 사용하여 해석하였다. 경계치 문제는 경계 적분 방법(Boundary Integral Method)을 이용하여 해결하였으며, 물체와 자유 표면의 형상은 곡면 Panel로 표현하였다. 이들 표면은 hi-cubic B-spline 방법을 사용하여 유한개의 작은 표면 요소로 나뉘어지게 되며, 또한 \phi와 (equation omitted) 표면 요소상에서 bi-linear하다고 가정한다. 특이점에 의한 유기 포텐시얼의 계산시 1/R에 비례하는 부분은 제거하고 해석적으로 처리하였다. 물체로부터 멀리 떨어진 곳에서의 유체 유통은 좌표계의 원점에 위치한 Dipole로 표현하였으며, Time Stepping시 Runge-Kutta의 4차 방법을 사용하였다. 3차원인 경우에 대한 적분 방정식과 포텐시얼의 시간 미분간에 대한 경계 조건이 유도되었으며, 이러한 식들을 사용하여 자유표면의 형상과 물체의 운동을 동시에 계산하였다. 대진폭을 가지고 규칙적으로 진동하는 물체에 작용하는 힘과 이때의 자유 표면 형상을 계산하고 기 발표된 자료와 비교하여 보았으며, 자유표면 근처에서 운동하는 물체에 작용하는 비선형 효과를 관찰하였다.