• 한국방재학회:학술대회논문집
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• 2011.02a
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• pp.59-59
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• 2011

파랑의 전파와 변형에 대한 연구에는 수심방향으로 적분한 2차원방정식인 완경사방정식과 Boussinesq 방정식을 기반으로 한 수치모형을 이용한 연구가 최근까지 가장 활발하게 진행되어 오고 있다. 그러나 실제 구조물의 설계에는 2차원 수치모형에서 고려할 수 없는 수심방향 유속에 기인한 정확도의 문제로 인해 구조물의 형상과 재원을 설계하기 위한 정교한 수치모형실험이 어려워 주로 수리모형실험에 의존해 왔다. 수리모형실험은 실제 현상을 가장 잘 재현해낼 수 있어 신뢰성이 매우 높지만 다양한 실험을 수행하기가 어렵고 많은 시간과 비용이 소요되는 단점이 있다. 이에 따라 최근 수심방향으로 완전한 운동방정식인 Navier-Stokes 방정식을 푸는 3차원 수치모형에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이론적으로 매우 우수한 모형이긴 하나 정확도 높은 결과를 얻기 위해서는 매우 조밀한 격자를 필요로 하기 때문에 아직까지 막대한 계산시간이 필요하다는 단점이 있으나 컴퓨터 기술이 급격한 속도로 발전하고 있어 Navier-Stokes 방정식 모형의 적용 가능성은 계속 높아지고 있다. 파랑변형을 다루는 수치모형실험을 수행할 때 외부조파를 사용할 경우 구조물이나 지형에 의해 반사되어 나온 파랑이 조파지점에 도달할 때 실험영역으로 재 반사되는 문제가 발생한다. 이를 해결하기 위해 내부조파기법의 개발에 대한 연구가 필수적이었으며, 자유수면변위를 변수로 사용하는 모형의 경우 그 연구가 매우 활발하게 진행되어 왔다. 한편, Navier-Stokes 방정식 모형의 경우 자유수면변위를 변수로 사용하는 2차원 모형에 비해 상대적으로 연구가 미흡하였다. 본 연구에서는 기존의 연직 2차원 Navier-Stokes 방정식 모형에 사용된 연속방정식에 질량 원천항을 추가하는 내부조파기법을 도입하여 3차원 수치모형에서 고립파를 내부조파하고, 급경사에서의 고립파의 처오름 및 처내림 현상을 수리모형 실험결과와 비교 및 분석하였다. 수치모형은 Navier-Stokes 방정식을 엇갈림 격자체계에서 계산하는 동수압 모형으로서, Two-step projection 기법을 사용하는 유한차분모형을 사용하였다. 본 수치모형은 난류의 해석을 위해서 상대적으로 큰 에디(eddy)만을 고려하는 SANS(spatially averaged Navier-Stokes) 방정식을 계산하는 LES(large-eddy-simulation) 기반의 수치모형으로, 난류 모델링을 위해 Smagorinsky LES 모형을 사용한다. 또한, 압력장의 계산을 위해 Bi-CGSTAB 기법을 이용하여 Poisson 방정식의 해를 구하였으며, 자유수면 추적을 위하여 2차 정확도의 VOF(volume-of-fluid) 기법을 사용하였다. 수치모형실험이 전체적으로 수리모형실험에서 관측한 파랑의 처오름 및 처내림 현상을 잘 재현하고 있는 것으로 나타났으며, 정량적인 비교를 통해 수치모형의 성능을 검증하였다.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.45 no.6
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• pp.545-555
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• 2012

A numerical modeling has become increasingly popular and more important to the study of water waves with a rapid advancement of computer technology. However, different types of problems are induced during simulating wave motion. One of the key problems is re-reflection to a computation domain at the incident boundary. The internal wave generating-absorbing boundary conditions have been commonly used in numerical wave models to prevent re-reflection. For the Navier-Stokes equations model, the internal wave maker using a mass source function of the continuity equation has been used to generate various types of waves. Nonetheless, almost every numerical experiment is performed in two dimensions and only a few tests have been expanded to three dimensions. More recently, a momentum source function of the Boussinesq equations is applied to generate essentially directional waves in the three dimensional Navier-Stokes equations model. In this study, the internal wave maker using a momentum source function is employed to generate targeted linear waves in the three-dimensional LES model.

• 한국방재학회:학술대회논문집
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• 2010.02a
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• pp.63.1-63.1
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• 2010

수중구조물에 의한 파랑의 변형을 예측하기 위해 3차원 수치모형을 도입하여 수치모형 실험을 수행하였다. 본 수치모형은 Navier-Stokes 방정식을 유한차분법을 이용하여 계산하는 동수압 모형으로서, 난류의 해석을 위해서 상대적으로 큰 에디(eddy)만을 고려하는 SANS(Spatially Averaged Navier-Stokes) 방정식의 해를 구하는 LES(large-eddy-simulation) 기반의 수치모형이다. 엇갈림 격자체계에서 유한차분법을 사용하여 지배방정식을 해석하는 모형으로서 수치기법으로 Two Step projection 기법을 사용하여 SANS 방정식을 계산하였으며, Bi-CGSTAB 기법을 이용하여 Poisson 방정식의 해를 구하고 압력장을 계산하였다. 또한, 자유수면의 추적을 위하여 2차 정확도의 VOF(volume-of-fluid) 기법을 사용하였다. 먼저 선형파를 일정 수심상에서 조파시켜 해석해와 비교한 후 수중구조물이 설치된 지형에 적용하여 파랑의 변형을 수치모의하여 수리모형 실험 결과와 비교 및 분석하였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2011.05a
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• pp.43-43
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• 2011

최근 컴퓨터 기술의 발전으로 수심방향으로 완전한 운동방정식인 Navier-Stokes 방정식을 이용하는 3차원 수치모형에 의한 연구가 기초과학 분야인 수학에서부터 공학은 물론 의학 분야까지 광범위하게 진행되고 있다. 3차원 수치모형을 이용한 연구는 이론적으로 매우 우수하긴 하나 정확도 높은 결과를 얻기 위해서는 매우 조밀한 격자를 필요로 하기 때문에 아직까지 막대한 계산시간이 필요하다는 단점이 있으나 근래의 컴퓨터 기술이 엄청난 속도로 발전하고 있는 점을 감안할 때 적용 가능성은 계속 높아지고 있다. 이러한 흐름에 따라 해안공학 분야에서도 3차원 수치모형을 이용한 다양한 연구가 시도되고 있다. 복잡한 해안구조물로 인한 파랑변형 및 구조물의 안전성 등을 검토할 때 기존의 평면 2차원 수치모형이나 연직 2차원 수치모형으로는 재현이 힘들어 상대적으로 수치모형을 활용한 연구의 효용성이 낮았던 것에 비해 3차원 수치모형을 활용할 경우 복잡한 지형 및 구조물의 형상을 재현할 수 있기 때문에 좀 더 유용하게 사용될 수 있다. 한편, 파랑변형을 다루는 수치모형실험을 수행할 때 외부조파를 사용할 경우 구조물이나 지형에 의해 반사되어 나온 파랑이 조파지점에 도달할 때 실험영역으로 재 반사되는 문제가 발생한다. 이를 해결하기 위해 내부조파기법의 개발에 대한 연구가 필수적이었으며, 2차원 수치모형을 중심으로 그 연구가 매우 활발하게 진행되어 왔으나 Navier-Stokes 방정식 모형의 경우 상대적으로 연구가 미흡하였다. 본 연구에서는 3차원 Navier-Stokes 방정식 모형에서 내부조파기법을 도입하여 목표 파랑을 조파하였다. 수치모형은 Navier-Stokes 방정식을 엇갈림 격자체계에서 계산하는 유한차분모형으로 자유수면 추적에는 2차 정확도의 VOF(volume-of-fluid) 기법을 사용한다. 수치모형실험 결과를 일정한 수심을 전파하는 정현파의 해석해와 비교하였으며, 수치모형실험 결과가 비교적 정확하게 목표 파랑을 조파할 수 있음을 검증하였다.

• Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation
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• v.10 no.1
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• pp.111-117
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• 2010

A three-dimensional numerical model is employed to investigate wave deformation due to a submerged structure. The three-dimensional numerical model solves the spatially averaged Navier-Stokes equations for two-phase flows. The LES(large-eddy-simulation) approach is adopted to model the turbulence effect by using the Smagorinsky SGS(sub-grid scale) closure model. The two-step projection method is employed in the numerical solutions, aided by the Bi-CGSTAB technique to solve the pressure Poisson equation for the filtered pressure field. The second-order accurate VOF(volume-of-fluid) method is used to track the distorted and broken free surface. A simple linear wave is generated on a constant depth and compared with analytical solutions. The model is then applied to study wave deformation due to a submerged structure and the predicted results are compared with available laboratory measurements.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.43 no.9
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• pp.801-811
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• 2010

A three-dimensional numerical model called NEWTANK is employed to investigate solitary wave run-up with an internal wave-maker on a steep slope. The numerical model solves the spatially averaged Navier-Stokes equations for two-phase flows. The LES (large-eddy-simulation) approach is adopted to model the turbulence effect by using the Smagorinsky SGS (sub-grid scale) closure model. A two-step projection method is adopted in numerical solutions, aided by the Bi-CGSTAB (Bi-Conjugate Gradient Stabilized) method to solve the pressure Poisson equation for the filtered pressure field. The second-order accurate VOF (volume-of-fluid) method is used to track the distorted and broken free surface. A solitary wave is first internally generated and propagated over a constant water depth in the three-dimensional domain. Numerically predicted results are compared with analytical solutions and numerical errors are analyzed in detail. The model is then applied to study solitary wave run-up on a steep slope and the obtained results are compared with available laboratory measurements.

• Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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• v.13 no.1
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• pp.170-177
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• 1989

The non-linear k-.epsilon. model developed by Speziale was employed for the prediction of developing turbulent flow in a square duct. The numerical procedure incorporated a finite volume method using a strong conservation form of the partially-parabolized Navier-Stokes equation. Results of the calculation were compared with available experimental data on the mean velocity field and turbulent kinetic energy, and was found to be in favorable agreement.

• Journal of Navigation and Port Research
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• v.28 no.8
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• pp.753-757
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• 2004

The free-surface flow is simulated to make clear the viscous interaction of stem waves and the sub-breaking phenomena around a high speed vehicle. The Navier-Stokes equation is solved by a finite difference method where the body-fitted coordinate system, the wall function and the triple-grid system are invoked They are applied to study precisely on the stem flow of S-103 as to which extensive experimental data are available. Computations are extended to the submerged revolutional body. The numerical result shows that the gradient of M/Us is greatly influenced by the submerged depth And the stem wave is influenced by the separation due to the bow wave.

• Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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• v.34 no.2
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• pp.39-47
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• 1997

In the present paper, viscous flow fields around a wigley hull with appendages are analysed to study interactions between the hull and appendages. Navier-Stokes and continuity equations are solved by a finite volume method in a body-fitted coordinate system which conforms three dimensional ship geometries with appendages. A Sub-Grid Scale(SGS) turbulent model is used for a calculation of high Reynolds number flow. Numerical computations has been done for a Wigley hull form at $Rn=1.0{\times}10^6$. The results show that the present approach can predict, at least in qualitative sense, the influence of the appendages upon the flow field around a ship.

• Journal of computational fluids engineering
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• v.1 no.1
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• pp.64-70
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• 1996

Three dimensional turbulent flow fields around ships are simulated by a numerical method. Reynolds Averaged Navier-Stokes equations are used where Reynolds stresses are approximated by Baldwin-Lomax and Sub-Grid Scale(SGS) turbulence models. Body-fitted coordinate system is introduced to conform three dimensional ship geometries. The governing equations are discretized by a finite volume method. Temporal derivatives are approximated by the forward differencing and the convection terms are approximated by the QUICK or Kawamura scheme. The 2nd-order centered differencing is used for other spatial derivatives. Pressure and velocity fields are simultaneously iterated by the Highly Simplified Marker-And-Cell method. To verify the numerical method and turbulence models, flow fields around ships are simulated and compared to the experiments.