Analysis of Motion Response and Drift Force in Waves for the Floating-Type Ocean Monitoring Facilities

부유식 해상관측시설의 파랑중 운동 및 표류력 해석

A three-dimensional numerical method based on the Green's integral equation is developed to predict the motion response and drift force in waves for the ocean monitoring facilities. In this method, we use source and doublet distribution, and triangular and rectangular eliments. To eliminate the irregular frequency phenomenon, the method of improved integral equation is applied and the time-mean drift force is calculated by the method of direct pressure integration over the body surface. To conform the validity of the present numerical method, some calculations for the floating sphere are performed and it is shown that the present method provides sufficiently reliable results. As a calculation example for the real facilities, the motion response and the drift force of the vertical cylinder type ocean monitoring buoy with 2.6 m diameter and 3,77 m draft are calculated and discussed. The obtained results of motion response can be used to determine the shape and dimension of the buoy to reduce the motion response, and other data such as the effect of motion reduction due to a damper can be predictable through these motion calculations. Also, the calculation results of drift force can be used in the design procedure of mooring system to predict the maximum wave load acting on the mooring system. The present method has, in principle, no restriction in the application to the arbitrary shape facilities. So, this method can be a robust tool for the design, installation, and operation of various kinds of the floating-type ocean monitoring facilities.

본 연구에서는 부유식 해상관측시설의 파랑중 운동응답 및 표류력 해석을 위해 Green 적분방정식에 기초한 3차원 수치해법을 개발하였다. 본 방법에서는 소오스분포와 더브렛분포를 함께 사용하였으며, 판요소로는 3각형 요소와 4각형 요소를 병행 사용하였다. 불규칙파수 현상을 제거하기 위해 개량된 적분방정식 해법을 적용하였으며, 시간평균 표류력의 계산은 원인별 성분파악이 가능한 물체표면 직접적분법을 사용하였다. 개발된 전산 프로그램의 검증을 위해 비교자료가 있는 구형 부유체에 대한 계산이 수행되었고, 이에 대한 계산을 통해 개발된 프로그램으로부터 신뢰성있는 결과를 얻을 수 있음을 확인하였다. 실제시설에 대한 적용예로서 직경 2.6m 흘수 3.77m인 원통형 해상관측용 부이에 대한 계산을 수행하여 그 운동특성 및 표류력 특성을 고찰하였다. 운동응답 해석결과는 공진주파수를 설치해역의 파랑 탁월주파수 범위밖에 놓이도록 부이의 형상과 치수를 조정하는데 활용할 수 있고, 또 이들 계산을 통해 댐퍼 등의 설치효과도 미리 예측할 수 있다. 또한, 계산된 표류력은 황천중에서 계류계에 걸리는 최대하중을 예측하는데 이용할 수 있으므로 계류계의 설계에 있어 중요한 기초자료로 활용된다. 본 수치해법은 원칙적으로 대상 부유체의 형상에 제약을 받지 않으므로 향후 다양한 형상의 부유식 해상관측 시설들의 설계 및 설치$\cdot$운용에 폭 넓게 적용할 수 있다.